Zkoušky povlaků řezných nástrojů ze slinutého karbidu při frézování ocelí

Transkript

1 Zkoušky povlků řezných nástrojů ze slinutého kridu při frézování ocelí Ing. Pvel Zemn Ph.D. 1), Ing. Ondřej Zindulk 2) 1) VCSVTT, ČVUT v Prze, Horská 3, Prh 2, tel: , p.zemn@rcmt.cvut.cz 2) SHM, s.r.o.; Průmyslová 3, 78701, Šumperk, zindulk@shm-cz.cz Použití pouze lortorních metod (tvrdost, složení, frikční vlstnosti, pod.) při vývoji povlků řezných nástrojů je v součsnosti již nedosttečné. Získné informce jsou mnohdy nerelevntní se skutečnými výkony při nszení. Z pohledu systemtického porovnání jsou komplikovné i terénní zkoušky u zákzníků, které jsou mnohdy ovlivněny příliš velkým množstvím prmetrů. Nezytným doplňkem oou zmíněných přístupů je testování povlků řeznou zkouškou v lortorních podmínkách. Cílem spolupráce firmy SHM Šumperk Výzkumného centr VCSVTT ylo vytvořit efektivní postup řezných zkoušek pro vývoj povlků simulující různé formy ztížení opotřeení řitu nástroje, které poskytnou informce o zákldních vlstnostech různých typů povlků v řezném procesu. Metodik zkoušek yl plikován při frézování různých typů ocelí v širokém spektru řezných podmínek. Pro testy povlků yly zvoleny těžší podmínky oráění s cílem posunout trvnlivosti řitu k hodnotám pod 25 minut oráění. Oráěnými mteriály yly oceli se šptnou či zhoršenou oroitelností (ČSN 17349, ČSN 17255, ČSN 19436, Hrdox 400, Hrdox 500). Klíčová slov: frézování, povlky řezných nástrojů, trvnlivost řitu 1 Úvod Široké spektrum dnes používných řezných mteriálů, geometrií řitů, povlků jejich nejrůznějších modifikcí s seou ve výsledku nese tké široké spektrum zákldních vlstností řezných nástrojů. Nedílnou součástí testování moderních řezných mteriálů povlků tk jsou kromě zkoušek pro určení fyzikálních, mechnických chemických vlstností i provozní testy. Vedle výzkumu velikosti silového ztížení řitu v důsledku oráění či výsledné jkosti oroeného povrchu jsou to především testy trvnlivosti řitu nástroje. Pro testování řezných nástrojů y přitom měly ýt voleny tkové prcovní řezné podmínky, které umožňují rychlé účinné testování nástrojů tk, y cen vynložená n testy (stroj, mteriál do zkoušek) nepřevýšil jejich vypovídcí hodnotu. V prxi se proto čsto přistupuje k metodě testování nástrojů při zvýšených podmínkách v porovnání s podmínkmi při kterých jsou nástroje v prxi ěžně nszovány. Volou řezných podmínek je všk n druhé strně nezytné zchovt vypovídjící hodnotu jednotlivých testů. Trvnlivost řitu je jednou z nejdůležitějších vlstností řezného nástroje. Do po kterou nástroj oráí, niž y opotřeení jeho řitu překročilo hodnotu kritéri opotřeení je podsttná pro optimální využití nástroje z hledisk minimálních nákldů n výrou, či mximální produktivity výroy. Trvnlivost řitu určitého nástroje je přitom silně závislá n mnoh fktorech. Ať se již jedná o mteriál, který dným nástrojem oráíme, řezné podmínky prcovní dráhy nástroje, řezné prostředí neo stroj, je tře vhodně zvolit kominci podmínek pro dosžení poždovných vlstností řezné operce. V prktických opercích se vyskytují omezení, která potřenou zkoušku trvnlivosti řitu definují jednoznčněji. Budeme-li při určování podoy zkoušek vycházet z prktických zkušeností dodvtelů nástrojů, kteří jsou v mnoh přípdech postveni do situce, že n zvoleném stroji je tře vyroit dný kus, můžeme omezit podou zkoušek trvnlivosti řitu pouze n správnou volu nátroje (mteriálu, geometrie, povlku), řezných podmínek řezného prostředí. I tk vol těchto chrkteristik výrzně ovlivňuje, jkými mechnizmy jkou intenzitou se ude opotřeení řitu relizovt.

2 Změříme-li se n mteriál nástroje z povlkovného neo nepovlkovného slinutého kridu, mohou se dle [1] vyskytnou tyto mechnizmy opotřeení řitu: rze (včetně vyštipování větších částí řitu), dheze, difuze křehký lom. Dle [2] můžeme při vyšších teplotách očekávt ještě chemický otěr plstickou deformci řitu. Jednotlivé mechnizmy opotřeení se přitom v závislosti velikosti teploty řezání nvzájem prolínjí - (viz or.1). Hlvním cílem provedených experimentů ylo stnovit podmínky zkoušek pro zchycení různých mechnizmů opotřeení. Konkrétně ylo tře specifikovt účinek změny řezných podmínek n chování nástroje z povlkovného slinutého kridu při oráění ocelí se zhoršenou šptnou oroitelností při různých režimech oráění. 2 Experimentální část práce Or. 1: Typická závislost intenzity opotřeení řitu n teplotě řezání [2]. Zkoušky trvnlivosti řitu yly rozvrženy do dvou hlvních etp: zkoušky při nízkých teplotách řezání suché oráění neo oráění s intenzivním chlzením míst řezu při nízkých, resp. středních řezných rychlostech. zkoušky při vysokých teplotách řezání oráění ez chlzení při vysokých řezných rychlostech. První část zkoušek trvnlivosti řitu yl relizován v podmínkách nižších teplot řezání. Pro nvození podmínek nízké řezné teploty, yly připrveny dv různé přístupy pro volu prcovních řezných podmínek ) oráění nízkými řeznými rychlostmi, tj. n spodní hrnici použití pro dnou kominci řezného mteriálu mteriálu oroku; ) intenzivním chlzením míst řezu při středně velkých řezných rychlostech. Druhá zvolená metodik potom sledovl chování řezných nástrojů v podmínkách vysokých teplot řezání. Experimenty yly provedeny při sousledném frézování polotovrů ČSN 17349, ČSN 17255, ČSN 19436, Hrdox 400 Hrdox 500, to n stroji Fehlmnn Picomx 60-M (or.2, ). Řezné podmínky yly proměnné. Nástrojem yl stopková dvouřitá monolitní fréz o průměru 10 mm vyroená ze slinutého kridu. Nástroj yl optřen povlkem AlTiN v některé ze tří testovných modifikcí dle poměru Al:Ti oznčováno dále jko povlk A, B neo C. Nástroje použité pro zkoušky se lišily pouze v typu nneseného povlku. Opotřeení nástrojů ylo vyhodnocováno n hlvním hřetě řitu prostřednictvím prmetrů VB (střední rozměr plošky opotřeení n hřetě) VBmx (mximální rozměr plošky opotřeení n hřetě), to v souldu s [3].

3 Or. 2: () Podo řezné operce; () reálná podo experimentu. 3 Výsledky výzkumu Zkoušky opotřeení řitu při nízkých teplotách řezání Pro relizci zkoušek dle tohoto přístupu yl zvolen řezná rychlost v c =100 m/min, posuv n zu (f z ) 0,04 mm hlouky řezu xiální ( p ) 3 mm, rdiální ( e ) 7 mm. Při nižších řezných rychlostech při oráění ez chlzení mělo ýt v opotřeení řitů řezných nástrojů ptrné opotřeení výhrdně vlivem dhezního především rzivního otěru. Z or.3 or.4 je ptrné, že při této rychlosti je půsoení rze dheze mezi mteriálem nástroje (s povlkem A) orokem velmi omezené pro všechny oráěné mteriály i po 25 minutách oráění. Pouze při oráění oceli ČSN docházelo k výrznějšímu Or. 3: Stv řitu nástrojů s povlkem A po 25 minutách oráění pro: () Hrdox 400; () ČSN 17349; (c) ČSN (v c =100 m/min, f z =0,04 mm, p =3 mm, e =7 mm; ez chlzení). projevu rzivního otěru v místě styku nástroje s oroeným povrchem. To chrkterizuje mteriál se sklonem ke zpevňování povrchové vrstvy plochy řezu. Nízká intenzit opotřeení je ptrná i z porovnání výsledků trvnlivosti řitu s etlonovým mteriálem ČSN (klený n 60 HRC). Intenzit rze logicky rostl s rostoucí tvrdostí oráěného mteriálu. c

4 Or. 4: Závislost opotřeení n hřětě VB n doě oráění pro nízkou řeznou rychlost. Část přístupu při vyhodnocování trvnlivosti řitu nástrojů při nízkých řezných rychlostech spočívl tké ve snížení teploty řezání v důsledku intenzivního chlzení řezného procesu při středních řezných rychlostech (v c =180 m/min). Podmínky yly identické s předchozím přípdem pouze s tím rozdílem, že důsledky zvýšené řezné rychlosti n zvýšení teploty řezání yly kompenzovány povodňovým chlzením míst řezu olejovou emulzí o koncentrci 5%. Oráěným mteriálem zde yl ocel ČSN Testovány yly tři modifikce povlků A, B C. Z or.5 je ptrné porovnání vlivu snížení teploty řezu procesní kplinou v porovnání se suchým oráěním z stejných podmínek. Při oráění z poměrně těžkých záěrových podmínek ez chlzení došlo pro povlk A zvýšením rychlosti n 180 m/min k výrznému nárůstu intenzity opotřeení řitu oproti 100 m/min (or.3, or.5, or.6). Opotřeení řitů ylo u všech povlků relizováno především rzí dhezí. Pro povlky A B ylo rovnoměrné opotřeení po celé délce kontktu hřetu řitu oráěného mteriálu, kdy yl pozitivní vliv povlku n snížení opotřeení řitu zznmenán především pro povlk A. V přípdě chlzení řezného procesu (snížení teploty řezání) všk zde docházelo k vyštipování mteriálu řitu v důsledku lokálního přetížení řitu nástroje. Poměr Ti:Al pro povlk B vedl při snížení teploty řezání k nízké intenzitě opotřeení. Docházelo sice tké k vyštipování řitu, ovšem s výrzně menší intenzitou než pro povlk A. Povlk v modifikci C dokázl ochránit řit nejméně, to především v místě oroeného povrchu předchozími opercemi. Při oráění s chlzením se intenzit opotřeení v uvedeném místě výrzně snížil což jistě způsoovl pokles teploty řezání.

5 c.. d e f Or. 5: Stv řitu nástrojů po 8 minutách oráění mteriálu ČSN s povlkem A po 25 minutách oráění pro: () povlk A ez chlzení; () povlk A s chlzením;(c) povlk B ez chlzení; (d) povlk B s chlzením; (e) povlk C ez chlzení; (f) povlk C s chlzením. (v c =180 m/min, f z =0,04 mm, p =3 mm, e =7 mm). Or. 6: Závislost opotřeení n hřětě VB n doě oráění pro střední řeznou rychlost. Půsoení teploty řezání n mechnizmus opotřeení řitu je v detilu ptrný z or.7, který ukzuje stv řitu povlku A po 25 minutách oráění pro 100, 130, m/min při oráění ez chlzení. Do 130 m/min (při reltivně nízkých teplotách) ylo sledováno opotřeení s velmi mlou intenzitou především zivního otěru. Adheze mteriálu n povlku onženém nástrojovém mteriálu se sice zčl projevovt už při 130 m/min, le nplno se projevil ž při 180 m/min. Při 250 m/min se intenzivní opotřeení soustředilo především do míst v olsti kontktu řitu nástroje s oroeným povrchem. Je to důsledek

6 oráění zpevněné povrchové vrstvy při teplotách výrzně podporujících především opotřeení formou dheze onženého řezného mteriálu. c d Or. 7: Stv řitu nástrojů s povlkem A po 25 minutách oráění pro: () 100 m/min; () 130 m/min; (c) 180 m/min; (d) 250 m/min. Chlzení míst řezu snížilo teplotu řezání, zcel jednoznčně tké dhezni oráěného mteriálu k povlku řeznému mteriálu. Chlzení míst řezu le nopk vedlo k intenzivnější vyštipování rzivnímu otěru řitu. Záleželo proto pouze n konkrétním složení povlku (poměru Ti:Al), zd vedlo snížení teploty řezání v konečném důsledku k zvýšení trvnlivosti řitu či nopk. Zkoušky opotřeení řitu při vysokých teplotách Druhým hlvním odem zkoušek ylo nvození podmínek vysokého tepelného ztížení řitu nástroje (or.8). Pro frézování ez chlzení zde yl použit řezná rychlost v c =250 m/min. Konstntní zůstly dlší podmínky oráění: f z =0,04 mm, p =3 mm, e =7 mm. Při uvedené řezné rychlosti yl vliv mteriálu oroku n opotřeení řitu mnohem výrznější než pro nízkou rychlost. V opotřeení řitu se projevil sklon mteriálu ČSN k dhezi zpevnění povrchové vrstvy plochy řezu (or.8c). N rozdíl od opotřeení nástroje při oráění tvrdých mteriálů (ČSN HRC, Hrdox 500 cc 50 HRC) neylo u ocelí s menší tvrdostí (pod 40 HRC) sledováno tk intenzivní opotřeení v místě špičky řitu výhrdně vlivem jeho tepelně-mechnického přetěžování (or.8 po 8 minutách oráění). U houževntějších mteriálů ylo při těžkých podmínkách oráění doshováno rozličných průěhů opotřeení nástrojů (or.9), to dle sklonu oráěného mteriálu k dhezi zpevňování.

7 c Or. 8: Stv řitu nástrojů s povlkem A pro: () Hrdox 400 po 25 minutách oráění; () Hrdox 500 po 8 minutách oráění; (c) ČSN po 25 minutách oráění. (v c =250 m/min, f z =0,04 mm, p =3 mm, e =7 mm; ez chlzení). Or. 9: Závislost opotřeení n hřětě VB n doě oráění pro vysokou řeznou rychlost. 4 Závěr Pro výchozí podmínky zkoušek řezných vlstností povlků yly s ohledem n omezující podmínky (stroj, nástroj, mteriál oroku) vyrány dv hlvní postupy rychlého testování trvnlivosti řitu 1) při nízkých řezných rychlostech (v přirozeném i umělém prostředí); 2) testování při vysokých řezných rychlostech. Změn teploty řezání yl přitom ovlivňován řeznou rychlostí. Hlvní výsledky testovných povlků n ázi AlTiN (s třemi různými poměry Al:Ti) ukázly, že i pouhá změn poměru těchto prvků vede nejen k velmi odlišným intenzitám opotřeení řitu, le tké k různým mechnizmům opotřeení. Nízká teplot řezání měl u testovných komincí oráěný mteriál-povlk z následek především rzivní opotřeení. Při postupném zvyšování teploty v místě řezu ylo zznmenáno výrzné zvýšení

8 intenzity opotřeení dhezí mteriálů nástroje oroku mezi řeznými rychlostmi 130 ž 180 m/min, která do 250 m/min dále progresivně nrůstl. Podoný vliv má tké oráěný mteriál. Sklon mteriálu k dhezi zpevnění povrchové vrstvy vedl k výrznému opotřeení řitu především v místě jeho kontktu s dříve oroeným povrchem. Nástroje při oráění tkových ocelí (jko je npř. ČSN 17255) jsou všk méně náchylné k opotřeení v olsti špičky řitu, které ylo zznmenáno při oráění mteriálů s tvrdostí od 50 HRC (ČSN 19346, Hrdox 500). Oráění mteriálů s menší tvrdostí s menšími sklony k dhezi zpevnění povrchové vrstvy (ČSN 17349, Hrdox 400) nopk vedlo k minimálnímu opotřeení řitů nástrojů u všech modifikcí povlků i při velkých ztíženích řitů. Bylo zjištěno, že procesní kplin omezil dhezi mteriálu k povlku onženému sustrátu, vedl ovšem k intenzivnějšímu vyštipování řitu. Přesto u dvou ze tří testovných povlků yl procesní kplinou trvnlivost řitu prodloužen. 5 Litertur [1] ARMAREGO, E.J.A.; BROWN, R.H. The mchining of metls. Prentice-Hll, New Jersey, s.. [2] MÁDL, J. Teorie oráění, Prh : ČVUT, s. Fkult strojní. [3] ČSN ISO : Testovnie trvnlivosti pri frézovní, Čst 2: Čelné frézovnie,1993. ZPĚT