Řezné nástroje a testování jejich vlastností

Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) při Fakultě strojní ČVUT v Praze se mimo jiné dlouhodobě zaměřuje právě na oblast testování vlastností řezných nástrojů ať již pro výrobce, dodavatele nebo uživatele nástrojů, a to včetně následných doporučení a optimálních řešení pro konkrétní reálné aplikace, tedy optimalizace obráběcích technologií.

Řezné nástroje podléhají neustálému vývoji, ať již jednotlivých prvků, jako je řezný materiál, povlak, makro- a mikrogeometrie břitu, těleso nástroje či upínač, nebo celých nástrojových sestav. V důsledku tohoto vývoje se neustále posouvají limity a vlastnosti nástrojů především směrem k vyšší životnosti břitů, odolnosti proti působení teplot, nižším silám při obrábění a lepším dynamickým vlastnostem. I s ohledem na komplikované teplotně-mechanicky iniciované děje a jevy, které se při obrábění vyskytují, dnes prakticky není možné zmiňované vlastnosti nástrojů ověřit jinak než empirickým testováním. Předmětů testů může být hned několik (vhodnost volby strategie obrábění, typu nástroje, volby řezných a pracovních podmínek, stroje atp.). Cílem testu pak bývá nejčastěji dosažení vyšší trvanlivosti břitu, nižšího silového zatížení, vyšší jakosti obrobku nebo v konečném důsledku efektivnější a produktivnější obrábění konkrétního kusu.

Testování s cílem určit základní vlastnosti nástrojů a jejich porovnávání s dalšími alternativami probíhá nejčastěji v tzv. laboratorních podmínkách, tedy v tomto případě na půdě VCSVTT. Výsledkem je výběr nejvhodnějšího vzorku s definicí vhodných řezných podmínek s následným možným přenosem výsledků na konkrétní realizaci. Tento přístup je dnes hojně využíván především pro obrábění těžkoobrobitelných a stále ne zcela běžných materiálů, jako jsou titanové, niklové slitiny, speciální korozivzdorné oceli, případně kompozitní materiály.

Zkoušky nástrojů, obráběcích strategií a řezných podmínek je však možné realizovat i přímo pro odladění konkrétní technologie v praxi. V takových případech je měření prováděno přímo ve výrobě na reálných výrobcích. To však s sebou nese několik rizik a nepříjemností. Největším rizikem je možné nevratné poškození obrobku při eventuální destrukci testovaného nástroje. Zejména v případě vysoké ceny polotovaru a již předobrobeného kusu by šlo o nepříjemný následek testu. Počítat je také třeba s určitým snížením produktivity výroby na daném stroji po dobu trvání testů. Pro potřebu zvýšení hospodárnosti nebo produktivity obrábění je konečnou fází zkoušek správná interpretace a přepočet výsledků na velikost výrobních nákladů nebo rychlosti úběru materiálu.

Pro oba zmíněné typy testů je přitom nejdůležitější dodržení dvou základních pravidel – jednak správně navrhnout a objektivně provést zkoušky a dále na základě předchozích zkušeností správně zanalyzovat a využít výsledky zkoušek.

Základem pro možnost úspěšné realizace zvyšování efektivity obrábění je nasazení takových řezných nástrojů a podmínek, které povedou ke zlepšení vlastností v některém z důležitých aspektů. V rámci samotných řezných zkoušek jsou proto u nástrojů sledovány především: trvanlivost břitu (doba obrábění, objem odebraného materiálu, počet obrobků, počet vyvrtaných děr, atp.), způsob utváření třísky (funkce nástroje), velikost řezných sil (celkové silové zatížení nástroje a stroje), teplota v nástroji a obrobku nebo vliv práce nástrojů na kvalitu obrobku (drsnost, zpevnění povrchu). Všechny zde zmíněné zkoušky jsou přitom prováděny i ve VCSVTT.

O tom, jak silně je ovlivněna trvanlivost břitu daného řezného nástroje správnou volbou řezných podmínek (řezná rychlost, posuv, hloubka řezu), chlazením (typ, koncentrace, způsob, tlak a objem dodávání do řezu), strategií obrábění, upnutím nástroje (tuhost, vyložení), již bylo napsáno mnoho odborných a naučných textů, a to často s rozporuplnými nebo i navzájem zcela protichůdnými výsledky. To ale jen potvrzuje, že trvanlivost břitu je velmi důležitou vlastností řezného nástroje a také, že jde o vlastnost, která je velmi citlivá na nastavení ostatních podmínek obráběcího procesu a na správnost a preciznost provedení měření. Mnohokráte jsme si přitom ověřili, že každý problém s nevyhovující životností břitu řezného nástroje je třeba řešit komplexním přístupem s ohledem na všechny okolnosti daného obráběcího procesu (stav stroje, dostupné chlazení, upnutí a tvar obrobku nebo kvalita používaných nástrojů). Trvanlivost břitu nástroje je přitom jedním z klíčových aspektů pro stanovení efektivity obrábění.

Vhodné utváření třísky je vedle trvanlivosti břitu neméně důležitá vlastnost nástroje. Zejména při automatizované výrobě soustružením vedou nežádoucí špatně utvářené třísky k poškozování obrobku a také nástroje. Testy utváření třísek a funkčnosti nástrojů jsou proto prováděny i na půdě Výzkumného centra VCSVTT. V popředí zájmu je především vývoj a testování utvařečů pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů, případně výroba utvařečů laserovými technologiemi na nástrojích z řezných materiálů typu slinutý karbid, řezná keramika nebo polykrystalický diamant. Pro hodnocení funkce nástroje je vedle klasických experimentálních metod možné využít také snímání vysokorychlostní kamerou či simulačního softwaru, případně i metalografických metod vyhodnocení struktury třísky.

Jedním z limitů dalšího zvyšování produktivity a využití řezných nástrojů může být také maximální výkon a krouticí moment vřetena obráběcího stroje nebo poddajnost některého z prvků soustavy stroj-nástroj-obrobek. Nejen volbou strategie obrábění, ale i typem nástroje či konkrétní geometrií břitu lze výrazně snížit potřebný výkon a moment a také silové zatížení této soustavy. To následně umožní vyšší úběry materiálu. Velikost řezných sil je navíc nepřímou indikací stavu břitu řezného nástroje. Jeden praktický výsledek ukázal, že pouhou volbou nástroje pro jednu identickou operaci (čelního frézování oceli Ck45, 1.1191) lze potřebu příkonu a krouticího momentu na vřetenu obráběcího stroje snížit až o 50 %!

Především pro dokončovací operace je důležité sledovat kvalitu obrobeného povrchu. Samostatnou a rovněž důležitou kapitolou v rámci provozních zkoušek řezných nástrojů jsou proto testy za účelem ověření možností jejich práce ve vztahu ke kvalitě obrobku. Důležité mohou být přitom prakticky všechny aspekty integrity obrobeného povrchu – drsnost povrchu, zbytková napětí v povrchové vrstvě po obrábění, zpevnění a mikrotvrdost povrchové vrstvy, tvarová a rozměrová přesnost obrobku nebo změna mikrostruktury materiálu. Opět platí, že vliv volby řezného nástroje v kombinaci s řeznými podmínkami je na uvedené vlastnosti obrobku velký.

Znalost vlastností řezných nástrojů a správné využití jejich potenciálu je klíčem ke zvyšování efektivity a produktivity obráběcích operací. Rostoucí vstupní ceny energií, surovin, lidské práce, ale i samotných řezných nástrojů nás tak nutí k jejich optimálnímu využívání. Testy vlastností nástrojů se tak postupně stávají nedílnou součástí optimalizací stávajících a zavádění nových technologií obrábění.

Ing. Pavel Zeman, Ph.D.

P.Zeman@rcmt.cvut.cz

www.rcmt.cvut.cz

Ústav výrobních strojů a zařízení, VCSVTT, FS ČVUT v Praze

Umístění na MSV, pavilon P, stánek 123