Přehled základních projevů opotřebení nástrojů pro obrábění kovů
Níže je uveden přehled nejčastěji pozorovaných projevů opotřebení u obráběcích nástrojů. Jedná se o otěr na hřbetu, výmol na čele, nárůstky, vyštipování, tepelné trhliny, plastická deformace, vruby na břitu, výtluky od třísek a odlomení břitu. Pro každý z těchto projevů je k dispozici určité protiopatření, které zamezí jejich vzniku, nebo alespoň minimalizuje jejich dopad na proces obrábění.
Otěr na hřbetu je tím nejpříznivějším projevem opotřebení, neboť je dobře předvídatelný a stabilně se rozvíjí, přičemž je zde jasný vztah mezi velikostí opotřebení a životností nástroje. Pokud se však otěr na hřbetu rozvíjí příliš rychle – vypadá podobně, avšak nastává ve velmi krátkém časovém období – může to být problém.
Při nízkých řezných rychlostech jsou hlavními příčinami otěru abraze a eroze. Tvrdé mikroskopické karbidové vměstky nebo deformačně zpevněné částice materiálu obrobku se zasekávají do nástroje. Vytrhávají malé části povlaku a rozrušují materiál břitu. Může docházet k vytrhávání kobaltu ze struktury. To snižuje soudržnost zrn karbidu a vede tak i k jejich uvolňování. Při vyšších řezných rychlostech je příčinou otěru mechanismus difuze, neboť tehdy dochází ke zvyšování teploty břitu, což vytváří příznivé podmínky právě pro vznik tohoto typu chemických reakcí.
Otěr na hřbetu vypadá jako relativně pravidelná abraze podél ostří nástroje. Někdy také může na břitu nástroje ulpívat kov z obrobku a opticky tak zvětšovat velikost stop způsobených při opotřebení. Otěr na hřbetu nastává při obrábění všech materiálů, a břit nástroje nakonec selhává i z důvodu tohoto opotřebení, pokud nedojde k porušení kvůli jinému z typů.
Mezi nápravná opatření pro zamezení otěru na hřbetu patří snižování řezné rychlosti (někdy také může pomoci zvýšení posuvu), volba otěruvzdornější a tvrdší třídy karbidu nebo správně prováděné chlazení.
Obrázek 1: Opotřebení nástroje – Otěr na hřbetu.
Výmol na čele je způsobován kombinací difuze a dekompozice (vyšší řezné rychlosti) a abrazivním otěrem (nižší řezné rychlosti). Teplo z odcházejících třísek uvolňuje zrna karbidu wolframu ze základní struktury substrátu a uhlík se pojí na materiál třísky (difuze), což vede ke vzniku výmolu na čelní ploše břitu. Může vzniknout až tak velký výmol, který způsobí i vydrolování či příliš rychlé opotřebení hřbetu.
Opotřebení typu výmolu má tvar a vzhled kráteru nebo důlků na čelní ploše břitu nástroje. Výmol se objevuje zejména při zpracování obrobků z abrazivních materiálů, nebo materiálů s tvrdými povrchy.
Pro minimalizaci výmolů je nejlepší použít povlaky obsahující silné vrstvy oxidu hliníku, zajistit účinné chlazení a lehce řezající geometrii, která snižuje množství tepla, jakož i nižší řezné rychlosti a posuvy.
Obrázek 2: Opotřebení nástroje – Výmol na čele.
Nárůstky na břitu (BUE) vznikají jako důsledek tlakového navaření materiálu obrobku na oblast ostří nástroje. Dochází k tomu zejména v situaci dobré chemické afinity, vysokého tlaku a dostatečné teploty v zóně řezu. Nárůstek se posléze odtrhává a odnáší s sebou také částice materiálu břitu nástroje, což způsobuje vyštipování a rychlé opotřebení hřbetu.
Nárůstek vypadá jako lesklá pecka materiálu na čelní či hřbetní straně oblasti ostří a vede ke vzniku malých důlků či výmolků na ploše čela břitu, a také k vyštipování materiálu z ostří nástroje. Nárůstky se typicky objevují při obrábění materiálů s vyšší tažností, jako jsou neželezné kovy, superslitiny a nerezové oceli, a to hlavně u operací s nižšími řeznými rychlostmi a posuvy.
Pro zabránění vzniku nárůstků je důležité zvyšovat řeznou rychlost či posuv, volit břity s ostřejší geometrií a hladším povrchem na ploše čela, a používat také chladivo s vyšší koncentrací oleje.
Obrázek 3: Opotřebení nástroje – Nárůstek na břitu (BUE).
Vyštipování je způsobováno mechanickou nestabilitou nebo prasklinami v materiálu břitu. Vyštipování ostří nástroje bývá často výsledkem vibrací obrobku či stroje, jakož i nástroje samého. Tvrdé vměstky v povrchové vrstvě materiálu obrobku a přerušované řezy způsobují lokální přetížení, které vede ke vzniku prasklin a vyštipování ostří. Vyštipování vypadá jako ztráta drobných částeček z ostří a bývá běžné v nedostatečně tuhých soustavách. Obrobky s obsahem tvrdých částic (např. precipitačně vytvrditelné materiály) také často způsobují právě vyštipování ostří.
Nápravná opatření zahrnují správnou přípravu soustavy a minimalizaci průhybů, použití houževnatějších karbidových tříd a pevnějších geometrií břitu, snížení posuvu (zejména na vstupu a výstupu řezu), a také zvyšování řezné rychlosti. (Viz také nápravná opatření v případě vzniku nárůstků.)
Obrázek 4: Opotřebení nástroje – Vyštipování ostří.
Kombinace tepelných cyklů (změny teplot v materiálu břitu), tepelného namáhání (teplotní rozdíly mezi teplejšími a chladnějšími zónami v ostří a břitu) a mechanických rázů při obrábění způsobují vznik tepelných trhlin. Trhliny se tvoří po celé délce břitu, může docházet k uvolňování částic karbidu a následnému vylamování břitu. Tepelné trhliny lze pozorovat zejména při frézování a přerušovaných řezech u soustružení, může je způsobovat i přerušování toku chladiva.
Mezi nápravná opatření patří správný přísun chladiva, volba houževnatější karbidové třídy, snížení řezné rychlosti a posuvu, použití lehce řezající geometrie redukující množství tepla a zvážení jiných metod obrábění (poměr časů v řezu/mimo řez).
Obrázek 5: Opotřebení nástroje – Tepelné trhliny.
Tepelné přetěžování je hlavní příčinou plastické deformace. Nadměrné teplo způsobuje, že se pojivo (kobalt) karbidu stává měkčím. Poté dochází v důsledku mechanického přetížení a tlaku na břit k deformaci a poklesu materiálu ve špičce nástroje, až po zlomení břitu nebo rychlý otěr na hřbetu.
Plastická deformace vypadá jako změna tvaru břitu. Je třeba pečlivého pozorování, neboť plastická deformace může vypadat velmi podobně jako otěr na hřbetu nástroje.
Plastickou deformaci je třeba očekávat, je-li teplota v řezu vysoká (vysoké řezné rychlosti a posuvy), a také v případech přirozeně tvrdých materiálů (kalené oceli nebo deformačně zpevněné povrchy a superslitiny).
Jako nápravná opatření lze použít správné chlazení, snížené řezné rychlosti a posuvy, nasazení destiček s větším rádiusem na špičce, a také tvrdších a otěruvzdornějších karbidových tříd.
Obrázek 6: Opotřebení nástroje – Plastická deformace.
Vrub vzniká tehdy, je-li povrch obrobku tvrdší nebo abrazivnější, než je základní materiál ve svých nižších vrstvách. To může být způsobeno zpevněním povrchu v předchozím řezu (deformační zpevnění materiálů jako nerezových ocelí či superslitin) nebo při výrobě polotovaru kováním či odlitím s nepravidelným povrchem, což vede k rychlejšímu opotřebení v místě styku břitu s pevnějším a tvrdším povrchem obrobku. Lokalizované a koncentrované zatížení také způsobí vznik vrubu. Dochází k tomu, že se tlakové namáhání rozvíjí podél ostří nástroje, které je v kontaktu s materiálem obrobku, zatímco neřezající část břitu nijak ovlivněna není. To způsobuje vysoké namáhání břitu v bodě přímého styku materiálu břitu a povrchu obrobku (na úrovni hloubky řezu). I dopadem některých druhů zatěžování, jako například tvrdými mikročásticemi v materiálu obrobku nebo drobným přerušováním řezu, může být právě vznik vrubů.
Mezi nápravná opatření se řadí snížení posuvu a proměnlivá hloubka řezu při vícečetných záběrech, zvýšení řezné rychlosti při obrábění vysokoteplotních slitin (což zvýší podíl otěru na hřbetu), volba houževnatější karbidové třídy a použití řezné geometrie pro vyšší posuv, potřebné k zamezení vzniku nárůstků, zejména u nerezových ocelí a žáruvzdorných slitin.
Obrázek 7: Opotřebení nástroje – Vrub na břitu.
Výtluky od třísek jsou fenoménem způsobovaným stáčením třísek a jejich zásahy do volných částí ostří. Výsledkem takových interakcí může být narušení a poškození ostří (nebo jeho části). Riziko takovéhoto chování je vyšší v případech operací s kombinacemi vyšších posuvů a velkých hloubek řezu.
Pro zamezení vzniku výtluků je třeba změnit posuv a hloubku řezu, zvolit jiný úhel nastavení ostří, použít jinou řeznou geometrii a nasadit destičky s houževnatější karbidovou třídou.
Obrázek 8: Opotřebení nástroje – Výtluky od třísek.
Přehled základních projevů opotřebení musí zahrnovat také případy odlomení břitu. Katastrofický lom břitu vlastně není projevem opotřebení, ale nechtěným a nebezpečným fenoménem daným nesprávným použitím nástroje. Když dojde k odlomení břitu nástroje, znamená to, že jsou řezné parametry způsobující mechanické namáhání břitu příliš vysoké, a ten pak není schopen takovéto přetížení spolehlivě snášet. Je třeba vyjít z nižších hodnot řezných podmínek (hlavně u hloubky řezu a posuvu) nebo zvolit silnější břit (houževnatější třídu karbidu či pevnější řeznou geometrii). Může však také dojít k tomu, že se některý z výše uvedených druhů opotřebení rozvine natolik, že dojde k přílišnému zeslabení břitu nástroje, jenž není už dále schopen zvládat působící zatěžování. V těchto případech je třeba měnit břity nástroje dříve, a tím takovýmto lomům předcházet.
Obrázek 9: Opotřebení nástroje – Odlomení břitu.
Popis druhů opotřebení se zaměřuje na zejména vizuální oblast. Je však potřeba zmínit ještě další záležitosti spojené s pozorováním opotřebení břitů nástroje. Ty mohou poukazovat na postup opotřebovávání a dokonce i na potřebu vým
Náhlé selhání obráběcího nástroje. To je velmi nemilý způsob signalizace, že je třeba opotřebený nástroj vyměnit. Příčin, které ovlivňují jak se břit nástroje opotřebovává, je velké množství, a tak není vždy možné vzít je všechny do úvahy – někdy tedy může k odlomení břitu nástroje následně dojít. Pokud dochází k lomům břitů systematicky, je třeba obrábění přerušit a zcela přehodnotit. Opakované lámání břitů znamená, že existuje nerovnováha mezi namáháním působícím na břit a schopností nástroje takové zatěžování spolehlivě snášet. Řezné síly je možné snížit, nebo lze zvolit břitovou destičku se silnější geometrií.
Test pomocí nehtu je tím nejjednodušším způsobem, jak zjistit stav břitu nástroje. Drobné nárůstky nebo malá vyštípnutí ostří nemusí být vždycky prostým okem patrné, avšak při přejetí ostří nehtem je jejich přítomnost zcela bezpečně cítit. Nárůstkům a vyštipování je důležité při obráběcích operacích zamezovat.
Změny v úrovni zvuku během obrábění mohou také indikovat opotřebovávání nástroje. Ostrý zvuk s vysokou frekvencí poukazuje na špatné podmínky obrábění.
Třísky, které během obrábění mění formu, tvar nebo barvu, jsou dalším ukazatelem, že se tvar břitu proměňuje, například právě procesem opotřebení.
Také zhoršující se kvalita obrobení povrchu může být signálem, že je potřeba břit nástroje včas vyměnit (blíží se ke konci své trvanlivosti).
Totéž se týká i spotřeby energie nebo tendence k vibracím.
Opotřebení břitu je procesem, kdy se vlastnosti nástroje stále zhoršují a následně způsobí, že nástroj ztrácí svou schopnost správně fungovat a pracovat podle původních očekávání. Opotřebení nástroje se projevuje jako postupné stárnutí a okamžitá selhání, lomy, jsou důsledkem mechanických a chemických interakcí mezi materiály obrobku a břitu nástroje.
Stárnutí je procesem progresivního narušování povrchu břitu, který vede ke ztrátě materiálu z jednoho či obou pevných povrchů ve vzájemném kontaktu, k nimž dochází při jejich smýkání či odvalování v konkrétním prostředí daných tlaků a teplot.
Výše uvedený přehled základních projevů opotřebení břitů upozorňuje i na potřebu jejich správného vyhodnocování, jenž zabrání nežádoucímu chování nástroje a zajistí bezpečnost procesu obrábění.
Chcete se dozvědět více?
Kontaktujte nás
Inline Content - Survey
Current code - 5fce8e61489f3034e74adc64
