Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Výsledná kvalita obrobeného povrchu je výrazně ovlivněna použitým řezným nástrojem, zadanými řeznými podmínkami, obráběcím strojem, obráběným materiálem a upínacími prvky. Na výsledných funkčních vlastnostech řezného nástroje se podílí zejména řezná geometrie, řezný materiál, deponovaná skladba povlaků, samozřejmě zvolená metoda povlakování, způsob úpravy ploch před povlakováním a významnou měrou také dokončovací fáze úpravy tvaru a integrity povrchu řezného břitu.

Výrobci řezných nástrojů přicházejí na trh s neustále novými řešeními řezných nástrojů (včetně upínacích systémů) směřujícími k dosažení maximální produktivity a minimálních nákladů. Často se potýkají s problematikou obrábění tvarově složitých dílů po 3D tisku.

Trendem v konstrukcích řezných nástrojů je dosažení univerzálnosti v použití nástroje, přesnosti, maximálního výkonu z hlediska vysokého úběru materiálu korunována snahou vynechat dokončovací operace. Je obtížné vyvinout univerzální nástroj pro široké spektrum materiálových vlastností obráběných dílů – viz například vyvinutá multimateriálová sorta CTPX710 od společnosti Ceratizit určená pro soustružení korozivzdorných ocelí, superslitin a neželezných kovů.

S oblibou jsou do výroby nasazována řešení vysokovýkonných frézovacích nástrojů (monolitní, s vyměnitelnými břitovými destičkami, ale i pájenými destičkami z polykrystalického diamantu aj.) k obrábění tvrdých ocelí, slitin na bázi titanu či hliníku, kompozitních materiálů apod. Hlavními oblastmi využití těchto fréz je automobilový a letecký průmysl, přičemž jsou často obráběny tvarově složité součásti. Výzkum nekončí jen u geometrie nástroje, ale zajímavé aspekty má také změna polohy osy řezného nástroje vůči obráběnému povrchu při víceosém obrábění.

Trendové konstrukční řešení nástrojů se vyvíjí s ohledem na rozšiřující se možnosti obráběcích strojů a programování. Například pro praktickou aplikaci výroby drážek do plného materiálu oproti konvenčnímu způsobu výroby monolitními stopkovými frézami ze slinutého karbidu lze s výhodami využít trochoidální frézování drážek frézami s vysokými rychlostmi posuvu. Při tomto frézování lze využít celou délku břitu stopkové frézy a zhotovit hluboké drážky na jeden průchod, a to i v aplikacích těžkoobrobitelných materiálů s řadou dalších výhod.

Předmětem vývoje je také oblast modifikace geometrie řezné hrany. Výchozí jsou základní typy geometrií řezné hrany, a to ostrá, zaoblená a zkosená. Takzvaně ostrá řezná hrana prodlužuje životnost nástroje, snižuje riziko nárůstku, ale není stabilní z důvodu rizika vyštipování břitu. Pro každou aplikaci je možno definovat optimální geometrii řezné hrany pro zajištění rovnováhy mezi požadovanou integritou obrobeného povrchu, řeznými parametry a trvanlivostí nástroje.

Postupně je výrobci rozšiřováno potrfolio monolitních nástrojů pro mikrofrézování těžkoobrobitelných materiálů při dosahování vysoké kvality obrobeného povrchu za použití nástrojů od rozměrů 0,01 mm. Produktivita mikrofrézování je závislá na vysokých otáčkách vřeten obráběcích strojů, řádově 250 000 min^-1. CNC mikrofézování umožňuje obrábět tvarové detaily a nahrazovat vyjiskřovací stroje. Příkladem za všechny je vývoj společnosti Mikron Tool, která na akci Medical Days 2019 předváděla obrábění kostní destičky z titanové slitiny nástroji o průměru 0,2 mm s vnitřním přívodem procesního média do místa řezu. Mikrofrézování speciálních slitin a kalených materiálů je zkoumáno řadou domácích i zahraničních výzkumných organizací.

Pro aplikace obrábění vysokými řeznými rychlostmi, kde je nutno pro dosažení vysokorychlostních efektů zvýšit teplotu v řezu, jsou vyvíjeny možnosti předehřevu obráběného materiálu vedené nástrojem. Tento požadavek se projevuje také v samotné konstrukci a upínání nástrojů. Konkrétně například v institutu Fraunhofer IPT byl vyvinut způsob přivádění laserového svazku do dutiny vřetena. Principem je průchod paprsku rotující optickou soustavu paralelně s osou vřetena, přičemž paprsek je zaostřen před břit nástroje. V praxi je možné realizovat předehřev při procesu obrábění různými metodami ohřevu (např. laserem, plazmovým obloukem, vysokofrekvenčním ohřevem, indukčním, elektrickým obloukem, kyslíkoacetylenovým plamenem, ohřevem celého objemu materiálu v elektrické nebo plynové peci aj.). V současnosti je největší pozornost věnována právě ohřevu materiálu laserovým paprskem kvůli jeho vysoké intenzitě energie a univerzálnímu využití. Paprsek laseru může být veden vřetenem nástroje nebo mimo něj. Nejjednodušším způsobem předehřevu při frézování je nasměrovat paprsek před nástroj ve směru posuvu frézy.

Základním axiomem technologií obrábění je převaha fyzikálně-mechanických vlastností materiálu řezného nástroje nad vlastnostmi materiálu obráběného. Výběr vhodného nástrojového materiálu je důležitým faktorem při návrhu efektivní obráběcí operace. Dnes již standardně jsou obráběcí nástroje vyráběny z širokého sortimentu nástrojových materiálů, a to od nástrojových ocelí, slinutých karbidů, cermetů a řezné keramiky až po supertvrdé materiály, jakými jsou syntetický diamant a kubický nitrid boru. Tento různorodý sortiment řezných materiálů je důsledkem dlouholetého výzkumu a vývoje v oblastech materiálového inženýrství. Nadto zpracovatelský průmysl usiluje o efektivitu využívání zdrojů a směřuje k ekologicky proaktivní budoucnosti. Dnes zpravidla až 95 % použitých vyměnitelných břitových destiček ze slinutého karbidu lze zrecyklovat.

Potřeba efektivně obrábět moderní strojírenské materiály (těžkoobrobitelné oceli, titanové a hliníkové slitiny, polymerní a kompozitní materiály aj.) jde ruku v ruce s vývojem řezných materiálů. Nástrojové materiály se vyznačují různou kombinací tvrdosti, houževnatosti, odolnosti proti opotřebení a teplotním rázům, chemické stálosti aj. Je důležité znát fyzikální a mechanické vlastnosti konkrétního nástrojového materiálu, v souladu s nimi stanovit oblasti jeho optimálního užití z hlediska produktivity, tak z hlediska minimalizace výrobních nákladů. Nové řezné materiály jsou vyvíjeny také pro aplikace technologie aditivního tisku nástrojů – například výrobcem označovaný hybridní karbid Vibenite 480, který na veletrhu EMO 2019 získal hlavní cenu v kategorii aditivní technologie.

Na základě vývojových směrů v oblasti strojírenských materiálů lze pozorovat trend využívání moderních konstrukčních materiálů, které se často vyznačují nadstandardními fyzikálně-mechanickými vlastnostmi. Jednou ze zajímavých aplikací nových materiálů je využití uhlíkových kompozitů nejen pro nástroje, ale také nástrojové upínače. Uhlíková vlákna o vysokém modulu pružnosti a vysoké pevnosti v polymerní matrici přinášejí řadu výhod, jako snížení hmotnosti, zvýšení dynamické tuhosti, vysoký útlum, pevnost, korozivzdornost a chemickou stálost.

Povlakování je velmi perspektivní cesta pro zlepšování řezných vlastností a zvyšování životnosti nástrojů. Metody CVD (Chemical Vapour Deposition) a PVD (Physical Vapour Deposition) povlaků náleží mezi základní typy povlakování řezných nástrojů. Všeobecně CVD povlaky mají vysokou odolnost proti otěru a skvělou adhezi ke slinutým karbidům. PVD povlaky zvyšují odolnost dané nástrojové třídy proti otěru, jejich vnitřní tlaková pnutí přinášejí zvýšení houževnatosti břitu a odolnosti proti tepelným hřebenovým trhlinám. PVD povlaky jsou s výhodami aplikovány při potřebě houževnatých, ale přesto ostrých břitů, jakož i pro obrábění materiálů snadno ulpívajících na břitu. V povrchové vrstvě substrátu povlakovaného nástroje sehrávají významnou roli zbytková napětí. Tahová napětí se projevují při povlacích nanášených metodou CVD. Tlaková naopak při volbě povlaků nanášených metodou PVD při tloušťce 2–5 μm.

Výsledky výzkumu dokládají, že po broušení nástrojů ze slinutého karbidu dochází k adheznímu opotřebení v důsledku vysokých zbytkových napětí. Po depozici vytvořené metodou PVD jsou v povrchových vrstvách tlaková napětí. Doposud se vědci neshodli, zda tlaková napětí na povrchu slinutých karbidů před PVD depozicí jsou nežádoucí, nebo zda naopak přispívají k uzavírání trhlin a ke snížení rozdílu zbytkových napětí mezi deponovanou vrstvou a slinutým karbidem. Pokud by se prokázala nevhodnost zbytkového napětí v důsledku snazšího překročení pevnosti v tlaku, pak je možné je eliminovat tepelným zpracováním nebo dokončovacími procesy povrchové vrstvy, např. mikroúpravou řezného ostří, odleštěním povrchu či vlečným omíláním nástrojů. V případě pozitivního vlivu tlakového zbytkového napětí by bylo vhodné jej posilovat, aby nedošlo k jeho relaxaci.

Nové možnosti skýtají aplikace nanokompozitních povlaků spolu s tlakovým vnitřním napětím PVD vrstev v použitelnosti nástrojů. Mezi moderní metody PVD patří metoda magnetronového katodického naprašování vysokovýkonnými elektrickými pulzy HIPIMS. Touto metodou je možné povlakovat i těžko dostupná místa a tvarově složité geometrie řezných nástrojů. Povlaky HIPIMS jsou celistvé, dobře přilnavé a dosahují nízkých hodnot parametrů drsnosti. Princip magnetronového naprašování přináší možnost vytvářet kombinace různých variací povlaků v závislosti na typu odprašovaného terče. Odprašovat lze vodivé i nevodivé prvky (Ti, Al, Zr, C, Cu, B, S aj.) v různých poměrech spolu s přivedenými plyny.

V současnosti probíhají analýzy těchto procesů a jejich vlivu na opotřebení, trvanlivost ostří a také na jejich dopad na integritu vzniklého povrchu. Zbytková napětí jsou však jen částí hodnocení kvality povrchu. Pro komplexnější pohled je nutno hodnotit další charakteristiky integrity povrchu břitu řezného nástroje, což je předmětem dalších výzkumů.

Pro účely ustavování obráběních nástrojů je v praxi využívána řada kontaktních i bezkontaktních systémů měření a pro detekci stavu opotřebení nástrojů. Pro vysoké přesnosti měření jsou pro Průmysl 4.0 připravena nová řešení bezkontaktního ustavování nástrojů, např. systém NC4+ Blue využívající patentovanou technologii modrého laseru zdokonaleného optikou. Ve srovnání s běžně používanými zdroji červeného laseru u bezkontaktních nástrojových sond má technologie modrého laseru kratší vlnovou délku, což přispívá k lepšímu lomu světla a optimalizované geometrii laserového paprsku. Vylepšení přesnosti měření nástrojů zajišťuje kvalitnější a efektivnější obrábění součástí.

Aplikace systémů nástrojových sond napomáhá zavádění automatického provozu s výhodami významné úspory času a nákladů na obrábění, eliminace chyb lidského faktoru při ručním nastavování, automatického výpočtu velikosti stanoveného kritéria opotřebení a následné korekce rozměru, detekce porušení nástroje v průběhu obráběcí operace, snížení počtu neshodných dílů a další.

Na trhu jsou nabízeny nástroje, které jsou opatřeny senzory pro měření vibrací, teplot v místě řezu apod. Systém doplňují inteligentní držáky nástrojů, které komunikují s řídicím systémem obráběcího centra. Jedním z takových pokrokových držáků je například držák iTendo od firmy Schunk, který získal hlavní cenu MM Award 2019 v kategorii Nástroje. Digitální data je možno sledovat on-line vzdáleným přístupem a provádět zásahy, jako jsou změna řezných podmínek apod. Zavedení digitalizace procesů a sdílení dat bude z hlediska konkurenceschopnosti výrobní firmy nutností.

Při obrábění kovových materiálů je často řešeným problémem vznik vibrací, které se negativně projevují na kvalitě obrobeného povrchu a řízení celého procesu obrábění. Existuje řada způsobů umožňující jejich eliminace. Jednou z možností je využití tlumených nástrojů viz například řešení od společnosti Sandvik Coromant pod označením Silent Tools. Uvnitř tlumeného nástroje je zabudován tlumicí systém, který tvoří těleso o vysoké hmotnosti uložené v pružných pryžových segmentech.

Pojem toolmanagement nelze spojovat pouze s výdejovými automaty na nástroje. Jedná se o komplexní, rozvinuté produkty nabízející správu a sledování toku nástrojů a úzce navazující na plánovací systémy ve výrobní firmě po celou dobu životnosti nástroje. Pokud má firma fungující systém skladového hospodářství s nástroji, úspory se následně projeví nejen v redukci nástrojů, ale také například ve snížení času na programování, jelikož má programátor možnost vybírat z knihovny nástrojů, které jsou ve firmě k dispozici k okamžitému použití bez zbytečných prostojů s ověřováním dostupnosti nástroje. Získané zkušenosti ze zavedených systémů toolmanagementu ukazují, že mají pozitivní vliv na průběh celého výrobního procesu. Toolmanagement je v souznění s postupující digitalizací a principy Průmyslu 4.0.

Výrobci nástrojů aplikují pro výrobu nových inovativních řezných nástrojů aditivní technologie tisku kovových a kompozitních materiálů. Kromě často rychlejší výroby speciálních tvarově složitých nástrojů lze uplatněním těchto technologií začlenit do konstrukce komplikované chladicí kanálky, které by běžnými metodami byly nákladné a neefektivní. Z důvodu omezené přesnosti výtisků zatím stále nemohou být z výrobního procesu řezných nástrojů vyřazeny obráběcí operace pro dokončení lůžek pro vyměnitelné břitové destičky a ustavující rozměry nástrojů. Na trhu jsou distribuovány soustružnické, frézovací, vystružovací i vrtací nástroje s topologicky optimalizovanou konstrukcí nejen tvaru, ale také vnitřní struktury pro účely odlehčení nástroje a snížení výrobních nákladů při stávajícím zajištění užitných vlastností obdobných jako při konvenční konstrukci, viz například odlehčená fréza CoroMill 390 společnosti Sandvik Coromant vyráběná s využitím aditivní výroby.
Od aplikace odlehčených struktur (lattice stucture) je očekáváno snížení hmotnosti, zvýšení vlastní frekvence nástroje, směrově orientované vlastnosti, zlepšení útlumu rázů, vysoká tuhost a s tím spojený předpoklad zajištění vyšší produktivity. Samotné snížení hmotnosti rotačních nástrojů má pozitivní vliv na snížení setrvačných účinků, což se promítá i do energetické náročnosti procesu obrábění při rozjezdu a zastavování nástroje. Možnost směrově orientovat například tlumicí vlastnosti má kladný dopad na trvanlivost břitu a stabilitu obrábění.

Při vývoji nových řezných nástrojů je potřeba uvažovat celkový koncept nástroje s využitím multidisciplinárního přístupu, poněvadž každá jeho vlastnost ovlivňuje praktickou aplikaci nástroje. Současné trendy jdou ve snaze získat výkonnější nástroje v kombinaci s vhodnými upínacími soustavami cestou zavedení prvků digitalizace a autonomního sledování obráběcího procesu.

doc. Ing. et Ing. Mgr. Jana Petrů, Ph.D.

https://www.fs.vsb.cz/346/cs/