Aspekty opotrebenia rezného klina nástroja a vplyv progresívnych technológií povlakovania na opotrebenie
V posledných päťdesiatich rokoch bol výskum a vývoj smerovaný do oblasti zlepšovania základných rezných materiálov a ich povlakov. Dnes si už žiadny progresívny rezný nástroj pre trieskové obrábanie kovov, menovite jeho reznú časť, nemožno predstaviť bez kvalitného rezného materiálu. Pod ním rozumieme kvalitný tvrdokovový a povlakovaný substrát.
Proces odoberania triesky rezným klinom (RK) nástroja je sprevádzaný uvoľnenou energiou - teplom, ktoré sa veľkou mierou podieľa na celkovej životnosti nástroja. Značná časť tepla, ktoré vzniká pri obrábaní je generovaná trením dochádzajúcej triesky po povrchu RK. Navyše sily pôsobiace na rezný klin majú tendenciu kolísať v závislosti na štruktúre odoberaného materiálu, alebo v dôsledku prerušovaného rezu.
Požiadavky na rezný klin: tuhosť a pevnosť, húževnatosť, odolnosť voči opotrebeniu a tvrdosť.
Vo všeobecnosti možno predpokladať, že pri tvorení triesky sa celá energia premení na teplo a 80 % (závisí od rôznych faktorov, hlavne od reznej rýchlosti) tejto tepelnej energie sa odvedie z miesta rezu v trieske. Zvyšných cca 20 % prechádza do rezného klina. Pri obrábaní "mäkkých" ocelí môže táto teplota presiahnuť 550 oC, čo je napr. pre HSS (rýchlorezná oceľ) maximálne únosná teplota pri zachovaní jej mechanických vlastností, menovite tvrdosti. Pri obrábaní tvrdých ocelí kubickým nitridom bóru (CBN) bude dosahovať táto teplota v mieste rezu hodnotu až 1 000 oC.
Opotrebenie a životnosť nástroja
Opotrebenie môže nadobúdať tieto formy: vyštrbenie hrany, obrúsenie hrany, ryha, kráter, zásek, prasklina, lom-totálna deštrukcia. Neexistuje jediná, všeobecne platná definícia životnosti. Životnosť RK musí byť vzťahovaná k obrábanému, ale aj k reznému materiálu. V konkrétnych podmienkach obrábania kovov sa na životnosti nástrojov podieľajú tri kľúčové aspekty: základný substrát, povlak a úprava povrchu povlaku. Tieto tri aspekty spolu s reznou geometriou RK nástroja a polomerom zaoblenia reznej hrany, dovoľujú výber z istých kombinácií a aplikovateľnosť pre široké spektrum obrábaných materiálov pri spoľahlivom výkone a hospodárnom obrábaní.
Substrát
Kvôli širokej škále obrábaných materiálov musia tvrdokovové nástroje byť pevné a húževnaté. Výrobcovia tvrdokovových rezných materiálov prispôsobujú substrát zmenou veľkosti zrna vol-frámu v rozsahu od 1 do 5 μm. Veľkosť zrna hrá vý-znamnú úlohu pri dosiahnutí požadovaného výkonu obrábania. Čím je frakcia zrna jemnejšia tým je základný substrát odolnejší voči opotrebeniu a naopak. Jemnozrnné substráty (submikrón), sú primárne určené pre vymeniteľné rezné doštičky (VRD), používané na obrábanie húževnatých a tvrdých materiálov v leteckom priemysle, napr. titán, Inconel a vysoko teplotné zliatiny.
Navyše, zmena obsahu kobaltu (6-12 %), má priamy vplyv na mechanické vlastnosti substrátu. Preto sa obsah a zloženie môže prispôsobiť požiadavkám konkrétnej aplikácie na požadované zvýšenie húževnatosti a odolnosti proti opotrebeniu. Požadovaný výkon substrátu sa môže zvýšiť obohatením povrchových vrstiev kobaltom, alebo selektívne pridaním iných druhov legujúcich prvkov do karbidu volfrámu, ako je titán karbid (TiC), karbid tantalu (TaC), karbidu vanádu (VC) a karbid nióbu (NbC). Povrchová vrstva substrátu obohatená kobaltom, výrazne zvyšuje tuhosť reznej hrany, čo je využívané pri aplikáciách prerušovaného obrábania.
Okrem toho je pri výbere vhodného substrátu pre konkrétny materiál obrobku a konkrétne požiadavky obrábania potrebné vziať do úvahy päť ďalších vlastností substrátu: lomovú húževnatosť, šmykovú pevnosť, pevnosť v tlaku, tvrdosť a odolnosť proti tepelným šokom.
Vývojoví inžinieri upravili zloženie substrátu v novom SUMO TEC substráte pre ďalšie zvýšenie výkonu obrábania. Nové VRD určené pre široké spektrum obrábaných materiálov majú väčšiu odolnosť proti plastickej deformácií, čo zmierňuje ďalší zdroj mikrotrhlín pri procese povlakovania. Úplne nový substrát taktiež zvyšuje výkon pri obrábaní liatin.
Tvrdé povlaky
Pri analýze vývoja povlakov, v posledných rokoch je nárast dopytu nástrojov s PVD povlakom na úkor CVD. Hrúbka CVD povlaku sa pohybuje v rozmedzí (5 -15 μm), v porovnaní s PVD povlakom, kde sa hrúbka pohybuje (2 - 6 μm). Povlak CVD je aplikovaný na základný substrát pri vysokých teplotách a pri chladnutí vzniká v povrchových vrstvách povlaku napätie, ktoré je iniciátorom povrchových mikrotrhlín. Na rozdiel od PVD povlaku, kde v interakcii so základným substrátom vznikajú tlakové napätia . Každý z faktorov mávplyv na životnosť reznej hrany pri kontinuálnom alebo prerušovanom obrábaní.
V súčasnosti existujú nasledovné druhy povlakov:
· Titan Nitrid (TiN) - univerzálny PVD povlak, vykazujúci značnú tvrdosť.
· Titan Carbon-Nitrid (TiCN) - povrchové vrstvy nasýtené uhlíkom majú vplyv na tvrdosť povlaku a nižší koeficient trenia po tomto povlaku.
· Titan Alumínium Nitrid (TiAlN, alebo AlTiN) - obsahuje vrstvu oxidu hlinitého, ktorý poskytuje vyššiu životnosť RK pri aplikáciách intenzívneho vzniku tepla. Používajú sa hlavne pri obrábaní za sucha a pre aplikácie vysokorýchlostného obrábania.
· Chróm Nitrid (CRN) - veľmi vhodný pre aplikácie obrábaných materiálov, kde sa tvorí nárastok
· Diamant - najlepšia voľba na obrábanie ne-železných materiálov. Zvlášť vhodné na obrábanie grafitu, kompozitov s kovovou matricou, abrazívnych materiálov s vysokým obsahom kremíka, hliníka a iných abrazívnych materiálov. Úplne nevhodný na obrábanie ocele.
Ing. Peter Ťapaj, CSc.
