Vyšší spolehlivost při mikrofrézování kalených ocelí

Nástroje a vložky do forem se vyrábějí z různých materiálů. Dominantní roli hraje ocel, často tepelně zpracovaná. Pro výrobu kompletních tvarů nástrojů, kde se rozměry obráběných ploch pohybují v toleranci mikrometrů, se převážně používá třískové obrábění.

Metody mikroobrábění skýtají z pohledu jejich průmyslového využití široký vývojový potenciál. Zejména při požadavku reprodukovatelnosti a bezpečnosti procesu obrábění se vyskytují nedostatky spočívající v neznalosti optimálních řezných podmínek a ve strategii procesu obrábění. Při vytváření strategie obrábění je nutné vzít v úvahu požadovanou komplexnost a kvalitu vyráběných tvarů, materiál obrobku a jeho tepelné zpracování. Nekalené i kalené oceli jsou v současné době obráběny především nástroji s břity ze slinutých karbidů. O tvrdém obrábění hovoříme při tvrdosti materiálu obrobku od cca 48 HRC.

Při mikrofrézování se používají frézy o průměru od 50 µm upínané do vysokoo-táčkových vřeten (až 160 000 min^-1). U těchto miniaturních nástrojů může zlo-mení způsobit i nepatrná porucha procesu obrábění. Kromě toho se tyto nástroje rychle opotřebovávají, zejména při obrábění kalených materiálů.

Mikrofrézování frézou o průměru menším než 300 µm je zkoumáno v řadě vý-zkumných ústavů. Při laboratorních podmínkách je možné těmito nástroji opra-covat plochu vložky do formy vyrobenou z oceli s jakostí až Ra = 0,05 µm a o velikosti obráběných tvarů více než 20 µm, s výrobními tolerancemi až 2 µm. Obr. 1 ukazuje příklad tvářecího nástroje, jehož nejmenší detail je kanálek ve tvaru polokruhu o poloměru 25 mm.

Výzkum je zaměřen především na požadavky průmyslu, který má zájem využí-vat mikroobrábění tvrdých materiálů. Důraz je přitom kladen na trvanlivost břitu, kvalitu obrobené plochy, přesnost výroby, opakovatelnost a spolehlivost procesu obrábění.

V této souvislosti je nutné poznamenat, že provedení obráběcích strojů není dosud z hlediska tvrdého obrábění dostatečně prozkoumáno a velmi závisí na obráběném materiálu. Zejména při mikrofrézování kalených materiálů, jakož i opracování tvarů vnějších ploch, nejsou v současné době dostatečné vyhovující znalosti.

Stejně jako u konstrukce forem a nástrojů byl zpracován požadavek na obrábění kalených vložek do forem používaných speciálně pro vstřikové lití plastů a keramiky. Zde se jedná především o výrobu 2,5D a 3D dutin v toleranci ± 0,01 mm, při jakosti obrobeného povrchu Rz = 1 µm.
Typické obráběné tvary jsou zpravidla dutiny, kanálky a otvory o velikosti větší než 50 µm. Zvláštní pozornost je kladena na výrobu bez otřepů a minimální za-oblení hran vyráběné dutiny. Vložky do forem se vyrábějí z nástrojových ocelí, např. X45NiCrMo4, X153CrMoV12 nebo X37CrMoV5-1, tepelně zpracovaných na tvrdost 62 HRC.

V rámci výzkumného projektu byla zpracována strategie třískového obrábění kalených materiálů. Na vybraných druzích materiálů obrobků byly provedeny experimenty s různými druhy řezných materiálů, při různých způsobech chlazení a různých řezných podmínkách. Jako nástroje byly použity frézy s břity z SK opatřené povlakem a frézy s břity KNB o průměru 0,5 mm (obr. 2). Provedené zkoušky obrobitelnosti ukázaly, že mikrofrézování je použitelné, průběh obrábění je bezpečný a výsledky jsou reprodukovatelné.

Společně s volbou řezného materiálu byly provedeny experimenty s cílem určit optimální strategii chlazení při mikrofrézování kalených materiálů. Oběma řez-nými materiály bylo obráběno zasucha a při chlazení minimálním množstvím chladiva mlhou. U obou řezných materiálů se trvanlivost břitu při chlazení mlhou zlepšila. Menší opotřebení břitu vykazovaly nástroje s břity z KNB. Nástroji s povlakovanými břity z SK byla dosažena ve směru posuvu lepší jakost obrobeného povrchu než nástroji z KNB. Důvodem může být rozdílná geometrie břitu. Ve směru kolmém na směr posuvu byla jakost obrobené plochy u obou řezných materiálů při chlazení mlhou téměř stejná a značně lepší než při frézování zasucha nástroji s břity SK (obr. 3).

Z provedených experimentů lze učinit závěry pro volbu strategie mikrofrézování. Nástroje s břity z SK jsou vhodné pro obrábění kalených vložek do forem pouze pro hrubování. Nevýhodou je především velké opotřebení břitu nástroje a tím i nepřesné rozměry vyráběné dutiny. Vzhledem k větší houževnatosti SK jsou však tyto nástroje v porovnání s nástroji s břity z KNB málo citlivé na měnící se podmínky záběru nástroje, které se při řezných podmínkách pro hrubování často vyskytují. Další výhodou nástrojů s břity z SK je jejich menší cena.

Nástroje s břity z KNB jsou vhodné zejména pro dokončovací obrábění kale-ných forem a nástrojů. Vyznačují se malým opotřebením břitu, dosahuje se s nimi dodržení tolerance rozměrů a vysoké jakosti obrobeného povrchu. Před-pokladem pro jejich úspěšné použití je, tak jak je to typické u dokončovacího obrábění, rovnoměrný přídavek na obrobení, neboť tyto nástroje jsou tvrdší, ale současně také křehčí než nástroje s břity SK. Při měnícím se zatížení jsou břity z KNB náchylné na zlomení. Nevýhodou pro jejich použití pro předobrobení je rovněž vysoká cena nástroje, která je asi 4- až 6krát vyšší než u nástrojů s břity z SK.
Při zjišťování optimálních pracovních podmínek byly použity nejprve komerční, na trhu dostupné mikrofrézy z KNB. Experimenty byly provedeny při pracovních podmínkách doporučovaných výrobcem. Pro obrábění materiálů o tvrdosti 55 HRC je výrobci doporučován rozsah posuvu na zub 8 až 19 µm, rozsah řezné rychlosti 70 a 80 m.min-1. Dále byly provedeny experimenty s nástroji různých výrobců, které měly speciální geometrii břitu. Experimenty byly provedeny při dvou variantách řezných podmínek (viz tabulka). U varianty 1 byl posuv na zub dvojnásobný a desetkrát menší šířka obrábění. Zde bylo dosaženo velmi malé hloubky profilu drsnosti oproti variantě 2. U varianty 1 je Rz = 0,5 µm a u varianty 2 je Rz = 0,74 µm.

Obě varianty řezných podmínek vykazují také různé tvary třísek (obr. 4). U vari-anty 1 mají třísky velikost 35 µm, u varianty 2 jsou třísky více než dvojnásobné (79 µm). Toto je důkaz, že také u mikroobrábění lze dosáhnout vhodného tvaru a rozměru třísek, tedy optimálního úběru materiálu.

Úběr materiálu charakterizovaný množstvím třísek odebraných za jednotku ča-su závisí na pracovních podmínkách. U varianty 1 bylo odebráno za minutu 0,35 mm3 a u varianty 2 bylo odebráno 1,6 mm3. Odtud plyne závěr: pro před-hrubování volit pracovní podmínky dávající větší množství odebraného materiálu a pro dokončovací obrábění podmínky s malým úběrem materiálu.

Poznatky z provedených experimentů byly uplatněny při obrobení prototypu dvojdílné vstřikovací formy (obr. 5). Zvláštností těchto vložek je dutina s rotačním tvarem jako spojovací uzávěr na horní části vložky. Také těsnicí plo-chy obou polovin formy mají tyto volné plochy, takže se předpokládá vyšší přesnost tvaru, aby se zabránilo vzniku otřepů při stříkání plastů. Rozměry duti-ny jsou 2 x 2 x 2 mm.

Na obou tvarových plochách je při výrobě součástí určených pro počítače po-žadovaná odchylka tvaru menší než 10 µm (obr. 6), jakost povrchu Rz = 1 µm. Při obrábění vložky byly dosaženy následující hodnoty: na střední hloubce profilu byla Rz = 1,04 µm, na boční ploše Rz = 0,6 µm a na dně dutiny Rz = 0,19 µm.

Článek uvádí výsledky experimentů s nástroji s břity SK a KNB při obrábění ka-lených ocelí používaných v konstrukci forem a nástrojů. U nástrojů byla hodnocena odolnost proti opotřebení, vliv chlazení olejovou mlhou a byly zkoušeny modifikované pracovní podmínky. Experimenty ukázaly u obou řezných materiálů možnost zvýšení trvanlivosti břitu, dosažení vysoké kvality obrobeného povrchu při chlazení olejovou mlhou ve srovnání s obráběním za sucha. Vzhledem k delší trvanlivost břitu u nástrojů z KNB se dosahuje vyšší přesnost obráběných tvarů oproti nástrojům z SK, a to při vyšším posuvu na zub v kombinaci s menší hloubkou řezu. Rovněž se dosahuje lepší kvalita obrobeného povrchu.

Andrea Schubert a kol.
Zdroj: MM Das Industriemagazin, č. 48/ 2011
Zpracoval -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com

Tabulka: Přehled použitých pracovních podmínek