Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Řezné materiály současnosti
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.


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 – HIPIMS


VBD – 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 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. dubnAnotace
. Dostupné z:  www.dedalusconsulting.com
[2] Falk, Thomas. A New Material for High-Speed Hobbing. [vid. 22. dubnAnotace
. 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

Další články

Technologie pro povrchové úpravy
Nástroje pro obrábění / řezné materiály

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky













Sledujte nás na sociálních sítích: