Zvyšování efektivity soustružení

Základem pro stanovení optimální doby v řezu (řezných podmínek) a frekvence výměn nástrojů (životnosti nástrojů) je ekonomická životnost nástrojů. Výpočet příslušné hodnoty, provedený na základě hodinové sazby stroje, slouží jako dobrý indikátor dosažení jejich ideální rovnováhy pro danou operaci. Čím vyšší je hodinová sazba stroje, tím kratší je ekonomická životnost nástroje (v automobilovém průmyslu se u soustružnických operací pohybuje mezi 12 až 16 minutami).

Potřeba stále kratších časů v řezu, v kombinaci s dostatečně dlouhou životností nástrojů a provozní bezpečností, si žádá nepřetržitý pokrok využívající přednostně výhody plynoucí z technologického vývoje obráběcích nástrojů. Proto je při soustružení ocelí velice důležité neustálé zvyšování úrovně konzistentní výkonnosti a prodlužování předvídatelné životnosti nástrojů při vyšších hodnotách řezných podmínek.

Břitové destičky z povlakovaných slinutých karbidů dlouhou dobu plnily úlohu hlavních tahounů produktivního soustružení v automobilovém průmyslu a i nadále představují špičkový prostředek pro další zvyšování výkonnosti. Nová generace povlakovaných tříd břitových destiček určených pro oblast P15 a P25, která umožňuje zvýšení produktivity soustružnických operací prováděných v automobilové výrobě v průměru o více než 30 %, se opírá o pokrokové technologie jejich výroby a povlakování.

Příkladem může být výroba ocelové hnané hřídele soustružené břitovými destičkami typu DNMG s geometrií typu PM, řeznou rychlostí 300 m/min, posuvem 0,35 a hloubkou řezu 0,5 mm. Původní třída břitových destiček byla schopna fungovat se spolehlivou životností nástroje omezenou na 30 minut a 115 obrobených součástí. Třída P25 nové generace, vytvořená nejmodernější technologií povlakování, umožnila prodloužení předvídatelné životnosti nástroje na 40 minut a 154 obrobených součástí – což je nárůst o 33%. Zvýšení bezpečnosti řezné hrany a snížení prostojů stroje přineslo zvýšení produktivity výrobního procesu s minimem invazivních změn.

Povlakování břitových destiček spočívá v nanesení ochranné vrstvy otěruvzdorného materiálu na povrch substrátu břitové destičky, obvykle pomocí jeho chemického vylučování z plynné fáze (chemical vapour deposition – CVD). Při působení určitých technologických parametrů, které určují, jakým způsobem dochází k nanášení povlaku, spolu molekuly plynu vzájemně reagují. Mezi hlavní parametry patří teplota, tlak, typ a vzájemný poměr plynů a povrch, na který je povlak nanášen. Současné optimalizované vysoce technologicky vyspělé procesy CVD povlakování splňují požadavky na produktivní, konzistentní hromadnou výrobu břitových destiček.

Jako osvědčený nástrojový materiál je oxid hlinitý (Al2O3) v omezené míře využíván pro monolitní keramické břitové destičky, určené pro některé aplikace při obrábění určitých typů materiálů. Je to vynikající tepelný izolant s vysokou chemickou stabilitou a jako takový jen velmi omezeně reaguje s kovovými materiály. Je velice tvrdý a vysoce odolný proti otěru, ale v monolitní formě také relativně křehký. V případě povlakových vrstev však křehkost nepředstavuje problém, což také vysvětluje použití CVD povlaku z oxidu hlinitého u většiny břitových destiček. Povlak brání pronikání nadměrného množství tepla do substrátu břitové destičky – což umožňuje použít vyšší řezné rychlosti a delší časy v řezu – a je překážkou pro chemické reakce mezi substrátem ze slinutého karbidu a materiálem obráběné součásti.

Moderní technologie povlakování využívají kombinaci více povlakových vrstev. Vnitřní povlaková vrstva bývá nejčastěji z karbonitridu titanu (TiCN), který nabízí velmi dobrou vazbu k substrátu a značně vysokou odolnost proti otěru. Na její povrch je nanášen oxid hlinitý. Vnější vrstva z nitridu titanu (TiN) pomáhá poněkud snížit velikost tření a její zlatá barva je dobrým indikátorem opotřebení.

Povlak z oxidu hlinitého je tvořen krystaly, jejichž velikost se pohybuje v řádu mikrometrů, které při konvenčním způsobu nanášení rostou v mnoha různých směrech. Orientace krystalů má značný vliv na vlastnosti povlaku a výkonnost břitové destičky. Kontrolovaným růstem a usměrněním orientace jednotlivých krystalů je možné vytvořit ideální povlak s homogenními vlastnostmi.

Za nejdůležitější objev zásadního významu, spočívající v kontrole orientace krystalů, lze v současnosti označit technologii známou pod názvem Inveio, která vychází z velmi jemného doladění optimálního nastavení při nanášení krystalů oxidu hlinitého metodou CVD. Díky postupnému růstu krystalů s jednotnou orientací vzniká povlak tvořený těsně uspořádanými pakety kolumnárních krystalů, který představuje zcela nový typ povrchu břitových destiček. Tento povrch lépe odvádí teplo vznikající při obrábění kovů, umožňuje jeho rozptýlení do větší oblasti a tím snížení teploty břitu. Další pokrok se týká veškerých sklonů ke vzniku trhlin, které se u povlaků vyskytují, protože namísto toho, aby se šířily směrem do materiálu, mají trhliny tendenci šířit se rovnoběžně s povrchem.

Výsledkem aplikace této nové technologie jsou dvě špičkové třídy břitových destiček pro soustružení ocelí – GC4325 a GC4315. První z nich se vyznačuje velice širokými možnostmi použití v oblasti P25, druhá vyniká pozoruhodnými předpoklady pro optimalizaci v oblasti P15. Druhá z nich je obzvláště vhodná pro soustružnické operace používané v automobilovém průmyslu.

Třída P25 je první volbou pro velké množství soustružnických operací a šíře jejího použití pro nejrůznější podmínky obrábění a druhy ocelí v kombinaci s jejími výkonnostními možnostmi a spolehlivostí řezné hrany, kterou nabízí, je naprosto unikátní. Nalezení vhodné břitové destičky, která bude mít za všech okolností a při obrábění prakticky všech ocelí stále stejnou životnost, je nyní mnohem jednodušší a méně riskantní.

Typickým příkladem použití nové třídy P25 je axiální a radiální soustružení náprav z nízkolegované oceli s dobou v řezu až 20 sekund při řezné rychlosti 250 m.min^-1. Vyšší spolehlivost břitu umožnila často až ztrojnásobení životnosti nástroje ve srovnání se stávajícími řešeními a splnění předpokladů, které jsou potřebné pro dobrou funkci při vyšších řezných rychlostech a pro dosažení maximální produktivity.

Třída P15 určená pro optimalizaci je schopná pracovat při vyšších řezných rychlostech a delších časech v řezu a umožňuje obrábění tvrdších typů materiálů. Tato třída odolává vyšším teplotám a vyznačuje se vysoce předvídatelnou výkonností a výsledky. Eliminovány jsou u ní druhy opotřebení, které se vyznačují nekontrolovatelným průběhem, např. sklony k plastické deformaci břitu. Díky své vyšší tepelné odolnosti umožňuje nová třída P15 při správném použití značné zvýšení trvanlivosti a spolehlivosti.

. Z  hlediska zkrácení prostojů ve velkosériové výrobě na minimální úroveň je třeba vnímat koncepce určené pro rychlou výměnu nástrojů jako prostředky umožňující zvýšení produktivity práce na soustruzích. Ať už se jedná o řešení ručně nebo mechanicky ovládaná, jejich základem je vždy normou ISO standardizovaná spojka Coromant Capto. Pro většinu typů obráběcích strojů jsou snadno dostupná a jejich použití má značný vliv na podíl času, kdy je stroj plně využíván pro výrobu součástí.

V jednom případě, při obrábění hřídele ze za studena tažené oceli s tvrdostí 200 HB, byla nová třída P15 schopna obrábět o 75 % déle než nová třída P25, u které byl přípustný čas v řezu jen něco málo přes jednu minutu. Opět platí, že díky lepší stabilitě při vyšších řezných rychlostech (420 m.min^-1) a delší životnosti nástrojů je zvýšení produktivity prakticky na dosah.

Produktivitu může ovlivňovat také způsob upnutí a výměn nástrojů a mnoho závodů zabývajících se výrobou automobilových součástí by mělo zvážit možnosti, které jim pro snížení prostojů na minimální úroveň nabízejí nové technologie upínání nástrojů.

Rychlovýměnné koncepce je třeba vnímat jako prostředky umožňující zvýšení produktivity práce na soustruzích. Ať už ručně nebo mechanicky ovládané, pro většinu typů obráběcích strojů jsou snadno dostupné a jejich použití má značný vliv na podíl času, kdy je stroj plně využíván pro výrobu součástí. Díky využití rychlovýměnného systému Coromant Capto s upínacím rozhraním v podobě normou ISO standardizované polygonální spojky se snižuje počet potřebných měření, není nutné tak časté seřizování a zkracuje se doba výměny nástrojů. Při obrábění velkých sérií tak lze získat určité množství strojního času navíc, které je možné využít pro obrábění. Kromě toho, použití vnitřního přívodu řezné kapaliny tělem nástroje zaručuje plné využití schopností obráběcího stroje pro dosažení vysoké přesnosti, vysoký tlak řezné kapaliny pak umožňuje zlepšení kontroly utváření třísek a omezení všech činností souvisejících s jejich odstraňováním – což znamená „více času na vytváření přidané hodnoty“.

Ing. Andrej Palovčík

Sandvik Coromant

Nikki Stokes

n.rasic@pinnaclemarcom.com

www.sandvik.coromant.com/cz