Témata
Reklama

Výkonné nástroje z ultratvrdých materiálů

Použití nových konstrukčních materiálů, neustále se zvyšující tlak na růst objemu produkce, zkracování výrobních časů, snižování výrobních nákladů na dílec a zvyšování kvality výrobku jsou požadavky, které vedou na nové výzvy i pro technologie třískového obrábění. Jedním z možných směrů jak dosáhnout uvedených požadavků patří i použití nástrojů z nejtvrdších řezných materiálů.

Nástroje z nejtvrdších materiálů jsou relativně drahé a jejich nevhodné použití tedy může vést k vyšším nákladům na výrobu. U těchto nástrojů však lze zvýšit jejich funkčnost, výkonnost a spolehlivost prostřednictvím nových koncepcí podoby nástroje a optimalizovanou výrobní technologií s využitím laseru. Právě výzkum a vývoj takových řešení nástrojů a jejich výrobních technologií si kladl za cíl projekt, který společně realizovaly Rotana, ČVUT v Praze a Sanborn.

Reklama
Reklama

Vlastnosti a použití nástrojů z ultratvrdých materiálů

Ultratvrdé – nebo též supertvrdé – řezné materiály jsou ty, jejichž hlavní složkou je buď tvrdá fáze kubického nitridu boru (KNB), nebo diamantu. Nejčastěji jsou tyto materiály využívány v polykrystalickém kompozitním provedení – tedy jsou složeny ze zrn tvrdé fáze v měkčím kovovém nebo keramickém pojivu. Obecně se tyto materiály vyznačují především vysokou tvrdostí (odolností proti otěru), chemickou stálostí a velmi dobrou tepelnou vodivostí. Na druhou stranu mají v porovnání s jinými řeznými materiály především nízkou lomovou houževnatost. Vývoj těchto řezných materiálů proto směřuje především ke zvýšení jejich houževnatosti a únosnosti mechanického zatížení, avšak bez poklesu jejich tvrdosti a odolnosti proti působení tepla.

Aplikace nástrojů z PKNB (polykrystalický KNB) spočívají především v soustružení kalených ocelí plynulým i přerušovaným řezem, obrábění superslitin na bázi niklu nebo kobaltu a litiny. Nejběžnějšími variantami PKNB nástrojů jsou ty s obsahem tvrdé fáze okolo 50 % s velikostí zrn do několika mikrometrů. Při výrobě pájených břitů z tohoto materiálu je polotovar nejprve rozřezán na vhodné segmenty (laserem nebo elektroerozivně), které jsou po napájení na tělo nástroje broušeny do konečného tvaru diamantovými kotouči. V případě tzv. vysokoobsahových materiálů (obsah KNB přibližně od 90 %) již není fáze broušení do konečné podoby geometrie příliš efektivní a kvalitní. Nabízí se proto volit alternativní technologie dokončení břitu nástroje – například laser. Laserem lze vytvořit tvarově vhodnou a únosnou geometrii břitu. V porovnání s broušením se při správném nastavení jedná o hospodárnější, kvalitnější a velmi pružný proces výroby břitu. Vznikají tak nástroje s vysokou mechanickou i tepelnou únosností břitu, jejichž aplikace může být i v silně přerušovaném řezu, jako je například čelní válcové frézování kalené oceli.

Porovnání jakosti opracování řezné hrany u PKD nástroje – EDM (vlevo), broušení (uprostřed), laser (vpravo)Řezné nástroje s břity z PKD (polykrystalického syntetického diamantu) jsou dnes efektivně nasazovány především při obrábění slévárenských slitin hliníku, plastů, kompozitních materiálů s polymerní matricí a vláknovou výztuží a velmi tvrdých neželezných materiálů, jako je například slinutý karbid. Postup výroby PKD nástrojů s pájenými segmenty je podobný tomu pro nástroje z kubického nitridu boru. Při obrábění relativně měkkých materiálů s tvrdými a abrazivními částicemi je důležité použít otěruvzdorný břit s pozitivní geometrií a kvalitně zpracovanou řeznou hranou. Těmto požadavkům vyhovuje použití otěruvzdornějších, ale obtížně brousitelných typů diamantových materiálů, kterými jsou například PKD s vysokým podílem diamantových zrn různé zrnitosti nebo chemicky nanesená silná vrstva (CVD) diamantu. Pouze laserem je v takových břitech možné připravit prakticky libovolnou podobu geometrie, kterou tvoří tvarově komplexní utvářeč třísek. V porovnání s jinými technologiemi výroby vede laser i na jakostnější provedení řezné hrany. Pozitivní geometrie břitu spolu s vhodným utvářením třísky a vysoká kvalita ostří přispívá k výrazně nižšímu tepelnému namáhání nástroje i obrobku a k vyšší kvalitě obrobené plochy. U takových řešení je možné dále zvyšovat řezné podmínky a zkracovat čas obrábění.
Test frézování kalené oceli (58 HRC) s dosažením vysoké jakosti povrchu
Vyvinutá PKNB fréza s geometrií břitu vytvořenou laserem (vlevo), obrobená plocha kaleného střižníku po renovaci frézováním (vpravo)

Fréza z polykrystalického KNB

Vývoj rotačního nástroje s břity z kubického nitridu boru byl motivován možností nahradit operace broušení dílců z kalené oceli frézováním. Pro takové řešení byl vybrán řezný materiál s obsahem tvrdé fáze 93 % v pojivu AlN. Tvorba geometrie břitu spočívala v konečné fázi v použití laseru. Postupnými kroky byl optimalizován celý výrobní proces s ohledem na kvalitu a celkovou efektivitu výroby takových nástrojů. Průběžně bylo sledováno chování dílčích variant nástrojů testováním řezivosti. Výsledky testů potvrdily dlouhou trvanlivost břitu nástroje (35 minut) při produktivních dokončovacích podmínkách (vc = 700 m.min-1, fz = 0,03 mm, ae = 12 mm, ap = 0,2 mm). Tímto způsobem bylo možné během jedné trvanlivosti břitu nástroje dokončit plochu 1 750 cm2 s podélnou drsností povrchu do Ra = 0,2 µm.
Pro demonstraci praktických schopností dvoubřitého frézovacího PKNB nástroje průměru 16 mm, který byl vyroben prostřednictvím optimalizované laserové technologie, byl vybrán případ renovace povrchu střižníku z kalené oceli (ČSN 19573.4, 60 HRC) o rozměrech 185 x 115 mm. Při podmínkách, kdy byla celá plocha obrobena za 1,6 minuty, bylo dosaženo drsnosti povrchu Ra = 0,1 µm a rovinnosti plochy 0,08 mm.

Frézy z polykrystalického diamantu

Vývoj fréz s břity z materiálu na bázi diamantu byl orientován do oblasti aplikací obrábění dílců z hliníkových slitin a z polymerních materiálů s vláknovou výztuží skelnými vlákny. Vývoj vhodné výrobní technologie rotačních nástrojů, sestávající z kombinace vakuového pájení a laserové technologie opracování břitu, vedl k přípravě různých konkrétních provedení nástrojů, které oproti těm na trhu dostupným vykazovaly možnost realizace většího počtu břitů a vytvoření kvalitnější řezné hrany s pozitivnější geometrií břitu a utvářečem třísek. Právě to jsou předpoklady pro výrazně produktivnější, ale současně i kvalitnější obrábění PKD nástrojem. Při frézování hliníkové slitiny EN AW 2011 (vc = 550 m.min-1, fz = 0,1 mm, ae = 3 mm, ap = 4 mm) bylo nástrojem z vysokoobsahového PKD materiálu dosaženo času obrábění více než 100 minut, a to při naprosto minimálním opotřebení břitu. Oproti nástroji standardní podoby a způsobu výroby (dokončení břitu broušením) bylo možné snížit velikost sil při obrábění přibližně o 20 % a parametr drsnosti povrchu Ra poklesl až o 55 %.

Možnost praktického nasazení nástroje z PKD byla demonstrována na technologii ořezu konkrétního dílce z kompozitního materiálu s termoplastickou matricí a vláknovou výztuží – materiál s označením G/PA12. Pětibřitý nástroj s utvářečem třísek a pozitivní geometrií břitu byl přímo porovnán s několika na trhu dostupnými řešeními. Dílec (150 x 150 mm, tloušťka 3 mm) byl obráběn při posuvové rychlosti 8,7 m.min-1. Na dílci bylo dosaženo redukce delaminace materiálu oproti původnímu nastavení technologie o 65 %. Současně s tím byl snížen čas obrábění o 25 %.

Porovnání kvality povrchu dna drážky realizované broušeným nástrojem (vlevo) a nástrojem s břity upravenými laserem, pozitivní geometrií a utvářečem třísek (vpravo)

Kvalita obrobené hrany dílce z materiálu G/PA12 – technologie s  využitím původního nástroje (vlevo), technologie s využitím nově vyvinutého nástroje (vpravo)

Shrnutí

Rostoucí spotřeba konstrukčních materiálů, které mají sice unikátní mechanické vlastnosti, ale často zhoršenou obrobitelnost, dává prostor nárůstu spotřeby obráběcích nástrojů ze supertvrdých materiálů. Přes jejich vyšší pořizovací cenu je při správném způsobu jejich výroby a použití docíleno markantního zvýšení produktivity a jakosti obrábění. V celkové bilanci je tak obráběcí proces hospodárnější a efektivnější. Nemalý vliv na tento výsledek má aplikace laserové technologie při výrobě nástrojů. Její využití vede na zcela nové možnosti nasazení nástrojů z kubického nitridu boru a diamantu v praxi.

Článek vznikl v rámci řešení projektu, který byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.

RCMT, Rotana, Sanborn

Ing. Pavel Zeman, Ph.D., Ing. Pavel Vítek, Ing. Michal Koudela

pavel.vitek@rotana.cz

Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

High-end technologie pro výrobu ultratvrdých nástrojů

Z důvodů požadavků na snižování hmotnosti, zvyšování pevnosti a odolnosti různých strojírenských sestav se konstruktéři stále častěji přiklánějí k volbě moderních materiálů dílů, které nejsou zcela vhodné pro obrábění. Jsou jimi neželezné slitiny kovů, plasty, kompozity, ale i např. zušlechtěné oceli. Této situace využila společnost Rotana a již před pěti lety zahájila vývoj ultratvrdých řezných nástrojů. Jejich výroba obnáší zpracování speciálních tvrdých materiálů na bázi diamantu či kubického nitridu boru za použití velmi vyspělých, tzv. high-end technologií.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Související články
Ultratvrdé nástroje pro speciální aplikace

Trh, nejen ten český, se dynamicky mění - do hry vstupují nové trendy a s nimi nové materiály s novými užitnými i mechanickými vlastnostmi, které bude potřeba obrábět i v budoucnu. Schopnosti dnes běžně dostupných nástrojů pro třískové obrábění již nebudou dostačující. To si uvědomuje společnost Rotana, která se specializuje zejména na výrobu rotačních nástrojů. V loňském roce proto vybudovala výzkumné a vývojové centrum, kde se intenzivně věnuje vývoji speciálních nástrojů z ultratvrdých materiálů, jako jsou PKD, CVD-D nebo PCBN. Tyto nástroje by měly primárně sloužit pro high-end technologie.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Aktuální přístupy ke zvyšování produktivity třískového obrábění

V každé výrobní technologii neustále klademe nové požadavky na zvyšování produktivity, přesnosti, jakosti, efektivity, spolehlivosti apod. Produktivita je jedním z důležitých parametrů, na jejichž základě lze technologie mezi sebou srovnávat. Třískové obrábění si z pohledu produktivity neustále udržuje významné postavení, neboť je schopno zajistit všechny výše uvedené požadavky i pro velmi přesné dílce. Výše celkové produktivity a samozřejmě i ostatních parametrů je dána každým článkem z tohoto řetězce: zvolený nástroj – upnutí nástroje – řezné podmínky – upnutí dílce – zvolená strategie obrábění – NC kód (vazba na CAM a postprocesor) – možnosti stroje z pohledů parametrů pohonů a též jeho technologické konfigurace (multifunkčnost) – řídicí systém.

Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Komplexní obrábění rotačních dílů

Následující článek poskytuje reference rakouského výrobce obráběcích strojů Emco u svých klíčových zákazníků. V dnešním vydáním přineseme pohled z laakirchenského závodu na výrobu rotačních dílů Miba Gleitlager Austria GmbH a v příštím vydání reportáž ze salcburské firmy MTE Metalltechnik Elsenhuber specializující se od kusové až po sériovou výrobu dílů a sestav.

Vysokoteplotní lubrikanty na bázi vanadu tvořené PVD procesem

Přítomnost vanadu v povlaku mění jeho vlastnosti a největší vliv má na koeficient tření, jehož snížením lze prodloužit životnost nástroje. V naší práci popisujeme, jakými jevy k tomu dochází a jak se změní chování povlaku s přítomností vanadu. Nakonec shrneme výsledky řezných zkoušek odpovídajících rychlořeznému obrábění.

Nová metodika hodnocení řezných vlastností nástrojů

Řezivost nástrojů je termín obdobný základním technologickým vlastnostem zpracovávaných technických materiálů, jako jsou například svařitelnost, slévatelnost či tvařitelnost. Podobně jako u jiných technologií je nutno vztáhnout tuto charakteristiku k požadovanému kritériu, to je k hlavnímu sledovanému cíli a základním podmínkám zkoušek. To znamená, jakou požadovanou práci či dosaženou kvalitu produkce od řezného nástroje očekáváme a s jakou spolehlivostí či rizikem tyto výkony chceme opakovat a používat.

Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Přesnost a produktivitu obrábění ovlivňuje mnoho faktorů. Svůj podíl na výsledku má typ a vlastnosti použitého obráběcího stroje, volba nástrojů a řezných podmínek, zvolená strategie obrábění a v neposlední řadě i způsob upnutí a vyrovnání dílce před obráběním. V některých specifických případech je volba upnutí klíčovým faktorem pro realizaci celé technologie v požadovaných parametrech.

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