Hodnocení opotřebení břitu nástrojů s tenkou otěruvzdornou vrstvou Dalibor Šimůnek a Antonín Kříž a Olga Bláhová a Západočeská univerzita v Plzni fakulta strojní, Univerzitní 22 Plzeň 306 14 Abstrakt: V oblasti obrábění je řezivost nástrojů jedním z důležitých parametrů. Vlivem používání nástrojů roste opotřebení, které má negativní vliv na řezivost nástroje. V důsledku opotřebení se mění nejen řezné podmínky, ale i drsnost povrchu a rozměr obrobku. Drsnost povrchu má v určitých oblastech výrazný vliv na provoz a spolehlivost součástí. Jednou z možností, jak snížit rychlost opotřebení, je nanášení ochranných tenkých vrstev na povrch nástroje. Tenké vrstvy vynikají vysokou tvrdostí a otěruvzdorností. V příspěvku je porovnána drsnost povrchu na nových nástrojích bez tenké vrstvy a s tenkou vrstvou. Byly provedeny obráběcí zkoušky některých nástrojů a pomocí profilometru změřeny změny drsnosti povrchu a velikost opotřebení na čele a hřbetu nástrojů. A durability tools is one of the important parameter in the area of materials cutting. Owing to tools using the wear is growing. The tool wear has a negative influence on cutting quality's. Wear can change roughness also may change and dimension workpiece. In certain area the roughness surface has an expressive influence on the running and reliability of components. One of the possibility how decrease wear is spreading of protective coatings on surface tools. The coatings have high hardness and wear resistance. In the article there is an comparison of surface roughness on new tools without the coating and with the coating. Maschining tests were effected on some tools. The changes of surface roughness and amount of wear on the tools cutting and were measured by profilometer. 1. Úvod V dnešní době je kladen velký důraz nejen na přesnost, efektivnost a kvalitu obráběcích operací, ale i na větší trvanlivost nástroje. Se zvyšujícími se nároky na přesnost a trvanlivost nástrojů, zaměřuje se pozornost na makrogeometrické parametry (tvar ostří, utvařeč třísky, tvar čela) a mikrogeometrické parametry (tvar a příprava ostří). Vhodnou kombinací těchto parametrů spolu s depozicí vhodných tenkých vrstev na nástrojích, lze podstatně zlepšit odvod třísky, snížit mechanická a tepelná namáhání nástroje, zvýšit trvanlivost nástroje a v celkovém důsledku zlepšit kvalitu a přesnost obrábění [1]. 2. Opotřebení nástrojů Obráběcí nástroj se opotřebovává za velmi vysokých teplot (300 až 1200 C) a tlaků (10 3 až 10 4 MPa) [2]. Při obrábění se opotřebovává čelo a hřbet nástroje. Čelo se opotřebovává třením třísek, zatím co hřbet se opotřebovává třením nástroje o řeznou plochu. Největší tlak je na čele blízko ostří. V tomto místě se tříska za vysokého tlaku těsně stýká a tře s čelem nástroje. Struktura třísky je v tento okamžik rozdílná oproti základnímu materiálu a vlivem Obr.1. Postupné opotřebovávání nástroje plastických deformací je tvrdost třísky až 1,5 krát 1
větší než tvrdost základního matriálu.[2] To vede k otěru čela nástroje. V místě styku se odtrhují drobné částečky nástroje a mění se tvar čela. S rostoucím opotřebováním roste i výmol na čele. Součastně s otěrem čela se otupuje i hřbet, který se tře o obráběný materiál. Zprvu se vytváří ploška, která roste, až se s výmolem na čele spojí. Na obr.1. je uvedeno postupné opotřebovávání nástroje. 3. Obráběcí materiály Mezi prvními materiály používané na obrábění patří uhlíková ocel. Ta ale vykazovala malou trvanlivost a musela se často přeostřovat. Na začátku 20. století nastal prudký vzestup používání rychlořezné oceli (RO nebo HSS), měla již větší trvanlivost. RO vykazovala vyšší tvrdost za tepla a umožňovala obrábění za vyšších teplot (600 C). Slévárenské materiály: Takto byly označovány neželezné slitiny, jejichž základ tvořil hlavně kobalt, chróm wolfram atd. Tyto materiály byly zavedeny kolem roku 1915. Slévárenské matriály obsahovaly cca 50 % tvrdých karbidů. Slévárenské materiály byly relativně tvrdé a měly relativně vysokou tvrdost za tepla (cca 800 C) a velmi vysokou odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Pro výrobu celých nástrojů byly však příliš křehké. Začaly se vyrábět destičky, které se pájely na držáky z uhlíkové oceli. Destičky však vykazovaly pouze poloviční houževnatost než nástroje z RO. Slinuté karbidy (SK) byly vyvinuty ve 30. letech 20. stol. Obsahují více než 90 % tvrdých karbidů a kovové pojivo. První typy SK obsahovaly karbid wolframu ve funkci tvrdého materiálu a kobalt jako pojivo. Vývoj pokračoval a zkoušely se i jiné druhy karbidů (TaC, NbC, TiC). Používání nástrojů s destičkami z SK podstatně vzrostlo koncem 40. a v průběhu 50. let. Jednotlivé druhy SK vynikaly pouze v určitých vlastnostech dané druhem použitého karbidu. Proto byly vyvíjeny nové druhy. Řezná keramika: První pokusy probíhaly ve 30. letech 20. stol., ale značný rozvoj proběhl v 50. letech. Jako první materiál pro řeznou keramiku byl použit oxid hlinitý (Al 2 O 3 ). Použití tohoto materiálu bylo krajně obtížné, protože vyžadoval velmi stabilní podmínky obrábění a vysoké rychlosti. Z toho důvodu je oblast použití velmi malá [3]. Cermety: Cermet je název pro tvrdý řezný materiál obsahující tvrdé částice TiC, TiN, TiCN a další v kovovém (Ni, Mo, Co) pojivu. CERMETy (CERamic METal) jsou materiály obsahující keramické částice v kovovém pojivu. Výroba cermetů je obdobná výrobě slinutých karbidů (práškovou metalurgií). Cermety disponují dobrou odolností proti opotřebení čela i hřbetu. Mají vynikající pevnost za tepla a chemickou stabilitu. Oproti slinutým karbidům mají menší houževnatost a odolnost proti teplotnímu rázu. Vývoj cermetů je intenzivní a lze očekávat jejich postupné rozšiřování [4]. Syntetické diamanty jsou průmyslově vyráběny od roku 1954 syntézou při vysokých teplotách (1600 C) a za vysokých tlaků (700 kn/mm 2 ). Syntetický diamant se převážně používá pro výrobu brusných kotoučů, které jsou určené pro broušení neocelových materiálů, jako jsou např. sklo, keramika, slinuté karbidy, porcelán kámen atd. [5]. Nanokrystalické materiály: Cílem vývoje v dnešní době není vývoj nových materiálů, ale spíše zdokonalování technologie výroby a optimální využití již známých matriálů. Jednou z možných cest jak zlepšit mechanické vlastnosti nástrojů, je snižování velikosti zrna u tvrdých 2
strukturních složek jako jsou slinuté karbidy, cermety, řezné keramiky atd. Matriály s malým a jemným zrnem vykazují větší tvrdost, lomovou houževnatost, pevnost v ohybu. Tyto vlastnosti se výrazně projevují na zvýšení trvanlivosti i řezivosti břitových destiček. Je-li jemná struktura kombinovaná s vhodnými tenkými vrstvami, dosahují se vynikající vlastností vhodných téměř pro všechny typy obrábění. 4. Tenké vrstvy a jejich vytváření V součastné době jsou prakticky všechny nástroje opatřeny povrchovou vrstvou tvrdých otěruvzdorných povlaků. Nejčastěji se používají vícevrstvé tenké vrstvy třetí nebo čtvrté generace. Tenká vrstva třetí generace je vícevrstvý povlak (dvě i více vrstev), který má ostře ohraničené přechody mezi jednotlivými vrstvami. Tenká vrstva čtvrté generace je speciální vícevrstvý povlak s více či méně výraznými přechody mezi jednotlivými vrstvami. Původní materiály pro tenké vrstvy: TiC, TiN, TiCN, Al 2 O 3. Některé nové materiály: Al 2 O 3 + ZrO, AlTiN, TaN, TaC, SiO 2, TiCrCN, MgO a mnoho dalších. Pro výrobu povrchových vrstev se používají dvě základní metody CVD a PVD. Metoda PVD (Physical Varpour Deposition) má nižší depozitní teploty (do 600 C). Jsou šetrnější k substrátům hlavně v případě kalených ocelí, kde nedochází k popouštění martenzitických struktur. PVD technologie povlakování nemá doposud vyčerpány všechny možnosti druhů povlaků, jejich vrstvení, speciálních předúprav a následných úprav. Metoda CVD (Chemical Varpour Deposition) má vyšší depoziční teploty než PVD, které se pohybují se v rozmezí teplot 1000-1040 C. Metoda CVD tvoří základ pro další metody vytváření povrchových vrstev jako je metoda MTCVD. MTCVD (Middle Temperature Chemical Vapour Deposition) je středně teplotní CVD. Hlavní výhodou metody MTCVD je skutečnost, že depozice probíhá při relativně nízkých teplotách (700 850 C) čímž nedochází k poklesu houževnatosti podkladového matriálu (slinutého karbidu). Tyto technologie prodlužují trvanlivost břitů obráběcích nástrojů nebo umožňují použití intenzivnějších řezných podmínek při zachování trvanlivosti břitů [1]. Při depozici tenkých vrstev může být kvalita povrchu ovlivněna tvorbou makročástic, porezitou, směrovostí povlakování atd. Proto je důležité měřit relativní změnu drsnosti profilu před a po depozici. U dokončovacích nástrojů by střední aritmetická úchylka povrchu neměla převýšit hodnoty Ra =0,05 0,1 µm, což se však mnohdy nedaří plnit [6]. 5. Hodnocení opotřebení nástrojů [6] V článku "Povlakování a metody testování velmi tvrdých povlaků řezných nástrojů" jsou uvedeny výsledky testů obrábění deponovaných vrtáků PVD metodou, u kterých byly aplikovány různé typy vrstev. Experiment spočíval ve vrtání vrtáků s tenkou vrstvou do oceli ČSN 15 241. Po rozboru dosažených výsledků se prokázalo, že pouze dva vrtáky s různými tenkými vrstvymi dosahují uspokojivých výsledků. Na tyto vrtáky byl soustředěn další výzkum, takže byla přesažena hranice 700 otvorů, viz. obr. 2,3. Další část příspěvku uvádí hodnocení jednotlivých tenkých vrstev v závislosti na čase vrtání. Výsledek testu ukázal, že všechny deponované vrtáky přesáhly v řezivosti nepovlakované nástroje. Výsledy jsou pro tři druhy povlaků od tuzemského výrobce a jeden od zahraničního (označen jako GTiN povlak TiN). Povlak TiCN se pro vrtání neukázal jako příliš vhodný, křehce se porušoval a s rostoucím opotřebením a tudíž i teplotou byl rychleji degradován než ostatní tenké vrstvy. Zkoušky potvrdily taktéž požadavek dostatečně tuhého 3
podkladu na tento druh povlaku a dostatečné chlazení nebo mazání. TiCN je tudíž vhodnější v aplikaci na tvarové frézy. Nejlepších výsledků dosáhl povlak TiAlN (obr.2), který potvrdil vynikající vysokoteplotní oxidační odolnost vůči jiným povlakům. TiAlN působil pravděpodobně také jako inhibitor difúze kyslíku do spodních vrstev povlaku, a přestože má obecně nižší adhezi než TiN, pro operaci vrtání byl velmi vhodným povlakem. Avšak i tento povlak byl již překonán, jak ukazuje obr. 3, novým PVD povlakem "J1+1", který ještě nemá obchodní značku, ale který dosáhnul dosavadního absolutního maxima v tomto druhu testu [6]. Obr.2. Trvanlivost nástrojů [6] Obr.3. Trvanlivost povlaků [6] 6. Hodnocené nástroje Pro hodnocení měření opotřebení bylo použito dvou šroubovitých vrtáků o průměru 9 mm s označením A a B. Oba vrtáky byly vyrobeny ze slinutých karbidů K20. Norma ISO 220800 udává hodnoty pro SK K20, která jsou uvedeny v tabulce 1. Označení Složení [%] TiC WC + Co TaC Měrná hmotnost [%] Tabulka 1. Tabulkové hodnoty SK Tvrdost [HV] Pevnost v ohybu [MPa] Pevnost v tlaku [MPa] Modul pružnosti v tahu [MPa] Tepelná vodivost [Wm -1 K - 1 ] Koeficient délkové roztažnosti [10-6 K -1 ] K 20 93 1 6 14,8 1550 1700 5200 620 000 80 5,0 Vrták A nebyl opatřen žádnou povrchovou vrstvou. Vrták B byl opatřen povrchovou vrstvou TiN. Vrstva TiN byla napařena metodou PVD nízkonapěťovým relativním obloukovým napařováním ve vakuu. Tloušťka napařené vrstvy byla 2,8 µm. 7. Obráběný materiál Opotřebení vrtáků se dosahovalo vrtáním do oceli ČSN 15 241. Tabulkové hodnoty oceli 15 241.1 Cr: 1,6-2,0 %; V: 0,1-0,2 %; Rm = 785-800MPa; HB 249; HV 250; obrobitelnost 13b. Pro dosažení vyšší tvrdosti se provedlo zušlechtění na pevnost R m =1310 MPa. [7]. 4
Tento materiál byl použit, protože svými vlastnostmi nejvíce blíží materiálu, pro který budou nástroje použity. Rozvržení vrtaných otvorů Vrtané otvory byly 12,25 mm hluboké a v dostatečné vzdálenosti od sebe (min. 4 mm). Tím se vyloučil vliv deformačního zpevnění, které nastává v okolí otvoru. Vrtání probíhalo bez chladící emulze, čímž veškeré vzniklé teplo přecházelo nejen do třísky a základního materiálu, ale i do vrtáku. Pro oba vrtáky byly řezné podmínky stejné. Řezná rychlost v = 50mm/min, posuv s = 0,1mm/ot, otáčky n=1768 ot/min, hloubka vrtaného otvoru 12,25 mm Obr.4. Rozvržení vrtaných otvorů 8. Opotřebení vrtáků V průběhu vrtaní docházelo vždy po vyvrtaném 11. otvoru k vyjmutí nástroje. Pomocí softwaru obrazové analýzy "LUCIA" byla ze snímku zachyceného streolupou změřena hodnota opotřebení. U obou vrtáků došlo v průběhu vrtání k porušení řezné části a experiment byl přerušen. Porušení u vzorku A bylo zjištěno u 33. otvoru. Odvrtaná délka byla 0,404 m Porušení u vzorku B bylo zjištěno u 121. otvoru. Odvrtaná délka byla 1,482 m 9. Měření drsnosti na vrtácích Před začátkem měření byly na vrtácích stanoveny oblasti (plochy) pro měření, u kterých byl předpoklad výrazného opotřebení. Stanovené oblasti: čelo, hřbet, fazetka, viz obr. 5, 6. Šroubové vrtáky byly před začátkem obrábění proměřeny a zjištěná drsnost byla zaznamenána, viz tab. 1. Obr. 5. Zobrazení čela a fazetky Po skončení experimentu byly vrtáky proměřeny na stejných místech a stejným postupem jako při měření neopotřebených vrtáků. Naměřené hodnoty uvádí tabulka 2. Obr. 6. Zobrazení hřbetu a čela Obr. 7. Směry snímání na nástroji Na každé snímané ploše byly naměřeny 3 hodnoty drsnosti. Z těchto hodnot byla stanovena střední aritmetická hodnota se směrodatnou odchylkou. Plocha "hřbet" byla snímána na délce 1,5 mm. Směr snímání byl zvolen rovnoběžně s ostřím, ve vzdálenosti cca 1mm od ostří. Plocha "čelo" byla snímaná na délce 1,5 mm. Směr snímání byl zvolen rovnoběžně s ostřím, ve vzdálenosti cca 1mm od ostří, viz obr. 7. 5
Plocha "fazetka" byla snímána na délce 1,5 mm. Směr pohybu snímacího dotyku kopíruje šroubovité zakřivení fazetky, viz obr. 7. Tabulka 2. Hodnoty naměřených drsností Vrták A-ČELO- neopotřebovaný směrodatná odchylka 0,36±0,03 2,28±0,16 3,22±0,58 Vrták A- FAZETKA - neopotřebovaný směrodatná odchylka 0,45±0,01 2,97±0,20 4,02±0,47 Vrták B-ČELO- neopotřebovaný směrodatná odchylka 0,30±0,01 1,67±0,29 2,42±1,01 Vrták B- FAZETKA - neopotřebovaný směrodatná odchylka 0,47±0,03 2,94±0,24 3,62±0,31 Vrták A-ČELO-opotřebovaný směrodatná odchylka 0,53±0,11 3,06±0,80 4,26±1,40 Vrták A- FAZETKA opotřebovaný směrodatná odchylka 0,52±0,86 2,90±0,36 4,37±0,69 Vrták A-HŘBET-opotřebovaný směrodatná odchylka 0,27±0,03 2,03±0,31 3,11±0,65 Vrták B-ČELO-opotřebovaný směrodatná odchylka 0,39±0,02 2,30±0,47 3,99±1,90 Vrták B- FAZETKA opotřebovaný směrodatná odchylka 0,52±0,40 2,82±1,3 4,42±1,84 Vrták B-HŘBET-opotřebovaný směrodatná odchylka 0,17±0,03 1,05±0,23 1,57±0,36 6
R a = Střední aritmetická úchylka profilu. Je definována jako střední aritmetická hodnota absolutních úchylek profilu na měřené délce R z = Výška nerovností profilu z deseti bodů. Je definována jako střední hodnota z absolutních hodnot výšek pěti nejvyšších výstupků a pěti nejnižších prohlubní v rozsahu základní délky. R t = Největší výška nerovností profilu. Je určená vzdáleností mezi čárou největšího výstupku a čárou největší prohlubně v rozsahu základní délky [8]. 10. Diskuse výsledků Vrtání otvorů do oceli ČSN 15 241.1 probíhalo bez chlazení vrtáku. To se projevilo na opotřebení, na dosaženém počtu otvorů i na změně drsnosti vybraných ploch. Při nepřítomnosti procesní kapaliny se vznikající teplo od procesu řezání částečně akumulovalo v obráběném materiálu, část přešla do vrtáku a největší část tepelné složky odcházela třískou. Teplo, které Obr. 8. Tepelné ovlivnění vrtáku bylo absorbováno materiálem, se rovnoměrně rozptýlilo do obrobku a na proces vrtání nemělo výrazný vliv. Podstatný vliv mělo teplo, které bylo nahromaděno ve vrtáku. Pro malý objem nástroje, dobrou Obr.9. Makrosnímek poškození vrtáku Obr.10 Mikrosnímek poškození vrtáku tepelnou vodivost SK a protože přestup tepla mezi vrtákem a okolním vzduchem byl nepatrný, vrták brzy dosáhl vysoké teplotu. Vlivem zvýšené teploty vrtáku bylo iniciováno otupení břitu nástroje, změna geometrie. Následné zvýšení řezného odporu mělo za následek další výrazný nárůst teploty. Její přítomnost se projevila změnou barvy TiN vrstvy, viz obr. 8. Vysoká teplota vrtáku způsobila vnitřní pnutí na břitu, které vedlo k vyštípnutí části břitu, viz obr. 9,10. Zvýšení teploty v důsledku otupení břitu se vyskytovalo u obou vrtáků. Povrchová vrstva TiN nanesená na nástroji má vysokou tvrdost, otěruvzdornost a jiné vlastnosti, které se potvrdily na počtu odvrtaných otvorů. Zatímco vrták s TiN vrstvou vyvrtal celkem 121 otvorů (1,482 m), tak vrták bez povlaku vyvrtal pouze 33 otvorů (0,404 m). Opotřebení vrtáku bylo znatelné i na fazetce. Tato část byla poškozena především brusným otěrem, viz obr. 11,12. Toto opotřebení brusným otěrem způsobily tvrdé částice. Intenzita otěru byla podpořena přítomnou vysokou teplotou. Obr.11. Opotřebení fazetky Drsnost povrchu vrtáku byla měřena před a po procesu obrábění. Hodnocení drsnosti je vztaženo k hodnotám R a, neboť tento parametr je nejpoužívanější a je méně ovlivnitelný ojedinělou extrémní nerovností povrchu, narozdíl od hodnoty parametru R t. Měření prokázalo, že vrták před depozicí povrchové vrstvy má stejnou drsnost jako po depozici. Hodnoty se liší pouze v rozmezí ± 0,05 µm. Stejná drsnost u nedeponovaného a deponovaného nástroje je důležitá z toho hlediska, že depozicí 7
se drsnost nezhorší. Čím nižší drsnost na čele a hřbetu, tím dochází k menšímu opotřebení. Drsnosti u opotřebovaného vrtáku s TiN povlakem jsou větší než u vrtáku bez povlaku. To je dáno především délkou vrtání. Drsnost na čele opotřebeného vrtáku s TiN povlakem vzrostla v průměru o 0,17 µm a u vrtáku bez povlaku vzrostla hodnota o 0,09 µm. Opotřebení na čele způsobuje odcházející zpevněná tříska. U vrtáku s TiN vrstvou je sice hodnota R a větší, ale to je dáno tím, že bylo odvrtáno větší množství materiálu. Drsnost na fazetce je na obou Obr. 12. Opotřebení fazetky vrtácích přibližně stejná. Vrták s povrchovou TiN vrstvou má sice větší otěruvzdornost, ale zase bylo odvrtáno více otvorů. Velký rozptyl u hodnot (±0,86 µm a ±0,40 µm) je způsobeno tím, že do měřených oblastí na fazetce byla zahrnuta i oblast s výrazným opotřebením, viz obr. 11,12. 11. Závěr V příspěveku byly porovnávány dva vrtáky (s TiN tenkou vrstvou a vrták bez tenké vrstvy) z hlediska velikosti opotřebení a změn drsnosti.vrták bez povlaku dosáhl hranice 33 otvorů zatímco vrták s TiN povlakem dosáhl hranice 121 vyvrtaných otvorů. To potvrzuje, že vlastnosti tenkých vrstev pozitivně ovlivňují trvanlivost nástrojů. V tomto příspěvku byla též vypracována metodika měření drsnosti na šroubovitých vrtácích a porovnána drsnost na nových vrtácích s povrchovou vrstvou a bez povrchové vrstvy. Důležité bylo zjištění, že depozice tenkých vrstev nezhoršuje drsnost povrchu. Tato práce vznikla za podpoty výzkumného záměru MSM 232100006. LITERATURA [1] HUMÁR A. Nové typy a materiály vyměnitelných břitových destiček. In Sborník přednášek Progresivní strojírenské technologie a materiály. Praha: INDUSTRIA Press, s.r.o. 2002, s. 7 [2] Přikryl, Z. Teorie obrábění 3.vyd. Praha: SNTL 1982. [3] AB Sandvik Coromant. Příručka obrábění 1. vyd. Praha: Scientia 1997. [4] http://www.techtydenit.cz//tt1997/tt08/uvcpanor.html [5] Katalog firmy DOATOOLS. Diamantové a CBN nástroje [6] PÍŠKA M. Povlakování a metody testování velmi tvrdých povlaků řezných nástrojů. In: Sborník přednášek Progresivní strojírenské technologie a materiály. Praha: INDUSTRIA Press, s.r.o. 2002, s. 20-21 [7] Lexikon technických materiálů 1.4, nakladatelství Verlag Dashöfer, s.r.o., 3/1999, CD vydání [8] Bumbálek B. Drsnost povrchu 1. vyd. Praha: SNTL 1989 8