Produktivní obrábění nerezových ocelí a titanových slitin

Pro obrábění nerezových ocelí byly v poslední době speciálně optimalizovány všechny typy vyráběných rotačních nástrojů a ty jsou nabízeny jako komplexní VA program. Tento článek je zaměřen na zcela nové produkty, které byly představeny na veletrhu EMO v Miláně.

Nejpoužívanější nerezové oceli jsou ze skupiny austenitických ocelí. Tyto oceli disponují vysokým podílem chromu – přes 12 % – a díky tomu jejich vysoká korozivzdornost působí také proti chemicky agresivním látkám. Chrom vytváří na povrchu jen malou atomární chromdioxydickou vrstvu, která zabraňuje difuzi kyslíku a tím znemožňuje korozi do hloubky. Vedle chromu je však důležitou součástí chemického složení i nikl, často je také používán molybden pro optimalizaci mechanických vlastností.

Austenitické nerezové oceli jsou dnes nejčastěji používány v potravinářství, energetice, v lodním a petrochemickém průmyslu. Hojné využití nachází také v externí architektuře i stavebních okrasných prvcích. Nejpoužívanější jsou chromniklové oceli třídy 17240, 17246 a 17348.

Nerezové oceli (kromě feritických) jsou těžko obrobitelné. Tyto materiály mají sklon ke zpevňování obrobeného povrchu. Zpevnění vzniká přetvořením austenitu na deformační martenzit, který zvyšuje pevnost. To pak přináší rychlé opotřebení břitu, špatné lámání a špatný odchod třísek vlivem zadírání se v profilových drážkách nástrojů. Nízká tepelná vodivost způsobuje plastické deformace řezné hrany. Nárůstky na břitu způsobují nízkou jakost obrobeného povrchu. Chemická difuze mezi povrchem obrobku a břitu, obzvlášť na kulatých vodicích fazetkách, jsou dalším velice nepříznivým typem opotřebení. Vlivem této difuze dochází k vyplavování kobaltového pojiva z tvrdokovového řezného materiálu a následně dochází k poškození nástroje praskáním či vylamováním řezné hrany.

S ohledem na všechny uvedené nepříznivé vlivy je nutné nástroje pro aplikace v nerezových ocelích optimalizovat jako komplexní systém: řezný materiál – geometrie – povlak – řezné parametry.

V každém případě je nutné zvolit správný typ řezného materiálu, kde v případě slinutého karbidu je rozhodující velikost karbidových zrn i správný podíl kobaltového pojiva. Optimální typ deponované tenké vrstvy pak chrání řezné i vodicí části nástrojů před difuzním opotřebením. Obrábění nerezových ocelí také vyžaduje geometricky ostré nástroje, kde jejich úhly hřbetu a stažení průměru jsou koncipovány tak, aby vysoký podíl elastických přetvárných složek při obrábění nevedl k nalepování materiálu na břit. Vysoké posuvy vedou k optimálnímu odvodu tepla z místa řezu prostřednictvím třísek. Používání nástrojů s vnitřním chlazením zabezpečuje odvod tepla i třísek a snižuje efekt zpevňování povrchu. Aplikace vysoce výkonných řezných olejů zlepšuje poměry řezného procesu. Při nasazení emulze jako chladicího média je minimální koncentrace 8 %. Řezné rychlosti jsou proti ostatním druhům ocelí markantně nižší a jsou silně závislé na jednotlivých šaržích obráběného materiálu. Konkrétní optimální řezné rychlosti je nutné zvolit na základě obráběcích zkoušek pro každý daný případ. Při obrábění nerezových ocelí dochází k velkému zatížení soustavy, kde je třeba obzvlášť dbát na co nejtužší upnutí obrobku a na co nejmenší vyložení nástroje při nasazení na stabilních strojích.

Vysoké podíly chromu a niklu v nerezových ocelích přinášejí jejich korozní odolnost a pevnost. Zlepšení těchto vlastností však zhoršuje obrobitelnost a zvyšuje nárůst teplot při obráběcím procesu. Nový typ vrtáku RT 100Trigon umožňuje i v těchto materiálech vrtání při vysokých řezných a posuvových rychlostech. Hlavním inovativním prvkem těchto nástrojů je nová geometrie chladicích kanálů ve tvaru trojúhelníku. Nový trojúhelníkový tvar chladicích kanálů optimalizuje množství, rychlost a směr chladicí kapaliny tak, aby odvod tepla z místa řezu byl co největší. Proti klasickým kruhovým chladicím kanálům je zde chladicí médium cíleně směrováno do tepelně nejzatíženějších oblastí – na řeznou hranu a řezný roh. Dalšími inovacemi jsou optimalizované profily šroubovitých drážek s vysokou kvalitou jejich povrchu pro zlepšení odchodu třísek z místa řezu. Správný tvar třísek je zajištěn díky dvouploškovému vybroušení řezných hran, které jsou speciálně preparovány a na vrtáku je deponována tenká vrstva na bázi TiAlN.

Nový typ vrtáku RT 100 Trigon zahrnuje velkou škálu inovací.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Titan se vyznačuje vysokou houževnatostí, chemickou odolností a nízkou teplotní roztažností. Díky těmto specifickým vlastnostem je jako konstrukční materiál předurčen pro vysoce namáhané součásti například v letectví a kosmonautice. V těchto oborech jsou titan a jeho slitiny prakticky nepostradatelné. Současně však tyto vynikající specifické vlastnosti přinášejí enormní problémy při obrábění součástí. Pro produktivní frézování i těchto materiálů byly vyvinuty frézy s označením RF 100 Ti Aircraft. Geometrie čelního výbrusu a drážek i přechodový úhel zaručují stabilní frézování, drážkování i hrubování titanových a speciálních slitin. Optimalizovaný rohový rádius dále zvyšuje trvanlivost vlastního nástroje. Rozdílné úhly stoupání spirálních drážek v konečném efektu přinášejí snížení vibrací při obrábění. Díky tomuto nestejnému stoupání se při frézování načisto dosahuje prokazatelně lepší kvalita povrchu, kdy je možné i zvýšit posuvy při aplikacích frézování drážek a také při hrubování.

Příklad nasazení frézy RF 100 Ti Aircraft v titanové slitině:
• průměr nástroje: 12 mm;
• součást: strukturovaný díl v leteckém průmyslu;
• materiál: TiAl6V4;
• frézovací operace: kapsy nepravidelného tvaru.
Řezné parametry:
• ap: 24 mm;
• ae: do 0,53 mm (i-machining);
• vc: 155 m.min-1;
• n: 4125 min-1;
• fz: do 0,18 mm;
• vf: do 3 100 mm.min-1.

Množství odebraného materiálu činí Q = 36 cm³.min-1 a trvanlivost nástroje při hrubování je vyšší než 135 min.

Také frézy RF 100 Ti Aircraft vykazují výrazné inovace.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Řezné hrany závitníků jsou během obrábění vystaveny velkým bočním zatížením. Pro eliminaci jejich poškození byl vyvinut speciální povlak, který má pro tuto aplikaci vynikající mechanické vlastnosti, nízký koeficient tření a zároveň disponuje vysokou chemickou odolností proti chemickým prvkům z obráběného materiálu. Povlak, který dostal označení Sirius a představuje jedinečnou materiálovou kombinaci vysoce zatížitelného TiAlN s extrémně chemicky stabilním nitridem zirkonu, byl původně vyvíjen pro obrábění nerezových ocelí, je však pro tuto aplikaci širokospektrální. Závitníky mají také speciální geometrii pro optimální tvar třísek, jež jsou pak kontrolovaně transportovány z místa řezu. S uvedenými závitníky lze hospodárně řezat závity jednak v martenzitických a austenitických nerezových ocelích, ale i v dalších ocelových konstrukčních materiálech s pevností do 1 300 N.mm-2. Uplatnění rovněž nacházejí v měděných i hliníkových materiálech.

Technický pokrok v současné době vyžaduje používání nových kovových konstrukčních materiálů, které odolávají vysokým mechanickým zatížením za vysokých teplot i v agresivním prostředí – nerezových ocelí a titanových slitin. Technologové znají velmi dobře problémy při obrábění těchto ocelí a speciálních slitin. Použití optimalizovaných nástrojů z „nerezového a titanového“ programu umožňuje zvyšovat výkony a hospodárnost při obrábění těchto materiálů.

Gühring

Dr.-Ing. František Plánička

sekretariat@guehring.de

www.guehring.de