Produktivní vrtání Inconelu 718

Pro zvýšení produktivity pro tyto aplikace již není možné vystačit s univerzálními nástroji a při vývoji úspěšných obráběcích operací je třeba respektovat specifické fyzikální zákonitosti. Účinnou pomoc zde samozřejmě přináší správná volba řezného materiálu, geometrie, aplikace depozice tenkých vrstev i účinné usměrněné chlazení.

Přínos tenkých vrstev (povlaků) pro zvýšení trvanlivosti nástrojů při současném zvýšení řezných parametrů je dnes všeobecně známý. Mezi hlavní efekt patří zvýšení odolnosti břitu proti tepelnému a difuznímu ovlivnění i zlepšení frikčních parametrů. Koncern Gühring již téměř 40 let věnuje tomuto technickému oboru mimořádnou pozornost. Může se pochlubit světovým prvenstvím, když v roce 1980 zahájil éru depozice tenkých vrstev TiN na sériové HSS vrtáky. Již od počátku zde působí divize vývoje a konstrukce depozičních zařízení i tenkých vrstev. Používaná zařízení pro depozice jsou hlavně na fyzikální bázi (PVD), pro diamantové vrstvy pak na bázi chemické (CVD). Vývoj depozičních zařízení probíhá v přímém propojení s vývojem nových tenkých vrstev. Pro kvalitní procesy depozic tenkých vrstev jsou však nutná ještě další technická zařízení, která jsou v rámci koncernu rovněž konstruována a vyráběna. Je to například zařízení pro šetrné odstraňování tenkých vrstev, zařízení pro čištění nástrojů před depozicí, zařízení pro preparaci mikrogeometrie řezné hrany při dosažení dokonalé přilnavosti. Lešticí zařízení při konečné úpravě povrchu zlepšuje jeho kvalitu a přímým důsledkem je zvýšená trvanlivost nástrojů. Dále je také nutné mít propracovanou metodiku měření a analýz daných tenkých vrstev.

Dnes koncern Gühring disponuje vlastní paletou 15 druhů tenkých vrstev, které vznikaly postupně ve čtyřech generacích. V závislosti na požadovaných okrajových podmínkách pak vznikají odpovídající vrstvy pro konkrétní obráběcí aplikace. Tyto vrstvy charakterizuje:

• elementární chemické složení – titan, hliník, chrom, křemík, dusík, uhlík, kyslík;
• architektura – jedno-, více- a nanovrstvé, nanokompozitní, gradientní;
• procesní parametry – proud výboje, obloukové napětí, teplota, tlak;
• tloušťka vrstvy – 1 µm až 10 µm;
• preparace řezné hrany – definovaná mikrogeometrie;
• úprava po depozici – leštění.

První generaci v 80. letech minulého století představovaly pouze jednovrstvé povlaky TiN a TiCN. Čtvrtou nejnovější generaci představují nyní i nanokompozitní vrstvy Endurum a Signum.

Tato vrstva s tvrdostí až 5 500 HV0,05 je nejtvrdší nitridová vrstva na trhu. Extrémní tvrdost je dosažena díky speciální nanokompozitní struktuře, která se skládá z TiAlN a TiAlSiN. Mikrostruktura se vyznačuje extrémně jemnými nanokrystalky TiAlN (<10 nm), které jsou uloženy v matrici z nitridu křemíku podobné sklu a odolné vůči vysokým teplotám. Výsledkem je vysoká tvrdost, která zůstává zachována i za poměrně vysokých teplot při obrábění (< 800 °C). Struktura je také bez průběžných hranic zrn a tento efekt výrazně účinně zabraňuje difuzi obráběného materiálu do břitu nástroje. Výsledné vlastnosti přímo předurčují tuto tenkou vrstvu pro obrábění speciálních slitin, Inconelu a také pro kalené oceli a litinové materiály.

Pro aplikace vrtání jsou k dispozici monolitní vrtáky „racio“ z tvrdokovu s vnitřním chlazením RT 100HF. Pro aplikace těchto vrtáků do Inconelu 718 a zvýšení jejich základní trvanlivosti byly prováděny zkoušky, při kterých byly maticově zvyšovány parametry tlaku a množství procesní chladicí kapaliny. Při těchto experimentech se potvrdilo, že ani velké množství řezné kapaliny nemusí vést při vrtání vždy k lepšímu požadovanému výsledku, protože procesní kapalina musí být přiváděna k řezné hraně cíleně.

Laserové zpracování vrtacích nástrojů v současnosti nabízí nové možnosti optimalizace nástrojů. Nejdůležitějšími faktory pro ovlivnění přívodu řezné kapaliny při vrtání jsou průřez chladicích kanálků a jejich poloha v rámci hřbetní plochy nástroje. Struktura na této hřbetní ploše a přilehlých plochách může navíc ovlivnit proudění řezné kapaliny. Tyto struktury se zhotovují pomocí laserového obrábění. Cílem je přivést řeznou kapalinu cíleně k nejzatěžovanějším oblastem nástroje, zejména k těm, které jsou vystaveny vysokým teplotám. Sem patří například vodicí fazetka nebo roh břitu. Snížené teplotní zatížení pomáhá zpomalit průběh opotřebení a dále zvyšuje trvanlivost nástroje. Toto zpracování nachází využití u všech operací vrtání, při nichž jsou nástroje vystaveny vysokým teplotám. Díky lepšímu usměrněnému chlazení a sníženým teplotám, které jsou s tím spojené, dochází i ke zlepšení kvality otvorů.

Využitím simulace CFD (výpočtové modelování dynamiky tekutin) lze podrobněji analyzovat vliv průměru chladicího kanálku a laserem vyerodovaných struktur na proudění řezné kapaliny. První zkoušky byly provedeny na jednoduché drážkové struktuře, která sledovala ostří v konstantní vzdálenosti zhruba 150 μm. Tato drážka měla hloubku zhruba 50 μm. Provedené CFD simulace prokazují příznivý vliv na proudění řezné kapaliny a lepší chlazení vysoce tepelně zatěžovaných oblastí. Zvětšení oblasti v blízkosti rohu břitu, ke které se dříve z důvodu malých rozměrů prostoru mezi hřbetní plochou vrtáku a dnem vrtaného otvoru řezná kapalina téměř nedostala, přináší příznivější proudění i zvětšení tohoto prostoru pro lepší a usměrněné cílené chlazení. Nahnědlé usazeniny na hřbetních plochách nástrojů používaných pro obrábění slitiny na bázi niklu (Inconel 718) dokládají zvýšený chladicí výkon v těchto oblastech. Vytvořená drážka omezuje prostorové rozšíření usazenin ze spálené řezné kapaliny na oblasti mezi řeznou hranou a laserovou strukturou a omezuje i jejich intenzitu. Snížené tepelné zatížení tak zvyšuje dosažitelnou trvanlivost nástroje a zlepšuje dosažitelnou kvalitu otvoru při obrábění materiálu Inconel 718.

Na základě výsledků jednoduchých struktur byl prováděn další vývoj až ke složitějším tvarům, aby se ještě dále zlepšilo působení řezné kapaliny. Protože laserové obrábění nástrojů nabízí velkou volnost utváření struktur, byly vytvořeny mnohem složitější tvary, které by nebylo možné jinými obráběcími metodami realizovat. Úpravy laserových struktur zahrnují jak tvar, tak i polohu a hloubku úběru pro zajištění optimálního chlazení. I zde byla použita CFD simulace, aby bylo možné detailně analyzovat vlivy různých tvarů na proudění řezné kapaliny, jako například tvoření vírů v prostoru rohu břitu, které dále zvyšují chladicí účinek řezné kapaliny.
S pomocí dále vyvíjené struktury pro cílené vedení řezné kapaliny – zvané Fluid – bylo opět dosaženo výrazného zlepšení ohledně opotřebení vrtacích nástrojů oproti původní jednoduché struktuře. Paralelně s vývojem struktury probíhaly výzkumy týkající se samotného laserového obrábění, aby se zabránilo poškození v okrajových zónách a příliš vysoké drsnosti povrchu, které by mohly nepříznivě ovlivnit proudění.

Současné laserové obrábění dosahuje bez ohledu na obráběný slinutý karbid jakosti povrchu Rz < 5 μm, aniž by způsobovalo poškození okrajových zón, které omezují výkon nástroje. Struktura hřbetní plochy nijak podstatně neovlivňuje ani adhezi případných tenkých vrstev nástroje.

Při zkouškách vrtání Inconelu 718 byly zkoušeny tři varianty vrtáků. Klasické sériové RT 100HF, sériové s paralelní drážkou na hřbetní ploše a s optimalizovanou komplexní strukturou Fluid.
Řezné podmínky:

• průměr vrtáku: 6,80 mm;
• tenká vrstva: Signum;
• vrtaná hloubka: ap = 25 mm;
• vc = 35 m.min-1;
• f = 0,1 mm.ot.-1;
• p = 4 MPa, emulze 7 %.

V případě vrtáku s paralelní drážkou se trvanlivost zvýšila o 18 %, u optimalizovaného vrtáku s komplexní strukturou se zvýšila o 38 % proti standardnímu.

Modifikované nástroje by se měly používat zejména pro materiály, při jejichž obrábění vzniká vysoké tepelné zatížení. To je mimo jiné případ korozivzdorných ocelí, slitin titanu a slitin na bázi niklu. Nejnovější vývoj proto probíhá v oblasti obrábění materiálu Inconel 718. Jeho vlastnosti způsobují extrémní termomechanické i difuzní zatížení a tím výrazně omezují trvanlivost nástroje i produktivitu.

Základem úspěchu pro opracování těchto materiálů je depozice tenké nanokompozitní vrstvy Signum ze široké palety tenkých vrstev koncernu Gühring. K tomu optimalizované cílené usměrňování proudění chladicí kapaliny do místa řezu nabízí značný potenciál pro optimalizaci tohoto obráběcího procesu.

Gühring

Dr.-Ing. František Plánička

julie.uhlikova@guehring.de

www.guehring.cz