NÁVRH MATERIÁLU A POVRCHOVÉ ÚPRAVY PRO ŘEZNÉ NÁSTROJE URČENÝCH K OBRÁBĚNÍ PRYŽOVÝCH HADIC ZPEVNĚNÝCH KEVLAREM

Transkript

1 NÁVRH MATERIÁLU A POVRCHOVÉ ÚPRAVY PRO ŘEZNÉ NÁSTROJE URČENÝCH K OBRÁBĚNÍ PRYŽOVÝCH HADIC ZPEVNĚNÝCH KEVLAREM Bc. Jiří Hodač Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce se zaměřuje na příčiny krátké životnosti nožů dělících kevlarový kompozit. Problematiku obrábění kompozitu a vlivu vyztužujících vláken na nůž. Detailně analyzuje nože používané v praxi. Hledá a navrhuje řešení pomocí volby vhodných materiálů, tepelného zpracování, ochraných vrstev i vhodné geometrie nožů. KLÍČOVÁ SLOVA nástrojové oceli, kevlar, kompozit, obrábění, opotřebení ÚVOD Práce se věnuje řešení problému, který se objevil v praxi v průmyslovém podniku. Problémem je velmi nízká životnost nožů z nástrojové oceli, které dělí pryžový kompozit zpevněný kevlarovým výpletem. Jedinou indicií pro nalezení optimálního návrhu nového nože je jeden originální nůž, se kterým je podnik spokojen. O původu nožů nejsou dostupné bližší informace o jejich výrobě ani o materiálu ze kterého jsou zhotoveny. Proto je v práci zařazeno několik analýz, které tyto neznámé rozkrývají. Analýzami jsou hledána silná a slabá místa nožů již v praxi použitých. Zvýšenou měrou se práce zaobírá možným zlepšením užitných vlastností nožů pomocí povrchových úprav. Na základě provedených analýz a zjištěných skutečností o provozu jsou navrhnuty varianty nožů, které budou nasazeny v praxi a pomohou podniku zefektivnit a zkvalitnit výrobu. Nezanedbatelným efektem bude také příznivější ekonomické hodnocení než u stávající varianty. VLASTNÍ TEXT PŘÍSPĚVKU ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA NOŽŮ A OBROBKŮ Dodané vzorky Na proměření a prozkoumání jsme od uživatele nožů dostaly 4 vzorky nožů, které byly již z výroby vyřazeny pro vysoký stupeň opotřebení. Jednalo se o jeden vzorek originálního nože dodávaného výrobcem se sekacím zařízením. Tento nůž vykazoval ve výrobě největší životnost a byl označen písmenem O. Ostatní tři nože byli vyráběny na zakázku jinými dodavateli než původní technologie. Tyto nože vykazovaly znatelně menší životnost. Nože byly označeny písmeny K, P a V. Výkresovou dokumentaci jsme získali pouze k noži K a P. Z ní vplýval úhel ostří pro nůž P 14º a pro nůž K 30º. Nůž K měl předepsánu ocel Pracovní prostředí nožů Zkoumané nástroje jsou používány pro dělení souvislého pásu gumové hadice s kevlarovým případně PE výpletem. Konkrétně se jedná o dělení rotační sekání. Při prořezávání je nůž chlazen a mazán vodou přiváděnou do oblasti řezu. Vzniká zde tedy korozní prostředí, kterému je nůž neustále vystaven. Řezaný kompozit kevlar-pryž Pryžový vláknový kompozit, který je sekán zkoumanými noži se skládá z pryžové matrice a kevlarové případně PET výztuže. Jedná se o jednovrstvý kompozit s jedinou vyztužující vrstvou. Vláknová výztuž výplet je umístěn ve středním průměru hadice a zaručuje rozměrovou stabilitu hadice, díky čemuž se hadice hodí pro vedení tlakových kapalin a jsou využívány zejména v automobilovém průmyslu v tlakových obvodech. Kevlarová vlákna Pod obchodním názvem kevlar jsou prodávána vysoce pevná aramidová vlákna. Kevlarová vlákna jsou výborně odolné proti otěru či přeříznutí, mají vysokou tepelnou odolnost (špatná zápalnost) a jsou odolné proti organickým rozpouštědlům. Mají velmi vysokou pevnost a Youngův modul. Zajímavou vlastností je absence tavení vlákna za vysoké teploty. Vlákno se rovnou rozpadá (zuhelnatí) za teplot okolo 400 C. PET vlákna

2 Polyethylentereftalát je termoplast ze skupiny polyesterů, známý pod zkratkou PET z poly(ethylen tereftalat).pet je využíváno pro výrobu syntetických vláken (v textilním průmyslu se používá obecnější název polyesterová vlákna. Je velmi odolný proti dlouhodobému zahřívání, i na vzduchu. Vlákno je stálé ve zředěných louzích a kyselinách, není stálé v koncentrovaném roztoku amoniaku. [1] [2] Pryž Základní hmotu vyráběných hadic pro tlakovou kapalinu je pryž EPDM. EPDM = Ethylene Propylene Diene Monomer ruber = Etylen-propylen-dien kaučuk.epdm pryže mají vynikající stabilitu proti stárnutí a chemikáliím a relativně vysokou schopnost plnění. Velmi dobrá je jejich odolnost proti polárním činidlům kyselinám, alkáliím a alkoholům. Naproti tomu odolnost proti nepolárním organickým rozpouštědlům, pohonným látkám a olejům je malá. [3] MAKROSKOPICKÁ ANALÝZA Opotřebení břitu bylo nafoceno na stereolupě. Na Obr. 1 a 2 jsou zobrazeny významné projevy opotřebení. Stránka: 2 Bylo zjištěno, že všechny zkoumané nože vykazovaly napadení korozí a dále, že došlo k výraznému opotřebení nožeů vlivem jeho vylamování. Korozně nejvíce napadený byl nůž O, nejpoškozenější ostří bylo zjištěno u nože P. Obr. 1- Povrch nože O nebyl chráněn žádnou protikorozní vrstvou a díky tomu se zde Stránka: 2 projevilo silné korozní napadení. Obr. 2- Detail břitu nože P. Stránka: 2 Patrné jsou výrazné vylamování břitu a intenzivní korozní napadení. Obr. 3- Nůž V s viditelnými čtyřmi stopami po různých úhlech přebroušení a vrubem v ostří.

3 MĚŘENÍ ÚHLU OSTŘÍ Geometrii břitu byla zjištěna z příčného řezu na metalografickém výbrusu. Měřena na mikroskopu Nikon v programu Lucia. Nůž Úhel ( ) Broušený O 14,2 jednostranně K 27,6 oboustranně V 20,3 jednostranně P 17,1 oboustranně MĚŘENÍ GDOES Stránka: 3 Z měření vyplynulo, že všechny nože byly vyrobeny z nástrojové oceli Viz. Tab. 1. U třech zkoumaných nožů byla provedena depozice tenkých vrstev, jejichž úkolem bylo chránit povrch nože před korozním prostředím a zlepšovat třecí schopnosti nožů. Pro přesné zjištění chemického složení povrchových vrstev a nástrojové oceli byla zvolena metoda GDOES. Chemické složení oceli nožů Nůž C Cr Mn Mo W V O 1 3,3 0,2 4,5 4,8 1,7 K 0,9 4,1 0,3 4,2 5,3 1,7 V 1 3,1 0,2 3,5 5 1,5 P 1,1 3,1 0,2 0,1 7,8 1,9 Z ČSN ,9 4,3 0,4 5 6,3 2 Z ČSN ,4 1,7 0, ,2 Tab. 1- Chemické složení oceli nožů dle měření GDOS Chemické složení vrstev nožů Nůž Matrice 1. vrstva 2. vrstva 3. vrstva O K DLC/W2C W-Ti-Cr-Co TiN V TiN - - P bez Mo DLC+Fe W-Ti-Cr-Co - Tab. 2 - Chemické složení vrstev nožů dle měření GDOS Pouze nůž O je bez ochranné vrstvy. Nože K, V a P mají jedno či vícevrstvé ochrany povrchu. Nůž K a P mají atypickou mezivrstvu složenou ze směsice prvků a kobaltu. Jelikož se kobalt v těchto vrstvách vůbec neužívá, lze předpokládat, že se jedná o znečištění. MĚŘENÍ METODOU KALOTESTU Na vzorcích V,P a K se nacházela ochranná vrstva. Byla použita metoda kalotestu, pro zjištění tloušťky jednotlivých vrstev. Pro metodu kalotest byla použita ocelovoá kulička o průměru 25mm a brusná diamantová pasta se zrnem velikosti 1µm. Na z měřených nožů bylo provedeno 6 měření a jejich průměrná hodnota je uvedena v Tab.3.

4 Nůž Průměrná vrstvy (µm) tloušťka Strana Nože Průměrná tloušťka vrstvy (µm) Rozdíl v opotřebení stran (µm) O - K 1,8 V 0,38 P 1,35 Otíraná strana - Odlehlá strana - Tab. 3 Tabulka naměřených hodnot kalotestu. METALOGRAFICKÝ VÝBRUS Otíraná strana 1,61 Odlehlá strana 1,99 Otíraná strana 0,24 Odlehlá strana 0,51 Otíraná strana 1,17 Odlehlá strana 1,53 Ze všech nožů byly odebrány dva vzorky pro metalografický výbrus. Místo odběru vzorku bylo zvoleno na břitu nože, aby byla zachycena případná změna struktury materiálu vlivem přebroušení, kalení či chemicko-tepelného zpracování. - 0,38 0,27 0,36 Obr. 4- Příčné výbrusy: Nůž O - originál Nůž V Obr. 5- Příčné výbrusy: Nůž K Nůž P Na podélných výbrusech všech nožů byla zjištěna karbidická řádkovitost. Nejvýraznější na noži P. U nožů O, K a V zjištěna martenzitická až sorbitická struktura, běžná pro nástrojovou ocel po zakalení a popuštění. Nůž P vykazuje licí strukturu čož poukazuje na nízké či nulové protváření.

5 MĚŘENÍ AUSTENITICKÉHO ZRNA Měření velikosti austenitického zrna bylo provedeno dle normy ČSN EN ISO 643. Pro všechny vzorky byla použita lineární průsečíková metoda podle Snyder-Graffa stanovení velikosti austenitického zrna u zušlechtěných rychlořezných ocelí. Nůž Počet zrn na mm Přiřazená velikost zrna (G) O K 62 9 V 66 9 P 47 8 Tab. 4 Tabulka naměřených hodnot velikosti austenitického zrna. Normou je stanovena velikost austenitického zrna pro nástrojové oceli G= Nože K, V a P tedy nesplňují požadavky normy ČSN. MĚŘENÍ MAKROTVRDOSTI A MIKROTVRDOSTI Makrotvrdost byla měřena pěti vtisky Vickerovým indentorem zátěží 10kg uprostřed vzorku na příčném výbrusu. Nůž Průměrná tvrdost v HV10 O 804,4 K 714,4 V 815,3 P 839,7 Tab. 5 Tabulka naměřených hodnot makrotvrdosti Mikrotvrdost byla měřena Vickerovým indentorem se zátěží 50g. Bylo vybráno 6 oblastí (3 z příčného a 3 z podélného výbrusu) pro změření lokální tvrdosti. Průměrná tvrdost oblastí (HV 0,05) Oblast Nůž O Nůž K Nůž V Nůž P I 789,9 743,7 889,2 1173,4 II 793,9 735,6 882,7 1286,1 III 889,8 746,0 1079,5 1111,5 IV 938,8 776,5 997,0 907,1 V 1072,9 741,0 930,8 992,4 VI 948,6 743,2 995,3 1003,2 Tab. 6 Tabulka naměřených hodnot mikrotvrdosti Hodnoty tvrdosti u nože P jsou značně vysoké a jsou způsobeny pravděpodobně karbidickým síťový. Lze předpokládat, že nůž P bude mít znatelně nižší houževnatost.

6 Vytažení (mm) procento vytažených vláken MĚŘENÍ NA ŘEM A EDX Na metalografickém výbrusu nože O, byla nalezena mikroředina. Pro zjištění chemického složení a stavu vnitřního povrchu byla analyzována metodou EDX na řádkovacím elektronovém mikroskopu. Prvek Hmotnostní zastoupení (%) Mo 10,89 V 3,54 Cr 5,8 Fe 56,05 W 12,47 Tab. 3 Tabulka naměřeného procentuálního zastoupení prvků ve mikroředina nože O; Obr. 6- Mikroředina měřená metodou EDX Jedná se tedy o ředinu s vysokým obsahem karbidů. STUDIUM ŘEZNÉ PLOCHY KOMPOZITU Během výroby bylo při řezání nožem V odebráno 22 náhodných vzorků. Vzorky byly seřazeny dle pořadí a byly vyhodnoceny Viz. grafy. 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Procento vytažených vláken (%) Naměřené hodnoty podílu vytažených vláken Lineární aproximace hodnot Pořadové číslo vzorku Délka vytažení vláken 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Naměřené hodnoty délky vytažení vláken Lineární aproximace hodnot Pořadové číslo vzorku

7 Odchylka od kolmice (mm) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Odchylka kolmosti řezné roviny Naměřené hodnoty odchylky kolmosti Lineární aproximace hodnot pořadové číslo vzorku Z grafů vyz. výše je patrný trend zhoršování vlastností řezné plochy s přibývajícím počtem nařezaných kusů a s tím související otupení nože. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ U zkoumaných nožů byly zjištěny následující nedostatky: Záměna typu ocele (z výkresové dokumentace) za u nože K Špatné zpracování ocele nože P pravděpodobně málo či vůbec protvářená Nevhodný typ ostření ruční pod rozdílnými úhly Špatná úprava povrchu nožů před depozicí vrstvy vysoká drsnost Pravděpodobné znečištění depoziční komory u nanášených povlaků přítomnost kobaltu Nevhodný úhel ostří nožů příliš velký úhel ostří pro řezaný kompozit Návrh nových nožů pro odzkoušení v praxi: Doporučená geometrie ostří doporučený úhel ostří 14º a broušení na nástrojařské brusce pouze z jedné strany nože Duplexní vrstva nitrid chrom, lepší korozivzdornost a tvrdost nástroje Slinutý karbid alternativní materiál pro ostří Prášková ocel alternativní materiál pro nůž, lepší houževnatost a stabilita ostří i při malém úhlu ostření, menší pravděpodobnost výskytu defektů Důsledky navržených změn: PODĚKOVÁNÍ Zvýšení nákladů na pořízení nožů Zvýšení jakosti výrobků (řezaných hadic) Snížení nákladů na opravu nedokonalých výrobků Snížení času prostojů způsobených častým měněním nožů pro přílišné otupení Závěrem bych chtěl poděkovat všem pracovníkům Katedry materiálů a strojírenské metalurgie ZČU v Plzni. Jmenovitě pak Vedoucímu práce Doc. Dr. Ing. Antonínu Křížovi a konzultantu Ing. Petrovi Benešovi, Ph.D. za odborné vedení diplomové práce, poskytnuté rady a projevenou ochotu.

8 LITERATURA [1] PET, dostupné z: [2] Polyetylentereftalat, dostupné z: Polyetylentereftalat-PET.html, [3] FRANTA, I. A KOL.: Gumárenská technologie I Gumárenské suroviny, SNTL, Praha, 1979, ISBN