Abstrakt MOŢNOSTI ZVYŠOVÁNÍ TRVANLIVOSTI NÁSTROJŮ U VÝROBCE OPTIONS OF TOOL LIFE RAISING BY THE MANUFACTURER Ing. Josef Fajt, CSc., Dr. ing. Miloslav Kesl PILSEN TOOLS s.r.o., Tylova 57, 316 00 Plzeň, Česká republika, fajt@pilsentools.cz; kesl@pilsentools.cz; Firma PILSEN TOOLS má snahu pro své zákazníky vyrábět kvalitní rychlořezné speciální nástroje a proto se průběţně zabývá výzkumem jejich vlastností. Podle pouţití nástroje je volen v prvé řadě vhodný materiál, s optimálním chemickým sloţením a mechanickými hodnotami. Pokud konstruktér při návrhu ze zkušenosti uzná podmínky pro uplatnění tenké vrstvy v řešeném případu, doporučí depozici ověřeného povlaku. V současné době přistoupil technický rozvoj ještě k výzkumu v oblasti optimálního tepelného zpracování konkrétního nástrojového materiálu, včetně uplatnění kryogenního zpracování. Cílem je maximální zvyšování otěruvzdornosti a trvanlivosti vyráběných nástrojů pro vysoké nároky zákazníků. V příspěvku jsou příklady aplikací a hodnocení jednotlivých vlivů a technologií. The company PILSEN TOOLS seeks to manufacture first-rate special high-speed steel tools for its customer and therefore it is continously engaged in the research of tool properties. Primarily, the suitable material with optimum chemical composition and mechanical properties is chosen according to the use of tools. If the designer considers, according to his experiences, the thin layer application to be suitable he recommends the proven coating deposition. At present, the development department is engaged in research of optimum thermal treatment of particular tool materials, including a cryogenic treatment application. The maximum improvement of wear resistance and durability of manufactured tools is intended as a satisfaction of the high customer s requirements. This report illustrates the application examples and an evaluation of individual effects and technologies. Klíčová slova: rychlořezná PM ocel, trvanlivost, tenká vrstva, tepelné zpracování Keywords: powder-metallurgy high-speed steel (PM-HSS); cutting conditions; machinability; cutting life 1. ÚVOD Vývoj v oblasti řezných nástrojů směřuje k nárůstu výkonů, zvyšování spolehlivosti, trvanlivosti i stability řezné hrany, včetně její dobré obrusitelnosti. Podstatného zlepšení se v posledních letech dosáhlo zavedením tzv. PM ocelí, které se vyrábějí technologií práškové metalurgie. Přední výrobci vysoce legovaných rychlořezných ocelí se proto snaţí vyvíjet nové metalurgické technologie, zavádět nové materiály, které by zaručily podstatné zvýšení řezivosti oproti současným jakostem rychlořezných ocelí /RO/. K dosaţení vyšší ţivotnosti řezných nástrojů se dnes běţně pouţívají nejrůznější typy CVD a PVD povlaků, které se kromě vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení často vyznačují také zlepšením tribologických podmínek při obrábění (za předpokladu pouţití optimální řezné kapaliny) a tím zajišťují lepší odvod třísky. Tyto povlaky však plní svou funkci pouze tehdy, pokud má nástrojový materiál, na kterém jsou naneseny, dostatečnou únosnost, tj. zejména vysokou tvrdost při dostatečné houţevnatosti. Volba materiálu nástroje a způsobu jeho tepelného zpracování proto zůstává klíčovým aspektem, který rozhodujícím způsobem ovlivňuje ţivotnost nástroje.
2. ŘEŠENÁ OBLAST NÁSTROJŮ Těţiště řešení optimalizace trvanlivosti nástrojů bylo zaměřeno zvl. na tyto oblasti: 2.1. výběr nejvhodnějšího materiálu pro poţadovaný nástroj 2.2. volba tenké vrstvy pro obrábění 2.3. moţnost optimalizace tepelného zpracování základního materiálu nástroje 2.1. Výběr nástrojového materiálu pro poţadovaný nástroj Trvalé zvyšování produktivity řezných nástrojů při současném zhoršujícím se stavu obrobitelnosti mat. predikuje důleţitost splnění vysokých kvalitativních poţadavků na trvanlivost (ţivotnost) řezné části. Řezné nástroje vyrobené z práškové RO jsou podstatně houţevnatější neţ konvenční rychlořezné oceli, tudíţ délky řezné hrany mohou být podstatně větší. Uvedená technologie (PM) zároveň umoţňuje bohatší legování, takţe při podstatně větší tvrdosti ( 65-68HRC) je nástroj poměrně velice houţevnatý. Další předností je zvýšená řezivost - odolnost proti otěru i opotřebení, moţnost obrábět nejrůznější jakosti i stavy materiálů, vynikající obrusitelnost integrita povrchu (díky jemnozrnné struktuře) a tudíţ dosahovaná aţ trojnásobná trvanlivost řezné hrany. Příkladem můţe být poţadavek na nástroj určený pro výrobu (obrábění) ozubení m=6 odvalovacím způsobem na kole + pastorku z materiálu DIN 18CrNiMo7-6 výkovek (stav po normalizaci ca 280HB), bez nutnosti povrchové úpravy, s cílem ušetřit za depozici PVD a následné náklady vyplývající z renovace nástroje, včetně podstatného zkrácení průběţné doby výroby. Kvantifikace procesu - technologická operace: frézování nesousledné hrubovací, přerušovaný řez do plna; - polotovar: výkovek stav 1,obrobitelnost -11b; - typ stroje: CNC frezka - Pfauter PE 1000 popř. OFA 71; - nástroj:profil nástroje odpovídá základnímu profilu ozubení (hřebeni); fréza se odvaluje po obvodu obrobku, jednotlivé zuby (břity) frézy se postupně zařezávají; - integrací všech pohybů a průnikem těles (válce (kruţnice) obrobku + přímkového břitu frézy je výslednou obálkou evolventní bok zubu. Volba jakosti materiálu nástroje: S ohledem na třídu obrobitelnosti (11b); mech. vlastnosti výkovku (Rm= 900 1050MPa) byly doposud pouţívány kobaltové RO-PM (VANADIS 30; ASP2030; CPM REX 76; ) s následnou povrchovou úpravou TV na bázi TiAlN x.přestoţe aplikované PVD povlaky nám vyřešily jiţ mnoho sloţitých procesů v obrábění, zůstávají některé vlastnosti (zvětšení R řezné hrany a ostří, makročástice, adheze TV-substrát, operace navíc, náklady, renovace,..) povlaků jako diskutabilní a někdy dokonce těţko obhajitelné u zákazníka. Doporučená jakost RO-PM musí splňovat následující poţadavky: - výsledná tvrdost po min. 4X popouštění 62 65HRC; (nutno splnit podmínku nutnou: K =Hná : H obr.mat. 1,6); - odolnost proti teplotnímu zatíţení do T 600 C, tzn. vysoká popouštěcí teplota; - otěruvzdornost zejména proti mech. způsobům opotřebení (abrazi, adhezi); - optimální vazba mezi tvrdostí a houţevnatostí (vysoká odolnost proti vzniku vrubů, kráterů, zaoblení, rozdrobení, popraskání, destrukce řezné hrany); - vysoká tuhost (štíhlostní poměry) a kinematická rovnováha nástroje; - rozměrová a geometrická stálost; snadná, jednoduchá reprodukovatelnost ostří; - optimální obrobitelnost a obrusitelnost; - variabilní, universální pouţitelnost; - optimální geometrie břitu ve vztahu k řezným podmínkám v procesu obrábění; - optimální integrita povrchu břitů.
Na základě detailní analýzy a zkušeností byla zvolena jakost RO-PM - VANCRON 50 Obr. 1: Pohled na vyrobenou odvalovací frézu POZN: Předmětem přednášky není detailní analýza celé výrobní etapy nástroje včetně speciálního reţimu TZ, který zůstává ve formě know how. Shrnutí naměřených hodnot a grafické znázornění je na následujících dokumentech: Tab. 1: Řezné podmínky a efektivnost procesu obrobení ozubení
Graf 1: Ţivotnost nástrojů v závislosti na jakosti mat. frézy Na konkrétním nástroji odvalovací fréze m=6 byla aplikována poslední vývojová jakost RO-PM, která nejen ţe umoţnila zvýšení řezné rychlosti, trvanlivosti, ale především dokázala svými vlastnostmi nahradit i PVD tenké vrstvy, které jsou velmi častou součástí povrchové úpravy nástrojů. Tímto se podstatně zkrátí výrobní proces, ušetří náklady jak za PVD depozici, tak s tím souvisejícím přeostřováním a následným povlakováním. V tabulce 1 jsou vyhodnoceny výsledky zkoušek frézovacích nástrojů z materiálu Vancron 50, ASP 2030 a z HSSE (19 852.4). U kaţdé jakosti je uvedena i alternativa, kdy je nástroj PVD depozicí napovlakován (TiAlNx). Graf 1 uvádí počet kusů, které se vyfrézují daným nástrojem po dobu jeho ţivotnosti. Z grafu vyplývá, ţe nenapovlakovaný nástroj z materiálu Vancron 50 plně nahradí povlakovaný nástroj z materiálu HSSE a dokonce je i na stejné úrovni jako povlakovaný nástroj z materiálu ASP 2030. Varianta pouţití nástroje z materiálu Vancron 50 bez povlaku je nejvýhodnější v nákladech na výrobu jednoho kusu. 2.2. Volba tenké vrstvy pro obrábění Zadání zákazníka pro výrobce odvalových fréz bývá stručné, ale náročné na výsledné uţití nástroje. Např.: Potřeba odvalovací frézy m = 12x25º pro výrobu ozubeného kola z materiálu 17CrNiMo6.4! Kolo má ø 386mm a šířku 274mm, 30 zubů. Stroj odvalovací frézka OF 16, mazáno řezným olejem. S ohledem na větší počet obrobků a tím poţadavek vyšší trvanivosti, byla zvolena k výrobě nástroje nástrojová ocel TSP 5 a pro porovnání trvanlivosti byla 1 fréza opatřena vrstvou TiAlN / Obr.2 /.
Obr. 2: Odvalová fréza s tenkou vrstvou TiAlN Výsledky ověření: Nástroj: bez povlaku s povlakem TiAlN Počet obrobených kol: 4 4 6 Opotřebení nástroje: VB/mm/ = 0.186 0.132 0.184 Porovnání odvalovací frézy povlakované vrstvou TiAlN s nepovlakovanou ukazuje po 4ks ozub. kol výrazný rozdíl /hodnota niţší ca o 30%/ v průměrném opotřebení hřbetu na zubech v záběru. Po obrobení celkem 6ti ks s nástrojem s tenkou vrstvou je opotřebení téměř shodné. Povlak zvýšil trvanlivost nástroje min. o 50 %. Vhodná tenká vrstva nepomáhá vţdy jen pro zvyšování trvanlivosti nástroje, ale vzhledem k lepšímu koeficientu tření můţe zlepšovat i kvalitu obrobené plochy. To je zvlášť důleţité při dokončovacích operacích, jako je např. vystruţování děr. Př.: Po osazení rotoru turbiny lopatkami a jejich pojištění v poloze pomocí kuţelových kolíků se volná díra vyhrubuje speciálním výhrubníkem 19,75 mm a následně se vystruţí speciálním výstruţníkem na 20 H7. Dokončené díry v délce 156 mm ve dvou materiálech současně nástrojem bez povlaku byly v rozsahu drsnosti Ra = 0,4 aţ 3,6 µm, zatímco kvalita děr s nástrojem opatřeným tenkou vrstvou AlTiN + DLC se opakovaně pohybuje v poţadovaných hodnotách, tj. od 0,48 aţ 1,0 µm. 2.3. Optimalizace tepelného zpracování základního materiálu nástroje Odolnost proti provoznímu opotřebení a ţivotnost ostří patří mezi nejdůleţitější kvalitativní parametry obráběcích nástrojů. Zejména u automatických obráběcích center představuje výměna nástrojů výraznou časovou ztrátu a přerušení plynulosti výroby a proto bývá na optimalizaci jejich ţivotnosti kladen značný důraz. Pro maximální zvýšení trvanlivosti byly jako jedny z mnoha nástrojů testovány např. soustruţnické noţe z rychlořezné oceli ČSN 41 9857, na kterých byly předtím aplikovány různé způsoby tepelného zpracování /viz Tab. 2/. Výsledky provedených zkoušek ukazují, ţe pouţitý způsob tepelného zpracování můţe mít na ţivotnost ostří rozhodující vliv.
Tab.2: Pouţité postupy tepelného zpracování zkušebních soustruţnických noţů Vzorek 57-0 57-X Způsob tepelného zpracování Klasické zušlechtění 57-1 Zakalení + kryogenní podchlazení -80 C / 8 hodin 57-2 Zakalení + kryogenní podchlazení -180 C / 8 hodin 57-3 Zakalení + kryogenní podchlazení -180 C / 8 hodin + popuštění 220 C / 2 hodiny Obr.3: Hlava zkušebního soustruţnického noţe (vlevo) a snímek zkušebního pracoviště (vpravo) Naměřené průběhy opotřebení soustruţnických noţů jsou znázorněny v Tab. 3 a na Obr. 4. Z těchto výsledků je zřejmé výrazné zvýšení odolnosti noţů proti opotřebení při pouţití tepelného zpracování s kryogenním podchlazením. Zatímco u klasicky zušlechtěných nástrojů bylo mezního opotřebení dosaţeno po přibliţně 1500 m řezné dráhy, nástroje zušlechtěné novým způsobem dosáhly tohoto opotřebení aţ po téměř dvojnásobné řezné dráze. Tab. 3: Naměřené hodnoty opotřebení noţe na hřbetě VB /mm/ Řezný čas [min] (dráha řezu [m]) Nástroj (vzorek) 13 (735,8) 26 (1471,6) 31 (1733,4) 39 (2207,4) 44 (2469,2) 57-0 0,19 0,21 0,25 - - - 57-X 0,11 0,15 0,25 - - - 49 (2761,2) 57-1 0,06 0,11-0,18 0,20 0,25 57-2 0,07 0,10-0,14 0,17 0,27 57-3 0,05 0,11-0,15 0,17 0,22
Obr. 4: Průběh opotřebení břitu u zkoumaných soustruţnických noţů Z výše uvedených výsledků vyplývá, ţe pouţitý způsob tepelného zpracování má velmi významný vliv na ţivotnost soustruţnických noţů, a to i tehdy, pokud modifikace tepelného zpracování nevede ke změně tvrdosti nástroje. Aplikace tepelného zpracování s kryogenním podchlazením vedla ve zkoumaném případě ke zvýšení ţivotnosti ostří o cca. 80% ve srovnání s nástroji zušlechtěnými klasickým postupem. 3. ZÁVĚR Výše uvedené skutečnosti v různých oblastech zkvalitňování vyráběných nástrojů ukazují, ţe výrobce můţe a musí splnit poţadavky zákazníka správnou volbou nástrojového materiálu, jeho optimálním tepelným zpracováním /včetně jiţ dostupného kryogenního zpracování/, ale i správnou geometrií, kvalitním naostřením, případně i určením vhodné tenké vrstvy pro zajištění maximální trvanlivosti a ţivotnosti nástroje! Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MŠMT a EU, E!4261. 4. LITERATURA [1] Kesl, M. : Nová generace RO-PM, sborník z konference Strojírenská technologie Plzeň 2011, ZČU Plzeň [2] Fajt, J.,Šuchmann, P.,Duchek, M.: The impact of type of heat treatment on service life of turning tools, sborník SURFACE ENGINEERING 4/2010, IMP Varšava, str. 3-5.