Tribologická analýza opotřebení
Toto je čtvrtý díl z řady článků týkajících se používání kovoobráběcích nástrojů a zatížení generovaných při obráběcích procesech. První článek byl zaměřen na základní koncepty obrábění kovů a na vztah mezi geometriemi nástrojů, posuvem a mechanickým zatížením při soustružení. Další dva články analyzovaly mechanická a tepelná zatížení při frézování. Tento článek popisuje vzájemné vztahy mezi třískou a nástrojem prostřednictvím teorií tribologie, což je vědecká oblast, nově se podílející i na analýze zatížení při obrábění kovů. Tribologie se zabývá zkoumáním chování povrchů ve vzájemném kontaktu, aby bylo možné zjistit, jak se navzájem ovlivňují při určitých teplotách a tlacích.Úvod
Toto je čtvrtý díl z řady článků týkajících se používání kovoobráběcích nástrojů a zatížení generovaných při obráběcích procesech. První článek byl zaměřen na základní koncepty obrábění kovů a na vztah mezi geometriemi nástrojů, posuvem a mechanickým zatížením při soustružení. Další dva články analyzovaly mechanická a tepelná zatížení při frézování. Tento článek popisuje vzájemné vztahy mezi třískou a nástrojem prostřednictvím teorií tribologie, což je vědecká oblast, nově se podílející i na analýze zatížení při obrábění kovů. Tribologie se zabývá zkoumáním chování povrchů ve vzájemném kontaktu, aby bylo možné zjistit, jak se navzájem ovlivňují při určitých teplotách a tlacích.
Teorie opotřebení nástrojů
Při obrábění kovů nástroj deformuje materiál obrobku a způsobuje jeho oddělování ve formě třísek. Při této deformaci dochází ke vzniku tepla a tlaku, což jsou zatížení, která v konečném důsledku vedou k opotřebení nebo selhání nástroje. Tradiční teorie opotřebení říká, že příčinou selhání nástroje je tření mezi materiály třísky a nástroje, které jsou ve vzájemném kontaktu, avšak nejsou pevně spojeny. Nedávný výzkum mechanizmu opotřebení řezných nástrojů však potvrdil, že tlaky a teploty generované při obrábění kovů, obzvláště při zpracování obtížně obrobitelných materiálů, jsou takové, že tradiční teorie opotřebení plně nepopisuje, co se vlastně děje na rozhraní třísky a nástroje. Tribologický výzkum odhalil, že dosavadní způsob analýzy obráběcího procesu jednoduše opomíjí jeden z podstatných dějů probíhajících při oddělování a následném odchodu třísky přes čelní plochu břitu nástroje z místa řezu. Ve skutečnosti dochází na tomto rozhraní k sekundárním a terciálním spojováním a oddělováním materiálů třísky a nástroje. Tříska se základně oddělí, pak přilne k čelní ploše břitu a potom se před konečným sklouznutím z nástroje oddělí znovu. Hlavním mechanizmem opotřebení je opakovaný střih, nikoli tření. Obrázky 1 a 2 ilustrují proces obrábění kovů z pohledu tribologie. Obrázek 1 ukazuje předběžnou deformaci materiálu obrobku v oblasti 5. Oblast 3 je separační oblast, nazývaná také bodem stagnace, protože relativní pohyb materiálu obrobku a nástroje v této oblasti je v podstatě nulový. Počáteční střih probíhá v primární oblasti 1, kde se materiál oddělí a vytvoří se tříska. Poté, v sekundární oblasti 2, setrvává tříska v kontaktu s čelní plochou břitu. Vysoké tlaky způsobují přilnutí třísky k povrchu čela nástroje.
Na obrázku 2 je detailnější pohled na děje probíhající v oblasti 2. V oblasti A je materiál obrobku extrémní silou přitlačován k čelní ploše břitu a začíná se lepit na jeho povrch. V oblasti B materiál pevně přilne k čelní ploše. V oblasti C se tříska oddělí od povrchu čela a sklouzne přes něj, čímž se kontakt mezi třískou a nástrojem ukončí.
Na obrázku 1 je také vyobrazen sekundární střih na hřbetu nástroje v oblasti 4. Stejná sekvence střihu a přilnutí, která probíhá v oblasti 2 na čelní ploše, probíhá také na hřbetu. To způsobuje opotřebení hřbetní části břitu nástroje, které je mnohem předvídatelnější, než opotřebení čelní plochy v oblasti 2, a je relativně neškodné. U některých obráběných materiálů ovšem deformace pod hřbetní plochou vede ke zpevnění vznikajícího povrchu, které má nepříznivý vliv na následné obrábění ve smyslu zvýšeného opotřebení nástroje a zhoršení kvality obrobku.
Nárůstky na ostří
Nalepování materiálu obrobku na čelní plochu nástroje začíná v tenkých vrstvách a s hromaděním dalších vrstev narůstá. Tento proces může vést k zápornému jevu, známému jako nárůstek na ostří. Pokud se na nástroji nahromadí velké množství materiálu, může dojít ke změně profilu řezné hrany. Nárůstky materiálu se také mohou odlomit a poškodit břit. V tom snad nejhorším případě ulpívají oddělené nárůstky na povrchu obrobku. V kterémkoli z těchto případů však dochází k tomu, že se obráběcí proces stává nepředvídatelným a nekontrolovatelným. Hlavním cílem tribologické analýzy je zjistit, co způsobuje vznik nárůstků na ostří a jak tento problém minimalizovat.
K přilepování třísky na čelní plochu přispívají dva faktory. Prvním z nich jsou velmi vysoké tlaky a teploty v řezné zóně. Druhým faktorem jsou relativně malé rychlosti pohybu třísky po čelní ploše nástroje, počínaje nulovým pohybem v bodě stagnace. Když jsou dva materiály ve vzájemném kontaktu při vysokém tlaku a teplotě a pohybují se vůči sobě pomalu, jedná se o typické podmínky, které způsobují, že se k sobě začnou lepit a dochází právě ke vzniku nárůstků.
Aby se minimalizovala přilnavost a narušily podmínky pro vytváření nárůstků, musí se zkrátit čas kontaktu mezi třískou a čelní plochou břitu. Nejjednodušším řešením je zvýšení řezné rychlosti a použití ostřejší geometrie nástroje. Vyšší řezné rychlosti zkracují dobu kontaktu mezi nástrojem a materiálem obrobku. Výsledné vyšší teploty procesu také mohou snížit pevnost případných nárůstků na ostří nebo je zcela eliminovat. Ostřejší nástroj má větší úhel náběhu, který způsobuje, že tříska musí ve stanoveném čase urazit větší vzdálenost, tj. musí se pohybovat rychleji.
Vlastnosti materiálu
Tribologie se v nedávné době dostala do středu pozornosti, protože pravděpodobnost vytváření nárůstků na ostří je u obráběných materiálů, které nebyly ještě před 20 lety běžně zpracovávány, mnohem vyšší. Například u známých materiálů, jako jsou oceli s vyšším obsahem uhlíku, dochází ke vzniku nárůstků také, avšak nejedná se o kritický problém. Použití správných obráběcích parametrů obvykle eliminuje přilnavost a brání vytváření nárůstků. K tomuto problému dále vůbec nedochází u materiálů s krátkou třískou, jako je litina. Na druhou stranu, u materiálů s dlouhou třískou automaticky dochází k delšímu kontaktu mezi třískou a nástrojem. Při obrábění materiálů jako jsou například oceli s nízkým obsahem uhlíku a hliník, je pravděpodobnost vzniku nárůstků na ostří nástroje vyšší.
Nárůstky na ostří se nejčastěji projevují při obrábění materiálů s vysokou tažností, vysokou tendencí k přilnavosti a abrazivitou. Klasickým příkladem je řada materiálů používaných v leteckém průmyslu a energetice, mezi které patří titan, niklové slitiny a žáruvzdorné materiály. Dalšími faktory podporujícími vytváření nárůstků jsou vysoký tlak a teploty, které jsou generovány při obrábění těchto houževnatých slitin s nízkou tepelnou vodivostí. A řezné rychlosti u těchto materiálů jsou obvykle nižší, než je průměr.
Kromě zvyšování řezných rychlostí a použití ostřejší geometrie nástrojů existují i další přístupy k eliminaci nárůstků, které se zaměřují na stav povrchu nástroje. Na toto téma nyní existují dvě protichůdné teorie. Jedna z nich říká, že pokud je povrch nástroje hladší, bude spotřebováváno méně energie, protože tříska snadněji sklouzne po čelní ploše nástroje. Nižší teploty a kratší kontakt snižují tendenci tvorby nárůstků na ostří. Opakem této teorie je koncept, že hrubší povrch nástroje, tvořený rýhami nebo jinými tvarovými prvky o velikosti v řádech mikronů, povede ke zmenšení kontaktu mezi třískou a čelní plochou břitu a sníží se tak možnost přilnutí. Ani jeden z těchto efektů však zatím není plně prokázán a za určitých okolností mohou platit oba dva.
Závěr: pokrok díky tribologii
Teorie tribologického výzkumu ovlivňuje procesy a technologie vyvíjených nástrojů směrem k řešení problémů, jako jsou nárůstky na ostří (viz postranní panel) s cílem vytvářet obrobené povrchy v kvalitě vyhovující nárokům zákazníků. Vedle požadavků na rozměry a tvar je tím, co definuje kvalitu dílů, velmi často drsnost povrchu. Obzvláště v leteckém průmyslu a při výrobě pro jadernou energetiku je kvalita povrchu hlavní prioritou, protože nedokonalosti při obrobení mohou přispět ke vzniku trhlin u kritických součástí letadel a zařízení na výrobu energie.
Nárůstky na ostří povedou k nedokonalé jakosti povrchu a potřebě časté výměny nástrojů. S výsledky tribologického výzkumu bylo dosaženo pokroku v omezování výskytu a vlivu nárůstků na kvalitu obrobení. Tento pokrok lze kvantifikovat prostřednictvím poměru nákladů vůči výkonnosti: konkrétně jaké náklady představuje vytvoření jednoho čtverečního milimetru správně obrobeného povrchu produkovaného dílce. Během posledních pěti let se poměr nákladů a výkonnosti u dokončovacího obrábění titanu zlepšil až o 20 procent. K tomuto úspěchu významně přispěly pokroky v oblasti řezných materiálů a geometrií nástrojů a precizní vyvážení jejich vzájemné účinnosti. Znalosti tribologických mechanizmů týkající se používání nástrojů mohou obráběčům umožnit ovlivňování jevů, jako jsou nárůstky na ostří a dosahovat požadované jakosti povrchu s nižšími náklady, což přispívá ke zvýšení produktivity a ziskovosti výroby.
Postranní panel:
Aplikace závěrů z tribologických výzkumů
Konstruktéři využívají závěrů tribologického výzkumu při vývoji nových nástrojů a obráběcích procesů. Na straně procesu je použití vyšších řezných rychlostí a ostrých geometrií nástrojů účinné pro kontrolu vytváření nárůstků na ostří za mnoha okolností. Ostatní volby geometrie nástrojů, jako je používání nástrojů s pozitivním úhlem čela, může napomoci snazšímu odvodu třísek z místa řezu.
Povlaky nástrojů jsou prověřeným způsobem, jak snížit přilnavost materiálu obrobku k řeznému nástroji. K usnadnění průchodu třísek při obrábění oceli se tradičně využívá kluzných vlastností určitých povlaků, jako například TiN, stejně jako diamantových povlaků pro obrábění hliníku.
Nedávný vývoj klade silný důraz na roli povlakování pro minimalizaci vzniku nárůstků. Například nejnovější generace chemického povlakování vrstvou oxidu hliníku Duratomic® společnosti Seco je založena na využití tribologických principů. Vývojoví inženýři manipulovali se složkami povlakování v reakci na širší znalosti vzájemného působení mezi třískami a obráběcím nástrojem.
Dalším příkladem povlaků společnosti Seco zaměřených na kontrolu vzniku nárůstků je nové univerzální fyzikální povlakování stříbrné barvy vyvinuté pro frézovací břitové destičky MS2050. Toto povlakování je odolné vůči vysokým teplotám a také prakticky eliminuje výskyt nárůstků na ostří při obrábění lepivých materiálů, jako je například titan. Díky eliminaci nárůstků na ostří mají břitové destičky ve srovnání s dosud užívanými nástroji přibližně o 50 procent větší trvanlivost a lze je používat s mnohem vyššími řeznými parametry.
Hlavní snahou tribologického výzkumu je nyní to, aby primárně negativní jev, jako je ulpívání obráběného materiálu na břitu nástroje, dokázal pozitivně přispívat k produktivitě obrábění. V některých případech může tenká vrstva materiálu obrobku na povrchu řezného nástroje zpomalit průběh jeho opotřebovávání. Cílem je udržení této ochranné vrstvy nástroje v tloušťce, která neovlivňuje geometrii nástroje a která se také neodlupuje z jeho povrchu.
Neustálé zavádění nových vysoce odolných slitin, které z hlediska obrábění představují stále větší výzvy, činí z tribologického výzkumu velmi dynamický obor. Vývojáři obráběcích nástrojů a procesů tuto novou perspektivu znalostí tribologie využívají k řešení inovativních způsobů úspěšného zpracovávání těchto moderních materiálů.
