TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH V APLIKACI OBRÁBĚNÍ PLASTŮ THIN FILM-COATED CUTTING TOOLS FOR CUTTING OF PLASTICS Antonín Kříž a) Pavel Kožmín b) Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň 306 14, Czech Republic Hofmeister s.r.o., Mezi Ploty 12, 326 00 Plzeň, Czech Republic Abstrakt There are widespread applications of thin films in the field of cutting tools. It is their use which currently expands machinability limits into previously hard-to-machine materials. One of such examples is cutting of glass fibre reinforced plastics. Not only thermal load but also abrasive and adhesive stresses act upon such tools. In order to stand combined loads of this type, the tools must be coated with high-quality thin films, which meet strictest requirements. Of no less importance are properties and surface state of substrate, including its geometry. This is the focus of the present paper, which gives a summary of achieved results. It comprises literature search data, experimental results and practical experience. As shown further, resistance to such diverse loads may be obtained only in such tools, in which such problems had been treated in a complex manner. This is the reason for extensive experiments covering not only thin films and substrates but also tool manufacture and application. Wear on the tool has been examined by scanning electron microscope and by extensive laboratory tests. Relationships between the results suggest the solution for the use of thin films for cutting tools for said composite hard-to-machine materials. Tenké vrstvy našly velmi široké uplatnění v oblasti řezných nástrojů. V současné době posouvají hranici obrobitelnosti do oblasti dříve těžkoobrobitelných materiálů. Takovým příkladem je i obrábění plastů vyztužených skelným vláknem. Nástroj je namáhán nejen tepelně, ale i abrazivně a adhezivně. Takovémuto kombinovanému namáhání může obstát pouze nástroj, který je opatřen kvalitní povrchovou tenkou vrstvou, která splňuje ta nejvyšší kritéria. Důležité jsou i vlastnosti substrátu (vlastní nástroj) a stav jeho povrchu, včetně geometrie. Touto problematikou se zabývá příspěvek, který shrnuje dosažené výsledky, získané nejen z rešeršní činnosti, ale především i z vlastních experimentů a praktických zkušeností. Jak bude presentováno, nástroj může odolat tak různorodému opotřebení, pouze tehdy, když je tato problematika komplexně řešena. Z tohoto důvodu jsou dělány rozsáhlé experimenty nejen u tenkých vrstev a substrátu, ale i v procesu zhotovování nástrojů a následně i při jejich aplikaci. Opotřebení nástroje je vyhodnoceno pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu a je doplněno i poznatky z rozsáhlých laboratorních testů. Ze vzájemné korekce výsledků vyplývá řešení a aplikace tenkých vrstev na nástroje pro obrábění uvedených kompozitních, těžkoobrobitelných materiálů. 1

1. ÚVOD Definovat těžkoobrobitelný materiál je velice obtížné a závisí to na komplexním chování obráběného materiálu při obrábění řeznými nástroji. Následkem kontaktu mezi nástrojem-obrobkem a nástrojem-třískou dochází k opotřebení nástroje. Tento proces je velmi složitý a závisí na mnoha faktorech (fyzikálních a zejména mechanických vlastnostech obráběného a nástrojového materiálu, druhu obráběcí operace, geometrii nástroje, pracovních podmínkách, řezné prostředí, atd.). V průběhu opotřebení působí mnoho odlišných fyzikálně-chemických jevů, které mají dynamickou povahu tj. nejsou časově konstantní. Jak bude v tomto článku zachyceno, i speciální polymerní materiály vyztužené skleněným vláknem spadají do této kategorie. 1.1. Mechanismy opotřebení U velmi tvrdých materiálů je dominantní abraze, která je charakteristická postupným odbrušováním břitu. K tomuto mechanismu se může připojit vydrolování břitu, které je způsobeno výskytem tvrdších částic v řezu než má samotný břit. To má za následek intenzivní namáhání břitu a dochází tak k jeho předčasné destrukci. U měkkých materiálů převažuje adheze, která je spojena s nalepováním materiálu na břit a jeho postupným vylamováním. V tomto případě se může vyskytovat i chemické opotřebení, které je způsobeno chemickou reakcí mezi obrobkem a nástrojem. Abraze a adheze jsou též obvykle označovány jako fyzikální mechanismy opotřebení, difúze a oxidace pak jako opotřebení chemické. Mnohdy tyto mechanismy působí komplexně, kdy se pouze mění jejich důležitost v procesu opotřebení. Schopnost břitu odolávat abrazivnímu otěru je z větší části závislá na jeho tvrdosti. Řezný materiál, který obsahuje hustou strukturu tvrdých částic, bude abrazivnímu otěru odolávat dobře, avšak nemusí stejně dobře odolávat také jiným mechanismům opotřebení. Adhezní otěr se vyskytuje hlavně při nízkých teplotách obrábění na čele břitu nástroje. Je významný při nižších řezných rychlostech, kdy vzniká bodový styk mezi třískou a nástrojem a kdy je umožněno adhezní spojení obou materiálů. 1.2. Odolnost proti opotřebení u řezných nástrojů V minulosti se na tyto potřeby reagovalo vývojem nových materiálů, z nichž byl nástroj vyroben. Důkazem toho je vývoj rychlořezných ocelí (RO), jejichž vývoj počíná kolem roku 1900, kdy F.W. Taylor formuloval na základě výsledků svých prací chemické složení první, dnes již známé RO typu 18%W, 4%Cr, 1%V (ČSN 19 824), která si své významné postavení zachovává dodnes.v roce 1930 se objevuje rychlořezná ocel s přísadou kobaltu od 3 do 5%[1]. Další vývoj směřoval do vytváření speciálních strukturních fází založené na přítomnosti komplexních karbidů. Vedle tohoto rozvoje se začaly využívat další poznatky, které vedly k výrobě nástrojů ze slinutých karbidů. Počátky výroby nástrojů ze slinutých karbidů sahají do období před II. světovou válkou, která ještě urychlila jejich vývoj, ačkoliv chyběly strategické suroviny. Z tehdejší doby se zachovalo označení WIDIA pro vrtáky osazené plátky ze slinutých karbidů. Toto označení vzniklo na základě dosažení vysoké tvrdosti WIe DIAmant jako diamant)[2]. V 50. letech pokračuje silný vývoj SK materiálů právě v oblasti řezných nástrojů, kdy se začínají uplatňovat jemnozrnné struktury, jejichž masové nasazení je již na konci šedesátých let. V dnešní době se nástroje ze slinutých karbidů aplikují především v oblastech, kde se zpracovává tzv. těžkoobrobitelný materiál. Dalším materiálem používaným velmi často v oblasti těžkoobrobitelných materiálů jsou cermety. Jejich název vznikl složením z CERamics-METal. Na rozdíl od Sk materiálů jsou zde použity tvrdé fáze TiC+TiN. Jako pojivo se používá především nikl, ale jsou zastoupeny 2

i další kovy, titan, kobalt popř. molybden. Vývoj těchto materiálů se odehrává především v Japonsku a v USA. V současné době se již cermetové nástroje aplikují i v zemích EU. Dalším materiálem, který v současné době dosahuje značného významu, je řezná keramika. Řezná keramika patří mezi anorganické, nekovové převážně krystalické materiály. Podle chemického složení se dělí do dvou základních skupin, a to na oxidickou a neoxidickou řeznou keramiku. Historický vývoj tohoto materiálu byl velmi složitý, přestože keramika byla aplikována na první nástroj, který používal člověk již v době kamenné. V novodobé historii se však průmyslové aplikace datují až do oblasti 40. let minulého století. Plné využití předností řezné keramiky je však stále ještě budoucností. Přesto již v současné době je použitím řezné keramiky řešena celá řada problémů s těžkoobrobitelnými materiály a to především tam, kde je plynulý řez s minimálním chvěním a rázy[3]. Uvedené materiály, v současné době, velmi omezeně splňují komplexní vlastnosti, které jsou na ně kladeny v souvislosti s novými progresivními způsoby obrábění. Je to především obrábění materiálů s vyšší pevností nebo naopak vyšší plasticitou, materiálů sendvičových nebo kompozitních a v neposlední řadě i obrábění s vyšší rychlostí se snahou eliminovat přítomnost procesních kapalin. Vyvinout objemový materiál, který by splňoval tyto komplexní vlastnosti není možné, proto se tato situace řeší aplikací tenkých vrstev na bázi nitridů popř. karbidů i oxidů kovů. Ty svými vlastnostmi jako je vysoká tvrdost, odolnost proti otěru, oxidaci, korozi i za vyšší teploty, nízkým součinitelem tření, působí proti účinku různých mechanismů opotřebení. Vlastnosti a zejména chování nástrojů s tenkými vrstvami v provozu jsou závislé na mnoha činitelích. Z hlediska vlivu tenké vrstvy jsou podstatným faktorem fyzikální vlastnosti tenké vrstvy dané způsobem depozice tenké vrstvy a podmínkami, za jakých k depozici dochází. Vlastní materiál řezného nástroje působí svými fyzikálními vlastnostmi podmíněnými jeho chemickým složením, technologickým zpracováním a tvarovým provedením. Nelze opomenout řezné podmínky, za kterých břit nástroje pracuje, a které se velmi výrazně promítají do chování řezného nástroje. Jak dokumentuje obr.č.1 depozicí tenké vrstvy dochází k posunu směrem k tzv. ideálnímu řeznému materiálu. Obr. 1 Vliv depozice tenké vrstvy na zlepšení užitných vlastností nástroje Fig.1 - Enhancement of end-use properties of the tool by thin film coating. Tenká vrstva spolu s materiálem řezného nástroje vytváří neodlučitelný systém, jehož vlastnosti závisí na celé řadě dalších faktorů (obr.2). Proto je třeba hledat cestu ke zlepšení užitných vlastností tohoto systému komplexně. Sledovat nejen stav materiálu řezného nástroje (používá se terminologie substrát), ale i jeho geometrii, kvalitu nabroušení a povrchový stav, který je spojen s předdepozičním i depozičním procesem. Vedle těchto materiálových faktorů mají důležitou roli i technologické podmínky použití nástroje a další vnější aspekty jako např. tuhost soustavy stroj-nástroj-obrobek. Tento přístup je aplikován i v následujícím praktickém případě. 3

Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologie Substrát Pevnost Tuhost Geometrie Obr. 2 Skladba a jednotlivé funkce systému tenká vrstva-substrát Fig.2 - Structure and individual functions of the thin film-substrate system 2. OBRÁBĚNÍ PLASTŮ Při obrábění plastů je nutné počítat se špatnou tepelnou vodivostí a relativně nízkým bodem tání plastů. Proto je třeba zajistit, aby vzniklé teplo bylo udržováno na nejnižší možné úrovni s co nejmenším přechodem na obráběné součásti. Zabrání se tak změnám v barvě a tání povrchu plastů. Z tohoto důvodu je nutné dodržet následující doporučení: - nástroj musí být udržován neustále ostrý a hladký - nástroj musí mít takový tvar, aby se obráběného materiálu dotýkal jen řeznou plochou - při operacích, kdy vzniká nadměrné teplo (např. při vrtání), je vhodné použít chladící médium Jako materiál pro řezný nástroj se používají běžné materiály pro kovoobrábění. Pro svou dlouhodobou trvanlivost jsou však nástroje s břitem ze slinutého karbidu lepší než nástroje z rychlořezné oceli. Platí to zejména při obrábění grafitu, MoS 2 a termoplastů vyztužených skelným vláknem, kde adhezivnímu účinku přistupuje ještě značná abraze, vzniklá díky přítomnosti tvrdých částic vzniklých z těchto vláken. U plastů vyztužených skelným vláknem je hlavní problém ve zmíněné kombinaci mechanismu opotřebení, důležitým hlediskem je směr vlákna ke směru obrábění. To má za následek, že při nevhodně zvoleném úhlu vláken a posuvu nástroje dochází k vytrhávání a praskání základní matrice materiálu okolo vláken. Z rozsáhlé rešeršní práce, která byla provedena v rámci řešení projektu MPO byly zjištěny následující závěry: Ačkoliv je problematika obrábění plastů vyztužených skleněnými vlákny velmi aktuální, věnuje se tomuto směru velmi málo odborníků i výrobních firem. Jednoznačně byl potvrzen trend v použití nástrojů vyrobených ze slinutých karbidů opatřených otěruvzdornými tenkými vrstvami. Tyto vrstvy mohou být jak na bázi nitridů kovů, tak i progresivní diamantové vrstvy. 4

Významnou pozornost si zaslouží i stav nástroje před depozicí a to nejen z hlediska geometrie, ale i z hlediska stavu břitu v mikrorozměrech. Další pozornost je také třeba věnovat samotnému procesu obrábění a vzniku a rozvoji poškození. Tyto rešeršní zkušenosti byly využity nejen při přípravě následujícího experimentu. 3. PRAKTICKÉ ZKUŠENOSTI Z OBRÁBĚNÍ PLASTŮ K experimentu byl použit v praxi aplikovaný polymerní materiál skládající se z několika částí. Jak dokumentuje obr. 3 obráběný kompozit obsahuje vedle polypropylenu vyztuženého skleněným vláknem i velmi měkký materiál polyuretanovou pěnu a měkčenou polyuretanovou fólii. Polypropylen je vyztužen vlákny, které jsou v rozmístěny v různých směrech a v různé heterogenitě. Místy je obsah skleněných vláken o průměrné délce 12 mm až 50%. Z tohoto důvodu jsou výsledky obrábění ovlivněny Obr. 3 Skladba obráběného kompozitu Obr. 4 Vzhled vyztužujícího vlákna po shoření polypropylenové matrice Fig. 4. - Appearance of the reinforcing fibre upon polypropylene matrix burning Fig. 3 - Structured of the machined composite material heterogenitou obrobku a pro správné podchycení vlivu jednotlivých faktorů je nutné provádět rozsáhlé a statisticky vyhodnocované zkoušky trvanlivosti ostří. Na materiál této skladby je třeba pohlížet jako na kompozit a to jak z hlediska jeho mechanických vlastností, tak i opotřebení, které vzniká na nástroji při obrábění. Skleněná vlákna iniciují silné abrazivní poškození a měkký polypropylen s izolačními vlastnostmi vyvolává adhezivní degradaci břitu nástroje. Adhezní mechanismus má za následek nejen poškození břitu, ale i změnu geometrie nástroje, která s sebou přináší změnu řezných podmínek. Podmínkou úspěchu je použití kvalitního slinutého karbidu, jehož výběr byl podřízen předpokládanému namáhání břitu. Z čehož plynou vysoké požadavky na tvrdost materiálu a oproti tomu však je nebezpečí nižší houževnatosti a elasticko-plastických charakteristik materiálu. Volbě materiálu byla věnována vysoká pozornost, o čemž svědčí řada provedených zkoušek, které byly součástí stanovování rozhodujících vstupních podmínek. Struktura slinutého karbidu je zachycena na obr.č. 5. Obrazovou analýzou byla zjištěna průměrná velikost karbidického zrna WC (karbid wolframu) 0,5 µm. Tímto rozměrem je tento slinutý karbid zařazen do kategorie velmi jemných materiálů ( ULTRAFEIN ). 5

Obr. 5 - Struktura slinutého karbidu. Z obrazové analýzy provedené na velkém množství snímků při zvětšení 10.000x pořízených pomocí elektronového řádkovacího mikroskopu byla stanovena velikost karbidického zrna. Fig. 5 -Structure of the sintered carbide. The carbide grain size was determined by image analysis from vast number of scanning electron micrographs taken at 10,000 magnification. Významnou charakterizující veličinou dokumentující nejen chemické složení, ale i velikost zrna je tvrdost materiálu. Z tohoto důvodu bylo provedeno stanovení tvrdosti normovanou zkouškou dle Vickerse a to při zatížení 490,5 N (HV50). Z rozměrů iniciovaných trhlin od proniknutí Vickersova jehlanu byla stanovena hodnota lomové houževnatosti K IC, která je uvedena spolu s příslušnou tvrdostí. Jak vyplývá z následujícího vztahu, pro výpočet lze použít pouze ztížení odpovídající HV50. K IC = 6,2 HV50 L MPa m Tvrdost vybraného slinutého karbidu dosahovala hodnoty HV50=1710. Z rozměru iniciovaných trhlinek byla dle uvedeného vztahu spočtena lomová houževnatost K IC = 10,2 MPa m 1/2. Zkoušky trvanlivosti byly prováděny při následujících řezných podmínkách: v c minim = 400m/min; f z minim = 0,01 mm/zub; a p = 5 15 mm; bez chlazení Na nástroje jednobřité frézy byla deponována vrstva TiAlN. Některé nástroje byly vedle této vrstvy opatřeny povrchovou kluznou vrstvou. Pro stanovení velikosti opotřebení a tím životnosti nástroje byly v rámci technické přípravy zkoumány tzv. standardní (běžně užívané nástroje). Následující snímky dokumentují kvalitu obráběné plochy a mechanismus poškození nástroje. V některých případech se vyskytlo lokální vyštípnutí nástroje, které může být iniciováno z následujících důvodů: 1) nástroj se dostal do oblasti s větším výskytem zpevněných skleněných vláken, 2) bylo iniciováno větší chvění v důsledku uchycení obrobku, polohy nástroje nebo změny řezných podmínek (změna geometrie, výkon stroje atd.), 3) opotřebení a vnitřní pnutí v nástroji dosáhlo takové úrovně, že vyvolalo jeho lokální poškození, 4) vadou v základním materiálu (substrátu slinutý karbid, popř. defektní povrchová vrstva). Jak vyplývá z uvedených hodnot v tabulce 1, pak tento proces poměrně rychlé degradace nástroje nastal v několika případech, v jednom nastala úplná destrukce celého nástroje. 1/2 6

Obr. 6 - Zhoršená kvalita obrobené plochy je odrazem stavu nástroje Fig.6 - Poor quality of the machined surface reflects the condition of the tool Obr. 7 - Břit nástroje v pohledu od hřbetu vykazuje minimální příznaky poškození, přesto kvalita jím obrobené plochy byla klasifikována jako nepřípustná. Fig. 7 - Cutting edge of tool viewed from the tool flank shows only minor traces of wear. Despite, the quality of the surface machined with this tool was rated as unacceptable Uvedený nástroj obrobil pouze 20 dílů a pak musel být pro podstatné zhoršení obrobené plochy vyřazen. Následující tabulka 1 zachycuje množství obrobených kusů v souvislosti s použitou povrchovou vrstvou. Nástroj Počet kusů Příčina výměny TiAlN 431 Zlomený nástroj TiAlN 7 Zlomená špička TiAlN 5 Zlomená špička TiAlN 9 Zlomená špička TiAlN 280 Opotřebený nástroj TiAlN 66 Opotřebený nástroj TiAlN 168 Opotřebený nástroj TiAlN 99 Opotřebený nástroj TiAlN 7 Opotřebený nástroj TiAlN+C vrstva 15 Opotřebený nástroj TiAlN +C vrstva 121 Opotřebený nástroj TiAlN +C vrstva 348 Opotřebený nástroj TiAlN +C vrstva 46 Opotřebený nástroj Tabulka 1 Počet dílů obrobených jednotlivými nástroji Table 1 - Proportions of parts machined with different tools 7

4. ZÁVĚR Jak vyplývá z uvedených výsledků, je aplikace obráběná plastů vyztužených skleněnými vlákny se sendvičovým řešením s dalšími polypropyleny na samém začátku zájmu. Tato situace není v zahraničí nikterak lepší, spíše naopak. Stále převládá názor, že pro tuto aplikaci jsou vhodné nástroje bez povrchové vrstvy a mnohdy se dokonce používají nástroje z rychlořezné oceli. Jak vyplývá z uvedených experimentů, dosahuje se zde, oproti klasickým řezným procesům, zcela jiného mechanismu poškození a to především z hlediska jeho rozsahu. Nástroj, který je poškozen v řádu několika mikrometrů vykazuje nevhodné podmínky pro další použití a to následkem výrazně zhoršené plochy obrobku. Experimenty jsou teprve na samém počátku zkoumání, ale již teď je zřejmé, že daný problém bude muset být řešen komplexně a to jak z pohledu vhodného slinutého karbidu, tak i vhodné geometrie a stavu povrchu. Stav povrchu, jak z hlediska broušení, tak i povrchových vrstev bude mít velký vliv na dosažené výsledky. Další plánovaný vývoj rozvoje těchto nástrojů půjde tímto směrem. Vedle zmíněných změn geometrie, materiálu nástroje a povrchové vrstvy je plánován i experiment, kdy se bude pomocí předdepozičních procesů měnit stav a geometrie nástroje v mikrorozměrech. Tyto změny by měly iniciovat vyšší kvalitu řezné hrany a tím i delší trvanlivost nástroje. Tento příspěvek je možné stáhnout na internetové stránce www.ateam.zcu.cz Tento příspěvek vznikl na základě řešení projektu MPO - FI-IM2/054. LITERATURA [1] FREMUNT, P.: Nástrojové oceli. 1. vyd.brno 1994. 229s. [2] BROOKES, K.J.A.: World Direktory and Handbook of Hardmetals. East Barnet Herts, United Kingdom, International Karbide 1987, 5th edition, s. 496. [3] TAKATSU, S.: Recent deveopments in hard cutting tool materiále. High Temperature Materiále and Processes, Vol. 9. 2-4, 1990, s. 175-193 8