Témata
Zdroj: M. Píška

Úpravy povrchu čelních monolitních fréz

Čelní monolitní frézy se dnes vyrábějí především ze slinutých karbidů. Tyto materiály mají vůči jiným řezným materiálům a nástrojům řadu předností. Vhodná třída slinutého karbidu dává frézám vynikající řezivost, vysoký Youngův modul pružnosti pomáhá redukovat průhyb nástroje (až trojnásobně vůči HSS), vhodné povlakování dokáže snížit kondukci tepla do nástroje a současně zvýšit jeho otěruvzdornost.

Prof. Miroslav Píška

Univerzální obráběč kovů s 50 lety praxe a výzkumu v technologii obrábění a materiálovém inženýrství. 35 let byl zaměstnancem Ústavu strojírenské technologie na FSI VUT v Brně, z toho 17 let vedoucím Odboru Technologie obrábění a ředitelem ÚST. Od roku 2024 je předsedou představenstva Svazu nástrojáren České republiky.

Reklama

Pro řadu aplikací je však nutné nástroj i po broušení dále leštit, neboť vysoká kvalita funkčních ploch nástroje pomáhá zlepšit tvorbu třísky pomocí nižšího součinitele tření. Ten ovlivňuje úhel střižné roviny v primární zóně tvorby třísky a tření nástroje o obrobenou plochu, navíc snižuje energetic­kou spotřebu obrábění a rovněž brání tvorbě nárůstků (obr. 1). Nárůstky drasticky snižují kvalitu obrobených ploch, jejich rozměry a odolnost těchto povrchů proti únavě, stejně jako mohou rovněž poškodit řezný nástroj vylamováním. Problémem je orientace vektoru řezné rychlosti brousicího kotouče a vektoru odvodu třísek. Pokud nejsou tyto vektory kolineární, stává se čelní plocha břitu zárodkem všech pozdějších problémů s nukleací zárodků, neboť ulpělé částice obráběného materiálu se pak dobře „svařují“ s obráběným materiálem – jsou to v podstatě identické materiály. Pokud tedy materiál „běží“ napříč „brázdami“, k zabránění tvorby nárůstku nepomůže ani výkonné mazivo a iniciace únavového porušení u dynamicky zatěžovaných dílů je pak téměř jistá.

Obr. 1. Typický nesoulad čelních povrchů broušených nástrojů a trajektorie odvodů třísek. (Zdroj: M. Píška)

Tyto problémy lze v dnešní době eliminovat dvěma základními technologiemi: leštěním (abrazivním vlečným omíláním) a suchým elektrolytickým leštěním. První technologie svou výkonnou prostorovou reverzní kinematikou dokáže abrazivně odstranit výstupky materiálu, ale je zapotřebí několika druhů abraziv a někdy může dojít i k nadměrnému zaoblení špičky nástroje, která je abrazí nejvíce namáhána. Druhá technologie je relativně jednodušší: jde o elektrochemické působení kulovitých částic (napuštěných určitým elektrolytem) na plochy nástroje za mnohem nižších obvodových rychlostí. Tato technologie využívá několik fází průběhu leštění (se střídáním polarit, napětí a proudů), kdy se rozpouštěním a transportem iontů z místa leštění účinně odstraní mikroskopické nerovnosti povrchu. Kuličky mají určitý rozsah průměrů (cca 1 mm), ale ve srovnání s nerovností leštěného povrchu (v mikrometrech) působí jako téměř „plochý nástroj“, který výstupky materiálu účinně srovná (obr. 2).

Obr. 2. Geometrický princip tvorby morfologie leštěných povrchů u suchého elektrolytického leštění: (a) na počátku leštění, (b) na konci leštění. (Zdroj: M. Píška)

Největší intenzita úběru je (podle Maxwellova principu rozdělení elektrického náboje na povrchu nabitých těles) na začátku leštění. V průběhu leštění a srovnávání povrchu těles intenzita úběru klesá, což pomáhá poměrně přesně určit minimální dobu leštění, po kterou je proces efektivní. A nejen to. U vícefázových materiálů – jako jsou například slinuté karbidy (tvrdé fáze a kovové pojivo) – lze vhodnou kombinací vytvořit povrch s vyšším podílem kovového nebo karbidového pojiva, aby bylo možné deponovat další vrstvy s lepším zakotvením. Vlastní proces leštění je poměrně rychlý, probíhá v několika minutách a výsledky jsou rychle patrné (obr. 3).

Obr. 3. Srovnání čelních ploch frézy před leštěním (a) a po něm (b). (Zdroj: M. Píška)

Kvalitní výbrus břitu předpokládá kvalitní materiál

Předpokladem kvalitního suchého elektrolytického leštění je fréza bez vnitřních poruch a kvalitní výbrus nástrojů, tzn. nástroje bez teplotních trhlin a odlomených hran, správná volba elektrolytu a odpovídající napěťově-proudový režim leštění. To nemusí být zcela jednoduché, neboť karbidické fáze se ve slinutých karbidech mohou vyskytovat v několika morfologických tvarech (zrna, desky, jehlice, atd.) o různé velikosti, a to dopované, bimodální i s gradientní velikostí fází. Vhodné jsou tudíž karbidy zvláště jemné, ultrajemné nebo až s nanometrickými rozměry karbidických fází (obvykle dle označení ČSN ISO 513 H K20-40).

Reklama
Reklama
Reklama

Zaoblení břitů v důsledku leštění a PVD povlakování

Zaoblení břitů je typickým průvodním jevem dokončovacích metod přípravy břitů. Dnes se dá přesně měřit například přístrojem Bruker-Alicona Infinite Focus. Přístroj dokáže bezdotykově proměřit určitý počet řezů (např. 50) kolmo na ostří a rovněž podél něj (obr. 4), a to s řadou parametrů ovlivňujících řezné vlastnosti nástroje a kvalitu obrobené plochy. K zaoblení břitů může docházet jak v důsledku leštění, tak v důsledku případného povlakování, kdy se na břit deponuje otěruvzdorný povlak.

Obr. 4. Fréza s vyznačenými místy analýzy drsnosti na hřbetní ploše (A) a analýzy mikrogeometrie čelní plochy hlavního břitu (B) – analyzované místo břitu (broušeného až k ose nástroje). (Zdroj: M. Píška)

Experimentální ověření

Pro experimentální ověření bylo použito dvou hliníkových slitin – k tváření (vysokopevnostní 7475-T7351 AlZn5.5MgCu) a k odlévání (standardní silumin AlSi 12). Řeznými nástroji byly stopkové čelní frézy D 20 mm se silně pozitivní čelní geometrií (úhel sklonu šroubovice 45°, obr. 4), celkem to bylo 30 kusů. Frézy byly vybroušeny z materiálu CTS20D (Ceratizit), leštěny v zařízení DLyte 100PRO Carbide a povlakovány technologií HiPIMS – monovrstvou povlaku (Ti,B)CN o tloušťce 3 µm a o tvrdosti 4 900 HV0.05. Řezná rychlost byla 500 m.min−1, hloubka řezu 3 mm, posuv na zub byl 0,05 mm, procesní kapalinou byla kapalina Cimperial 1070 (12 %, 20 barů, vnější chlazení).

Reklama

Byl sledován účinek tohoto leštění a povlakování na kvalitu výbrusu, a to jak na čelní, tak na hřbetní ploše fréz, dále účinek na změnu mikrogeometrie, silové zatížení nástroje, tvorbu třísky a kvalitu obrobené plochy (na obvodové ploše čelního frézování a na dně frézované plochy) a na změnu této mikrogeometrie v důsledku frézování.

Nástroje byly testovány ve stavu po broušení, po leštění, po PVD povlakování bez leštění a po PVD povlakování po leštění. Volba elektrolytu (DLYTE 01 G L800 FOR S100) a technologické režimy byly optimalizovány výrobcem této techniky.

Dosažené výsledky

Nejostřejšími nástroji byly nástroje ihned po výbrusu, jejichž poloměr zaoblení břitu dosahoval hodnot 3–5 µm, a to bez vylamování špiček. Intenzita nárůstu zaoblení leštěním probíhala s korelací přibližně 1 µm.min−1, přičemž nástroje se leštily 3 minuty, takže nástroje pak dosahovaly poloměru zaoblení břitu přibližně 6–10 µm. Povlakování neleštěných nástrojů znamenalo zvětšení jejich poloměrů na hodnoty 7–10 µm, leštěné nástroje nabyly po povlakování poloměrů až 12–16 µm. Leštěním se zlepšila drsnost podél ostří přibližně o 30 % z výchozí průměrné hodnoty Ra = 0,06 µm. Povlakování zlepšilo drsnost hřbetních ploch fréz z hodnot Ra = 0,06–0,15 µm na hodnoty 0,05–0,09 µm a výrazně potlačilo ulpívání částic obou slitin na zatěžovaných plochách nástrojů.

Obr. 5. Analýza břitu nástroje: a) poloha ortogonálních rovin, b) analýza dílčích zaoblení ostří v jednotlivých řezech, c) analýza drsnosti břitu podél ostří (po leštění). (Zdroj: M. Píška)

Po obrábění obou Al-slitin došlo ke mírným změnám nárůstu zaoblení i jeho nepravidelnosti (zvl. u siluminu, kde v důsledku tvorby nárůstku u nepovlakovaných fréz došlo dokonce i ke snížení tohoto poloměru na 9–12 mm, ale nestabilně). Povlakování leštěných i neleštěných nástrojů poskytovalo lepší kvalitu a stabilitu obrobeného povrchu, prakticky beze stop nárůstků. Nárůst silového zatížení v důsledku leštění a povlakování dosáhl přibližně hodnoty 15–20 % u posuvové složky, změna řezné síly byla prakticky zanedbatelná. Třísky byly tvářené, neobsahovaly stopy tvorby nárůstků nebo lomového oddělování, odvod třísek z místa řezu byl plynulý. Kvalita opracování dosahovala na začátku obrábění lepších hodnot a vyšší stability pro nástroje jen broušené, ale po několika minutách byly výsledky příznivější pro nástroje leštěné a povlakované. Přibližně se jednalo o 20 % na obou sledovaných plochách (na obvodu Ra<2,1 µm, na dně drážky Ra<4,6 µm) pro tvářenou slitinu. Silumin vykazoval určitou nestabilitu a zhoršení kvality opracování i o 50 %, neboť struktura byla místy heterogenní. Trvanlivost fréz nebylo možno určit, ale dá se očekávat, že se může jednat až o týdny či měsíce obrábění, pokud nedojde k jinému poškození břitů.

Obr. 6. Analýza obrobené plochy (na dně) pro frézu broušenou (a) a pro frézu broušenou, leštěnou a povlakovanou (b) (na počátku obrábění pro slitinu 7475-T7351 AlZn5.5MgCu).

Závěr

Dosažené výsledky leštění a obrábění byly více než příznivé. Suché elektrolytické leštění řezných nástrojů je tedy velmi perspektivní dokončovací metodou přípravy řezných nástrojů. Není investičně tak náročné a rizikové jako jiné metody mechanického nebo elektrochemického leštění břitů. V současnosti probíhá intenzivní vývoj automatizace této technologie směrem k její bezobslužnosti, dále k rozšíření rozsahu rozměrů leštěných kusů směrem jak k mikronástrojům, tak i k velkým formám. Dále probíhají studie usměrňování proudů lešticích částic určitým směrem do nepřístupných míst. Výzkum této technologie dále probíhá u nás i v zahraničí a v dohledné době lze očekávat její další aplikace v průmyslu a výrobě nástrojů.

Související články
Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Nástrojáři sobě

V letošním roce slaví Svaz nástrojáren ČR své 20leté výročí. Při této příležitosti jsme požádali jejího předsedu představenstva doc. Ing. Václava Kličku, CSc., Ph.D., o rozhovor.

Přesné měření tloušťky povlaků

Pro optimalizaci vlastností povrchových povlaků a filmů ve výzkumu, vývoji i průmyslové výrobě je důležitá přesná kontrola jejich tloušťky a rovnoměrnosti rozložení. Metrologická metoda CCI představuje mimořádnou přesnost měření pro široký rozsah tlouštěk povlaků.

Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Obráběcí stroje pro produkční výrobu

Po sérii článků v minulém vydání se v posledním poohlédnutí po letošním hannoverském veletrhu EMO věnujeme důležité oblasti, a to jednoúčelovým strojům. I v letošním ročníku byla část expozic věnována této komoditě pro produkční výrobu a my se podíváme, co trh zákazníkům nabídl. Proč? Menším dílem proto, že se jim dlouhá léta autor (nejen) profesně věnuje, dílem podstatným proto, že jsou na nich „bytostně“ závislé veškeré obory nejen strojírenské či technické, ale i stavebnictví, telekomunikace, zdravotnictví a další.

Aplikace moderních postupů a technologií v obrábění

Společnost Hofmeister pravidelně svým zákazníkům představuje novinky a inovace nejen vlastní, ale také svých obchodních partnerů. Účast na listopadových zákaznických dnech svědčí o velkém zájmu.

Kroky k excelentní spolupráci akademické a průmyslové sféry

Pracovníci Ústavu výrobních strojů systémů a robotiky z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně usilují o těsné sepětí školy s praxí, které nelze realizovat jinak než úzkou spoluprací s průmyslem. Transfer výsledků této praktické činnosti přenesený do některých částí výuky je potom zárukou, že studenti budou mít aktuální informace o stavu strojního průmyslu, vědy a techniky.

Obráběcí centra pro rotační obrobky na EMO 2017

V našem poohlédnutí za přelomovým okamžikem letošní veletržní sezony v oblasti výrobních strojů se zaměříme na zajímavé exponáty z oblasti technologie obrábění rotačních dílů. Obráběcí centra pro tyto obrobky byla umístěna hlavně v hale 13, dále pak 12, 14, 26, 27 a 27. Ve východních halách 4 až 7 byly k nalezení firmy, které tyto stroje svými produkty nějakým způsobem více či méně doplňují.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Přidaná hodnota v technologii obrábění

V tomto příspěvku bych se rád vrátil ke své návštěvě japonské firmy Kyocera. V jednom z mých minulých textů (viz www.mmspektrum.com/170111) jsem představil unikátní systém řízení pomocí takzvaných améb, který vyvinul zakladatel firmy Kyocera Dr. Kazuo Inamori. Díky tomuto systému a japonské píli a umu se firma dostala na světovou špičku v řadě oborů. Na základě osobních zkušeností pak mohu prohlásit, že to platí také pro divizi řezných nástrojů. Například rychloposuvové frézy Kyocera vysoce překračují produktivitu, která je u nás i v Evropě standardní.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit