TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY THIN FILM-COATED CUTTING TOOLS FOR HARD-TO-MACHINE PLASTICS Antonín Kříž a) Pavel Kožmín b) a) Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň 306 14, Czech Republic b) 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. 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. 1. ÚVOD Na konferenci Metal 2006 byl presentován příspěvek (Tenké vrstvy na řezných nástrojích v aplikaci obrábění plastů), který uváděl nejen problematiku obrábění polymerních materiálů, ale i první zkušenosti s aplikací progresivních vrstev na řezných nástrojích. V současné době se již realizace projektu chýlí ke konci a získané poznatky podávají ucelený obraz o řešení této problematiky. Cílem tohoto článku, s ohledem na skladbu odborníků, neklade důraz na výsledky technologických zkoušek, ale především uvádí jednotlivé nové metody laboratorního testování. Tyto zkoušky byly vyvinuty právě s ohledem na požadované znalosti chování nástroje ve složitém procesu tohoto obrábění. Při rozsáhlých technologických testech se prokázalo, že pro řezný nástroj je limitní nikoliv abrazivní opotřebení, ale jeho chvění i chvění obrobku[1]. To nasměrovalo další vývoj jak laboratorního testování, tak i použité tenké vrstvy. 2. OPOTŘEBENÍ NÁSTROJE Nástroje byly zkoušeny na 4 a následně dalších 6 obráběných vzorcích. Obrábění simulovalo proces odehrávající se v praxi, tj. nástroj se zavrtal a bylo zařazeno jak sousledné, tak i nesousledné frézování. Cílem nebylo jen zjistit rozsah opotřebení nástroje a stav obrobené plochy, ale především odhalit děje, které během procesu probíhají a mají vliv na kvalitu obrobené plochy. Dalším cílem bylo najít korelaci mezi laboratorními testy a praktickým chováním nástroje. Všechny tyto vazby a výsledky jsou natolik rozsáhlé, že je nelze publikovat v jednom příspěvku. Jejich výsledky byly již uvedeny v celé řadě předchozích publikacích[2; 3; 4]. 1
Obr. 1 Opotřebení na čele (pohled do šroubovice). Ze snímku vyplývá rozsah lokálního poškození břitu následkem chvění nástroje. Fig. 1 Wear on cutting face (view in the helical line). There is clear extent of cutting edge local failure caused by tool s vibrations. Velmi důležitým poznáním bylo, že při obrábění nedochází k ulpívání obrobeného materiálu na nástroji. Toto ulpívání nebylo pozorováno na žádném z analyzovaných nástrojů. Z pozorování charakteru opotřebení vyplývá, že nástroj je poškozen běžným adhezivním otěrem. Nenastává proces abrazivního poškození, které by bylo iniciováno přítomnými skleněnými vlákny. Tento stav byl potvrzen i laboratorní simulační zkouškou. Jak dokumentují snímky obr. 1, rozhodujícím faktorem pro trvanlivost nástroje a kvalitu obrobené plochy je chvění nástroje popř. obrobku. Toto chvění vyvolává lokální poškození břitu. Jestliže je toto poškození kritické, popř. dále pokračuje, dojde k nežádoucím změnám stavu břitu a ke zhoršení kvality obrobené plochy, popř. k destrukci nástroje. Chyba! Záložka není definována.u nástroje, u něhož bylo chvění minimalizováno, dochází k rovnoměrnému pozvolnému opotřebení břitu a následkem toho je kvalitnější řez. Z hlediska rozsahu opotřebení je třeba mít na paměti, že se jedná o úplně jiné rozměry, než je tomu u běžných degradačních procesů. Jak již bylo uvedeno, je nástroj z hlediska kvality obrobené plochy považován za otupený již při opotřebení pohybující se okolo 10 mikrometru (lidsky vlas má tloušťku 50-80 mikrometrů). Z dosažených výsledků získaných z technologické zkoušky trvanlivosti břitu vyplývá, že břit nástroje by měl mít větší úhel břitu (tupější charakter), před depozicí by měl být jemně otryskán a povrchová úprava by měla být taková, aby došlo k eliminaci vzniku chvění nástroje. 3. LABORATORNÍ TESTY VRSTEV PRO OBRÁBĚNÍ PLASTŮ Cílem laboratorních zkoušek bylo postihnout jednotlivé rozdíly ve vlastnostech aplikovaných tenkých vrstev a přiřadit těmto výsledkům kritériální hodnocení, které dovolí lepší dokumentaci a pochopení procesů, které se odehrávají při obrábění těchto materiálů. Byla provedena celá řada základních i specifických testů vrstev. U analýzy mikrotvrdosti se projevila dominantní vlastnost elasticko-plastické energie pohlcené při vnikaní indentoru. Tato hodnota je v případě, kdy nastává chvění nástroje nebo obrobku, důležitější než samotná hodnota mikrotvrdosti. V tomto směru měla vrstva TiAlN s kluznou povrchovou úpravou jednoznačné prvenství (obr.č. 2 vzorek č. 11). 2
12 Energie elastické a plastické deformace 10 We/Wr [nj] 8 6 4 2 0 1bez změny substrátu 8 - TiAlN+uhlík. vrstva (bez změny substrátu) 11 - TiAlN+uhlík. vrstva (otryskání) 15 - TiAlN (beze změny) 22 - AlTiN(beze změny) CSI TiAlSiN (metal. leštěn) DSI naco+dlc (met. leštěn) TSI - Etreme (met. leštěn) Obr. 2 Poměr energie elastické a plastické deformace vzorek 11 dosahoval nejlepších výsledků Fig. 2 Ratio of elatic and plastic deformation sample 11 achieved the best results Další základní analýzou byl scratch test. V tomto testu, dle očekávání, byla nejlepší nanokrystalická vrstva TiAlSiN. Všechny analyzované vrstvy splnily kritérium minimální kritické síly 50N (obr.3), tj. všechny analyzované systémy lze považovat za vhodné k obrábění. ZATÍŽENÍ [N] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 SCRATCH TEST - LS 1 Obr. 3 Porovnání jednotlivých vzorků dle kritického zatížení L s [N]. Fig. 3 Comparison of individual samples according to critical load Ls [N]. Ls [N] Další základní laboratorní zkouškou byl tribologický PIN-on-DISC test. Výsledkem nebyl jen koeficient tření, kde nejlepší byla opět vrstva TiAlN s uhlíkovou vrstvou a odolnost proti opotřebení nejlepší vrstva TiAlSiN, ale i další speciální výstupy vázající se na obrábění plastů. 4 7 8 11 14 15 18 19 22 CS1 DS1 TS1 3
Experimenty byly zvoleny s cílem postihnout vliv změny reliéfu povrchu na koeficient tření (a tím odchod třísky od břitu nástroje). Nejlepším způsobem jak toho docílit bylo měření tzv. statického koeficientu tření. Tento koeficient tření je definován jako síla vzdorující pohybu až k jistému maximu, kdy je překonána a začne pohyb. Kinetický koeficient tření je definován jako objekt jež je v pohybu, přičemž kinetická třecí síla bude pohybu vzdorovat. Obvykle je tato síla nižší než statická třecí síla a nezávislá na rychlosti (obr.4) Obr.4 Rozdíl mezi statickým a dynamický koeficientem tření Fig. 4 Difference between static and dynamic friction coefficient Velmi důležitým parametrem tribologických experimentů je chvění během testu. Z ohledem na dané zařízení bylo sledováno chvění pouze v horizontálním směru. Vyhodnocení bylo prováděno pomocí směrodatné odchylky od průměrné hodnoty koeficientu tření. Testy byly prováděny při normální teplotě, tak i při vyšší teplotě, kdy bylo hlavním cílem zjistit, zda nedochází k ulpívání polypropylenové kuličky na zkoušeném povrchu s analyzovanými vrstvami. Z výsledků testů při vyšší teplotě (150 C) se zjistilo, že nenastává během kontaktu adhezní ulpívání použitého plastu. Zjištění dynamického koeficientu tření při pokojové teplotě bylo prováděno při dvou extrémních rychlostech (z hlediska laboratorního zařízení). Cílem bylo určit jednak dynamický koeficient tření, ale také vyhodnotit chvění v horizontálním směru způsobené kombinací koeficientu tření a reliéfu vzorku. Koeficient tření byl spočítán jako aritmetický průměr všech zaznamenaných hodnot frikce mimo záběhu. Z těchto hodnot byla rovněž vypočítána směrodatná odchylka vypovídající o chvění v horizontálním směru. Dynamický koeficient byl sledován i při vyšší teplotě (150 C). Při normální teplotě dosahoval velmi dobrých vlastností systém s vrstvou TiAlSiN. Naopak při vyšších teplotách se příznivě projevila vrstva TiAlN s uhlíkovou povrchovou vrstvou. 4
Dalším specifickým testem byl Fretting test. Opotřebení frettingem je proces povrchového porušení, který může nastat u většiny průmyslových aplikací, kde je kontakt ovlivněn mechanickými vibracemi (kmitáním). Tím je tento test důležitý i pro uvedený případ obrábění. Tento druh porušení může často vést ke kritické poruše. Součásti v kontaktu ovlivněné malými amplitudami vibrací mohou snadno podlehnout tomuto jevu. Frikční vlastnosti mohou být ověřovány nejenom tribologickým testem,ale také pomocí tzv. fretting testu. Principem metody je prolešťování vrstvy kuličkou nebo hrotem pohybujícími se nízkofrekvenčními kmity. Na snímku je schéma zařízení Fretting testeru. Přímým výstupem měření je průběh koeficientu tření (tzv. fretting koeficientu) v závislosti na počtu cyklů. Pro tuto analýzu byly použity vzorky s vyleštěným povrchem, které byly opatřeny vrstvami TiAlSiN nanokrystalická, TiAlN monovrstva, TiAlN gradientní s povrchovou kluznou vrstvou. Jak dokumentuje tabulka 1, byl při extrémním zatížení (počet cyklů a zatížení) nejlepší systém TiAlN s uhlíkovou povrchovou vrstvou. Tabulka 1 Souhrn výsledků jednotlivých experimentů fretting testu Table 1 Summary of results from fretting test individual experiments Vrstva Zatížení Počet Koef. Odhalení PIN [N] cyklů tření subtrátu Vyhodnocení 5,5 2500 17 042 0,5 nenastalo 2 TiAlSiN 11,4 5000 WC 0,55 lokální 2 11,4 10 000 WC - totální - TiAlN - 5,5 2500 17 042 0,8 nenastalo 3 monovrstva 11,4 5000 WC 0,4-0,6 totální 3 5,5 2500 17 042 0,25-0,3 nenastalo 1 TiAlN - 11,4 5000 WC 0,15 nenastalo 1 gradientní 11,4 7 000 WC - nenastalo - Tribologická zkouška za rotace byla volena z toho důvodu, aby byl zjištěn vliv abrazivních skleněných vláken, které jsou vyztužující složkou obráběného polypropylenu. Podstatou této zkoušky bylo vtlačování rotujícího polypropylenového tělíska do zkoumaného vzorku. Polypropylenové tělísko bylo vyříznuto z automobilové palubní desky, čímž byly zaručeny podobné tribologické podmínky, které vznikají při procesu obrábění polypropylenové desky vyztužené skelnými vlákny. Tento test opět zachytil přínos jednotlivých vrstev, přičemž nejlepších vlastností dosahoval systém s nanokompozitní vrstvou TiAlSiN. Při tomto testu se potvrdil velmi důležitý poznatek. Skleněná vlákna, která jsou chaoticky umístěna v polypropylenu neovlivňují mechanismus poškození povrchu. V žádném sledovaném případě nebyly shledány stopy po abrazivním opotřebení. Tyto poznatky významně mění pohled na obráběný materiál. Při obrábění polypropylenu vyztuženého skleněnými vlákny není třeba se obávat abrazivního účinku. Břit nástroje nemusí mít velký úhel, ale naopak je doporučeno, aby byl co nejostřejší. Impact test umožňuje testovat vybrané vrstvy a povlaky na únavovou pevnost, zatímco např.zkoušky založené na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku při zvětšujícím se zatížení) mohou být nedostatečné pro simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven 5
zároveň únavovému a erozivnímu opotřebení. Impact test věrněji napodobuje reálné situace během životnosti vrstvy (např. střídavý kontakt nástroje s obrobkem v důsledku chvění). Pro potřeby projektu byl sestaven Impact tester vlastní konstrukce. Tento přístroj je využitelný i pro další aplikace a umožňuje zjišťovat nejen adhezivně-kohezivní vlastnosti systému tenká vrstva-substrát, ale i zpevnění objemových materiálů v místě kontaktního namáhání, rozvoj trhlinek a únavové charakteristiky. V současné době se upravuje metodika testovaní tak, aby bylo možné provést srovnání výstupů s dalšími laboratorními testy. Prozatím získané výsledky prokazují, že vrstva TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu dosahuje velmi dobrých vlastností v porovnání s ostatními analyzovanými vrstvami. 4.1. Shrnutí výsledků laboratorních testů Přestože větší množství testů vyznělo příznivěji pro nanokompozitní vrstvu TiAlSiN, lze na základě dlouholetých zkušeností a priorit jednotlivých laboratorních testů hodnotit gradientní vrstvu TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu jako lepší. Vrstva TiAlSiN je velmi dobrou moderní vrstvou, která bude dosahovat velmi dobrých vlastností při ustálených podmínkách zatěžování. Systém TiAlN s povrchovou kluznou vrstvou sice nedosahuje tak výborných vlastností při konstantním dotykovém namáhání, ale její přednosti vyplynou právě v extrémních zátěžích. Obdobné podmínky lze očekávat právě v případě obrábění plastů, kde se může objevit vedle běžných opotřebení i poškození břitu následkem zvýšeného chvění. V tom okamžiku bude důležité, aby vrstva pohlcovala velké množství energie a nenastalo vyštípnutí břitu. Systém s povrchovou kluznou vrstvou bude rovněž eliminovat vznik chvění následkem tzv. zadrhávání obráběného materiálu. Jak prokázaly speciální tribologické testy, lze od této vrstvy očekávat velmi dobré frikční vlastnosti v okamžiku tzv. nouzových okamžiků (nahromadění třísky, větší kontakt s obráběným materiálem). Na základě získaných poznatků lze odvodit, jak by měla aplikovaná vrstva vypadat. Na rozhranní substrát-vrstva by měla být tzv. kotvící adhezní vrstva nejčastěji je tvořena TiN. Od substrátu k povrchu by měl gradientně růst obsah hliníku popř. by ve vrstvě měly být mezivrstvy TiN, které by snižovaly šíření trhlin a působily by jako eliminátory rázové energie. Na povrchu by měla být kluzná vrstva v podobě uhlíkové DLC vsrtvy popř. MoS 2. 5. Technologické zkoušky obrábění Hlavním úkolem těchto zkoušek bylo ověření teoretických i nově získaných praktických zkušeností a poznatků v reálném procesu obrábění i s ohledem na geometrii (pracovní geometrii a mikrogeometrii) břitu řezného nástroje. Technologické zkoušky byly navrženy, připraveny a provedeny ve spolupráci s kolegy z katedry technologie obrábění na ZČU v Plzni - viz obr.5. 6
Obr. 5 Experimentální pracoviště na ZČU se znázorněním prototypu nástroje a vzorku materiálu před a po obrábění. Fig. 5 Experimental workplace at University of West Bohemia in Pilsen with illustration of tool prototype and sample before and after machining. 5.1. Průběh a vyhodnocení experimentu U všech zkoušených nástrojů se obrábělo celkem 10 kusů vzorků. Hodnocení stavu břitu nástroje se provádělo před obráběním a poté po obrobení 4 kusů vzorků a na konci obrábění tj. po obrobení desátého vzorku. Opotřebení břitu nástroje se sledovalo jednak na dílenském mikroskopu, jednak rovněž na elektronovém řádkovacím mikroskopu. Dále se hodnotil stav obrobeného povrchu (kritériem byl vznik otřepů na obrobené ploše) při sousledném a nesousledném frézování a dále se zaznamenávaly a vyhodnocovaly řezné vlastnosti nástroje s úrovní hluku při jeho nasazení. Na základě výše uvedených kritérií byly vybrány nástroje z jednotlivých geometrických variant a tyto byly mezi sebou porovnány v příslušných tabulkách. Jednotlivé vyhodnocované parametry byly hodnoceny známkami od 1 do 4 (1 nejlepší, 4 nevyhovující). Celkové vyhodnocení v jednotlivých variantách je dáno pořadím dle příslušného průměru. Celkové vyhodnocení dle jednotlivých geometrických variant je provedeno v tabulce 2. Tabulka 2 - Vyhodnocení nástrojů dle deponované tenké vrstvy Table 2 Evaluation of tools according to deposited thin layer Varianta geometrie vrstva I. II. III. Průměr Pořadí TiAlN s kluznou vrstvou 1,78 1,33 2,00 1,71 1 TiAlSiN 1,55 2,11 2,00 1,89 3 TiAlN 1,78 1,56 2,00 1,78 2 Bez vrstvy 2,00 1,84 1,83 1,89 3 7
6. ZÁVĚR Na základě provedených laboratorních testů i praktických zkoušek bylo získáno dostatečné množství poznatků o přínosu jednotlivých tenkých vrstev v procesu obrábění sendvičových kompozitních plastů. Tyto poznatky vyústily v podání návrhu na patentový úřad k zaregistrování nástroje a jeho výroby. Řešením projektu byly odladěny popř. vyzkoušeny úplně nové metodiky analýz tenkých vrstev (tribologické analýzy, tribologické zkoušky za rotace, fretting test a impact test). Tyto analýzy lze s výhodou využít i při hodnocení dalších kontaktně namáhaných povrchů a při sledování procesů, které jsou tímto zatížením iniciovány. 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] KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P.: Tenké vrstvy na řezných nástrojích v aplikaci obrábění plastů. Metal2006, Ostrava, 2006. [2] KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P.: Thin layer-coated cutting tools for hard-to-machine plastics. In Acta Mechanica Slovaca. Košice : Equilibria, s. r. o., 2006, roč.10, č.4-a, s.152-157 ISSN 1335-2393 [3] KŘÍŽ, A., KOŽMÍN, P.: Průběžná zpráva k řešení projektu MPO - FI-IM2/054. Hofemister s.r.o. Plzeň, 2006 [4] KŘÍŽ, A. KOŽMÍN,P.:. Tenké vrstvy na řezných nástrojích pro těžkoobrobitelné plasty. Strojárstvo 1/2007, roč. XI, s.48-49. Bratislava, 2006. ISSN 1335-2938. 8