TRENDY/OBRÁBĚNÍ
POVLAKOVÁNÍ
A ŽIVOTNOST NÁSTROJE
www.mmspektrum.com/101219
Iscar
Teplo vznikající jako projev fyzikálních a mechanických jevů během procesu
obrábění kovů vystavuje řezný nástroj extrémně rozdílným tepelným podmínkám.
Toto teplo vznikající utvářením třísky a jejím třením o čelo destičky při vysokých
řezných rychlostech je nepříznivým jevem zásadně ovlivňujícím
životnost břitu řezné destičky.
Řezné síly působí kolísavě nejen při přerušovaném řezu, ale často i při kontinuálním řezu
v důsledku přítomnosti tvrdých částí v mikrostruktuře materiálu vlastního obrobku. Proto
jsou na řezný materiál kladeny důležité požadavky, jako je pevnost při vysokých teplotách, vysoká houževnatost, odolnost proti
opotřebení a vysoká tvrdost.
Během posledního půlstoletí byl zrealizován rozsáhlý výzkum a vývoj zaměřený na
zvýšení limitů zmiňovaných vlastností řezných materiálů. Klíčovým faktorem pro stanovení opotřebení řezných nástrojů je teplota dosahovaná během procesu obrábění.
Je však velmi nesnadné určit parametry potřebné pro tento výpočet. Základ pro něj poskytly výsledky dlouhodobých zkoušek. Běžně se uvažuje, že veškerá energie vytvořená
během procesu obrábění se přemění na teplo a 80 % této energie je odvedeno v třísce
(v závislosti na několika faktorech, zejména
na řezné rychlosti), zbytkových 20 % směřuje do řezného nástroje. I při obrábění měkkých ocelí může teplota nástroje přesáhnout
550 °C, což je maximální teplota pro rychlořeznou ocel (HSS), kterou může snášet bez
ztráty tvrdosti. Opracování kalených ocelí s CBN nástroji způsobuje nárůst teploty
v třísce a nástroji na více než 1 000 °C.
Destičky s různým stupněm opotřebení a destrukce břitu
vc Tn . Dx f y = C,
kde vc je řezná rychlost, T životnost, D hloubka
řezu, f posuv. Koeficienty x a y jsou stanoveny
experimentálně, n a C jsou konstanty, jejichž
hodnoty jsou stanoveny experimentálně nebo
jsou převzaty z publikované formy jako vlastnosti materiálu, obrobku a hodnot posuvu.
Z funkčního hlediska je možné odstranit
nadměrné opotřebování a vysoké teploty
třemi klíčovými elementy, jimiž jsou substrát,
způsob povlakování a konstrukce řezné hrany. Všechny tyto faktory jsou rozhodující pro
úspěch nebo naopak selhání třískové operace a spolu s utvařečem a rádiusem rohu destičky určují vhodnost řezného nástroje pro
daný obrobek či aplikaci. Správná kombinace těchto parametrů zaručuje dlouhou životnost, která ústí v efektivní obrábění a spolehlivý výkon nástroje.
Substrát
Nástroje z karbidu wolframu kombinují tvrdost a tuhost, což jsou vlastnosti potřebné
pro účely pokrytí široké škály aplikací obrábění kovů. Výrobci řezných nástrojů dnes
mohou používat zrna wolframu v rozsahu
1 až 5 µm. Velikost zrnek sehrává však velmi významnou úlohu při výkonu obrábění.
Jemnější struktura zrnek (pod 1 µm) zajišuje
vyšší odolnost proti opotřebování, větší zrnka naopak větší houževnatost. Jemnozrnné
substráty jsou vhodné pro výrobu vyměnitelných břitových destiček používaných zejména pro obrábění materiálů pro letecký průmysl, jako například titanu, inconelu a vysokoteplotních slitin.
Změna obsahu kobaltu ze 6 na 12 % má
přímý vliv na substrát, poskytuje vyšší tuhost.
Proto obsah jeho složení může být stanoven
pro každou kovoobráběcí aplikaci individuálně, podle požadavků na tuhost nebo životnost. Výkon substrátu může být zlepšen
také hladinou kobaltu přilnutého k povrchu
destičky nebo vybranými druhy přídavných
materiálů do kompozice wolframového karbidu, jako jsou například titannitrid (TiN),
Opotřebení a životnost nástroje
Opotřebení nástroje lze rozdělit na opotřebování boku, vznik vrubů na řezné hraně,
kráterů, zaoblení hrany, rozdrobení hrany,
popraskání hrany a destrukce vlastního nástroje. Neexistuje však obecně akceptovatelná definice pro životnost nástroje, nýbrž musí být specifikována s ohledem na materiál
obrobku a proces obrábění. Cesta, jak stanovit konec životnosti, vede přes určení hranice maximálního možného opotřebování Vb
nebo Vbmax. Matematicky můžeme životnost
vyjádřit rovnicí. Navržená rovnice pro pravděpodobnou životnost poskytuje přibližnou
hodnotu
vc Tn = C.
Více je zažita tato forma rovnice:
22 | MM Průmyslové spektrum | 12 | 2010
Míchání substrátů a kombinace povlaků je skutečná věda.
Placená inzerce
tantalkarbid (TaC), vanadkarbid (VC) a karbid niobu (NbC). Hladina kobaltu podstatně
zvyšuje sílu řezné hrany a rapidně zvyšuje
výkon při hrubovacích operacích a při operacích s přerušovaným řezem.
Také dalších pět vlastností substrátu – jako houževnatost při lomu, pevnost ve střihu, pevnost v tlaku, tvrdost a odolnost vůči
tepelným rázům – musí být zohledněny v případě výběru vhodného substrátu pro daný
materiál obrobku a částečně vůči podmínkám obrábění.
Povlaky
Současné povlakovací technologie zahrnují:
• nitrid titanu (TiN) – všeobecný PVD povlak, jeho použitím se dosáhne zvýšení
tvrdosti a vysoké teploty oxidace;
• titancarbonitrid (TiCN) – uhlík přispívá
k tvrdosti a povrchové kluznosti povlaku;
• titanaluminiumnitrid (TiAlN nebo AlTiN)
– přispívá k vyšší životnosti v aplikacích
s prudkým uvolňováním tepla, používá
se při suchém obrábění. AlTiN se v porovnání s TiAlN povlakem vyznačuje vyšší tvrdostí povrchu, což je dáno jiným procentuálním zastoupením hliníku a titanu.
Příklad povlaků Sumo Tec (PVD, CVD)
Tento povlak je velmi rozšířen pro vysokorychlostní aplikace.
• nitrid chromu (CrN) – jeho vlastnosti se
využívají při plynulém řezu, jde o vhodné
řešení proti vzniku nárůstků;
• diamant – poskytuje nejlepší obráběcí výkon pro neželezné materiály. Částečně je
vhodný pro obrábění grafitu, kompozitů
s kovovou matricí a hlavně slitin hliníku
s velkým podílem křemíku. Naprosto nevhodný je pro obrábění ocelí a feritických
materiálů s ohledem na vzájemnou chemickou reakci vedoucí k destrukci pojiva
povlaku.
Po analýze výzkumů povlakování se v posledních letech ukazuje efektivnější využívání PVD povlaků v porovnaní s CVD povlaky.
Tlouška CVD povlaku se pohybuje mezi
5–15 µm, zatímco u PVD povlaků se tlouška
pohybuje mezi 2–6 µm. CVD povlaky při nanášení na povrch substrátu vytvářejí nepříznivé povrchové tahové napětí, naopak PVD
povlaky vytvářejí na povrchu substrátu napětí tlakové. Uvedené faktory mají významný dopad na řeznou hranu a částečně na výkon nástroje během přerušovaného či plynulého řezu.
Vývoj nových metod povlakovacího procesu umožňuje lépe stmelovat vrstvy a zlepšovat vlastnosti povlaku. Na trhu se nedávno
představil pod obchodním názvem 3P Sumo
Tec unikátní povlak, který zlepšuje tuhost,
hladkost a odolnost vůči otěru PVD a CVD
povlaků. Technologie Sumo Tec přispívá
k redukci tření a spotřeby energie, a tím zvyšuje odolnost proti tvorbě nárůstků. Unikátní
proces odstraňuje mikrotrhliny a napětí na
povrchu destičky, které vznikají smršováním
při chladnutí destičky po CVD povlakování.
Proces taktéž odstraňuje nežádoucí kapičky
na povrchu povlaku vznikající během PVD
povlakovacího procesu. Výsledkem je hladší povrch, takže destička pracuje za nižších
teplot, a má proto vyšší životnost, umožňuje
lepší odvod třísek a může pracovat za znatelně vyšších řezných parametrů.
Další inovací je povlak Do-Tec. Jde o povlakovací technologii, která zahrnuje TiAlN
PVD povlak na MTCVD Al2O3 povlaku. Tato kombinace poskytuje konečnému uživateli více výhod, například možnost použití střední až vyšší řezné rychlosti pro obrábění šedé litiny a vyšší odolnost proti otěru
a opotřebení.
Dokončení řezné hrany
Dokončení řezné hrany honováním v mnohých případech určuje úspěšné obrábění.
Honovací parametry jsou stanoveny podle
aplikací, pro které jsou destičky určeny. Například vysokorychlostní dokončování ocelí vyžaduje odlišný způsob dokončování řezné hrany než v případě řezné hrany pro hrubování. Důkladné honování je nezbytné pro
destičky pro plynulé soustružení, frézování
většiny ocelí a šedé litiny. Pro těžké přerušované řezy je základním požadavkem těžké
honování nebo fazetka na řezné hraně.
Jemné honování je charakteristické ostrou řeznou hranou, požadovanou na destičkách při obrábění nerezových ocelí nebo vysokoteplotních slitin s ohledem na tendence
těchto materiálů k tvorbě nárůstků. Ostrá řezná hrana je taktéž nevyhnutelná při obrábění hliníku.
Pokud jde o geometrii, dodavatelé poskytují široký výběr deštiček využívajících řeznou hranu ve šroubovici, kde se profil řezné hrany otáčí rovnoměrně kolem válcového
povrchu v axiálním směru. Jednou z hlavních výhod řezné hrany ve šroubovici je klidný plynulý řez, redukce chvění a vyšší kvalita povrchu. Tato geometrie umožňuje větší
úběr materiálu a redukuje řezné síly. V neposlední řadě lze k lepšímu připsat i delší životnost nástroje, která je výsledkem snížení
teploty na břitu a jeho namáhání.
KOVOSVIT MAS
Svět obráběcích strojů
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Vertikální obráběcí centra
Pětiosá vertikální obráběcí centra
Portálová obráběcí centra
Horizontální obráběcí centra
Multifunkční soustružnicko - frézovací
centra
Vysoce produktivní soustružnická centra
Soustružnická centra
Univerzální hrotové soustruhy s CNC
řízením
Speciální technologie - válečkování
Paletizace a robotizace ke strojům
Zákaznické služby
‚ Návrhy strojů a technologií dle výkresu
‚ Speciální zakázková výroba součástí
‚ Generální opravy strojů MAS
‚ Speciální školení na seřizování strojů
MCU
CU 630V-5X
Multifunkční
ultifunkční pětiosá obráběcí centra
< nyní i s možností soustružení
WWW.KOVOSVIT.CZ
EVŽEN HORVÁTH
12 | 2010 | MM Průmyslové spektrum | 23
58_270.indd 1
23.9.2010 9:45:05
Download

POVLAKOVÁNÍ A ŽIVOTNOST NÁSTROJE