ŘEZIVOST FRÉZOVACÍHO NÁSTROJE S APLIKACÍ VYBRANÝCH DRUHŮ TENKÝCH VRSTEV PŘI OBRÁBĚNÍ KALENÉ OCELI SVOČ FST 2008 Aleš Srogončík, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Příspěvek na téma Řezivost frézovacího nástroje s aplikací vybraných druhů tenkých vrstev při obrábění kalené oceli se zabývá určením řezivosti, resp. trvanlivosti progresivních teplotně ovlivněných řezných systémů substrát tenká vrstva, konkrétně VBD ze slinutého karbidu ISO H10 deponovaného vrstvami, a při frézování oceli ČSN 41 9452.4 zušlechtěné na tvrdost 55HRC. Hlavním cílem práce je posouzení vlivu teplotního ovlivnění řezných systémů na výsledky praktických technologických zkoušek trvanlivosti. Pro posouzení chování řezných systémů jsou měřeny následující průvodní jevy obrábění: dynamické jevy (složky řezné síly a vibrace frézovacího nástroje), střední teplota v oblasti řezu, opotřebení břitu VBD a drsnost obrobeného povrchu. KLÍČOVÁ SLOVA Tepelně ovlivněná vrstva, zkoušky řezivosti, opotřebení, dynamické jevy při řezání, teplota, drsnost obrobeného povrchu 1 ÚVOD V současné době je aplikace aktivních otěruvzdorných vrstev na funkční plochy břitu či celé nástroje jednou z cest vedoucích k dosažení ideálního řezného materiálu splňujícího komplexní a často na první pohled protichůdné požadavky na jeho trvanlivost v procesu řezání. Ačkoliv údajně více než 80 % trhu s povlaky představují dnes již klasické tenké vrstvy, TiCN a, dochází zároveň i k vývoji nových vrstev určených pro některé konkrétní aplikace (tzv. tlustá vrstva pro tvářecí operace, lubrikační vrstva minimalizující koeficient tření mezi nástrojem a obrobkem) a zejména pak ke vzniku nanovrstev pomocí nanotechnologií. Stále však nejsou plně pochopeny vztahy a závislosti mezi parametry depozičních procesů vrstev a jejich výslednými vlastnostmi ovlivňujícími průběh obrábění. Proto aktuální trendy vývoje povlaků a metod povlakování vedou k detailnějšímu a cílenému poznání těchto vztahů za účelem využití stávajících vrstev. Jednou z možností je snaha vytvořit systém hodnocení řezného systému tenká vrstva-substrát pomocí nejrůznějších materiálových laboratorních testů, které však zatím nedokáží plně simulovat reálné chování systému v procesu řezání a proto se stále využívají praktické testy dlouhodobé či krátkodobé zkoušky řezivosti. Výsledky laboratorních a praktických testů pak lze vzájemně srovnávat. 1.1 Cíl projektu Prvotní myšlenkou experimentu představeného v tomto příspěvku, který je řešen v rámci interního grantu FST, je pochopit vliv degradačních procesů způsobených teplotním ovlivněním vybraných tenkých vrstev na jejich chování v reálném procesu obrábění. Pro experiment byly vybrány progresivní nanokompozitní vrstvy (výrobní označení naco ) a, u kterých se očekává zvýšená odolnost při vyšších teplotách, a dnes již legendární všechny deponované metodou PVD na vyměnitelných břitových destičkách (dále jen VBD) ze slinutého karbidu. Několik VBD s vrstvou pak bylo podrobeno tepelnému ovlivnění při 400 a 800 C (zahřátím v peci s oxidační atmosférou po dobu 10 min a volné ochlazení na vzduchu). Následně byly jednotlivé ovlivněné (dostatečně dlouho ochlazené na teplotu okolí) i neovlivněné VBD nasazeny při frézování kalené oceli ČSN 41 9452.4 o tvrdosti přibl. 56 HRC. Během frézování byly měřeny následující průvodní jevy obrábění: dynamické jevy obrábění (složky řezné síly a vibrace frézovacího nástroje), střední teplota v oblasti řezu, opotřebení břitu VBD a drsnost obrobeného povrchu. Jak bude v závěru uvedeno, bylo dosaženo zajímavých výsledků [1]. 2 CHARAKTERISTIKA EXPERIMENTU Z hlediska časové náročnosti se jedná o dlouhodobé zkoušky trvanlivosti. Jejich výsledkem však nemá být sestavení Taylorovy křivky a hledání tzv. optimální trvanlivosti v celém rozsahu možných řezných rychlostí ale posouzení
dosažené trvanlivosti zejména teplotně ovlivněných vrstev a jejich vzájemné porovnání při zvolených řezných podmínkách. Kalený materiál obrobku byl zvolen záměrně z důvodu jeho použití pro formy či zápustky, které se dnes stále častěji třískově obrábějí. K tomuto účelu byly zvoleny i typy vrstev a odpovídající substrát. Experimenty probíhaly v halových laboratořích KTO na frézce FGS 40 CNC a k měření výše zmíněných veličin bylo vesměs použito měřící zařízení KTO či NTC v Plzni (termovizní kamera). 2.1 Charakteristika nástroje, VBD s deponovanými vrstvami a obrobku Pracovním nástrojem je rovinná čelní fréza pro rovinné frézování 100B07R-W75SN12N, RT926 s negativní geometrií. Z důvodu potřeby snadného a důvěryhodného monitorování opotřebení bylo osazeno vždy jen jedno ze sedmi upínacích lůžek nástroje. Osa rotace frézy leží ve stejné rovině jako podélná osa obrobku z hlediska záběrových podmínek se jedná o tzv. symetrický přerušovaný řez. Při experimentech byly použity VBD od firmy Pramet s označením SNHN 1204ENEN s nulovým úhlem čela a hřbetu, se substrátem ze slinutého karbidu ISO H10. (naco, naco 400 C, naco 800 C) tloušťka 1,8 µm tloušťka 3,2 µm tloušťka 0,9 µm Povrchová vrstva: Adhezní vrstva: Substrát: SK, ISO H10 Povrchová vrstva: Adhezní vrstva: Substrát: SK, ISO H10 Povrchová vrstva: Substrát: SK, ISO H10 Obr. 1: Snímky kalotestů znázorňujících složení jednotlivých řezných systémů [2] Obrobek z oceli ČSN 41 9452.4 byl zakalen a popuštěn na výslednou tvrdost přibl. 56 HRC. Na obrobku byla frézována plocha o rozměrech 33 x 100 mm. 2.2 Zvolené řezné podmínky Řezné podmínky byly z důvodu možnosti srovnání s podobnými experimenty při soustružení zvoleny následujícím způsobem: v c [m/min] 88 ϕ ma x [ ] 38,5 n [ot/min] 280 γ p [ ] - 8 v f [mm/min] 33 γ f [ ] - 5 f z [mm] 0,12 χ rf [ ] 60 a e [mm] 33 řezné prostředí zasucha a p [mm] 0,5 způsob záběru symetrický přerušovaný řez Tab. 1: Řezné podmínky experimentu
3 EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ 3.1 Měření složek řezné síly Řezná síla je chápána jako řezný odpor materiálu proti řezání. Tento odpor má zásadní vliv na průběh opotřebení břitu a silové zatížení soustavy stroj-nástroj-obrobek, znalost řezné síly důležitá zejména pro správnou volbu upnutí apod. Složky celkové řezné síly se mohou měnit s narůstajícím opotřebením břitu, při lavinovitém či křehkém porušení břitu se mohou extrémně zvyšovat a významným způsobem destabilizovat řezný proces. K měření těchto složek byl použit třísložkový piezoelektrický dynamometr pro frézování Kistler 9255A a příslušná měřící soustava. Dynamometr zachycuje 3 složky řezné síly v souřadném systému zřejmém z následujícího obrázku: Obr. 2: Směry působení řezných sil v souřadném systému dynamometru 3.2 Měření opotřebení řezného břitu Jako kritérium hodnocení řezivosti jednotlivých řezných systémů byla zvolena hodnota trvanlivosti T [min] při dosažení předem stanoveného rovnoměrného opotřebení nástroje na hřbetu řezného břitu VB B (vzhledem k řezným podmínkám) - jeho velikost byla stanovena 0,15 mm. Zároveň bylo monitorováno i maximální opotřebení VB C na hraně spojující hlavní a vedlejší hřbet břitu, neboť na prvních několika snímcích z mikroskopu se ukázalo, že toto opotřebení roste rychleji než opotřebení VB B. Okamžik vylomení řezného břitu se velice těžko identifikuje v našem případě slouží k jeho posouzení záznam průběhu řezné síly, u něhož je právě v tomto okamžiku registrován často extrémní nárůst jejích jednotlivých složek. Měření otupení břitů VBD bylo prováděno pomocí měřící sestavy s dílenským mikroskopem a optikou CARL ZEISS, digitální kamerou PixeLINK PL A662 a vyhodnocováno bylo pomocí softwaru NIS Elements BR 2.30. Jedná se tedy o nekontinuální měření otupení mimo obráběcí stroj, které je náročné z i z hlediska přesnosti zpětného upnutí VBD do upínacího lůžka tak, aby nedošlo ke změně např. hloubky řezu či úhlu nastavení hlavního ostří břitu. Digitální kamera mikroskop Přídavné osvětlení Hardware + software pro vyhodnocení opotřebení Obr. 3: Sestava pro měření opotřebení břitu VBD
3.3 Měření střední teploty v oblasti řezu K měření střední teploty řezu byl nasazen radiační pyrometr AMiR 7838-21 zamířený proti čelu VBD s vychýlením cca 20 - tak, aby odcházející třísky svým odchodem přes směr paprsku nezkreslovaly snímání teploty. Pyrometr byl upnut ve speciálním držáku na krytu vřetene stroje a to ve vzdálenosti 76 mm od místa řezu, neboť v této vzdálenosti je měřena přesnější průměrná teplota z nejmenší plochy tvaru kružnice o průměru 2,5 mm. Signál z pyrometru je zpracován ve vyhodnocovací jednotce AHLBORN a dále zpracován v MS Office Excel. Úskalím použití pyrometru je jednak nastavení emisivity, která se mění se změnou teploty v místě řezu a také problematika snímání teploty při přerušovaném řezu (viz Kap. 4). Nakonec byla podle teoretických předpokladů zvolena emisivita materiálu 0,85. Pyrometr notebook 20 76 mm VBD PCMCIA karta obrobek obrobek VBD Termovizní kamera Komunikační modul Obr. 4: Schéma zaměření radiačního pyrometru (vlevo) a termovizní kamery se s měřící sestavou (vpravo) Pro měření teploty řezného nástroje (VBD) a teploty odřezávané třísky byl použit počítačem řízený termovizní kamerový systém ThermaCAM SC2000 od firmy FLIR, který měří vyzařované infračervené záření a zobrazuje ho ve formě teplotního pole povrchu měřeného objektu. Toto pole bylo snímáno frekvencí 5 Hz. Zaměření kamery na nástroj a měřící sestava je uvedena na Obr. 4. Emisivita byla zajištěna nanesením speciální žáruvzdorné barvy ThermaSpray 800 o známé emisivitě 0,96 na nástroj i obrobek před každým měřením. 3.4 Měření vibrací nástroje Sledování vibrací má význam z hlediska posouzení dynamického chování procesu frézování. Přerušovaný řez je obecně velice náchylný ke vzniku vibrací, které mají vliv na výslednou drsnost obrobeného povrchu ale i na intenzitu opotřebení řezného břitu a tím trvanlivost celého nástroje. Vznik vibrací ovlivňuje zejména způsob vnikání břitu do obrobku: z hlediska vibrací je ideální sousledné frézování s plynule narůstající tloušťkou třísky z nulové hodnoty v praxi však často není možné toto kritérium splnit a proto je třeba vznik vibrací v případě volby nesousledného frézování eliminovat vysokou tuhostí upnutí nástroje i obrobku. K měření vibrací nástroje byl použit bezkontaktní laserový vibrometr PDV 100 firmy POLYTEC a notebook se zabudovanou zvukovou kartou. Vibrometr pracuje na principu Dopplerova jevu (změna rychlosti vysílače a přijímače), kdy laserový vibrometr je nastaven na snímání vibrujícího tělesa, kterým je v našem případě reproduktor buzený z výstupu zvukové karty měřícího počítače. Na její vstup je připojen vibrometr. Laserový paprsek byl při měření zaměřený na válcovou plochu frézovacího nástroje. Výstupem z měření je graf závislosti rychlosti kmitání v rozsahu 20 500 mm s-1 s přesností na mikrometry. K přesnému určení frekvence kmitání je použita tzv. Fourierova transformace v prostředí softwaru Matlab. 3.5 Měření drsnosti obrobeného povrchu Drsnost výsledného povrchu po obrábění je důležitým parametrem jakosti finálního výrobku. V našem případě byl pro její měření použit drsnoměr DIAVITE-DH5. Drsnost byla vyhodnocována podle charakteristicky drsnosti R a a to vždy po vyjetí nástroje z řezu po odfrézování materiálu v určité délce (25 mm) zvolené s ohledem na vhodné intervaly měření
opotřebení břitu. Parametry pro vyhodnocovanou délku byly l t = 4,8 mm a l c = 0,25 mm a hodnoty byly zprůměrované ze třech náměrů. Obr. 5: Drsnoměr DIAVITE-DH5 s vyhodnocovací jednotkou 4 VÝSLEDKY A VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ Vzhledem k rozsahu článku není možné provést přehled všech získaných dat, proto následující grafické výstupy slouží jako ukázka z výsledků provedených experimentů monitorujících průvodní jevy obrábění. 4.1 Řezná síla okamžik vylomení břitu VBD se projeví výrazným nárůstem řezné síly Obr. 6: Velikost celkové řezné síly zkoumaných řezných systémů v závislosti na čase Řezná síla je v procesu řezání odrazem stability obrábění. Z výše uvedené závislosti je zřejmé, že její velikost je v oblasti lineárního opotřebení (stabilní proces) také lineární a to až do okamžiku vylomení břitu v tento moment se prudce roste v závislosti na konkrétním charakteru lomu. U řezných systémů, kde je nárůst zřejmý a extrémní (všechny kromě ), můžeme tento časový okamžik označit za trvanlivost břitu, neboť od tohoto okamžiku již není možné spolehlivě obrábět. Konkrétní trvanlivosti řezných systémů určené tímto způsobem jsou zohledněné v tabulce závěrečného hodnocení (viz Kap. 5). Za zmínku stojí fakt, že v oblasti stabilního obrábění je nejvyšší celková řezná síla u systému 800 C a to řekněme dvakrát vyšší než u ostatních systémů, jejichž řezná síla je v této fázi přibližně stejná.
4.2 Opotřebení břitu Z grafu závislosti opotřebení hřbetu testovaných VBD je znatelný typický průběh opotřebení zejména jeho lineární část, kdy se břit otupuje lineárně a stabilně a pak nárůst opotřebení znamenající lom břitu u všech systémů kromě. Čáry spojující jednotlivé náměry jsou pouze informativní a znamenají přibližný průběh opotřebení, protože spojují časově dost vzdálené náměry a zejména mezi předposledním a posledním náměrem je jejich průběh zavádějící, neboť lom břitu mohl nastat kdekoli mezi těmito dvěma časovými okamžiky (což lze zjistit právě podle nárůstu řezné síly). Žlutá čára představuje kriteriální velikost opotřebení VB B = 0,15 mm, od kterého považujeme břit za otupený a neschopný spolehlivě obrábět. Jak je zřejmé z grafu, jediný systém dosáhl kriteriálního opotřebení v lineární fázi opotřebení, u ostatních systémů došlo k vyštípnutí břitu ještě před dosažením tohoto kritéria opotřebení. Obr. 7: Opotřebení hřbetu VB B jednotlivých testovaných systémů a snímek lomu břitu 4.3 Střední teplota v oblasti řezu Následující graf je ukázkou výstupu záznamu z termovizní kamery u systému 400 C, který udává závislost teploty řezu na čase. Ze záznamu je zřejmý nárůst teploty v okamžiku vyštípnutí břitu (přibl. 195s). Relativně nízké teploty, které nedosahují předpokládaných hodnot, jsou způsobené krátkou dobou břitu v záběru a také technickými možnostmi termovizní kamery, která průměruje teplotní pole na z určité plošky záběru (a zahřátá tříska zaplňuje pouze určité procento této vyhodnocované plochy). Jistá nepatrná změna teploty vlivem změny geometrie břitu vyštípnutím či zaoblením je pozorovatelná i v čase přibl. 70s. V lineární fázi opotřebení (stabilní proces obrábění) je teplota víceméně konstantní či mírně rostoucí, což potvrzuje teoretické poznatky. Grafické výstupy z radiačního pyrometru neposkytnuly z důvodu problematického zamíření na místo řezu a nedostatečných technických parametrů přístroje (frekvence snímání teplot) dostatečně věrohodné výsledky. Obr. 8: Záznam z termovizní kamery u systému naco 400 C
4.4 Vibrace nástroje Vzhledem k velkému množství naměřených dat nebyly grafické výstupy závislostí vibrací nástroje na čase vyhodnoceny před vznikem tohoto článku. 4.5 Drsnost obrobeného povrchu Výsledky získané měřením drsnosti obrobené plochy obrobku odpovídají předpokladům při použití dokončovacích VBD s vodorovnou hladící ploškou. Po obrobení plochy všemi systémy bylo dosaženo vynikajících hodnot drsnosti nepřesahujících Ra = 0,6 µm. Ještě výrazně nižší drsnosti bylo dosaženo systémem, který tak potvrdil své výborné třecí vlastnosti, které umožňují vznik povrchově kompaktní kvalitní plochy. Některé systémy zároveň potvrdily skutečnost, že s narůstajícím opotřebením nemusí drsnost povrchu nutně stoupat, ale v případě VBD s hladící ploškou může klesat či být přibližně konstantní. Obr. 8: Drsnost povrchu obrobeného jednotlivými řeznými systémy 5 VZÁJEMNÉ POROVNÁNÍ ZKOUMANÝCH ŘEZNÝCH SYSTÉMŮ TENKÁ VRSTVA-SUBSTRÁT Předchozí grafické výstupy potvrzují vzájemnou závislost mezi jednotlivými průvodními jevy obrábění. Stejně tak celkové hodnocení řezných systémů zohledňuje výsledky všech experimentů sledujících tyto jevy a neomezuje se pouze na trvanlivost VBD, jakožto na první pohled nejdůležitější vlastnost řezných systémů. Byla zvolena metoda bodového hodnocení, kdy pro každý sledovaný jev byly řezné systémy seřazeny do pořadí od nejlepšího po nejhorší a pozicím pak přiřazeny body (viz Tab. 2). Pořadí od nejlepšího po nejhorší Bodové ohodnocení podle umístění v pořadí Dosažená celková trvanlivost [min] Velikost řezné síly [N] Velikost opotřeb. VB B [µm] Výše teploty v oblasti řezu [ C] Drsnost povrchu obrobku R a [µm] 1. 2. 3. 4. 5. 10 8 6 4 2 (8) (682) (60) (83) (0,23) 400 C (4,83) 400 C (750) 400 C (68) 400 C (90) (0,30) / 800 C (2,58) (804) (77) (99) 800 C (0,31) / 800 C (2,58) (1033) (86) (142) (0,37) (1,67) 800 C (1521) 800 C (130) 800 C (151) 400 C (0,43) Tab. 2: Vzájemné porovnání řezných systémů podle sledovaných průvodních jevů
Čísla uvedená v závorkách pod názvy řezných systémů v tabulce představují konkrétní hodnotu sledovaného jevu (vlastnosti). Porovnávané hodnoty velikostí řezné síly jsou průměrné hodnoty vzniklé zprůměrováním jednotlivých náměrů v oblasti lineárního průběhu opotřebení, stejně tak velikost opotřebení je porovnávána v čase 1,5 min a teplota řezu je zprůměrována z hodnot v rozmezí 90 110 s tedy v oblasti lineárního opotřebení břitu (stabilní obrábění). Drsnost byla zprůměrována ze všech náměrů jednotlivých řezných systémů po celou dobu frézování. V praxi by bylo vhodné přepočítat dosažené trvanlivosti na úběr materiálu, pro účely příspěvku však postačí trvanlivost vyjádřená v časových jednotkách. V Tab. 3 jsou jednotlivé systémy seřazeny podle součtu bodů ze všech sledovaných jevů, toto pořadí tedy představuje komplexní hodnocení vlastností řezného systému při zvolených podmínkách. V případě shodného umístění dvou systémů na jedné příčce je každému systému započítána polovina součtu bodů této příčky a příčky následující. Jednotlivé systémy seřazené podle celkového součtu bodů Počet dosažených bodů 42 400 C 34 29 28 800 C 17 Tab. 3: Celkové hodnocení řezných systémů Z tabulky je zřejmé, že řezný systém s progresivní vrstvou předčí v celkovém hodnocení ostatní systémy dosáhl nejvyšší trvanlivosti a zároveň nebyl proces jeho řezání ukončením náhlým vylomením břitu, ale postupným rovnoměrným opotřebením hřbetu břitu nad zvolené kritérium. Co se týče teplotně ovlivněných systémů s povrchovou vrstvou, varianta ovlivněná při 400 C dosáhla podle očekávání výrazně lepšího hodnocení než varianta ovlivněná při 800 C. Možným vysvětlením je skutečnost, že vlastnosti systému je možné povýšit ovlivněním při teplotě nepřevyšující teplotu depozice (v našem případě PVD přibl. 550 C), při jejím překročení pak může být očekávána degradace vrstvy. 6 ZÁVĚR Provedené experimenty potvrdily myšlenku přínosu teplotního ovlivnění řezného systému při 400 C a jeho kladný vliv na zvýšenou trvanlivost nástroje a jeho další vlastnosti v procesu přerušovaného řezu při daných podmínkách. Teplotní ovlivnění systému při 800 C vedlo naopak k jeho degradaci a tedy k poklesu trvanlivosti. Systém s nanokrystalickou povrchovou vrstvou potvrdil své vynikající vlastnosti a je u něj možnost doporučení k nasazení na podobné aplikace. Pro zjištění rozdílů v chování zkoumaných řezných systémů tenká vrstva-substrát v podmínkách přerušovaného řezu byla provedena řada experimentů, z nichž většina poskytla potřebné věrohodné výsledky odpovídající poznatkům teorie obrábění, pouze použité metody měření střední teploty v místě řezu a teploty třísek pomocí pyrometru a termovizní kamery nepřinesly vzhledem k obtížným podmínkám přerušovaného řezu přesné výsledky a proto jsou brány spíše jako hodnoty relativní. PROHLÁŠENÍ Závěrem svého příspěvku bych chtěl poděkovat celému řešitelskému týmu interního grantu Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni (řešitel: Doc.Dr.Ing. Antonín Kříž) a Ing. Miroslavu Zetkovi za spolupráci a poskytnuté konzultace. LITERATURA [1] KŘÍŽ, A. Teplotní odolnost tenkých vrstev a jejich přínos v obrábění tvrdých ocelí [Souhrnná zpráva k Internímu grantu Fakulty strojní ZČU]. Plzeň: ZČU-FST, 2007. [2] SOSNOVÁ, M. Charakteristika analyzovaných systémů, Scratch test, Fretting test [Závěrečná zpráva k internímu grantu: Teplotní odolnost tenkých vrstev a jejich přínos v obrábění tvrdých ocelí]. Plzeň: ZČU-FST, 2007. Aleš Srogončík, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň e-mail: SrogonA@seznam.cz