Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Testování PVD povlaků na rychlořezných vrtácích
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Testování PVD povlaků na rychlořezných vrtácích

Povlakovat, nebo chladit? Na tuto častou otázku z praxe se zaměřuje studie FSI VUT v Brně, kde byla provedena již celá řada testů aplikací PVD povlaků i substrátů od různých firem a společností včetně hodnocení vlivu různých chladicích a mazacích prostředí.

Kredit akademické půdy vytváří záruku maximální objektivity měřených hodnot, které jsou společných duševním majetkem vysoké školy a jejich smluvních partnerů. Předměty spoluprácí jsou vždy naprosto oproštěny od jakýchkoliv cílených konkurenčních zájmů nebo nátlaků a sledují výhradně odborné otázky problémů.

Zaměření zkoušek

Technologické zkoušky řezivosti povlaků, prováděné na FSI VUT v Brně, Ústavu strojírenské technologie, odboru obrábění, vyhodnocují převážně veličiny měření charakteristických forem opotřebení (ISO 3685) - VB, VN, VC, KT atd. - a veličiny měření zatížení nástroje - axiální síly a krouticí moment.

Úskalí měření opotřebení

Analýzy měření průběhů opotřebení jsou dnes již víceméně rutinní záležitostí, nicméně mají svá úskalí spočívající především v těchto skutečnostech:
  • u vícebřitých nástrojů nemusí opotřebení probíhat na všech břitech stejnoměrně;
  • vlastní rozvoj opotřebení má různou intenzitu na čelních a hřbetních plochách hlavních, vedlejších, resp. příčných ostří, což komplikuje měření;
  • při použití běžných dílenských světelných mikroskopů lze obtížně odlišovat skutečné míry ploch opotřebených od ploch reflektujících světlo v důsledku jejich záběhu a zanesení částicemi obráběného materiálu;
  • měření komplikuje nárůstek a ulpělé částice třísek - odstranění nárůstku za účelem měření může vést k nechtěné delaminaci povlaku i poškození ostří;
  • obrábění je nutno zastavovat za účelem měření, což prodlužuje dobu experimentů.
  • Využití matematicko-fyzikálních modelů

    S uvážením variantnosti geneze povlaků, potřeby opakování zkoušek a zachování konzistence dat dnes získávají na důležitosti metody, které výše uvedené nedostatky pokud možno eliminují. Jednou z možností je měření zatížení nástrojů a analýza procesu obrábění pomocí matematicko-fyzikálních modelů, poskytujících celou řadu užitečných parametrů:
  • celkové silové a momentové namáhání nástroje - Fx [N] a Mc [Nm];
  • podíl zatížení přenášený jádrem vrtáku - Fj [N] a Mj [Nm];
  • příkon na vrtání tvořený krouticím momentem PMc a posuvovou složkou PFx, [W]
  • mikroanalýzu sil v kořenu třísky ve směru odvodu třísky (v ortogonální rovině) - tzn. sílu působící na jeden břit Fc1, její horizontální a vertikální složku Fh1 , Fv1 [N];
  • výpočet měrné řezné síly kc a predikci mezní pevnosti obráběného materiálu Rm [MPa];
  • výpočet měrné energie obrábění ec [J.mm-3];
  • součinitel tření na čele nástroje m [-] v místě odvodu třísky.
  • Podstatným rysem této metodiky je zahrnutí reálné geometrie testovaných nástrojů, což umožňuje srovnávat i odlišné konstrukce nástrojů - zvláště v měrných ukazatelích. Získaná data nabízejí řadu možností a srovnání, jak absolutních, tak relativních, neboť změníme-li kterýkoliv vstupní parametr, lze pozorovat tento vliv na celou řadu výstupních veličin. Z hlediska metodiky a principu zkoušky je tato zkouška nezastupitelná, neboť jde o reálné testování nástroje způsobem, jakým bude zatížen v praxi, se zahrnutím mechanismů, které nelze jiným způsobem nasimulovat, a tudíž odpadají veškeré pochybnosti o korelaci zkoušky nebo její relevantnosti, jak je tomu u jiných zkoušek (např. "scratch" testu).

    Zkoušky z pohledu časové náročnosti

    Z pohledu časové náročnosti se dělí technologické zkoušky povlaků na:
  • krátkodobé - zkoušky jsou prováděné převážně s nástroji ostrými;
  • dlouhodobé - zkoušky se provádí v celém rozsahu trvanlivosti nástroje a průběhu rozvoje opotřebení až do destrukce nástroje nebo dosažení stanovené míry opotřebení nástroje, případně nastoupení určitého jevu, zamezujícího dalšímu obrábění.
  • Cíle krátkodobých zkoušek
    Obvyklým cílem krátkodobých zkoušek je převážně hledání závislostí, které nejsou výrazně ovlivněny rozvojem opotřebení, a tudíž je lze do jisté míry zanedbat. Velikost tohoto zanedbání (přípustné chyby měření) lze snadno posoudit pomocí stability měřeného signálu - pokud má měřená veličina stoupající nebo klesající trend, je to známkou nestability děje, a pak je nutno analyzovat jeho příčiny, které nelze pominout. Pokud má zatížení ustálený charakter, pak je rozvoj opotřebení víceméně stagnující a měření lze považovat z hlediska další kvantifikace za vyhovující. Při vlastní metodice zkoušky se zachovává gradace řezných podmínek od nejméně náročných řezů k nejvíce náročným úběrům. Tímto způsobem lze určit například závislosti zatížení nástroje na řezných podmínkách, potřebné pro dimenzování pohonů strojů.
    Dlouhodobé zkoušky poskytují komplexní obraz
    Cílem dlouhodobých zkoušek je popsání vybraných ukazatelů v závislosti na čase obrábění, resp. na počtu odvrtaných děr nebo celkové dosažené hloubce vrtání. Jednou ze základních podmínek úspěšnosti je nastavení počátečních řezných podmínek takových, aby nedošlo k překrytí sledovaného děje jiným dějem - např. měření průběhu rozvoje opotřebení s jevem zahlcování vrtáku odváděnými třískami nebo vrtání díry slepé a průchozí, což vede k odlišnému zatížení nástroje, zvláště u konvenčních strojů. Obecně známé empirické pravidlo pro hloubku vrtané díry u šroubovitých vrtáků rovnající se trojnásobku průměru vrtáku je plně vyhovující, i když je nový nástroj schopen zpočátku vrtat i větší hloubky bez výplachu. Nezastupitelnou výhodou dlouhodobých zkoušek je jejich přímá návaznost na ekonomické analýzy, neboť je zjištěna celková trvanlivost nástroje v závislosti na řezných podmínkách. Tato pomáhá vytvořit komplexní obraz o úspěšnosti PVD povlaků, jejich rentabilitě a dalších parametrech sledované technologie.

    Testování produktů firmy LISS

    Testování produktů firmy LISS, a. s., Rožnov pod Radhoštěm, technologiemi firmy Platit ze Švýcarska má na FSI VUT v Brně dlouhodobou tradici a nepřímo vedlo i k rozvoji těchto měřicích metod. Výrobní sortiment firmy dnes zahrnuje široké rozpětí PVD povlaků pro nejrůznější aplikace jak na substrátech ze slinutých karbidů, tak na rychlořezných ocelích. Označení povlaků je z hlediska fyzikálně-chemického spíše orientační, neboť přesná mikrostruktura a stechiometrické poměry prvků (ovlivňujících například i barvu povlaku) jsou mnohem složitější a tvoří know-how firmy.

    Testování povlaků pomocí řezných zkoušek

    K testování byly použity šroubovité vrtáky z produkce ZPS-FN, a. s., ZLÍN, o f 6,00 mm, DIN 338 R-N, nepovlakované a povlakované PVD vrstvami TiN, TiCN, TiAlN (multivrstvy) a TiN/Movic. Poslední povlak byl na rozdíl od předchozích povlaků povlakem měkkým na bázi MoS2, který obecně ovlivňuje třecí podmínky na kontaktních plochách, a tato vrstva byla aplikována na podkladové tvrdé vrstvě TiN. Všechny povlaky byly provedeny společností LISS, a. s., Rožnov pod Radhoštěm. Vrtáky byly upínány do tříčelisťového sklíčidla ČSN 24 1320 s minimálním vysazením. Takto upnuté vrtáky byly dále upínány do dutiny vřetene MORSE 3 stolní vrtačky VS 20, s výkonem 1,5 kW.

    Obrobky

    Obrobky měly ve stavu obrobeném bez kůry tvar plochých tyčí o přířezech 45 x 100 - 300 mm, které byly řezány z kusů o délce 600 mm. Jeden přířez byl upnut na měřicí dynamometr, druhý na křížový stůl. U dlouhodobých testů probíhalo vrtání střídavě - po obrobení zvolené dávky děr v obrobku na křížovém stolu orientovaných příčně k podélné ose obrobku byla provedena kontrolní díra v kusu upevněném na dynamometru. Pro krátkodobé testy byla použita ušlechtilá ocel uhlíkatá 12 050.1, pro dlouhodobé testy 15 241.7, zušlechtěná na tahovou pevnost 1200 MPa. Tento materiál byl zvolen z toho důvodu, že průběh opotřebení nástrojů na oceli 12 050.1 byl zvláště pro povlakované nástroje a předběžné zkoušky téměř stagnující, což vedlo k neúměrnému prodlužování zkoušek vrtání, a proto byl zvolen tento pevnější a tvrdší materiál pro vytvoření náročnějších podmínek vrtání.

    Řezné podmínky

    Pro krátkodobé zkoušky (na oceli 12 050.1) byla zvolena řezná rychlost vc = 34 m.min-1 a série posuvných rychlostí v rozsahu 144 - 576 mm.min-1. Rozvoj opotřebení byl vzhledem k nízkému počtu zkoušek zanedbán.
    Pro dlouhodobé zkoušky (na oceli 15 241.7) byla řezná rychlost v první sérii testů vc = 13,4 m.min-1, s konstantním posuvem s = 0,12 mm.ot-1 a ve druhé sérii byla zvýšena na vc = 34 m.min-1, přičemž posuv zůstal zachován. Kritériem opotřebení bylo dosažení úplné ztráty vrtacích schopností vrtáku bez ohledu na dílčí opotřebení, tzn. vrták již nebyl schopen proniknout do vrtaného materiálu.

    Chlazení

    U krátkodobých testů byly provedeny zkoušky vrtáním za sucha i s chladicí polosyntetickou emulzí Cimstar 560 - 5% (Cimcool Industrial Products, Holandsko), s intenzitou chlazení 3,5 - 4,0 min-1.
    U dlouhodobých testů byla tato chladicí emulze porovnána při nižší řezné rychlosti s vývojovou emulzí X (o stejné koncentraci, od stejného výrobce).
    Kvalita vody v obou testech: pH - 7,1; NO3 - 50; NO2 - 0 až 2; tvrdost podle DIN - 15 až 19. Skutečná koncentrace emulze byla kontrolována měřením pomocí ručního refraktometru.
    Měřicí technika
    Čtyřsložkový piezoelektrický dynamometr Kistler 9272, plně řízený počítačem, dílenský mikroskop Carl-Zeiss Jena se zvětšením 5 -100x a upravená optická lupa s noniem se stupnicí po 0,01 mm.

    Dosažené výsledky u krátkodobých zkoušek

    Typické průběhy obou měřených veličin jsou znázorněny v grafech, ze kterých je patrný jak účinek povlakování, tak chlazení na tyto sledované parametry. Z těchto průběhů je vidět zejména výrazné snížení axiální síly potřebné pro vrták povlakovaný TiN+Movic, které dosáhlo prakticky poloviční hodnoty síly ve srovnání se zatížením vrtáku bez povlaku. Zatížení nepovlakovaného vrtáku při obrábění za sucha rostlo s hloubkou vrtané díry a ke konci vrtání se zhoršením odvodu třísek blížilo stavu adhezního zadření, což bylo patrné zejména nárůstem krouticího momentu při dovrtávání díry. Chladicí emulze dokázala tomuto koncovému zadírání účinně zabránit, ale nedokázala redukovat nárůst zatížení v takovém rozsahu jako povlakovaný nástroj. Tyto dva průběhy při daných testech vytvářely vždy extrémní hodnoty a ostatní průběhy pro povlaky TiN, TiCN a TiAlN ležely sevřeny mezi těmito křivkami.
    Po provedení všech testů byly z daných průběhů zatížení odseparovány časové fáze relativně stabilizovaného vrtání, charakterizovatelné parametry normálního rozdělení, přičemž střední hodnoty těchto veličin jsou uvedeny v tabulkách (u rychlořezné oceli a stavu vrtání za sucha byl vždy patrný časový nárůst těchto veličin, zvláště u vyšších posuvů). Z těchto středních hodnot byly sestaveny regresní závislosti sledovaných veličin v závislosti na druhu povlaku, velikosti posuvů a chlazení v obecných tvarech:
    Fx = k1.s + q1
    Mc = k2.s + q2
    Z kvantitativního rozboru účinku povlaků a chlazení vyplynuly tyto dílčí závěry:
  • vrtání za sucha bylo vždy provázeno zhoršeným odvodem třísky, nárůstem axiální síly i krouticího momentu v závislosti na hloubce vrtané díry;
  • chladicí emulze byla schopna zabránit intenzivnímu ulpívání třísky na čele, zvláště při dovrtávání díry;
  • nejvyšší přínos chladicí emulze vůči obrábění za sucha byl naměřen pro vrtání s nepovlakovaným vrtákem;
  • byly pozorovány lineární regresní závislosti zatížení vrtáku v závislosti na velikosti posuvu;
  • všechny testované povlaky prokázaly příznivý vliv na vrtání a vyšší účinek na snížení zátěže šroubovitého vrtáku než chladicí emulze;
  • u povlaku TiN/Movic způsobilo chlazení směrem k nižším posuvům (v rozsahu posuvů 0,20 - 0,08) zvýšení zatížení vrtáku (patrně v důsledku nižší teploty na třoucích se površích);
  • absolutně nejvyššího přínosu bylo dosaženo u kombinace povlaků TiN/Movic, který se v tomto testu jevil jako ideální kombinace pro tyto podmínky vrtání;
  • odolnost a fyzikální účinky měkkého povlaku Movic postupně klesaly s počtem odvrtaných děr a přibližně po 50 odvrtaných děrách převzal ochranné účinky podkladový povlak TiN, i když na mnoha površích byly i nadále reziduální plochy pokryty MoS2, zklidňující průběh vrtání a odvod třísky.
  • V příštím vydání vás seznámíme s výsledky u dlouhodobých zkoušek.

    Další články

    Obráběcí stroje a technologie
    Nástroje pro obrábění / řezné materiály

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky














    Sledujte nás na sociálních sítích: