Testování povlakovaných řezných nástrojů

Dnešní situace testování řezných nástrojů je velmi vzdálená těmto úsměvným počátkům a kvalita řezných nástrojů je čím dál více určována velmi tenkými vrstvami o tloušťkách zlomku průměru lidského vlasu, které se v přírodě v rovnovážné podobě nevyskytují, jejich tvorba probíhá za nestacionárních podmínek a jejich zkoumání je nesmírně složité a náročné na výzkumnou a experimentální techniku.

Kvalita těchto vrstev, nanášených celou plejádou technik (známých pod zkratkami jako CVD, PVD, MTCVD, PACVD, PLD atd.), je však jedinečná, neboť vrstvy nemusejí obsahovat pojivo ani speciální způsob pájení či lepení k podkladovému materiálu a mohou se lišit chemicky, stechiometricky, strukturou atd. Nicméně účinek kvalitního povlakování je tak výrazný, že může nejen umožnit například vrtání zušlechtěné oceli HSS vrtákem, ale prodloužit i jeho trvanlivost ze dvou děr na 1 200 děr a nástroj lze znovu přebrousit a přepovlakovat, přičemž podobných výsledků lze dosáhnout i u jiných nástrojů [1–8].

Obr. 1 - Průběh rychlostí částic na ostří nástroje. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Obr.2 -Detail čelního a hřbetního opotřebení povlakovaného nástroje po odstranění částic obráběného materiálu

Testování povlakovaných řezných nástrojů pro vědecké účely a průmyslové aplikace má mnoho společných rysů, ale i stejné cíle – konkurenceschopnou a spolehlivou výrobu, kvalitní výrobky. Společným jmenovatelem bývají prakticky stejné nebo podobné řezné podmínky, za kterých by mělo testování této řezivosti probíhat. Už tímto specifikem se testy řezivosti odlišují od řady laboratorních zkoušek základních mechanických a tribologických vlastností technických materiálů, neboť jejich intenzita je mnohonásobně vyšší. Dále u řezných zkoušek může probíhat celá řada mechanismů opotřebení – mechanických, chemických, teplotně indukovaných, s trvalým kontaktem s ryzím povrchem obráběného materiálu – a kvantifikace či predikce jejich časových rozvojů je i při dnešních znalostech materiálového inženýrství a tribologie velmi obtížná.

Měření časového průběhu opotřebení povlakovaných nástrojů analogické průkopnickým měřením F. W. Taylora, případně ve vztahu k soudobým ISO normám [9–12] či podobným normativům, je velmi diskutabilní. Velmi tvrdé a otěruvzdorné povlaky tvoří často jen několik mikrometrů, a tak doporučovaná kritéria opotřebení obvykle v rozsahu několika desetin milimetru zahrnují i vliv opotřebení podkladového materiálu. Aplikace běžné dílenské metrologie je podobně obtížné, neboť rozsah rozvoje opotřebení povlaků bývá často na hranici rozlišitelnosti přístrojů, navíc optické systémy mohou „vidět“ lesklé pruhy v kontaktních místech břitu s obrobkem, ale při hlubší analýze se může jednat například o ulpělé částice obráběného materiálu z bifurkační oblasti odvodu třísky (obr. 1, 2). V řadě publikací lze nalézt typické polynomiální průběhy opotřebení obvykle se třemi časovými fázemi – náběhové (zrychlené opotřebení), fáze „plateau“ (lineární průběh podle času) a fáze katastrofického opotřebení, ale to se dnes týká už jen několika málo druhů nástrojů, zejména ručně broušených, a ne sériově vyráběných, zvláště pro přesnou produkci, neboť první fáze záběhu je zpravidla realizována již před povlakováním, aby nedocházelo k rychlé změně obráběných rozměrů (zvláště u výstružníků) již na počátku obrábění.

Měření silového zatížení nástrojů zahrnuje zpravidla měření dílčích složek zatížení v ortogonálním systému, který lze efektivně transformovat do dalších technologických nebo fyzikálních směrů. Základním předpokladem je kvalitní dynamometr (zpravidla díky požadované tuhosti sytému S-N-O piezoelektrický) a příslušné zesilovače a řídicí software. Záznam signálů může být analogický (pomocí kreslicí jednotky) nebo digitální. Tato měření poskytují bohaté množství informací k řadě analýz (obr. 3), ale i zde může dojít k vědomé či nevědomé ztrátě informací, neboť při porušování povlaků se může jednat o diskrétní děj, který:

- vzhledem k frekvenci vzorkování nemusí být načten do měřené databáze,
- může být následným statistickým zpracováním ignorován jako odlehlá hodnota, statisticky nevýznamná, ale právě tyto extrémní hodnoty mohou být řídicím faktorem opotřebení,
- analogové jednotky toto lokální měření nemusí vůbec zachytit.

Při měření dílčích složek zatížení nástrojů je obvykle pozorován nárůst měřených veličin, ale může být pozorován i pokles (např. fréza se opotřebovává, klesá šířka záběru), případně nulové zatížení (nástroj je zlomen). Dále je možné pozorovat oscilace hodnot (například v důsledku tvorby nárůstku), růst rozptylu měřených veličin v průběhu času (důsledek opotřebení).

Každá vyhodnocovaná složka (řezná, posuvová, pasivní) má svůj význam a svou genezi. Obvyklý výpočet těchto komponent multiplikací často neodráží jejich fyzikální význam. Při opotřebení povlakovaných nástrojů je důležité měřit právě pasivní složky, které odrážejí hřbetní opotřebení a mohou vést k poškození nebo zlomení nástroje. Nárůst pasivních silových složek bývá u povlakovaných nástrojů relativně mnohem vyšší,než řezných sil.

Měrná řezná síla, měrná energie obrábění atd. jsou veličiny, jejichž význam dnes ještě nebyl dostatečně doceněn. Jejich velkou výhodou je, že mimo vlastnosti obráběného materiálu zahrnují i řezné podmínky a pomocí nich lze srovnat i odlišné obráběcí technologie.

Obr. 3. Průběh sil, odrážející časový rozvoj opotřebení břitu.

Analýza objemového opotřebení nástrojů je novodobým trendem poslední doby, kdy nejrůznější skenery dokážou poměrně rychle a přesně změřit objemovou změnu nástroje během obrábění. Bohužel, u povlakovaných nástrojů není tento problém tak aktuální jako u monolitických nástrojů.

Přestože se zdá, že tribologické testy mají přímou korelaci k řezným zkouškám, tak realita bývá zpravidla vzhledem k odlišným módům zatížení při standardních tribologických testech a reálných podmínkách v praxi výrazně odlišná.

Je to doposud nenahraditelný analytický nástroj, umožňující rozlišit způsob porušení povlaků, rozsah opotřebení břitů, bodové, čárové a plošné distribuce prvků, morfologii povrchů, vznik teplotních trhlin v povlacích (obr. 5) atd. Moderní přístroje umožňují například iontové oprašování či řezání vzorků (obr. 6), čímž lze získat velmi detailní informace o místě porušení povlaku, kvalitě nástrojového materiálu atd.

Tyto unikátní přístroje (např. Alicona Infinitive Focus) umožňují měření nejen 2D/3D geometrie nástrojů, ale i veškeré 2D/3D parametry textury povrchu metodou variace hladiny ostření (obr. 7). Zvláště důležitými parametry jsou u povrchových analýz např. Abbot -Firestoneova křivka určující materiálové podíly jak výstupků povlaků, tak i prohlubní, které jsou spojeny s kapacitou zachycení procesní kapaliny při obrábění i určitým povlakovacím režimem [13].

Moderní CNC stroje jsou dnes poměrně dobře vybaveny pro nepřímé monitorování opotřebení řezných nástrojů. Např. Sinumerik 810/840D umožňuje sledování oteplení v místě vinutí motoru, případně připojení dalších „samoučících se“ jednotek, které dokážou zaznamenat například průběh krouticího momentu při řezání závitů a potom signalizují velikost jeho navýšení v průběhu opotřebení závitníku, nebo stroj nespustí, pokud by hrozil trend jeho poškození v důsledku překonání povoleného limitu zatížení jednotky.

Tvrdé povlaky mohou snížit tření v místě řezu a tudíž i spotřebu energie při obrábění. Měření příkonů je podobně doplňkovou možností a může být realizováno příslušným řídicím systémem nebo pomocí ručních přístrojů na připojovací kabeláži pohonné jednotky. Tyto signály nejsou obecně tak citlivé, jako je tomu u řezných sil a momentů, ale nabývají na významu zejména u bezobslužné techniky.

V současné době existuje řada výkonných metod pro vyhodnocení řezivosti nástrojů i kvality povlakování, přestože jde o náročnou technickou disciplínu. Řezivostní zkoušky vzhledem k typu zatížení břitů nelze nahradit zkouškami mechanických vlastností materiálu a naopak laboratorní zkoušky se musejí blížit předpokládané aplikaci v průmyslu.

Prof. Ing. Miroslav Píška CSc.

Literatura
1. HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vrtání. MM Průmyslové spektrum –Speciální vydání. Září 2004,. s. 52-62. ISSN 1212-2572.
2. PÍŠKA, M.: Quantitative Assessment of PVD Coatings and Cooling Fluids on the Drilling Performance and Wear of HSS Drills when Machining of Hardened Steel. In: Intertribo 2002. Stará Lesná-Tatranská Lomnica, 14.–17.11.2002, Slovensko, s. 59–64.ISBN 80-233-0476-3.
3. PÍŠKA, M.: Testování řezivosti čelních a drážkovacích HSS fréz z produkce ZPS-FN, a.s., Zlín. In: Sborník odborné konference Frézování III. FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie ve spolupráci s Pramet Tools, s. r. o., Šumperk a ZPS-Frézovací nástroje, a. s., Zlín. Brno, 2003, s. 103–124. ISBN 80-214-2436-2.
4. PÍŠKA, M., POLZER, A.: Studie řezivosti hrubovacích fréz z produkce ZPS-FN, a.s., Zlín. In: Sborník odborné konference Frézování III. FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie ve spolupráci s Pramet Tools, s. r. o., Šumperk a ZPS-Frézovací nástroje, a. s., Zlín. Brno, 2003, s. 145–158. ISBN 80-214-2436-2,.
5. CIHLÁŘOVÁ, P., PÍŠKA, M. Řezivost HSS fréz vyráběných metodou práškové metalurgie. In: Sborník odborné konference Frézování III. FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie ve spolupráci s Pramet Tools, s. r. o., Šumperk a ZPS-Frézovací nástroje, a. s., Zlín. Brno, 2003, s. 159–170. ISBN 80-214-2436-2.
6. PÍŠKA, M. a kol.: Analýza řezivosti povlakovaných HSS fréz pomocí rozboru silového zatížení. Výzkumný záměr MSM 262100003: Rozvoj progresivních vysocepřesných strojírenských technologií. Dílčí výzkumná zpráva. FSI VUT v Brně, 2002, 75 s.
7. PÍŠKA, M., CIHLÁŘOVÁ, P.: Moderní metody testování řezných nástrojů pro průmyslovou praxi. ZPS-FN, a.s., Zlín, 11. 9. 2002.
8. PÍŠKA, M., CIHLÁŘOVÁ, P.: Testování řezivosti fréz z produkce ZPS-FN, a.s., Zlín na FSI VUT v Brně. Rekreační středisko ZPS Valašské Klobouky – Jelenovská, 24. 10.–25. 10. 2002.
9. ISO 3685:1977 – Tool-life testing with single-point turning tools.
10. ISO 3685:1993 – Tool-life testing with single-point turning tools. Revision information.
11. ISO 8688-1:1989 – Tool life testing in milling – Part 1: Face milling.
12. ISO 8688-2:1989 – Tool life testing in milling – Part 2: End milling.
13. PÍŠKA, M., METELKOVÁ, J. On the comparison of contact and non-contact evaluations of a machined surface. MM Science Journal, 2014, roč. 7, č. 6, s. 1–5. ISSN: 1805- 0476.

Tento výzkum byl podpořen řadou projektů a odporných spoluprací, v poslední době zejména Specifickým výzkumem FSI VUT v Brně2013, grantem Výzkum pokročilých technologií pro konkurenceschopné strojírenství, FSI-S-13-2138, ID 2138 za technické podpory Intemac Solutions, s. r. o., v Kuřimi.