Suché frézování materiálu Ti6Al4V vysokými rychlostmi

Při frézování těžkoobrobitelných materiálů je často doporučována aplikace umělého řezného prostředí, a to především ve formě emulzí o standardní koncentraci (5 až 10 %). Dodávání procesní kapaliny do místa řezu běžnými tlaky a objemy však nemusí být v těchto případech vždy dostatečně účinné. Výrazně lepších výsledků bývá dosaženo při tzv. vysokotlakém a velkoobjemovém chlazení, kdy je do místa řezu dodáno zvýšené množství kapaliny o velkém tlaku (např. okolo 7 MPa) [1]. Na druhé straně ovšem působí na výrobce potřeba snižování nákladů, stejně jako stále se zpřísňující bezpečnost práce a ekologická legislativa, a to nejen z pohledu existujícího nebezpečí z hlediska zdraví obsluhy obráběcího stroje. Pod vlivem těchto skutečností hledá mnoho výrobců řezných nástrojů, ale také jejich koncových uživatelů, řešení prostřednictvím suchého, popřípadě málo mazaného obrábění těchto materiálů. Mazání místa řezu aerosolem vzduchu a minimálního množství oleje je poměrně moderní metodou s relativně širokým rozsahem aplikací, které však ještě nebyly dostatečně ověřeny právě v případě obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Podobně je na tom i technologie suchého obrábění, kterou rozumíme obrábění v přirozeném prostředí, jež je tvořeno pouze upraveným či neupraveným vzduchem. Suché obrábění je výhodné aplikovat především v souvislosti s obráběním vysokými řeznými rychlostmi (HSC - High-Speed Cutting).

Podstatou HSC obrábění je zvyšování řezných a posuvových rychlostí s hlavním cílem zvýšit podíl tepla odvedeného třískou, a naopak snížit podíl tepla odvedeného nástrojem a obrobkem. Oblast obrábění vysokými řeznými rychlostmi leží pro materiály Ti a jeho slitiny mezi cca 120 až 1000 m.min^-1 a Ni a jeho slitiny v rozmezí 40 až 300 m.min^-1 [2]. Jelikož je však obecně známým jevem, že s nárůstem řezné rychlosti dochází také k nárůstu intenzity opotřebení nástroje, je nezbytné pro danou obráběcí operaci experimentálně nalézt optima křivek produktivity obrábění ve vztahu k celému rozsahu doporučených řezných podmínek pro daný nástroj.K jednomu z nejpoužívanějších těžkoobrobitelných materiálů ve strojírenské výrobě patří slitina Ti6Al4V.

Tento materiál se vyznačuje dobrými mechanickými, fyzikálními, ale i chemickými vlastnostmi. Konkrétně se jedná o nízkou měrnou hmotnost, vysokou pevnost v tahu, vysokou smluvní mez kluzu a vynikající korozní odolnost, zejména vůči chloru a chloridům. Především pak nízká tepelná vodivost, nízký modul pružnosti a hexagonálně těsně uspořádaná mřížka mají vliv na zhoršenou obrobitelnost této slitiny. Při teplotách nad 600 °C navíc dochází k tvorbě tvrdé vrstvy kysličníků a pod ní ležící zpevněné vrstvy. Všechny tyto faktory vyvolávají nehomogenní deformaci v oblasti primární plastické deformace a zmiňované intenzivní opotřebovávání břitu nástroje. Při frézování slitiny Ti6Al4V slinutými karbidy, které se zde aplikují především při dokončovacích a polohrubovacích operacích, se obvykle doporučuje použití relativně nízkých řezných rychlostí (30 až 80 m.min^-1) a umělého řezného prostředí, nejčastěji ve formě emulzí standardních koncentrací (5 až 10 %).

Trvanlivost břitu frézovacího nástroje se stanovuje nejčastěji při operacích čelního frézování (obr. 2), a to buď při sousledném, nebo při nesousledném způsobu obrábění. Sousledný způsob obrábění znamená v případě obrábění materiálů na bázi Ti slitin ve většině případů menší intenzitu opotřebení, která vede k delší trvanlivosti břitu řezného nástroje. V některých případech může být nevýhodou tohoto způsobu existence rázů působících na břit nástroje při jeho vjíždění do materiálu. Tyto rázy mohou v krajním případě vést až k nenadálé destrukci břitu menšího či většího rozsahu.Pro identický nástroj a podmínky vedlo sousledné frézování titanové slitiny Ti6Al4V k prodloužení trvanlivosti břitu nástroje přibližně 3,5x v porovnání se způsobem nesousledným (obr. 3).

Rozdíl výsledků trvanlivostí břitu pro obě metody frézování spočívá v existenci již zmíněné tvrdé zpevněné vrstvy, která se snadněji odstraňuje právě sousledným obráběním, kdy je tloušťka třísky maximální v počátku záběru břitu a postupně se zmenšuje. Při nesousledném způsobu je tomu naopak. Břit nástroje v prvních okamžicích záběru pouze stlačuje materiál pod břit a nedochází k jeho odřezávání, což jsou podmínky vedoucí k intenzivnímu opotřebovávání břitu nástroje, zvláště pak u těžkoobrobitelných materiálů.Pro získaní objektivních a nezkreslených výsledků zkoušek trvanlivosti břitu při porovnání vlivu různých řezných podmínek je nezbytné nastolit vždy identické pracovní podmínky obrábění a jednotnou metodu vyhodnocení. Je-li cílem výzkumu porovnat typ základního substrátu karbidu a typ naneseného povlaku, je podstatné zvolit všechny nástroje se stejným tvarem, geometrií (včetně utvářeče třísek), rozměry a jejich tolerancí.Pro provedený výzkum trvanlivosti břitu řezného nástroje při obrábění titanové slitiny Ti6Al4V byly vybraným zástupcem výrobců nástrojů a vyměnitelných břitových destiček ze slinutého karbidu doporučovány dva typy destiček - destičky pro první volbu při obrábění žáropevných slitin na bázi Ti a Ni (dále jako nástroj A) a jako druhá alternativa destičky pro obrábění především korozivzdorné oceli (dále nástroj B).

Oba typy destiček se přitom vzájemně liší pouze základním substrátem slinutého karbidu a na něm naneseným povlakem. Tvar, velikost a geometrie obou nástrojů jsou shodné (APXT11T3). V obou případech byla také zvolena identická dokončovací geometrie břitu. Vyměnitelná břitová destička pro první volbu je povlakována povlakem s vrchní vrstvou TiN, zatímco destičky pro obrábění korozivzdorné oceli jsou opatřeny povlakem TiAlN.Pracovní podmínky experimentálních zkoušek, které vedly k níže uvedeným výsledkům, je možné pomocí obr. 2 definovat následovně. Obráběcím strojem bylo vertikální frézovací centrum s maximálním výkonem na vřetenu 15 kW. Nástrojem byla stopková fréza (průměr 20 mm) se dvěma zuby. Rozsah řezných rychlostí zvolených pro zkoušky vždy vycházel z rozsahu rychlostí doporučených pro daný řezný materiál a povlak. Pro destičku první volby (aplikační oblast dle ISO: S20 až S30) se tudíž řezná rychlost nacházela v rozsahu 30 až 100 m.min^-1. Destička s hlavním využitím při obrábění korozivzdorných ocelí (aplikační oblast dle ISO: M20 až M35) má v tomto případě doporučený rozsah řezných rychlostí mezi 100 až 200 m.min^-1. Posuv na zub (f_z) byl volen v rozsahu 0,05 až 0,125 mm. Radiální (a_e) a axiální (a_p) hloubka řezu byla shodně 1,5 mm. Pro frézovací operace použité při výzkumu byly zvoleny těžší záběrové podmínky, které povedou k větší intenzitě opotřebení, což přestavuje právě nesousledný způsob čelního frézování. Kritériem opotřebení byla zvolena hodnota opotřebení VB = 0,3 mm.

Jednou z aplikací výsledků zkoušek trvanlivosti břitu řezného nástroje je stanovení optimální velikosti posuvu v doporučeném rozsahu řezných rychlostí, pro možnost maximálního využití břitu nástroje. Vliv posuvu na řezný proces je možné definovat ve vztahu k době obrábění do dosažení kritéria opotřebení T [min], úběru materiálu za trvanlivost břitu MRT [cm³] nebo celkové obrobené délce za trvanlivost břitu L [m].Vliv posuvu na úběr materiálu za trvanlivost břitu pro nástroj první volby (nástroj A) je v celém rozsahu řezných rychlostí zaznamenán na obr. 4. Ze zaznamenaných závislostí je zřejmé, že pro tento nástroj je za daných podmínek optimální obrábět při hodnotách posuvu okolo 0,05 mm. Znamená to, že při tomto posuvu zde bylo odebráno nejvíce materiálu v rámci jedné trvanlivosti břitu. Toto platí pro celý rozsah použitých řezných rychlostí. S rostoucím posuvem sice roste velikost minutového úběru materiálu (MRR [cm³.min^-1]), avšak při současném výrazném nárůstu intenzity opotřebení dochází k poklesu trvanlivosti břitu tak výrazně, že ve výsledku nastává také výrazný pokles parametru MRT. Nejvhodnějšími se pro tento typ řezného nástroje jeví rychlosti přibližně uprostřed zvoleného rozsahu, tedy 50 až 75 m.min^-1. Bude-li při obrábění použit posuv na zub okolo 0,1 mm, pro optimalizovaný průběh řezného procesu je nejvhodnější zvolit řezné rychlosti blízké maximální doporučené hodnotě.Průběhy opotřebení břitů pro optimální hodnotu posuvu na zub pro nástroj A (0,05 mm) potvrdily domněnku, že s rostoucí řeznou rychlostí poroste také intenzita opotřebení břitu řezného nástroje. Nárůst intenzity opotřebení byl přitom stále výraznější s přibližováním se k horní hranici doporučených řezných rychlostí.Nástroj druhé volby (nástroj B) nemá od výrobce daný přesný rozsah řezných podmínek pro obrábění žáropevných materiálů na bázi Ti a Ni. Z tohoto důvodu byla pro výchozí měření použita hodnota řezné rychlosti z rozsahu pro obrábění korozivzdorných ocelí s tím, že podmínky pro určení následujících trvanlivostí břitu nástroje budou voleny pro nalezení maxima křivek MRT = f (f_z).

Výsledný rozsah posuvů na zub byl shodný s rozsahem aplikovaným v případě nástroje A. Řezné rychlosti se nacházely v rozmezí 100 až 200 m.min^-1. Hodnoty 150 a 200 m.min^-1 je přitom možné považovat dle literatury [1] za obrábění v oblasti HSC. Podobu závislosti MRT na velikosti posuvu na zub pro nástroj B ukazuje obr. 5. Optimální hodnotou posuvu na zub z pohledu objemu odebraného materiálu nástrojem B v rámci jedné jeho trvanlivosti je hodnota 0,1 mm pro rychlosti v rozmezí 150 až 200 m.min^-1 a hodnota okolo 0,075 mm pro řeznou rychlost 100 m.min^-1. Pro obrábění v režimu HSC je proto výhodnější obrábět posuvy mírně většími než v případech konvenčního obrábění s rychlostmi do 100 m.min^-1. Optimální je pro dané podmínky řezná rychlost okolo 150 m.min^-1. Větší řezné rychlosti již způsobují převahu nárůstu intenzity opotřebení břitu nad zvýšením minutového úběru materiálu. Zvolíme-li při obrábění tímto nástrojem za daných podmínek posuv na zub blízko hodnotě 0,125 mm, jsou výhodnější řezné rychlosti blízko dolní hranice doporučených rychlostí.Podrobíme-li detailnímu rozboru také průběhy opotřebení břitů nástroje B v závislosti na době obrábění, zjistíme, že pro posuv na zub f_z = 0,1 mm byla prokazatelně nejmenší intenzita opotřebení zaznamenána pro řeznou rychlost 150 m.min^-1, alespoň co se týče průběhu opotřebení do zvoleného kritéria VB = 0,3 mm. Dle charakteru průběhů opotřebení v závislosti na čase nad tímto kritériem ovšem můžeme předpokládat dosažení nejmenší intenzity opotřebení pro nejnižší řeznou rychlost (v_c = 100 m.min^-1).

Z výsledků prezentovaného výzkumu zaměřeného na čelní (a_p = 1,5 mm, a_e = 1,5 mm) nesousledné a suché frézování slitiny Ti6Al4V povlakovanými slinutými karbidy vyplývá, že optimální hodnoty posuvu na zub z hlediska objemu odebraného materiálu v rámci jedné trvanlivosti břitu nástroje, popř. obrobené délky, se velmi různí podle volby některého z doporučovaných nástrojů. Nástrojem (ISO S20-30), jenž je výrobci přednostně doporučován pro obrábění uvedené slitiny, je při optimálních podmínkách blízko v_c = 75 m.min^-1 a f_z = 0,05 mm dosaženo paradoxně několikanásobně horších výsledků než při obrábění nástrojem ISO M20-35, který je primárně určen pro obrábění korozivzdorných ocelí. Pro frézování slitiny Ti6Al4V při podmínkách užitých pro náš výzkum a jim podobným lze proto doporučit obrábění slinutým karbidem skupiny M, a sice jeho středně houževnatou verzí (M20 - 35), povlakovanou TiAlN. V takovém případě je suché frézování titanové slitiny Ti6Al4V za sucha efektivní metodou i při velkých řezných rychlostech (okolo 150 m.min^-1) a posuvech (okolo 0,1 mm na zub).§§§Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M684077000.

Jan Malý

Ing. Pavel Zeman, Ph.D.

Použitá literatura:

[1] Cejnarová, A.: Jak správně zvolit chlazení pro obráběcí stroj. MM Průmyslové spektrum, 2005, roč. 9, č. 5, s. 60 - 61. ISSN 1212-2572.[2] Schulz, H.; Moriwaki, T.: High-Speed Machining. Annals of the CIRP, 1992, vol. 41, no. 2, p. 637 - 643.

VCSVTTP

Zeman@rcmt.cvut.cz

www.rcmt.cz