Témata
Reklama

Řezné materiály současnosti

Řezné materiály a nástroje odedávna určovaly produktivitu výroby a kvalitu obráběné produkce. Někdy je úchvatné pozorovat, jak malé množství řezného materiálu odolává nesmírnému mechanickému a teplotnímu zatížení při úběru materiálu, které dosahuje nejvyšších hodnot, pozorovatelných v technologické praxi. Často se nástroj musí včas vyměnit, i když na břitu mnohdy nejsou pouhým okem vidět stopy opotřebení, neboť nástroj není již chráněn tvrdými povlaky a nikdo nemůže riskovat havárii stroje a prostoje ve výrobě.

Světové statistiky a přehledy uvádějí, že základní druhy řezných materiálů pro produktivní obrábění a jejich relativní podíly se již několik let příliš nemění, pouze stoupá jejich vyráběný objem o 4–6 % ročně. Výraznější nárůst (až o 10 %) je zaznamenán u diamantu, což je dáno nejen rostoucím podílem aplikací hliníkových materiálů v dopravní technice a obráběním vyztužených kompozitních materiálů, ale i vyšším podílem např. v aplikaci vodítek pro výstružníkové hlavice, dále pro různé hlavice pro zpevňování povrchu po obrábění atd.

Reklama
Reklama
Přehled nástrojových materiálů v současnosti

Rychlořezné oceli znovu rychle řežou

K nejvyššímu pokroku v rychlořezných ocelích došlo v závěru 20. století, kdy se začaly na trhu používat polotovary vyráběné práškovou metalurgií (tzv. HSS-PM). Atomizované částice legovaných ocelí pomocí inertních plynů a znovu sintrované do kompatních polotovarů potlačily hned několik neduhů vyplývajících z jejich slévárenských nebo tvářecích technologií (dendritické struktury, odmíšení, řádkovitost, zbytková napjatost) a nabídly materiál s izotropními vlastnostmi, homogenitou a vysokou stabilitou v řezných vlastnostech. To ocenili všichni uživatelé spolehlivé a stabilní automatizované výroby. Nicméně, jak říkával docent Fremunt, „když si karbid vanadu vhodně sedne na břit frézy, pak je fréza prakticky nezničitelná.“ A to platí doposud, ale fréza má těch zubů obvykle více a ne vždy karbidy svou polohou a velikostí sledují naše přání.

Struktura rychlořezné oceli vyráběná práškovou metalurgií

Pokrok však přinesl materiál tzv. HSS SpeedCore, speciálně vyvinutý pro odvalovací frézy, který se vyznačuje zvýšenou tvrdostí za tepla a dalšími příznivými vlastnostmi. Jeho základem je tzv. bezuhlíkový martenzit, dále obsahuje zvýšený podíl kobaltu a molybdenu a jeho zvýšená tvrdost je dosažena díky speciálním intermetalickým nanostrukturám, vyráběným práškovou metalurgií. Ve spojení s PVD povlaky např. na bázi (Cr,Al)N + (V,Al)N, bylo u něj dosaženo řezné rychlosti až vc = 300 m.min-1 (ap = 1,2 mm, fz = 0,09 mm, vf = 50 mm.min-1), při obrábění za sucha, s přerušovaným řezem a čistým časem řezání 25 minut (při obrábění cementační oceli ČSN 41 4220.0 bez kůry). Statisticky významné nižší silové zatížení v řezné a pasivní síle při frézování dále přispívalo k velmi dobré kvalitě povrchu (Ra<2,5 µm).

Vliv zrnitosti na tvrdost materiálů
Druh krystalických vazeb na mechanické vlastnosti materiálů

Slinuté karbidy – povlakované

Zatímco slabým místem u HSS je martenzitická matrice, u slinutých karbidů je to především pojivo, které bývá z důvodu požadavků vysoké smáčivosti povrchu tvrdých zrn buď kobaltové, nebo niklové. To nabývá na významu s klesající velikostí zrna, která určuje pevnost materiálu, vyjádřenou například obecným Hall-Petchovým vztahem (znázorněno v grafu). Ten platí pro většinu technických materiálů. A zatímco slinuté karbidy běží v inovacích s různou velikostí zrna (submikrometrickou až nanometrickou) a různým podílem vlastních fází (WC, TiC, TaC, HfC atd.), případně vytvářením gradientních rozhraní (obohacených například o kobalt pro lepší zakotvení povlaku nebo za jinými účely), povlaky naprosto ovládly dominantní řezné vlastnosti soudobých nejrozšířenějších řezných materiálů a minimálně 85–90 % slinutých karbidů vyráběných dnes je povlakovaných. Tyto povlaky vytvářejí různé fyzikální a chemické vazby. Přestože existují desítky druhů povlakovacích režimů, ve své podstatě stále převládají základní technologie PVD,CVD, MTCVD nebo jejich kombinace. PVD technologie jsou svým fyzikálním principem (oblouk nebo magnetron) mnohem variabilnější a zejména vůči nástrojům teplotně šetrnější (200–400 °C) než CVD (s teplotami 900–1 000 °C nutných k disociaci reakčních plynů). V dnešní době se tyto vrstvy dělí na jednovrstvé, vícevrstvé, gradientní a tzv. nanovrstvy o celkových tloušťkách 2–5 µm. Vícevrstvé povlaky mají lepší odolnosti proti šíření trhlin oproti monovrstevnatým a lépe kompenzují tahovou zbytkovou napjatost v dílčích vrstvách. Tyto technologie dokážou vytvořit povlaky tvrdé (nad 20 GPa), velmi tvrdé (nad 40 GPa) až ultratvrdé (nad 80 GPa). Tým prof. Vepřeka dokázal vytvořit nanopovlak nc-TiN/α-Si3N4 o neuvěřitelné tvrdosti 105 GPa, což odpovídá tvrdosti diamantu a s unikátními řeznými vlastnosti. Převážně se však u tvrdých povlaků jedná o nitridy kovů (Ti, Al, Y, Cr, Si, W) – jednoduchých nebo komplexních. Nanovrstvy se dnes dělí dále na tzv. nanokompozitní, nanometrické, se supermřížkovou strukturou (tzn. tloušťka vrstev je u nich v nanometrech a mají specifickou periodicitu) a nanogradované (tříděné podle vlastností). Jejich příprava a stavba jsou složité, založené na složitých ab initio výpočtech a do úvahy se musí vzít velikost krystalitů, jejich rozhraní, tloušťky jednotlivých vrstev, povrchová a mezifázová energie, textura, epitaxní napjatost a deformace. To záleží na mnoha dalších faktorech, jako je například čistota základních kovů pro výrobu nitridů, která bývá často 99,9999 %. Ta je důležitá, protože i nepatrný obsah kyslíku vede k nízké pevnosti v některé krystalografické rovině, která doslova zbortí celou tuto „architekturu“ povlaku. Povlakované nástroje se dominantně používají pro soustružení, frézování a vrtání, což je přibližně 80 % všech obráběcích technologií. Vrcholnou technologii představuje tzv. technologie HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering), pomocí které se dosahuje vysoké hustoty elektronů a iontového toku díky velmi intenzivním pulzům vysokého napětí. To přispívá jak k vysoké ionizaci nanášených materiálů, tak k lepšímu hloubkovému průniku částic u tvarových nástrojů a vynikající přilnavosti povlaku. Hlavní ostří vrtáku na obrázku níže prakticky nezaznamenalo opotřebení ani po 60 minutách vrtání zušlechtěné oceli (Rm = 1 090 MPa), přičemž silové a momentové charakteristiky zůstaly prakticky stejné od počátku až do konce testování.

Detail čela slinutého karbidu s nanopovlakem


Mimo PVD technologie se nesmí zapomínat na moderní technologie MTCVD, které představují určitý přechod od CVD k PVD a povlaky vytvářené touto technologií vytvářejí unikátní řezné vlastnosti (zvýšenou lomovou houževnatost) při obrábění například pružinových ocelí (při rychlostech až vc = 700 m.min-1), ale i jedinečné výsledky v dosažené kvalitě opracování.

Hlavní břit HSS vrtáku chráněného PVD povlakem – HIPIMSVBD – chráněn á MTCVD povlakem

Řezná keramika

Řeznou keramiku představují nekovové anorganické materiály s vysokou tvrdostí za tepla, excelentní chemickou stabilitou a nízkou afinitou ke kovům. Na druhé straně jsou citlivější k tahovým a ohybovým složkám napětí. Keramika oxidická dosahuje nejvyšších tvrdostí za pokojové teploty (2 500 HV). Tzv. SiAlON má ze všech materiálů nejvyšší odolnost proti odpevnění a creepu v pásmu 700–1 000 °C (zachovává si tvrdost 1 500–1 600HV). SiAlON je vedle směsné keramicky Al2O3+TiC, zpevněné vlákny (whiskery) nejdolnější materiál na obrábění superslitin, i když často se používá i na obrábění šedé litiny. SiAlON je v podstatě kompozitní materiál – tvrdou matrici představuje fáze alfa, zatímco beta fáze ve tvaru jehlic zaručuje jeho houževnatost. Na rozdíl od povlakovaných slinutých karbidů však kritrtia opotřebení VB mohou přesáhnout i milimetr a více, a pokud fréza odebírá materiál, nechává se pracovat. U Inconelu 718 byla dokonce pozorována tvorba nárůstku chránícího břit, avšak nesmějí se používat nízké řezné rychlosti, ale naopak rychlosti vyšší – 1 000 m.min-1, fz = 0,3 mm a ap = 0,8 mm, za sucha. I když třísky tvoří gejzír, nemá to příliš velký dopad na obrobený povrch, většina tepla je odvedena třískou. Výhodná je volba SIALON pro trochoidní frézování drážek (patentováno rozněž Kennametalem), které umožňuje obecně velké hloubky řezu, výhodné zatížení břitu, hrubování i dokončování jednou frézou, dvojnásobný úběr materiálu a dvojnásobnou trvanlivost frézy v důsledku lepší stability frézování a rovnoměrnějšího opotřebení zubů. Poslední vývojovou variaci tvoří tzv. EADE-SIALON, která přináší příznivé ekonomické výsledky vůči předchozím řezným materiálům tohoto druhu. Naopak směsná keramika na bázi Al2O3, zpevněná vlákny SiC, se však pro obrábění ocelí a litin neosvědčila v důsledku vysoké reaktivity křemíku se železem.

Časový průběh průměrného řezného momentu při vrtání oceli (ø 4,2 mm, vc = 20 m.min-1, f = 0,07 mm)
Časový průběh průměrné posuvové síly při vrtání oceli (ø 4,2 mm, vc = 20 m.min-1, f = 0,07 mm)Časový průběh průměrného řezného momentu při vrtání oceli (ø 4,2 mm, vc = 20 m.min-1, f = 0,07 mm)

Supertvrdé materiály – kubický nitrid boru a diamant

Jak už bylo řečeno, tyto materiály zažívají renesanci v důsledku obrábění kompozitních materiálů, u kterých matrice činí spíše problémy s adhezí na břitu, avšak zpevňující vlákna (sklo, polyaramidy, kevlar, uhlík u CFRP) nebo eutektika s vysokým obsahem Si u litých Al slitin dokážou účinně abradovat i slinuté karbidy. Řadu let bylo u nich neřešitelné vytvořit účinný utvařeč třísek například pro obrábění kalených ocelí, ale to se s rozvojem mikroobráběcích center s pikosekundovými lasery zlepšilo. Touto technologií vrtání děr „za studena“ lze zhotovovat řezy bez tvorby povrchových trhlin prakticky do libovolných materiálů i vytvářet libovolné povrchové reliéfy. Nanášení diamantových povlaků metodami galvanickými a zejména PVD procesy tvoří účinné technologie pro broušení nástrojů ze slinutých karbidů nebo ochranu nástrojů pro obrábění lehkých slitin. Trvanlivost některých nástrojů se počítá doslova na roky i při třísměnném provozu.

Čelní plocha po obrobení
Frézování superslitiny Inconel 718 řeznou keramikou SIALON
Zubní implantáty z 3D tisku – titanová slitina
Titanová slitina pro kolenní implantát, dosahované parametry po EBM a obrábění

Nové výzvy k obrábění

Nové výzvy k obrábění představují zejména kovové materiály vyráběné například 3D tiskem. Vzhledem k tomu, že se jedná často o nástrojové oceli nebo slitiny titanu, tak nároky na jejich přesnost a kvalitu opracování jsou více než vysoké, nehledě na cenu základního prášku. Tyto materiály navíc vykazují rozdílné struktury vzhledem k orientaci energetického paprsku (laser, elektronový paprsek) a v řadě případů jde o obrábění zákalných struktur, martenzitických, provázených pórovitostí materiálu i trhlinami. Nicméně i u těchto materiálů lze dosáhnout vysoké kvality opracování, přičemž drsnost povrchu se po obrábění, omílání a leštění zlepší více než 800krát. I přes doporučení výrobce řezné nástroje dosahují v těchto podmínkách obrábění poměrně nízké trvanlivosti ve srovnání s obráběním stejného materiálu litého nebo tvářeného, což je předmětem dalšího bádání.

Intenzivní opotřebení VBD po obrábění Ti slitiny (EBM)

Poděkování
Tato práce byla podpořena VUT v Brně, Fakultou strojního inženýrství, Specifickým výzkumem 2018 „Výzkum v oblasti moderních výrobních technologií pro specifické aplikace“, FSI-S-16-3717.

Reference

[1] N. N. Cutting Tools, (2018), Dedalus Consulting, New York . [vid. 22. dubna 2018]. Dostupné z: www.dedalusconsulting.com
[2] Falk, Thomas. A New Material for High-Speed Hobbing. [vid. 22. dubna 2018]. Dostupné z: http://www.gearsolutions.com/article/detail/6187/a-new-material-for--high-speed-hobbing April 10, 2012
[3] S. Veprek, A. Niederhofer, K. Moto et al., Surf. Coat. Technol. 133–134 (2000) 152.

VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrstsví

Miroslav Píška, Katrin Bučková

piska@fme.vutbr.cz

https://www.fme.vutbr.cz/index.html

Reklama
Související články
Dokonalé povrchy řezných nástrojů

Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

Nanokompozitný povlak 4. generácie - nACRo4

Počas technologického procesu, akým je rezanie, frézovanie, vŕtanie, tvárnenie atď., je dôležité ochrániť nástroj s kvalitným povlakom, pričom sa dosiahne zníženie opotrebenia a naopak zvýšenie životnosti samotného nástroja. V dnešnej dobe nanoštrukturované povlaky priťahujú pozornosť mnohých vedcov po celom svete z dôvodu syntetizovania materiálov s unikátnymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Nanokompozitný povlak nACRo4 (nanokompozitná vrstva 4. generácie) sa skladá z nanokryštalických zŕn AlCrN, ktoré sú zabudované do amorfnej matrice Si3N4.

Zvýšení životnosti odvalovacích fréz

Odvalovací frézy jsou nástroje, které se používají při výrobě ozubení odvalováním. Jde o nejčastější způsob výroby ozubených kol, kdy se samotná fréza odvaluje po vnějším obvodu obráběného kola, které se pomalu otáčí. Zuby odvalovací frézy tak vytvářejí profil ozubení. Pro zajištění požadované přesnosti a kvality povrchu vyráběných ozubených kol při minimálních nákladech je nezbytné sledovat celý komplex výrobních parametrů. Kontrolovat je nutné zejména geometrii řezné hrany, drsnost povrchu a kvalitu povlaku na odvalovacích frézách.

Související články
Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nový utvařeč třísek

Neustále probíhající vývoj nové technologie povlakování, známé pod obchodním označením Dragonskin, pokračuje ve společnosti WNT vytvořením nové řady vyměnitelných břitových destiček pro soustružení s inovativní geometrií utvařeče třísky -XU. Zaměřením na tvarové a všeobecné soustružení řeší tento utvařeč mnoho problémů zejména v operacích, kde je vyžadováno dokonalé utváření třísky.

Sputtering v oblasti moderního PVD povlakování

V současné době jsou vysoce výkonné povlaky vyráběny celou škálou metod. Proces magnetronového naprašování (sputtering) umožňuje kombinovat různé povlakovací materiály a přitom poskytuje optimální pružnost a tvrdost povlaku. Ukázal se tak velmi efektivním pro mnoho aplikací.

Zvyšování efektivity soustružení

Jediným časem, kdy při obrábění dochází ke "skutečnému vytváření přidané hodnoty", zejména v případě operací využívaných ve velkosériové výrobě, jako např. při obrábění součástí hnacích ústrojí motorových vozidel, je čas v řezu. U všech soustružnických operací zde cestu ke zvýšení efektivity a snížení cen představuje optimalizace a automatizace. Produktivní obrábění součástí hnacích ústrojí v měkkém stavu, při současném dodržení požadavků na konzistentní kvalitu, je mimořádně náročné a vyžaduje extrémní konkurenceschopnost. Obrábění hřídelí, ozubených kol, objímek, pouzder, kroužků, pastorků nebo ložisek vyráběných z různých typů materiálů vyžaduje použití různých typů soustruhů a různých časů v řezu, přesto však mají prostředky umožňující zvýšení výkonnosti mnoho společného.

Povlak na bázi AlCrN zvyšuje trvanlivost fréz čtyřnásobně

Výroba součástí řídicího ústrojů automobilů klade na obrábění vysoké nároky. Při použití povlaku na bázi AlCrN u válcových fréz a protahováků se dosáhlo dvou- až čtyřnásobné zvýšení trvanlivosti břitu. Čímž se rovněž zkrátily časy na výměnu nástrojů.

Povlak DLC zvyšuje trvanlivost závitníků

Pro závitníky na řezání závitů do titanu byl vyvinut nový povlak CrTiN s horní vrstvou DLC. Ve srovnání se závitníky z HSS s povlakem TiCN je možné s nimi pracovat s dvojnásobnou řeznou rychlostí při dvojnásobné trvanlivost.

Cermety s vysokou tuhostí

Vysoký výkon při soustružení uhlíkových a slitinových ocelí přináší nově vyvinuté cermetové materiály společnosti Tungaloy Corporation.

Odhalte skryté možnosti při odvalování

V dnešním konkurenčním prostředí výrobci neustále hledají možnosti, jak zlepšit produktivitu výroby. Soustružení, frézování nebo vrtání s využitím jednorázových nástrojů umožňuje jednoduchou náhradu již zavedených řešení a je také mnohem levnější. U odvalování bude většina nástrojů repasována pro co nejlepší využití drahého nástroje. Obnova nástrojů zahrnuje patřičné přebroušení, povlakování a následnou úpravu, aby bylo dosaženo stejného výkonu srovnatelného s novým nástrojem. S řešeními společnosti GLEASON se můžete seznámit i v expozici IMTOS.

Inovace v povlakovacích zařízení

Obor povlakování patří mezi nejdynamičtěji se rozvíjející oblast nástrojů. Inovace v povlakování jsou hnacím motorem mnohých změn v používaných materiálech i v samotné konstrukci nejen u řezných nástrojů. Pro vytváření tohoto inovačního prostředí jsou zapotřebí neustále investice do nových a vyspělých technologií povlakování.

Konkurenceschopná výroba začíná kvalitním řezným nástrojem

Technologie obrábění tvoří společný základ pro řadu výrobních technologií. Touto zdánlivě jednoduchou technologií se vytvářejí různé tvary a rozměry rozmanitých součástí požadované kvality, další nástroje pro technologie tváření, vstřikování nebo lití pod tlakem. Dlouhodobým cílem je využívání zejména nástrojů s definovanou geometrií ostří, které má zásadní využití pro CNC a CAD/CAM technologie. Tato geometrie a její trvanlivost záleží na řezném materiálu a na podmínkách zatěžování v jednotlivých technologiích.

Vývoj, konstrukce a výroba vrtacích nástrojů

Výrobou nástrojů ze slinutých karbidů pod obchodní značkou K-Tools se již od roku 2000 zabývá Ing. Zdeněk Krátký. Původním záměrem bylo vyrábět pouze standardní frézy, ale dnes tvoří výroba speciálních fréz a vrtáků pro komplexní obrábění výrobků více než padesát procent výrobního portfolia společnosti.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit