Obrábění slitiny AlSi1Mg0,5Mn nástroji s progresivními tenkými vrstvami

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Obrábění slitiny AlSi1Mg0,5Mn nástroji s progresivními tenkými vrstvami"

Iva Pospíšilová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Obrábění slitiny AlSi1Mg0,5Mn nástroji s progresivními tenkými vrstvami Antonín Kříž, Miroslav Zetek, Jan Matějka, Josef Formánek, Martina Sosnová, Jiří Hájek, Milan Vnouček Příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu FST ZČU v Plzni. Prezentace příspěvku, který na straně 380 je k dispozici na

Milan Vnouček Příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu FST ZČU v

2 Obrábění hliníku a jeho slitin přístup k problematice Doc. L. Bumbálek ve svém příspěvku»vlastnosti povrchové vrstvy slitiny ALCu4Mg1po soustružení, frézování a broušení«na str. 318 uvádí: Hliník a jeho slitiny patří do skupiny»problémových«materiálů z hlediska obrábění. Obrábění hliníku, jeho slitin vyžaduje zcela odlišný přístup v porovnání s nástroji pro obrábění oceli nebo litiny. Z těchto důvodů je nutno vytvořit optimální pracovní podmínky zejména z hlediska použitého řezného materiálu, tvarů a typů použitých obráběcích nástrojů, jejich geometrie břitů a aplikaci tenkých vrstev. Charakteristický strukturní stav lité hliníkové slitiny 2/21 Aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích

318 uvádí: Hliník a jeho slitiny patří do skupiny»problémových«materiálů z hlediska obrábění.

3 Obrábění hliníku a jeho slitin problém Vytváření nárůstku Tvar, velikost a odvod třísek Jakost obrobené plochy 3/21

4 Obrábění hliníku a jeho slitin řešení U hliníkových slitin, kde je nebezpečí vytváření nežádoucích nárůstků na břitu nástroje jsou aplikovány kluzné vrstvy, popř. takové, které nepodporují jeho vznik. Vrstva Rozhraní Substrát 4/21 Typy třísek hliníkové slitiny AlMg2,5 vytvořených při frézování za sucha bez DLC a s DLC

popř. takové, které nepodporují jeho vznik.

5 Vlastní experiment Obráběný materiál: AlSi1Mg0,5Mn Vyměnitelné břitové destičky typu TH10 Laboratorní testy byly realizovány na etalonech z K20 Analyzované vrstvy 5/ Specifikace vrstvy Speciální kluzná vrstva Uhlíková kluzná vrstva + adhezní (kotvící) vrstva Nanokompozitní vrstva zakončená kluznou vrstvou Monovrstva Celková tloušťka vrstvy [µm] 0,90 1,75 1,26 2,00

Specifikace vrstvy Speciální kluzná vrstva Uhlíková kluzná vrstva + adhezní (kotvící) vrstva

6 Obráběný materiál - slitina AlSi1Mg0,5Mn Měření chemického složení metodou GD-OES Kontrola nejen chemického složení, ale rovněž homogenity obráběného materiálu. Hloubkový koncentrační profil získaný metodou GD-OES 6/21

chemického složení, ale rovněž homogenity obráběného

7 Prvek celkový průměr [%] Prvek celkový průměr [%] Obráběný materiál - slitina AlSi1Mg0,5Mn Chemické složení vyplývající z měření GD-OES Al 97,974 N 0,050 Si 0,763 P 0,033 Mg 0,534 S 0,020 Mn 0,452 Cu 0,019 Fe 0,002 Zn 0,022 O 0,055 Cr 0,016 Pravidelně rozmístěné eutektické útvary (Al-Si) osazené po hranicích zrn původního tuhého roztoku α + velice drobné částice precipitátu vyloučené uvnitř zrn. 7/21

0,019 Fe 0,002 Zn 0,022 O 0,055 Cr 0,016 Pravidelně rozmístěné eutektické útvary (Al-Si) osazené po

8 Kontrola homegenity měřením tvrdosti dle Brinella Vzorek HB Vzorek HB Vzorek HB Vzorek HB Vzorek HB Vzorek HB , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,4 8/21 Rozmístění vtisků při stanovení tvrdosti dle Brinella

3-2 50,9 4-2 50 5-2 51,8 6-2 51,4 1-3 50,9 2-3 50,9 3-3 51,4 4-3 51,4 5-3 50,9 6-3 49,6 1-4

9 Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Scratch test vrypová zkouška Scratch test - Kritická zatížení Lc [N] Lc [N] Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N] Ls [N] 10 0 Vrstva 1 Vrstva 2 Vrstva 3 Vrstva 4 Všechny vrstvy dosahují dobrých adhezivně kohezivních vlastností. Nejlépe se jeví vrstvy 2 a 1, které svým charakterem porušování a dosaženými hodnotami kritických zatížení převyšují zbylé dvě vrstvy. 9/21

Vrstva 3 Vrstva 4 Všechny vrstvy dosahují dobrých adhezivně kohezivních vlastností.

10 Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Tribologická analýza Vrstva č. 1 Vrstva č.2 Vrstva č.4 Vrstva č.3 1,00 0,90 0,80 0,70 Friction coef. 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 TRACK [km] Záznam koeficientu tření v závislosti na testované dráze: r=3,5mm; F=10N; BALL = Si 3 N 4; v=8,25cm/s; n=5000cyklů 10/21

0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 TRACK [km] Záznam

11 Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Model tribologického testu simulujícího podmínky při obrábění Cílem této simulace je charakteristika tribologického chování a mechanismu opotřebení, čímž se dají vybrat vhodné tenké vrstvy na nástroje pro obrábění různých materiálů. Testovaný systém Obráběný materiál PIN tělísko ve formě válečku pro modelový tribologický test, na který se nadeponuje sledovaná vrstva. 11/21

dají vybrat vhodné tenké vrstvy na nástroje pro obrábění různých materiálů.

12 Model tribologického testu simulujícího podmínky při obrábění Hodnocení stavu kontaktní plochy Řezná hrana (váleček) bez vrstvy Detail řezné hrany u systému s vrstvou č. Výsledky tohoto testu v sobě zahrnují nejen vznik nárůstku, ale rovněž také tribologické charakteristiky tj. koeficient tření a odolnost proti opotřebení. Nejlépe se osvědčila vrstva 2, která splňovala všechna kritéria Vrstva 1 měla nízký koeficient tření, ale její opotřebení bylo rychlejší Nejhůře se osvědčila vrstva 3. 12/21

Výsledky tohoto testu v sobě zahrnují nejen vznik nárůstku, ale rovněž také tribologické charakteristiky tj.

13 Experimentální měření opotřebení, řezných sil, hluku a vibrací řezných destiček v závislosti na opotřebení břitu Sestava měřících přístrojů při technologické zkoušce Obráběná hliníková slitina Spektrální hlukoměr CNC soustruh 13/21 Dynamometr Kistler Měřicí aparatura pro sledování vibrací

technologické zkoušce Obráběná hliníková slitina Spektrální hlukoměr CNC

14 Podmínky dlouhodobých zkoušek trvanlivosti Podmínky zkoušek řezná rychlost: vc = 300 m/min Posuv: f = 0,55 mm/otáčku hloubka řezu: ap = 1 mm řezné prostředí: za sucha Hodnoceno bylo: 1) Rozsah opotřebení 2) Tvorba nárůstku 3) Jakost obrobené plochy 4) Řezné síly 5) Akustické signály 6) Chvění nástroje 14/21

prostředí: za sucha Hodnoceno bylo: 1) Rozsah opotřebení 2) Tvorba nárůstku

15 Stav nástroje po 25 minutách obrábění Vrstva 1 Vrstva 2 Vyměnitelné břitové destičky s vrstvou č. 1 plnily poměrně dobře svoji úlohu při obrábění hliníkové slitiny. Opotřebení břitu je rovnoměrné bez výrazných nárůstků na hřbetu i na čele. Malý nárůstek se tvořil jen na konci funkční hrany břitu, v místě odchodu třísky. Z hlediska opotřebení na hřbetu byly tyto destičky ohodnoceny jako druhé nejlepší. U vyměnitelných břitových destiček s vrstvou č. 2 bylo naměřeno nejnižší opotřebení. Na hřbetě nedocházelo k výraznému ulpívání obráběného materiálu a opotřebení bylo po celé funkční ploše velmi rovnoměrné. K tvorbě nárůstku docházelo jen v lokalitě na konci funkční hrany břitu. 15/21

Z hlediska opotřebení na hřbetu byly tyto destičky ohodnoceny jako druhé nejlepší. U vyměnitelných břitových destiček s vrstvou č. 2 bylo naměřeno nejnižší opotřebení.

16 Stav nástroje po 25 minutách obrábění Vrstva 3 Vrstva 4 Vyměnitelné břitové destičky s vrstvou č. 3 prokázaly velmi špatnou odolnost proti tvorbě nárůstku. Jak vyplývá z tribologických experimentů, kluzná vrstva je při obrábění brzy odstraněna a na destičce se tak brzy začíná tvořit výrazný nárůstek, který brání dobrému odvodu třísek. Tvorba nárůstku a jeho opětovné odtrhávání však nezpůsobila výraznější rozptyl hodnot řezných sil. Na hřbetě těchto nástrojů s vrstvou č. 4 se tvořil výraznější nárůstek než na předchozích nástrojích. Tento systém nemá na povrchu kluznou vrstvu, přesto prokázal poměrně dobré vlastnosti a osvědčil se při obrábění hliníkových slitin a to přestože docházelo k ulpívání materiálu na funkčních plochách nástroje. 16/21

Tvorba nárůstku a jeho opětovné odtrhávání však nezpůsobila výraznější rozptyl hodnot řezných sil. Na hřbetě těchto nástrojů s vrstvou č.

17 Tvorba krátké článkovité a plynulé dlouhé třísky Jakmile nastalo poškození břitu - opotřebení, začal se velmi intenzivně tvořit nárůstek, který způsobil změnu jmenovitých rozměrů obrobku a jakosti obrobené plochy. Navíc se změnil i koeficient tření, který měl za následek zvýšení tepelného namáhání břitu. Tato změna se projevila ve tvaru třísek. Původní krátké, článkovité přecházely na dlouhé, plynulé. 17/21

18 Výstupy praktické zkoušky trvanlivosti ostří Opotřebení VB [µm] Čas t [min] Opotřebení VB [µm] Průměr VB Čas t [min] Průběh řezných sil Intenzita U [V] 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 Průběh intenzity vibrací 18/ Jednotlivé úběry Vrstva č. 4 Vrstva č. 1 Vrstva č. 2 Vrstva č. 3 Průběh opotřebení nástroje Hodnota akustického tlaku [db , f [Hz] Multispektrální analýza akustické emise

Průběh intenzity vibrací 18/21 0 1 2 3 4 5 6 Jednotlivé úběry Vrstva č. 4 Vrstva č. 1 Vrstva č. 2 Vrstva č.

19 Průběh výslednice sil (F;, Fy; Fz) všech testovaných systémů Velikost sil [N] 520 Vrstva č.1 Vrstva č. 2 Vrstva č Vrstva č. 3 Bez vrstvy Ze získaných poznatků jednoznačně vyplývá, že velikost opotřebení čas obrábění nemá t [min] žádný vliv na hodnotu a průběh řezné síly. Stejně tak ani zvolený druh použité vrstvy. Jediný rozdíl, který byl shledán vizuální kontrolou během obrábění, bylo koncentrované teplo v obrobku a v nástroji. Jako nejlepší systém se z hlediska tepla jevila vrstva č. 4 a nejhůře systém s vrstvou č. 3 a nástroj bez vrstvy, při jehož aplikaci navíc příliš brzy vznikaly nežádoucí dlouhé třísky. 19/21

žádný vliv na hodnotu a průběh řezné síly. Stejně tak ani zvolený druh použité vrstvy.

20 Opotřebení VB [µm Průběh opotřebení všech testovaných systémů Vrstva č. 2 Vrstva č. 1 Vrstva č. 4 Bez vrstvy Vrstva č /21 Čas t [min] Z naměřených opotřebení a jejich časové závislosti vyplývá, že všechny sledované systémy mají obdobnou trvanlivost. Tento výsledek byl předpokládán hned zpočátku, proto byla věnována pozornost i dalším uvedeným charakteristickým projevům, které jsou při obrábění hliníkových slitin rozhodující.

3 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 20/21 Čas t [min] Z naměřených opotřebení a jejich časové závislosti vyplývá, že všechny

21 Závěr Byly odzkoušeny, jak v laboratorních tak i aplikačních podmínkách progresivní vrstvy deponované na řezné nástroje, které jsou určeny k obrábění hliníkových slitin. Prokázalo se, že ačkoliv se systémy tvořené různými tenkými vrstvami lišily, přesto dosahovaly v technologických zkouškách podobných výsledků. Podobné shody bylo dosaženo i v laboratorních testech. Odzkoušení nové metodiky tribologické analýzy PIN-on-DISC s použitím válečku PIN tělíska namísto standardně využívané kuličky dovolilo získat nové poznatky a cenné informace, které napomohou v další činnosti vedoucí k dalšímu sblížení této analýzy s praktickými aplikacemi. Z dosažených výsledků vyplývá, že i mezi dodavateli tenkých vrstev je třeba hledat ty, které přináší v daném procesu zlepšení. Je třeba daný systém odzkoušet a v případě, že je vyhovující jej aplikovat bez dalších změn parametrů, neboť jejich jakákoliv změna např. řezné rychlosti, může znamenat, že dojde k posunu výsledků a tento systém nebude možné s požadovanou výhodou využít. 21/21

Podobné dokumenty

VLASTNOSTI TENKÝCH VRSTEV PŘI VYŠŠÍCH TEPLOTÁCH. Antonín Kříž Petr Beneš Martina Sosnová Jiří Hájek

VLASTNOSTI TENKÝCH VRSTEV PŘI VYŠŠÍCH TEPLOTÁCH Antonín Kříž Petr Beneš Martina Sosnová Jiří Hájek Hlavní pozornost odborníků zabývajících se testováním tenkých vrstev orientuje na analýzy za normálních