We współczesnym przemyśle

Transkrypt

1 Materiały narzędziowe we współczesnych narzędziach skrawających DR HAB. INŻ. Tadeusz Sałaciński PROF. PW, INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA, WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI, POLITECHNIKA WARSZAWSKA, CZŁONEK RADY NAUKOWEJ CZASOPISMA STAL. METALE & NOWE TECHNOLOGIE W artykule omówiono postępy i trendy we współczesnych materiałach stosowanych w narzędziach skrawających z uwzględnieniem powłok ochronnych. Szczególną uwagę zwrócono na materiały ceramiczne, coraz powszechniej wchodzące do praktyki przemysłowej. We współczesnym przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym i lotniczym dominują takie strategie produkcji jak: skrawanie z dużymi prędkościami (HSC High Speed Cutting), skrawanie wysokowydajne (wysokoproduktywne) stawiające na większe posuwy i dosuwy (HPC High Performance Cutting) oraz obróbka w stanie utwardzonym i na sucho. Technologie te wywołały ogromne zmiany w wytwarzaniu części maszyn oraz narzędzi do ich obróbki. Wymagania współczesnego rynku przemysłu maszynowego, takie jak: duża wydajność, krótkie czasy maszynowe, produkcja ekologiczna (bez cieczy chłodzących), wysoka dokładność obróbki, odbiły się również na konstrukcji narzędzi i materiałach narzędziowych [9]. Tendencje rynkowe w zakresie materiałów narzędziowych Jednym z kluczowych czynników decydujących o wydajności produkcji są materiały narzędziowe, wliczając w to również powłoki ochronne. Udział poszczególnych rodzajów materiałów we współczesnych narzędziach skrawających pokazano na rys. 1 [4]. Obserwując rynek materiałów narzędziowych, można określić kilka tendencji w zakresie ich rozwoju. Po pierwsze, mimo usilnych dążeń inżynierii materiałowej do opracowania idealnego materiału narzędziowego, który wykazywałby jednocześnie wysoką twardość i wytrzymałość, nie udało się, jak na razie, tego dokonać. Po drugie, ogranicza się liczbę odmian materiałów w poszczególnych gatunkach narzędziowych, zwłaszcza w grupie takich materiałów jak węgliki spiekane i stale szybkotnące. Po trzecie, badania koncentrują się na uzyskaniu bardzo twardych, grubych, odpornych na ścieranie powłok na wytrzymałym, wiązkim podłożu. Po czwarte, rozszerza się zakres zastosowań ceramiki narzędziowej. Po piąte, na popularności zyskują stale szybkotnące spiekane (drobnoziarnista jednolita struktura od 0,5 μm do kilkudziesięciu μm, wolna od segregacji węglików, jednakowe własności mechaniczne we wszystkich kierunkach ważne dla dużych narzędzi, mniejsze prawdopodobieństwo wykruszeń) oraz narzędzia pełnowęglikowe [9]. Tendencje rynkowe w zakresie powłok na narzędzia W ostatnich latach obserwuje się znaczący postęp w zakresie stosowania powłok ochronnych, które obok samego materiału narzędzia stanowią kluczowy element decydujący o jego trwałości. Pokrycie narzędzia wpływa korzystnie na tarcie w strefie skrawania, zwiększa twardość ostrza, zmniejsza dyfuzję, utlenianie, zmiany chemiczne oraz wnikanie ciepła w powierzchnie robocze narzędzia. Przyglądając się współczesnemu rynkowi przemysłu narzędziowego, można zaobserwować zwiększającą się popularność: Rys. 1. Poglądowy udział poszczególnych rodzajów materiałów we współczesnych narzędziach skrawających [4] powłok modulowanych (powtarzalnych), składających się z dużej liczby (od kilkudziesięciu do 2000) ultracienkich warstw osadzanych przemiennie w sekwencji powtarzających się par, powłok stopowych złożonych z węglików i azotków, powłok samosmarujących, powłok supertwardych na bazie regularnego azotku boru, powłok diamentowych (warstwy już od grubości rzędu nanometra) i z regularnego azotku boru (faza badań laboratoryjnych), powłok metaloorganicznych wytwarzanych techniką zol-żel, których zaletą jest niska temperatura ich osadzania (poniżej temperatury odpuszczania stali szybkotnącej), metod hybrydowych do wytwarzania powłok (PVD, CVD, osadzanie laserem impulsowym) [5]. W niniejszym artykule skoncentrowano się głównie na materiałach ceramicznych, jako najbardziej dynamicznie rozwijających się, mających coraz szersze zastosowanie. Ceramika narzędziowa Ceramika tlenkowa Ceramika tlenkowa dzieli się na: czystą ceramikę tlenkową (tzw. biała), cerami- 52 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2015

2 Rys. 2. Przykład głowicy frezowej z okrągłymi płytkami ceramicznymi [14] Marcin Hoszwa, SZEF MARKETINGU SECO TOOLS POLAND Wciąż ulepszamy rozwiązania Rozwój technologii, bardziej wyśrubowane normy oraz rosnące wymagania klientów powodują, że zastosowania produktów końcowych wymagają używania materiałów o znacznie zróżnicowanych właściwościach. Przykładowo osie samochodowe powinny charakteryzować się ciągliwością właściwą stali niskostopowej, a podzespoły silnika turbinowego powinny być odporne na działanie wysokich temperatur, w tym przypadku idealnym materiałem są stopy żaroodporne. Każdy materiał poddawany obróbce charakteryzuje się parametrami, określanymi za pomocą różnych właściwości fizycznych, np.: ścieralność, twardość, przewodność cieplna, tendencji do przylegania czy umocnienia przez zgniot. Te konkretne właściwości określają obrabialność danego materiału. Miękka stal niskostopowa ma tendencje do przylegania, która może skutkować powstawaniem narostów na krawędzi oraz zużyciem dyfuzyjnym, natomiast słaba przewodność cieplna stopów żaroodpornych może prowadzić do powstawania skrajnych temperatur w strefie skrawania oraz uszkodzenia ostrza narzędzia. Powyższe czynniki sprawiają, że firma Seco Tools oraz inni czołowi producenci narzędzi skrawających stale poszukują nowych rozwiązań: materiałów, pokryć, geometrii oraz strategii obróbki w celu poprawy wydajności i niezawodności procesów obróbki skrawaniem. Rys. 3. Porównanie prędkości skrawania różnymi materiałami narzędziowymi [6] Rys. 4. Porównanie wpływu posuwu na okres trwałości ostrzy z ceramiki tlenkowej Al 2 +ZrO 2 umocnionej wiskerami SiC z ceramiką mieszaną Al 2 + TiC/TiN przy toczeniu zahartowanej (60 HRC) narzędziowej stali stopowej do pracy na zimno, o składzie zbliżonym do stali NC11: a) posuw f = 0,1 mm/obr., b) posuw f = 0,21 mm/obr. [14] kę mieszaną (tzw. czarna) i umocnioną wiskerami (monokryształy o nitkowej budowie i bardzo korzystnych własnościach mechanicznych). Materiały ceramiczne charakteryzują się bardzo dużą twardością, którą zachowują również w bardzo wysokich temperaturach. Są odporne chemicznie, nie wymagają chłodzenia. Ze względu na dużą odporność na ścieranie stosowane są przede wszystkim jako materiały płytek skrawających do obróbki materiałów w stanie zahartowanym z wykorzystaniem wyższych prędkości skrawania w porównaniu z innymi materiałami (rys. 3). Ich wadami są: kruchość, mała odporność na obciążenia udarowe i mniejsza wytrzymałość na zginanie w porównaniu z węglikami spiekanymi. Czysta ceramika tlenkowa Al 2, tzw. ceramika biała, składa się z chemicznie i cieplnie stabilnego tlenku glinu, do którego w celu ograniczenia rozrostu ziarna dodaje się w śladowych udziałach inne tlenki, np. MgO, TiO [7]. Przez udział w strukturze ceramiki Al 2 takich dodatków jak TiC oraz/lub TiN (30-40%) otrzymuje się tzw. ceramikę mieszaną w kolorze czarnym, uzyskanym dzięki węglikowi tytanu (tzw. ceramika czarna). Dyspersyjne umocnie- 54 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2015

3 nie ceramiki tlenkowej poprzez dodatki TiC i TiN ma na celu przede wszystkim zwiększenie ciągliwości tego materiału. Jednocześnie dzięki dużej twardości domieszek TiC i TiN następuje wzrost twardości ceramiki mieszanej o około 10% w porównaniu z twardością ceramiki tlenkowej. Cząstki TiC i TiN powodują umocnienie dyspersyjne, równomiernie rozmieszczone w osnowie wpływają na zablokowanie ruchu dyslokacji. Ziarna TiC TiN zatrzymują pęknięcia inicjowane w osnowie. Ceramika mieszana, dzięki dużej stabilności termodynamicznej, dużej twardości i wytrzymałości na ściskanie dodatków TiC/TiN, ma lepsze właściwości skrawne od ceramiki tlenkowej. Dzięki małej rozszerzalności cieplnej, a także dobrej przewodności cieplnej ceramika mieszana wykazuje lepszą odporność na szoki termiczne [7]. Ceramika tlenkowa umocniona wiskerami SiC (monokryształami o nitkowej budowie i bardzo korzystnych własnościach mechanicznych) z dodatkiem tlenku cyrkonu ZrO 2 (zapobiegającemu propagacji pęknięć) charakteryzuje się a) b) c) Rys. 5. Rozwiązania konstrukcyjne narzędzi z płytkami diamentowymi: a) z płytką jednoostrzową, b) węglik spiekany z pokryciem diamentowym, c) płytka z narożem diamentowym [12] Rys. 6. Przykłady płytek skrawających: a) z narożami z materiałów supertwardych, b) jednolitej z azotku boru (BN) [13] wyższą udarnością i możliwością użycia chłodziwa. Jest szczególnie wskazana do obróbki stopów na bazie niklu. Ceramika azotowa Ceramika oparta na azotku krzemu Si 3 N 4 reprezentuje inną grupę materiałów ceramicznych. Jej wydłużone kryształy tworzą samowzmacniający materiał o wysokiej udarności. Gatunki azotku krzemu są skuteczne w skrawaniu żeliwa szarego, lecz brak stabilności chemicznej ogranicza ich użycie do obróbki innych gatunków materiałów [12]. Sialon (SiAlON) jest gatunkiem ceramiki azotkowej łączącej wytrzyma- reklama M A R Z E C- K W I E C I E Ń

4 Supertwarde niemetaliczne materiały narzędziowe Do materiałów supertwardych stosowanych w obróbce skrawaniem zalicza się: regularny azotek boru i diament. Podobnie jak cermetale i węgliki spiekane, należą one do grupy materiałów ceramicznych, jednak można wyodrębnić dodatkową grupę tzw. materiałów supertwardych. Jest to spowodowane ich znacznie większą twardością, zdecydowanie przewyższającą pozostałe ceramiczne materiały narzędziowe. Regularny (sześcienny) azotek boru (cbn) jest wytwarzany w technologii podobnej do wytwarzania diamentu syntetycznego, a więc wymagającej dużych ciśnień, wysokiej temperatury i obecności katalizatorów. Jest drugim (po diamencie) najtwardszym materiałem narzędziowym. Ma większą odporność chemiczną i przy ciśnieniu atmosferycznym jest odporny na utlenianie nawet do temperatury 2200 C. Warstwa azotku boru jest łączona dyfuzyjnie z podłożem z twardych spieków i najczęściej stosuje się dwustronne płytki o różnych kształtach. Twardość cbn w skali Knoopa wynosi około 4800 HK. Zaletą tego materiału narzędziowego jest możliwość obróbki stali twardych (do 70 HRC) oraz żeliw po ich utwardzeniu. Do obróbki odlewów żeliwnych wykorzystuje się ostrza z cbn głównie w obróbce wykończeniowej. Nową technologią wytwarzania narzędzi do obróbki twardych materiałów jest pokrywanie ostrzy warstwą polikrystalicznego diamentu (PCD) o grubości od kilku do kilkunastu mikrometrów (rys. 5). Stosowane jest m.in. pokrywanie metodą PVD i metodą wzrostu warstwy diamentowej. Rozwój cbn otworzył możliwość stosowania tego materiału narzędziowego do toczenia i frezowania, poprawiając tym samym wydajność i redukując koszty produkcji [4]. Diament polikrystaliczny z powodzeniem stosowany jest do obróbki wykończeniowej i półwykończeniowej podczas toczenia i frezowania materiałów nieżelaznych i niemetalowych. Regularny azotek boru wykorzystywany jest do wykońreklama łość samowzmacniającej siatki azotku krzemu ze zwiększoną stabilnością chemiczną. Nadają się idealnie do obróbki superstopów żaroodpornych [12]. Na rys. 4 pokazano przykładowe porównanie wpływu wartości posuwu na okres trwałości ostrzy z ceramiki tlenkowej umocnionej wiskerami SiC z ceramiką mieszaną. Frezowanie z użyciem płytek ceramicznych odbywa się z większą prędkością skrawania niż w przypadku węglików, co mimo niższych posuwów (~0,1 mm/ostrze) zapewnia wyższą produktywność. Ze względu na przerywany charakter obróbki frezarskiej powstaje mniejsza ilość ciepła niż w trakcie toczenia. Dlatego podczas frezowania stosowane są prędkości rzędu m/min, a przy toczeniu rzędu m/min. Ceramika wykazuje większą podatność na zużycie w postaci karbów i dlatego stosuje się płytki okrągłe (rys. 2), pozwalające uzyskać mniejsze kąty przystawienia. Obróbka ceramiką negatywnie wpływa na stan i strukturę obrobionej powierzchni i dlatego nie jest stosowana podczas ostatniego etapu obróbki wiórowej. Podstawowym zastosowaniem dla gatunku SiAlON jest frezowanie odlewów silników z Inconelu 718 oraz frezowanie wyposażenia dla przemysłu naftowego, w obu przypadkach z wysoką objętościową wydajnością skrawania [12]. 56 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2015

5 czeniowego toczenia hartowanych stali o twardości powyżej 45 HRC, powyżej 55 HRC jest natomiast jedyną alternatywą dla szlifowania. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych płytek z materiałów supertwardych pokazano na rys. 6. Podsumowanie Jak widać na rys. 1, dominującym materiałem narzędziowym nadal jest węglik spiekany (w tym pokrywany). Tendencją jest coraz szersze zastosowanie ceramicznych materiałów narzędziowych. Według [5] szacuje się, że 2-3% ostrzy narzędziowych wykonuje się z ceramicznych materiałów, przy czym z ich użyciem obrabia się 3,5-5% objętości materiałów poddanych operacjom skrawania. Możliwości współczesnych obrabiarek w zakresie ich sztywności i wysokich prędkości obrotowych wrzecion narzędziowych pozwalają na obróbkę twardych materiałów o twardości powyżej 45 HRC, nawet do 70 HRC bez stosowania chłodziwa, co ma bardzo duże znaczenie w aspekcie ekologicznym. Badania nad materiałami ceramicznymi gwarantują, że ich udział w szerokiej grupie materiałów narzędziowych będzie coraz bardziej znaczący. reklama Piśmiennictwo 1. Cichosz P.: Narzędzia skrawające. WNT, Warszawa Cichosz P., Kuzinowski M.: Narzędzia skrawające do wysokowydajnej obróbki. Inżynieria Maszyn, Rok 14, Z. 4, Wysokowydajne Skrawanie, pod red. Wita Grzesika, Wyd. Wrocławskiej Rady FSNT NOT, Wrocław Gey Ch.: Powłoki na ostrza skrawające. [W.] Szkoła obróbki skrawaniem. Obróbka skrawaniem, wysoka produktywność. Red. P. Cichosz, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Kiszka P.: Badanie mechanicznych i termicznych oddziaływań w skrawaniu żeliwa sferoidalnego ostrzami z ceramiki azotkowej i CBN. Rozprawa doktorska, Politechnika Opolska, Opole Kupczyk M., Siwak P.: Klasyfikacja i kierunki rozwoju materiałów powłokowych na ostrza skrawające. [W.] Szkoła obróbki skrawaniem. Obróbka skrawaniem, zaawansowana technika. Red. H. Latoś, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Bydgoszcz Legutko S., Twardowski P.: Współczesne materiały narzędziowe stosowane na narzędzia skrawające, szczególnie do obróbki z dużymi prędkościami skrawania (HSM). Spiekane materiały narzędziowe przeznaczone na ostrza narzędzi do obróbki z wysokimi prędkościami skrawania. Praca pod redakcją L. Stobierskiego i L. Jaworskej, Wydawnictwo Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków 2010, rozdział 2, s Motyka M.: Spiekane materiały ceramiczno-metaliczne i ceramiczne. Politechnika Rzeszowska, 8. Oczoś K.E.: Obróbka wysokoproduktywna wiodącym trendem obróbki skrawaniem. [W.] Szkoła obróbki skrawaniem. Obróbka skrawaniem, wysoka produktywność. Red. P. Cichosz, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Sałaciński T.: Postępy w konstrukcji narzędzi skrawających do uzębień walcowych. Czasopismo Techniczne. Mechanika, z. 1, Sałaciński T.: Postępy w konstrukcji narzędzi skrawających. Obróbka Metalu, Tom 2, Inowrocław Żmichorski A.R.: Ceramika supertwarda. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Materiały katalogowe firmy Sandvik. 13. Materiały katalogowe firmy Seco. 14. Materiały katalogowe TIZ Implements. M A R Z E C- K W I E C I E Ń