Výzkum pro praxi: Vývoj řezných nástrojů z ultratvrdých materiálů

Moderní technologie obrábění vyžadují nová řešení i na straně řezných nástrojů a způsobů jejich použití. Jedním z konkrétních inovačních směrů je aplikace tzv. ultratvrdých řezných materiálů v podobě polykrystalického kubického nitridu boru (PKNB), polykrystalického diamantu (PKD) nebo chemicky nanesené silné diamantové vrstvy (CVD-diamant). Předností takových materiálů je především z tvrdosti plynoucí otěruvzdornost i za vyšších teplot a u diamantových materiálů i vysoká tepelná vodivost. Na druhou stranu je použití nástrojů s břity z těchto materiálů limitováno nízkou houževnatostí, omezeným sortimentem typů obráběných materiálů, vyšší cenou a v neposlední řadě i omezenými možnostmi výrobních technologií. Základní a stále nejpoužívanější technologií výroby konečné podoby geometrie břitu takového nástroje pro kusovou i sériovou výrobu je broušení, případně WEDM proces. Jedná se o zavedené a v řadě případů velmi efektivní procesy, avšak limitované konkrétním typem řezného materiálu, výslednou kvalitou zpracování a variantností provedení geometrie břitu nástroje. Rozvoj laserových, ale i dalších nekonvenčních technologií výroby může dát podobě geometrie zcela jiné aspekty, kterými jsou především maximálně kvalitní řezná hrana, celková vyšší přesnost zpracování a tvarově složitější geometrie s utvařečem třísek. To otevírá nové možnosti použití nástrojů z ultratvrdých materiálů, jak z hlediska aplikací pro další obráběné materiály, tak i způ­sobů použití takových nástrojů při efektivnějších pracovních podmínkách pro vyšší výslednou kvalitu dílce a celkově lepší hospodárnost výroby.

Cílem dlouhodobého společného výzkumu firmy Rotana a RCMT, Fakulty strojní ČVUT v Praze je implementace laserové technologie a doprovodných procesů pro výrobu efektivnějších a kvalitnějších technicky a technologicky unikátních nástrojů z ultratvrdých materiálů.

Intenzivnější spolupráce firmy Rotana s RCMT byla započata v roce 2016. Tým RCMT, který vedl Ing. Pavel Zeman, Ph.D., byl v rámci společného projektu přizván k vývoji nástrojů firmou již částečně nebo kompletně vyráběných s využitím laseru.

Prvními hlavními aktivitami pracovníků RCMT při spolupráci bylo nastavení inovovaného způsobu sledování a hodnocení kvality zpracování nástrojů, a především vývoj metodiky pro systematické testování a analýzu řezivosti takových nástrojů s potřebou zajištění správného přenosu znalostí na jednotlivé zákaznické případy. Vývoj, na jehož úspěšném vyřešení měli velký podíl další důležití členové týmu RCMT, zejména Ing. Jan Malý a Ing. Petr Mašek, Ph.D., byl směřován ke spolehlivému a rychlému stanovení užitných vlastností a oblastí vhodných pracovních podmínek, a k novým aplikacím z pohledu obráběných materiálů – např. frézování niklových slitin nebo vlákny vyztužených termoplastických kompozitů (FRTP).

Společně s týmem pracovníků firmy Rotana se dále podařilo vyvinout, a hlavně do praktického použití přenést tři unikátní prototypy nástrojů: 

– frézu z vysokoobsahového PKNB;
– frézu z PKD s tvarovým utvařečem třísek;
– minifrézu z CVD-diamantu (patentované řešení).

Výsledky testů použití nástrojů v zákaznických aplikacích předčily původní očekávání.

Další oblastí aktivit vývoje se zapojením RCMT byla optimalizace nastavení laserové výrobní stanice na základě poznatků o interakci paprsku laseru s různými variantami výše uvedených řezných materiálů. Tým RCMT s výrazným přispěním skupiny vedené Ing. Tomášem Primusem provedl výzkum pro popis vlivu pracovních parametrů laseru na efektivitu a kvalitu opracování řezného materiálu. Společně s kolegy z firmy Rotana se podařilo definovat oblasti parametrů laserového záření a strategií výroby, a aplikovat je pro různé typy a konkrétní varianty nástrojových materiálů. Tento přístup napomáhá efektivnější výrobě nástrojů laserem. Nedílnou součástí tohoto úkolu je i spolupráce při výzkumu vhodných způsobů dokončování nástrojů po použití laseru, broušení a EDM metodách výroby.

Součástí optimalizace procesu výroby nástrojů z ultratvrdých materiálů laserem je i aktuálně vedený vývoj komplexního modelu pro stanovení výrobních nákladů laserového pracoviště. Opět v úzké spolupráci obou pracovišť a s významným zapojením dalších odborníků z Fakulty strojní, ČVUT v Praze, vzniká aplikace s možností parametrického zadání charakteristik vyráběného obráběcího nástroje a s výstupem přesné a rychlé predikce výrobních nákladů. Tento SW nástroj je jedním ze směrů dalšího rozvoje uplatňování kvalitních, výkonných, spolehlivých a cenově dostupných nástrojů z ultratvrdých materiálů na trhu.

Prozatím poslední fází oběma subjekty společně vyvíjených nástrojů je nová generace soustružnických nožů pro opracování titanových a niklových slitin a také MMC (Metal Matrix Composite - kompozit s kovovou matricí) materiálů. Nástroje vznikají v podobě unikátních řešení s průmyslově chráněnými prvky. RCMT se širším týmem pracovníků se zapojuje především výzkumnými aktivitami při společné definici vhodné podoby nástroje a jeho aplikace a při experimentálním určení optimálního způsobu použití s vytyčením oblastí vhodných pracovních podmínek a vlastností řezného prostředí.

Vývoj výše zmiňovaných řezných nástrojů probíhá po celou dobu pod přímým vedením a organizací prací Ing. Pavla Vítka, t. č. vedoucího vývoje a prodeje nástrojů z ultratvrdých materiálů ve společnosti Rotana. Právě on je hlavním nositelem původních myšlenek společného výzkumu a iniciátorem spolupráce. Do spolupráce je nicméně zapojený celý vývojový tým společnosti pod vedením Ing. Antonína Novotného.

Ing. Pavel Vítek hodnotí spolupráci následovně: „Vývoj trendů v posledních letech v oblasti použitých materiálů pro moderní konstrukce dílů zejména pro automobilový a letecký průmysl nese další požadavky pro jejich zpracování. Mimo hledání nových možností, jak zhotovit požadované konstrukce, je kladen velký důraz na výslednou hospodárnost celého procesu. V této problematice se mohu spolehnout nejen na vývojový tým Ing. Novotného. Velkou zásluhu na dosažených výsledcích a nově získaných poznatcích mají kolegové z ČVUT v Praze, kteří se podílejí na kolaborativním výzkumu. Přinášejí mimo hledisek denní praxe odborníků z Rotany jiné pohledy na problematiku. Výsledky spolupráce jsou komplexní ucelená řešení využitelná právě pro každodenní praxi, a to s možností okamžitého uplatnění. To je pro firmu velmi důležité. Věřím, že probíhající spolupráce nejsou posledními, protože otevřených témat je stále mnoho.“

Spolupráci v oblasti vývoje PKD, PKNB a CVD-D nástrojů s firmou Rotana vede na ČVUT v Praze Ing. Pavel Zeman, Ph.D.: „Nástroje z ultratvrdých materiálů z mého pohledu skrývají potenciál, který z větší části doposud ne vždy umíme v praxi využít. Důvodů pro tuto situaci je více. Z pozice partnera v kolaborativním výzkumu se snažíme s firmou Rotana odhalovat a překonávat tyto nedostatky novými řešeními nástrojů, způsoby jejich výroby a použití. Ukazuje se, že v porovnání s jinými typy nástrojů je pro ty z ultratvrdých materiálů mnohem důležitější pochopit podstatu jevů doprovázejících obrábění ve spojitosti s chováním nástroje. Vhodné aplikační oblasti pro efektivní nasazení nástrojů se totiž zpravidla nacházejí jen ve velmi úzkém rozsahu. Nové řezné materiály, tvary a vyšší kvalita geometrie břitu dávají této problematice nový rozměr. Možnost spolupráce v uvedených oblastech s firmou Rotana nám proto umožňuje významně rozšiřovat teoretické i praktické znalosti a dovednosti. Spolupráce dále etabluje naše pracoviště v problematice řešení high-tech obráběcích technologií, myšleno jak z hlediska materiálu, kvality a produktivity výroby, tak i její spolehlivosti a opakovatelnosti. Díky přímé podpoře výzkumu majitelem firmy p. Radkem Švihálkem se společným úsilím obou pracovišť daří vyvíjet nové nástroje, které jsou konkurenceschopné originalitou designu, vlastnostmi a způsobem použití. Nástroje již prokazují svůj potenciál v praxi. Celkově mohu hodnotit spolupráci jako zajímavou, otevřenou a perspektivní. Jsem proto přesvědčen, že v ní můžeme a budeme dále pokračovat.“