Aspekty opotrebenia rezného klina nástroja a vplyv progresívnych technológií povlakovania na opotrebenie
V TriboTechnike 3/2011 bol uverejnený tento článok v neprimerane skrátenej forme, za čo sa autorovi ospravedlňujeme. Nasledujúci text pojednáva o téme v plnom rozsahu. 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 pojmom "rezný materiál" potom rozumieme kvalitný tvrdokovový a povlakovaný substrát. Problematika tvrdokovových substrátov a samotných tvrdých povlakov je predmetom neustáleho vývoja a výskumu.
Teoretické východiská
Proces odoberania triesky rezným klinom (RK) nástroja je sprevádzaný uvoľnenou energiou, ktorej prejavená forma - teplo sa veľkou mierou podieľa na celkovej životnosti nástroja. Značná časť tepla, ktoré vzniká pri obrábaní je generovaná trením odchádzajúcej triesky po povrchu RK.
Navyše sily pôsobiace na rezný klin majú tendenciu kolísať v závislosti na štruktúre (nehomogenite) odoberaného materiálu, alebo v dôsledku prerušovaného rezu. Preto sú pri vysokých teplotách definované nasledovné požiadavky na rezný klin: tuhosť a pevnosť, húževnatosť, odolnosť proti opotrebeniu, vysoká tvrdosť.
Vo všeobecnosti možno predpokladať, že pri tvorení triesky sa značná časť energie 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 °C, 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 do 1 000 °C.
Opotrebenie a životnosť nástroja
Opotrebenie nástroja môže nadobúdať tieto formy: vyštrbenie hrany, obrúsenie hrany, ryha, kráter, zásek, prasklina, lomtotálna deštrukcia.
Neexistuje jediná, všeobecne platná a akceptovaná definícia životnosti. Životnosť RK musí byť vzťahovaná k obrábanému, ale aj k reznému materiálu. Spôsob ako kvantifikovať životnosť RK je limita maximálne prípustného opotrebenia na chrbte RK, tzv. Kritérium opotrebenia - VB, alebo VBmax. Matematicky môže byť životnosť RK vyjadrená nasledovnou Taylorovou rovnicou, ktorá je dobrým matematickým priblížením pre skutočnú životnosť RK nástroja.
VcTn = C
Všeobecnejšia forma tejto rovnice potom nadobudne tvar:
VcTn x apxf y = C , kde:
Vc = rezná rýchlosť, T= životnosť, ap= hĺbka rezu, f= posuv, x a y experimentálne získané konštanty , n a C experimentálne získané, alebo publikované materiálové konštanty RK, obrobku a posuvu.
Z praktického hľadiska sa v konkrétnych podmienkach obrábania kovov podieľajú tri kľúčové aspekty na zvyšovaní životnosti nástrojov: 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 ich aplikovateľnosť pre široké spektrum obrábaných materiálov pri spoľahlivom výkone a hospodárnom obrábaní.
Substrát
Kvôli aplikovateľnosti na širokej škále obrábaných materiálov musia tvrdokovové nástroje zahŕňať kombináciu pevnosti a húževnatosti. Výrobcovia tvrdokovových rezných materiálov tak v skutočnosti môžu prispôsobiť substrát zmenou veľkosti zrna volfrámu v rozsahu od 1 do 5 μm. Veľkosť zrna tak hrá významnú 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), ktoré sa používajú na obrábanie húževnatých a tvrdých materiálov v leteckom priemysle ako sú titán, Inconel a vysoko teplotné zliatiny.
Navyše, zmena obsahu kobaltu 6-12 %, má priamy vplyv na mechanické vlastnosti substrátu. Preto sa môže obsah a zloženie prispôsobiť požiadavkám konkrétnej aplikácie obrábania kovov, pre 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 potom 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 ISCAR-u 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 tiež 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 rozmedzí 5-15 μm, v porovnaní s PVD povlakom, kde sa hrúbka pohybuje v rozmedzí 2 -6 μm.
Povlak CVD je aplikovaný na základný substrát pri vysokých teplotách a pri chladnutí vzniká v povrchových vrstvách povlaku ťahové napätie, ktoré je iniciátorom povrchových mikrotrhlín. Na rozdiel od PVD povlaku, kde v interakcii so základným substrátom vznikajú tlakové napätia. Každý z týchto faktorov má významný vplyv 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 vysokorýchlostnom obrábaní.
· Chróm Nitrid (CRN) - veľmi vhodný pre aplikácie obrábaných materiálov, kde sa tvorí nárastok.
· Diamant - najlepšia voľba pre obrábanie neželezných materiálov. Zvlášť vhodné pre obrábanie grafitu, kompozitov s kovovou matricou, abrazívnych materiálov s vysokým obsahom kremíka a hliníka a ďalších abrazívnych materiálov. Je absolútne nevhodný pre obrábanie ocele.
Praktické aplikácie
Firma ISCAR nedávno predstavila svoju3P SUMO TEC unikátnu úpravu povrchových vrstiev povlakov, ktorá zlepšuje ich pevnosť, frikčné vlastnosti a odolnosť voči vylupovaniu PVD a CVD povlakov. SUMO TEC technológia tak znižuje trenie a tým aj potrebu energie pre oddelenie triesky a zároveň zvyšuje odolnosť voči tvorbe nárastku.
Unikátny proces "popovlakovania" znižuje počet mikrotrhlín na povrchu povlaku VRD pri chladnutí v procese povlakovania spôsobom CVD (obr.1). Podobne úprava povrchovej vrstvy odstraňuje nežiadúce kvapôčky na povrchu povlaku, ktoré sú tak typické pri procese PVD povlakovania.
V dôsledku tejto úpravy povrchu má povlak hladší povrch, čo má za následok lepší sklz odchádzajúcej triesky z miesta rezu, jej kontinuálny a neprerušovaný pohyb.
Vľavo (schematicky zobrazený) problematický, trením brzdený a prerušovaný odchod triesky na neupravenom tvrdom povlaku. Vpravo nový SUMO TEC povlak s hladkou plochou a plynulým odchodom triesky.
Ďalšou novinkou je DO-TEC, technológia úpravy povrchovej vrstvy povlaku, ktorá zahŕňa TiAlN PVD vrstvy na hornej vrstve MTCVD Al2O3 MTCVD. Táto kombinácia ponúka užívateľovi niekoľko výhod, ako je použitie stredných až vysokých rezných rýchlostí pre rôzne druhy šedej liatiny pre vysoké rezné rýchlosti s vysokou odolnosťou proti opotrebovaniu.
Úprava povrchu povlaku reznej hrany
Úprava povrchu reznej hrany v mnohých prípadoch určuje rozdiel medzi úspešným obrábaním a enormným opotrebením rezného klina. Parametre pre honovanie sú závislé od požiadaviek pre rôzne materiály obrobkov a rôzne spôsoby obrábania. Napríklad, vysokorýchlostné dokončovacie obrábanie ocelí si vyžaduje diametrálne odlišný povrch RK, ako pre hrubovanie.
Všeobecne platí, že úprava povrchovej vrstvy honovaním je nutná pre kontinuálne obrábanie, ale aj pre frézovanie väčšiny uhlíkových ocelí a liatin. Pre prerušovaný a ťažký rez je predpokladom „T" fazetka na reznej hrane.
Naproti tomu ostrá rezná hrana je potrebná pre obrábanie nerezových ocelí, alebo vysokoteplot-ných zliatin a húževnatých materiálov. Podobnú geometriu a leštením upravenú reznú hranu je potrebné použiť pri efektívnom obrábaní hliníka.
Záver
Z uvedeného a tiež z obr. 4 vyplýva, že inovatívny prístup firmy ISCAR v oblasti povlakov tvrdo-kovových nástrojov priniesol zlepšenie životnosti vo všeobecnosti (pre rôzne spôsoby obrábania a rôznych druhov obrábaných materiálov), od cca 25 do 75 % . Aby toto zlepšenie životnosti malo u koncového užívateľa aj náležitý ekonomický efekt, je žiadúce zvýšenú životnosť nástroja transformovať do vyšších technologických parametrov napr. vyššej reznej rýchlosti, alebo vyššieho posuvu.
Autor: Ing. Peter Ťapaj, Csc.
