Některé materiály jsou obzvláště těžce obrobitelné – mezi ně
patří jak titanové slitiny, tak i žáruvzdorné superslitiny. Normování
sice zahrnuje obě podskupiny do skupiny ISO-S, nicméně
při bližším pozorování se materiály při obrábění chovají úplně
jinak. Walter, specialista na nástroje z města Tübingen, rozšiřuje
z tohoto důvodu svůj program břitových destiček na soustružení
přidáním nového výběru optimalizovaných geometrií.
V praxi se titanové slitiny a superslitiny
často obrábějí jedním a tím stejným typem
břitových destiček. Často se používají
materiály na řezné nástroje a geometrie,
které se osvědčily pro materiály ISO-M –
nerezové a kyselinovzdorné oceli. „Je sice
rovněž možné s takovými kombinacemi
řešení obrábět těžkoobrobitelné materiály,“
vysvětluje Stefan Lenischenko, vývojář
nástrojů firmy Walter z Tübingenu,
„to jsou nicméně kompromisní řešení,
která výrazně zaostávají za možnostmi,
jež dnes máme. Pro maximální výkon
a dlouhou životnost je nejlepší použít řešení
břitových destiček, optimalizovaných
pro titanové slitiny nebo superslitiny.“ Pro
ocel a litinu je možné z hospodárných důvodů
použít univerzální břitové destičky,
v oblasti materiálů ISO-M se naproti tomu
vyplatí speciální řešení.
POŽADAVKY
Tyto dvě podskupiny toho mají málo
společného. Jsou náchylné k zalepení
a proto ke tvorbě nárůstků. Jsou špatnými
vodiči tepla, což vede k tomu, že
větší část tepla z obrábění teče do břitu.
Specifické vlastnosti materiálu způsobují,
že titanové slitiny a superslitiny
vytvářejí na břitu nástroje naprosto rozdílné
třísky a jsou náchylné na rozdílné
typy opotřebení.
Při zpracovávání titanových slitin dochází
difuzí k výmolům. Částice tvrdokovu
se přesouvají do třísky, břitová destička
v obráběcí zóně eroduje a slábne. Velmi
tvrdé kůry na odlitku a vysoké tvrdosti
zvyšují riziko vylomení a plastické deformace
břitu. Navíc má materiál nízký
modul pružnosti, který zvyšuje tendenci
oscilovat. Ve spojení s nárůstkem se řezná
hrana vylomí ještě rychleji.
Všechny tyto jevy razantně rostou
se stupněm beta-stabilizačních činitelů
slitiny. Když je již široce rozšířený materiál
Ti6AI4V, který obsahuje jak alfa,
tak i beta činitele, dost náročný na obrábění,
tak je nový materiál Ti-5553,
čistá beta slitina, ještě o něco nepoddajnější.
Rychlosti řezání musí být zpravidla
sníženy o polovinu. Co obráběčům
dělá starosti, těší konstruktéry: enormně
vysoká tuhost materiálu se ideálně hodí
pro díly do podvozků letadel a nosné
konstrukční díly. „Trend beta-titanových
materiálů byl pro nás rozhodujícím
impulzem pro uvedení břitových
destiček Sky•tec™ na trh,“ vysvětluje
Gerd Kussmaul, produktový manažer
u firmy Walter, „běžné břitové destičky
často nestačí vysokým nárokům na výkon
a životnost.“
Od lehkých po těžké díly: obrábění superslitin
je také často ztěžováno vznikem
kůr, ale také náchylností ke zpevnění
materiálu zastudena. Dále zintenzivňují
extrémně vysoké řezné síly problém
přetížení břitu. U kovaných dílů, které
se obyčejně používají pro motorové díly
v leteckém průmyslu, hloubka řezu kolísá.
V takových případech je těžké nastavit
správné hodnoty řezu. „Okna pro optimální
hodnoty řezu jsou velmi malá,“ zdůrazňuje
Stefan Lenischenko.
Podobně jako oceli jsou superslitiny
podrobovány tepelnému zpracování. Asi
80 procent dílů se dostane na soustruh
ve vytvrzeném stavu. Obráběči se musejí
vypořádat se stupni tvrdosti 40-45 HRC,
potažmo pevnostmi 1200-1600 N/mm2.
Vedle plastické deformace jsou nárazy
třísek a vrubování typické jevy na břitu
nástroje, které vyvolávají rychlý konec životnosti.
Při tvorbě třísek narazí tříska většinou
na hřbetní plochu břitové destičky.
U superslitin je tento náraz obzvláště silný
a břitu hrozí dříve či později roztříštění. Jiný
jev – vyvolaný zpevněním zastudena –
je tvorba vrubování. Aby se těmto oběma
jevům dalo zabránit, je zapotřebí na jednu
stranu stabilní řezná hrana, na druhou stranu
kladná geometrie, příznivá vůči řezu.
Vývojáři tak stojí před úkolem sladit dva
protichůdné požadavky.
ŘEŠENI
Walter pro materiály ISO-S vyvinul
a zavedl do svého programu dvě skupiny
břitových destiček s optimalizovanými
geometriemi. Pro titanové slitiny triogeometrií
Sky•tec™ NFT, NMT a NRT,
pro superslitiny typy NMS a NRS. Cílem
vývoje bylo především maximalizování
životnosti a optimalizace lámání třísek,
neboť to bývá při obrábění ISO-S problém.
Přerušení procesu, způsobené např.
zlomením břitu, jsou pro uživatele kvůli
drahým dílům noční můrou. Přiřazení
materiálu je rozpoznatelné na písmenech
T (titanové slitiny) a S (superslitiny). F, M
a R zastupují způsob obrábění: obrábění
načisto, střední obrábění a obrábění nahrubo
(Finishing, Medium, Roughing).
N znamená negativní základní formu.
Jméno rodiny Sky•tec™ označuje hlavní
pole využití: letecká a kosmická technika.
Tam, kde jsou titanové slitiny, nebývají
většinou superslitiny daleko: v leteckých
turbínách se totiž obě ISO-S podskupiny
setkávají. Studená část těchto agregátů
bývá obyčejně ze slitin jako je Ti6AIV4,
horká část ze žáruvzdorných materiálů
jako je Inconel 718. „Považujeme
se za kompletní dodavatele,“ říká Gerd
Kussmaul, „proto je také stále naším cílem
nabídnout kompletní řešení pro oblast
použití. To jsme v případě leteckých turbín
přesně realizovali s našimi speciálními
geometriemi.“
Všechny břitové destičky pro skupinu
materiálu ISO-S disponují velmi malým
zaoblením řezné hrany, což je nezbytné
pro udržování tvorby nárůstků a vzniku
tepla na nízké úrovni. Zvláštnosti a rozdíly
jsou především v makrogeometrii, ta
určuje příslušnou oblast použití.
Varianty titanové řady Sky•tec™ mají
speciální, nápadně úzké utvářeče třísek.
Aby bylo při obrábění soustružením dosaženo
dobrého lámání třísek, je nezbytné
významně přetvarovat tvořící se třísku,
i za pokročilého opotřebení. Hrubovací
geometrie NRT je v detailu charakterizována
obzvláště stabilním designem s širokou
fasetkou, jako účinným prostředkem
na zastavení tvorby výmolů. Varianta pro
střední obrábění disponuje vedle stabilního
břitu zakřivenou řeznou hranou, aby
byly sníženy řezné tlaky. Proto se obzvláště
hodí pro nestálé součástky nebo vnitřní
obrábění. Třetí typ, obrábění načisto NFT,
je optimalizován ostrou, po obvodu broušenou
řeznou hranou pro vysoce přesné
obrábění.
Opticky se břitové destičky pro obrábění
titanu prezentují spíše nenápadně. Jinak
běžné povlakování, které bývá zlaté nebo
barvy šampaňského, většinou chybí. „Více
než 80 procent břitových destiček pro
titanové materiály se vyrábí bez povlakování,“
říká Kussmaul. To souvisí s vysokými
požadavky, které klade tvorba výmolů
dle materiálové skupiny na břitovou
destičku: „Povlaky neposkytují v těchto
případech žádnou výhodu, doporučujeme
proto pro většinu použití materiál na řezné
nástroje WS10 bez povlakování.“
Charakteristickou vlastností břitových
destiček pro superslitiny je ostrá makrogeometrie.
O stabilitu na břitu se stará
kladná primární fasetka. Kladná řezná
hrana je kombinována s nanesením povlaku
z PVD-oxidu hlinitého. Břitové destičky
pro superslitiny mají obyčejně povlak,
životnost se dá takto výrazně vylepšit.
Program specialisty na tvrdokov z Tübingenu
nabízí pro obě geometrie materiály
na řezné nástroje WSM10 a WSM20.
Protože je oxid hlinitý nanášen postupem
PVD, to znamená při relativně nízkých
teplotách, mají tyto břitové destičky velmi
vysokou houževnatost. Vrstva oxidu hlinitého
funguje jako vysoce účinná ochrana
před teplem.
Přesný koncept primární fasetky závisí
na nápadně nízkých rychlostech posuvu,
které jsou při obrábění těchto materiálů
možné. Proti úzkým utvářečům třísek
titanové řady nechávají geometrie NRS
a NMS třísce dostatek místa na vývoj.
Pokud by byla tříska superslitiny z důvodu
silného přetvarování moc tuhá, hrozilo
by během krátké doby zničení břitu touto
třískou. Geometrie NRS má v souladu
s hloubkou třísky širší žlábek na třísky
a geometrie NMS má o něco užší.
„V oblasti superslitin vystačíme se dvěma
samostatnými geometriemi na obrábění
nahrubo a na střední obrábění,“ zdůrazňuje
vývojář, „nemá moc smysl zavádět
třetí geometrii, koncipovanou na tomto
principu pro obrábění načisto. Primární
fasetka by se musela dimenzovat velmi
malá, takže bychom skončili u konceptu,
který by se kryl s geometrií Sky•tec™
NFT.“ Důležitý závěr pro uživatele: geometrie
NFT na obrábění titanu načisto se
hodí také na obrábění superslitin načisto.
NĚKOLIK VYSLEDKŮ
To, že se vyplatí používat optimalizované
břitové destičky, ukazuje několik
příkladů použití. Na hrubé obrábění turbínového
tělesa o průměru 1,8 m z Ti6AI4V
použil výrobce nejprve geometrii, která je
běžná také pro materiály ISO-M, materiál
na řezné nástroje byl již přizpůsoben titanovým
slitinám. Přesto potřeboval tři řezné
hrany a musel se následně vypořádat
se dvěma přerušeními procesu. S identickými
řeznými hodnotami (vc=55 m/min,
f =0,4 mm/ot, ap=2,3 mm), dosáhl s novou
geometrií Sky•tec™ NRT a materiálem
na řezné nástroje WS10 cílové životnosti
dílu a trvale krátkých třísek.
Jiný výrobce měl za úkol vysoustružit
kotouč o průměru 230 mm pro agregát
v chemickém průmyslu z materiálu Inconel
625 (200 HB, přibližně 900 N/mm?).
Přitom srovnávali osoby zodpovědné
za výrobu geometrii NMS od firmy Walter
materiál na řezné nástroje WS10 s univerzálními
břitovými destičkami s doporučením
ISO-M a ISO-S jiných výrobců
materiálu na řezné nástroje. Hodnoty řezu
zůstaly pro test stejné (vc=50 m/min,
f= 0,2 mm/rev., ap=3 mm). Zatímco obě
kompromisní řešení dosáhla po přibližně
18 minutách konce životnosti nástroje
skrz vrubování a vylomení břitu, ukázalo
se vrubování na optimalizované geometrii
NMS firmy Walter teprve po 33 minutách.
Co se týče množství, měla břitová
destička firmy Walter výsledek 11 kusů
proti 6. Shrnutí: optimalizované břitové
destičky se vyplatí.
POZNAMKA
K MATERIALŮM ISO-S
Titanové slitiny se používají z asi 80
procent v leteckém a kosmickém průmyslu.
Další důležitá využití nalézají v lékařské
technice, v chemickém a petrochemickém
průmyslu. Podle jejich struktury
se rozlišují alfa-slitiny (Ti13V11Cr3Al),
alfa-beta-slitiny (Ti6Al4V) a beta-slitiny
(Ti-5553, „titanium triple five three“).
Superslitiny se dělí na slitiny na bázi
niklu (např. Inconel, Waspaloy…), slitiny
na bázi kobaltu (např. Corodur, Jetalloy
209…) a na méně běžnou okrajovou skupinu
slitin na bázi železa (např. Incoloy
800, Jethete M-152…), které se částečně
podobají ocelovým materiálům. Vedle leteckého
a kosmického průmyslu, který potřebuje
superslitiny pro motory, jsou ještě
další důležité obory s vysokou potřebou
žáruvzdorných materiálů, např. chemický
nebo petrochemický průmysl, energetická
technika, v určitém rozsahu také automobilový
průmysl, který takové materiály
používá na turbodmychadla nebo ventily.
