Nowoczesne procesy obróbki skrawaniem - ebook

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW

---------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
A – pole przekroju warstwy skrawanej, mm²,
ae – szerokość frezowania, mm,
AE – emisja akustyczna (acoustic emmission),
AMRR – przeciętny współczynnik usuwania materiału (average material removal rate),
ap – głębokość skrawania, (dosuw), mm,
AWJM – obróbka strugą wodno-ścierną (abrasive water jet machining)
b – szerokość warstwy skrawanej, szerokość łysinki, mm,
BC – PcBN powlekany
BD – baza danych,
BH – regularny azotek boru (70–95%PcBN),
BL – regularny azotek boru (40–65%PcBN),
bγ – szerokość ścina powierzchni natarcia, mm,
BN – oznaczenie polikrystalicznego, regularnego azotku boru,
c – stała tłumienia, Ns/m,
CA – oznaczenie ceramiki tlenkowej,
CC – oznaczenie ceramiki (CA, CM, CN) z naniesionymi powłokami,
CCS – ciecze chłodząco-smarujące,
CFRP – kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami węglowymi (carbon fiber reinforced polymer),
CN – oznaczenie ceramiki azotkowej,
CNC – komputerowe sterowanie numeryczne (computer numerical control),
CR – ceramika tlenkowa wzmacniana wiskerami,
CT – stała ze wzoru Taylora,
CVD – chemiczne osadzanie z pary (chemical vapour deposition),
d, D(c) – średnica toczenia, średnica narzędzia, mm,
DOS – system bezpośredniego podawania oleju (direct oil supply system),
DP – oznaczenie diamentu polikrystalicznego ze spoiwem,
DSN – diagnostyka stanu narzędzia,
e – niewyważenie (dynamiczne), gmm/kg,
E – moduł sprężystości podłużnej (Younga), GPa,
EDM – obróbka strumieniem elektronów (electro discharge machining),
ECM – obróbka elektrochemiczna (electrochemical machining),
EBM – obróbka elektroerozyjna (electron beam machining),
edop – dopuszczalne niewyważenie, gmm,
f – szerokość łysinki, fazki, mm,
f – posuw, mm/obr,
fo – częstotliwość drgań, s–1,
fz – posuw na ostrze, mm,
F – siła całkowita skrawania, N,
Fc – siła skrawania, N,
Ff – siła posuwowa skrawania, N,
Fo – siła odśrodkowa, N,
Fp – siła odporowa skrawania, N,
Fu – siła niewyważenia, N,
fw – amplituda siły wymuszającej drgania, N,
GFRP – kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami szklanymi (glass fiber rein polymer),
GN – gospodarka narzędziowa,
h – grubość warstwy skrawanej, mm,
hmax – maksymalna grubość warstwy skrawanej, mm,
HC – oznaczenie spieków węglikowych i cermetalowych powlekanych,
HFS – złącze systemowe narzędzi modułowych firmy Mapal,
HIP – izostatyczne prasowanie (dogęszczanie) na gorąco,
HS – oznaczenie stali szybkotnącej konwencjonalnej,
HSC – skrawanie z dużymi prędkościami (high speed cutting),
HT – oznaczenie cermetali niepowlekanych,
HM – obróbka materiałów twardych (hard machining),
HPC – obróbka wyskowydajna (high performence cutting),
HW – oznaczenie węglików spiekanych, niepowlekanych, których podstawowym składnikiem jest węglik wolframu WC,
k – stała sztywności, N/m,
K – oznaczenie grupy materiałowej wg ISO,
K – współczynnik żłobka K = KT/KM (wskaźnik zużycia ostrza),
KB – szerokość żłobka (wskaźnik zużycia ostrza), mm,
kc – opór właściwy skrawania, MPa,
kc1.1 – opór właściwy skrawania dla 1 mm grubości warstwy skrawanej, MPa,
KE – cofnięcie naroża (wskaźnik zużycia ostrza), mm,
KF – odległość żłobka od pierwotnej krawędzi skrawającej, (wskaźnik zużycia ostrza), mm,
KM – złącze systemowe narzędzi modułowych firmy Kennametal,
KM – odległość środka żłobka (wskaźnik zużycia ostrza), mm,
Klc – odporność na kruche pękanie, MPa m1/2,
kw – objętościowy współczynnik wióra,
KSO – katastroficzne stępienie ostrza,
L, lc – długość drogi skrawania, mm,
LAM – obróbka wspomagana laserem (laser assisted machining),
LBM – obróbka wspomagana laserem (laser beam machining),
LC₂ – ciekły dwutlenek węgla,
LN₂ – ciekły azot,
m – masa, kg lub g,
M – oznaczenie grupy materiałowej wg ISO,
MAD – wiercenie wspomagane drganiami (modulation assisted drilling),
MDS – model masowo dyssypacyjno sprężysty,
MHD – złącze systemowe narzędzi modułowych firmy D’Andrea,
MQL – smarowanie z minimalną ilością chłodziwa (minimum quantity lubrication),
MMC – kompozyt na osnowie metalowej (metal matrix composites),
n, nw – prędkość obrotowa, wrzeciona, obr/min,
NC – sterowanie numeryczne (numerical control),
nkp – liczba krawędzi skrawających w płytce wieloostrzowej,
nn – liczba narzędzi biorących udział w operacji,
nos – liczba możliwych ostrzeń narzędzia,
ns – częstotliwość drgań samowzbudnych, s–1,
nsz – liczba sztuk w partii wyrobów, szt.,
OUPN – układ obrabiarka–uchwyt–przedmiot–narzędzie,
P – oznaczenie grupy materiałowej wg ISO, oznaczenie stali szybkotnącej spiekanej,
Pc – moc skrawania, kW,
PD – oznaczenie diamentu polikrystalicznego bez spoiwa (CVD),
Pe – moc efektywna na wrzecionie, kW,
Pf – płaszczyzna boczna,
Pn – płaszczyzna normalna,
Po – płaszczyzna ortogonalna (płaszczyzna przekroju głównego),
PVD – fizyczne osadzanie par (phisical vapour deposition),
Ra – parametr chropowatości (średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej), mm,
rε – promień naroża, mm,
Rg – wytrzymałość na zginanie, MPa,
Rm – wytrzymałość na rozciąganie, MPa,
Rt – chropowatości teoretyczna, mm, szt.,
t – czas skrawania, min,
Tc – trwałość ostrza narzędzia, min, szt.,
tdn – czas diagnozowania, min,
tj – czas jednostkowy operacji, min/szt.,
tp – czas pomocniczy, min,
ts – całkowity czas skrawania, min,
U – oznaczenie osi sterowanej obrabiarki,
Udop – dopuszczalne niewyważenie resztkowe, gmm,
V – objętość materiału do zeskrawania, mm³,
VBA – szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia w strefie A, mm,
VBB – średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia w strefie B, mm,
VBBmax – największa szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia, mm,
VBC – szerokość pasma zużycia naroża, mm,
vc – prędkość skrawania, m/min, m/s,
ve – prędkość efektywna skrawania, m/min, m/s,
vf – prędkość posuwu, m/min, mm/min,
α – współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej, 10–6/K,
αo,n,f.p – kąt przyłożenia odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,
β – kąt pochylenia linii śrubowej zęba, …°,
βo,n,f,p – kąt ostrza odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,
j – przesunięcie fazowe, …°,
γo,n,f,p – kąt natarcia odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,
ΔP – nierównomierność podziałki, mm,
εr – kąt naroża, …°,
Θc – temperatura skrawania, …°C,
κr – kąt przystawienia, …°,
λ – współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K),
λs – kąt odchylenia krawędzi skrawającej, …°,
ω – kąt opasania frezu, …°,
ωo – częstość drgań własnych, 1/s,
---------- --- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------1
WPROWADZENIE
PIOTR CICHOSZ

Obróbka ubytkowa, a w szczególności skrawanie, należy ciągle do najbardziej rozpowszechnionych technik kształtowania przedmiotów metalowych. Mimo znaczących postępów w rozwoju innych technik wytwarzania, takich jak odlewanie, przeróbka plastyczna, a ostatnio także techniki przyrostowe, techniki ubytkowe nie tracą na znaczeniu, ciągle rosną bowiem wymagania dotyczące dokładności i jakości warstwy wierzchniej powierzchni funkcjonalnych wyrobów, a te nie można, lub jest trudno ekonomicznie osiągnąć innymi technologiami. W samym skrawaniu, dzięki znacznemu postępowi w rozwoju materiałów narzędziowych i przeciwzużyciowych powłok ochronnych, a także wytworzeniu nowych konstrukcji narzędzi, obrabiarek i oprzyrządowania, dokładnych i wysokowydajnych technologii kształtowania, nastąpiła taka poprawa, że obróbka ta jest w dalszym ciągu bardzo efektywna pod względem wydajności i kosztów wytwarzania. Dzięki temu wzrosły także możliwości kształtowania materiałów trudnoobrabialnych (twardych, kompozytowych, stopów lotniczych itp.), a także zdolności uzyskiwania większych dokładności obróbki i jakości powierzchni. Wszystko to sprawiło, że często samym skrawaniem można w procesie wytwarzania zmniejszać zaangażowanie innych technologii, w tym obróbek ściernych, cieplnych, skracając tym samym łańcuchy technologiczne. Duże możliwości skrawania wysokoproduktywnego pozwalają także na znaczne skrócenie czasu i kosztu wytwarzania form i matryc, które kiedyś można było racjonalnie użytkować jedynie w produkcji wielkoseryjnej i masowej, a obecnie obszar zastosowań tych środków produkcji znacznie się rozszerzył także w kierunku coraz krótszych serii.

W wyniku zmian związanych z wprowadzeniem produkcji 4.0 prognozuje się, że w samej Europie, w nieodległej przyszłości, będzie musiało zmienić swoje kwalifikacje nawet do kilkunastu milionów pracowników . Pełniejsza, można powiedzieć totalna, informatyzacja niemal wszystkich środków produkcji i systemów zarządzania nią jeszcze szerzej zintegruje techniki wytwarzania. Dąży się do komputerowego wspomagania na każdym etapie wytwarzania, w tym podczas opracowywania technologii, z coraz bardziej zaawansowanymi procedurami je optymalizującymi. Czołowe światowe firmy narzędziowe oferują dostęp do elektronicznych, najczęściej umieszczanych na stronach internetowych, danych, w tym informacji i procedur mogących mieć znaczenie w doborze narzędzia do operacji technologicznej, pomagających w wyborze parametrów i warunków obróbki. W wielu przypadkach można obliczyć czas obróbki, a niekiedy także skalkulować koszty operacji.

Kluczowa rola skrawania w wytwarzaniu wynika z dużej dokładności, stabilności procesu oraz możliwości uzyskiwania wymaganej, coraz wyższej jakości warstwy wierzchniej kształtowanej powierzchni, obejmującej czasami bardzo wyrafinowaną strukturę geometryczną jej topografii, naprężenia własne i umocnienie, no i bardzo małe zdefektowanie warstw wierzchnich. Trzeba też zauważyć w ostatnich czasach znaczne przewartościowanie się pojęcia „technologiczności konstrukcji” z punktu widzenia skrawania. To, co kiedyś było uważane za skrajnie nietechnologiczne, bo było trudne bądź niemożliwe do wykonania, dzisiaj, z racji nowych możliwości kształtowania, jakie oferują obrabiarki i narzędzia, w tym narzędzia sterowane i mechatroniczne, staje się rozwiązaniem technologicznym. Dotyczy to szczególnie konstrukcji lotniczych, w których dąży się do ekstremalnego ograniczania ich masy, liczby połączeń, co w dużym uproszczeniu sprowadza się do wykonywania cienkościennych elementów z jednego półfabrykatu i to z materiałów o dużym stosunku wytrzymałości do masy. Do materiałów takich jak stopy aluminium dołączyły stopy tytanu i kompozyty, a więc materiały o bardzo złej obrabialności.

Wymagania globalnych rynków, ciągle rosnąca konkurencyjność, sprawiają, że istnieje silna potrzeba wdrażania nowoczesnych technologii. Przedsiębiorstwa muszą nie tylko utrzymywać wysoki poziom techniczny swojej produkcji, ale ciągle go rozwijać, aby nie wypaść z obiegu i być aktywnym graczem na tych rynkach.

Wszystkie te działanie podporządkowane są uzyskaniu wysokiej jakości produktów, z coraz większą wydajnością i przy ciągle obniżanych kosztach produkcji.

Właśnie tym nowoczesnym technologiom, środkom produkcji, stosowanym w obróbce skrawaniem jest poświęcona ta książka. W ostatnich latach ukazało się kilka pozycji książkowych, głównie o charakterze akademickim, poświęconych tematyce obróbki skrawaniem i narzędzi , , , , , , w których omawiano te zagadnienia z ukierunkowaniem w dużej mierze na podstawy teoretyczne procesów. Tych z Państwa, którzy chcieliby pogłębić swoją wiedzę i teorię z podstaw skrawania, odsyłamy do wspomnianych książek, a także do licznych artykułów w wielu czasopismach naukowych i technicznych.

Naszym celem jest przekazanie w tej książce wiedzy o charakterze bardziej praktycznym, inżynierskim, ale bazującej na najnowszych osiągnięciach. Starliśmy się przybliżyć tematykę dotyczącą trendów, jakie się w ostatnich latach pojawiły w obszarze obróbki skrawaniem. Zdajemy sobie sprawę, że dla niektórych z Państwa poruszone tematy nie stanowią elementu nowości. Jest jednak duża rzesza inżynierów technologów z mniejszym doświadczeniem oraz studentów, którzy niebawem, jako absolwenci, trafią do zawodu, a od których oczekiwać się będzie wdrażania współczesnej nowoczesnej wiedzy z tej tematyki. Wiele zagadnień, które uwzględniliśmy w zakresie tej książki, pochodzi z referatów i paneli dyskusyjnych konferencji Szkoły Obróbki Skrawaniem (SOS), która corocznie od kilkunastu lat jest organizowana przez różne krajowe ośrodki akademickie z licznym udziałem środowisk przemysłowych. Najistotniejsze zagadnienia tam poruszane chcieliśmy zebrać w jednej pozycji, aby łatwiej po nie można było sięgnąć. Mamy nadzieję, że przedstawiony w książce zakres tematyczny będzie dla niektórych z Państwa przydatny.

W tym miejscu chciałbym gorąco podziękować wszystkim współautorom za trud i czas poświęcony na opracowanie poszczególnych rozdziałów tej książki. Dziękuję także wielu osobom zatrudnionym w przemyśle za przekazaną nam swoją wiedzę i doświadczenie oraz podsunięcie tematów, które z ich punktu widzenia wydawały się istotne i potrzebne do omówienia.

Szczególne wyrazy wdzięczności chciałbym złożyć na ręce prof. Krzysztofa Jemielniaka, autora kilku rozdziałów tej publikacji, nie tylko za trud ich zredagowania, ale także za liczne konsultacje, sugestie, krytyczne, ale życzliwe uwagi dotyczące pozostałych treści zawartych w książce. W znacznym stopniu przyczyniły się one do poprawienia jej wartości merytorycznych.

Chciałbym także gorąco podziękować licznym Partnerom Wydania, dzięki którym ukazanie się tej książki stało się możliwe, a byli nimi: GF Machining Solutions, Gühring, MAPAL Narzędzia Precyzyjne, MMC Hardmetal Poland, Narzędzia Skrawające Tools, Oerlikon Balzers Coating Poland, Perschmann, PFN „PAFANA”, Sandvik Polska, TCM Polska, Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej, Zoller Polska.

Prosimy też Czytelników, aby zechcieli się podzielić swoją opinią na przedstawione tematy, a szczególnie na zwrócenie nam uwagi na zauważone błędy i nieścisłości. Opinie i uwagi można przesyłać na adres [email protected]. Wzbogaci to naszą wiedzę, a być może niektóre z tych zagadnień staną się zaczątkiem dyskusji na kolejnych forach dyskusyjnych wspomnianej konferencji SOS.2
MATERIAŁY NARZĘDZIOWE I POWŁOKI
PIOTR CICHOSZ

2.1. Materiały narzędziowe

Rozwój materiałów narzędziowych odgrywał jedną z najistotniejszych ról, jeśli chodzi o postęp w rozwoju technik wytwarzania skrawaniem. Pojawienie się nowych ich generacji, takich jak: stale szybkotnące, węgliki spiekane, cermetale, ceramika narzędziowa, spiekane materiały supertwarde (diamentowe i z regularnego azotku boru), stanowiło milowe kroki pozwalające diametralnie zwiększyć wydajność i efektywność obróbki skrawaniem.

Najważniejszą właściwością materiału narzędziowego jest jego twardość oraz odporność na zużycie w wysokich temperaturach. Ponieważ temperatura skrawania zależy niemal liniowo od prędkości skrawania, ta właściwość decyduje w głównej mierze o możliwości zwiększania wydajności obróbki. Na rysunku 2.1 przedstawiono, w ujęciu historycznym, pojawianie się nowych materiałów narzędziowych wraz z ich odpornością na wysokie temperatury. Na rysunku tym zaznaczono także zależność czasu realizacji hipotetycznej operacji obróbkowej od zastosowanego materiału narzędziowego, z zaznaczeniem lat, w których dany materiał narzędziowy wdrożono do praktyki.

Kluczowa rola materiału narzędziowego w skrawaniu jest w dalszym ciągu istotna z uwagi na to, że wpływa na możliwość obróbki trudnoobrabialnych materiałów, takich jak: materiały w stanie utwardzonym, stopy lotnicze, kompozyty itp. Odgrywa on też pośrednią rolę w skrawaniu poprzez szereg innych czynników, takich jak: łatwość kształtowania i regeneracji ostrzy oraz mocowania ich w narzędziu, stabilność krawędzi skrawającej, odporność na trudne warunki skrawania (szoki mechaniczne i termiczne), możliwość intensywnego chłodzenia, skrawania na sucho, koszt materiału itp. Ten ostatni czynnik, jakim jest koszt, jest szczególnie zauważalny w ostatnim czasie w odniesieniu do węglików spiekanych. Wobec dużego zapotrzebowania na ten materiał na rynkach światowych oraz silnej monopolizacji kopalni ceny takich podstawowych metali koniecznych do produkcji węglików spiekanych jak wolfram i kobalt gwałtownie wzrosły. Jest to powodem do „odchudzania” wymiennych ostrzy, ich miniaturyzacji i zastępowania na przykład pełnowęglikowych narzędzi trzpieniowych narzędziami składanymi już nawet w przypadkach, gdy ich średnice wynoszą zaledwie kilka milimetrów.

Rys. 2.1. Pojawianie materiałów narzędziowych i ich odporności na wysokie temperatury, a także hipotetyczny czas obróbki przykładowego przedmiotu, w ujęciu historycznym

Na przestrzeni lat zmniejszała się także, uważana za optymalną, zalecana trwałość narzędzia. Na przykład, w przypadku noży tokarskich przed drugą wojną światową uważano, że należy dobierać prędkość skrawania o takiej wartości, aby trwałość narzędzia wynosiła kilka godzin, tak aby wymiana narzędzi na obrabiarce odbywała się raz na zmianę. W latach 50–60. XX wieku zalecana trwałość wynosiła już ok. 1 h, by w latach 70–80 XX w. zmaleć do 30 min. W kolejnych latach, aż do dzisiaj, przyjmuje się, że trwałość ta powinna wynosić ok. 15 min. Udział w tej tendencji miały także poprawiające się sukcesywnie właściwości skrawne materiałów narzędziowych i powłok ochronnych, które pozwalały na znacznie zwiększanie parametrów obróbki, a zwłaszcza prędkości skrawania, co istotnie zwiększało wydajność i obniżało koszty wytwarzania. Dalsza progresja w skracaniu zalecanej trwałości narzędzia została wyhamowana z uwagi na znacznie zwiększający się udział w czasie operacji przestojów związanych z wymianą i ustawianiem narzędzi, a ponadto rosły też koszty samych narzędzi z uwagi na zwiększającą się w takich przypadkach ich liczbę konieczną do wykonania zadania obróbkowego.

W ostatnich latach nie pojawił się żaden nowy, przełomowy materiał narzędziowy o znacząco korzystniejszych od dotychczasowych właściwościach skrawnych. Istniejące na rynku materiały są doskonalone, a ich ciągle ulepszane wersje tylko w niewielkim stopniu przyczyniają się do możliwości zwiększania efektywności wytwarzania. Wyraźniejszy postęp zauważa się w sukcesywnym pojawianiu się nowych powłok przeciwzużyciowych.

Materiały narzędziowe oraz powłoki nakładane na ostrza dość wyczerpująco zostały omówione w pracach , , , , , , . W rozdziale tym uwaga skupiona zostanie na tych aspektach związanych z materiałami i powłokami, które decydują o możliwości zwiększania wydajności obróbki skrawaniem.

Oznaczenia materiałów narzędziowych zostały już w 2014 r. ujednolicone i ujęte w normie ISO 513: 2014-05 (rys. 2.2) i formalnie obowiązują. Są one dość przemyślane, spójne i jednoznaczne. Niemniej jednak nie są one w wielu przypadkach stosowane, nie tylko przez wytwórców w przemyśle, ale także przez środowiska akademickie. W tej książce używamy obowiązujących oznaczeń zgodnych z przytoczoną normą.

Rys. 2.2. Oznaczenia materiałów narzędziowych wg ISO 513: 2014-05; pozostałe oznaczenia: CR – ceramika tlenkowa Al₂O₃ wzmacniana wiskerami, CA – ceramika tlenkowa Al₂O₃, CM – ceramika mieszana, CN – ceramika krzemowa Si₃N₄, CC – ceramika powlekana

Kres możliwości udoskonalania stali szybkotnących na dzień dzisiejszy chyba zakończył się po etapie wytwarzania ich za pomocą metalurgii proszków. Technologia ta, dzięki której brak segregacji twardych frakcji węglików pozwolił na zwiększenie ich ilości w stopie do 40%, zaowocowała nieco większą twardością stopu (67–69 HRC), w porównaniu z tradycyjnymi technologiami jego odlewania i przekuwania. Odporność temperaturowa dzisiejszych stali szybkotnących to zaledwie ok. 670°C, co nie pozwala na zastosowanie większych prędkości skrawania. Mimo stosunkowo złych właściwości skrawnych stali szybkotnącej jest ona jeszcze stosowana z uwagi na jej dużą wytrzymałość na zginanie i odporność na szoki mechaniczne i termiczne, a także ze względu na jej dobrą kształtowalność w stanie miękkim. Znajduje zastosowania w narzędziach trzpieniowych o małych średnicach, gwintownikach, narzynkach, a także narzędziach kształtowych, jak przeciągacze, frezy ślimakowe, dłutaki itp. Zwiększenie efektywności skrawaniem narzędziami ze stali szybkotnącej należy dziś przypisywać głównie powłokom przeciwzużyciowym.

Węgliki spiekane to w dalszym ciągu podstawowy materiał na narzędzia. Wykonuje się z niego ok. 50% ostrzy wszystkich narzędzi. Materiał ten w sposób optymalny, jak żaden inny, łączy w sobie takie bardzo pożądane ich cechy, jak duża odporność na ścieranie i stosunkowo dobre właściwości wytrzymałościowe.

Kilkanaście lat temu udało się wytworzyć ultradrobnoziarniste węgliki spiekane o wielkości ziarna około 0,3 μm, a dzisiaj o jeszcze mniejszej ziarnistości. Spowodowało to znaczący wzrost nie tylko twardości spieku, ale także jego wytrzymałości na zginanie, co do tamtego czasu było zjawiskiem przeciwstawnym, czyli w miarę zmniejszania się ziarnistości spieku rosła co prawda jego twardość, lecz malała wytrzymałość na zginanie, której to właściwości brakowało tym materiałom. Tak jak w przypadku stali narzędziowych również w przypadku węglików spiekanych w ostatnich latach nie pojawił się znaczący postęp w zwiększeniu ich właściwości skrawnych.

Cermetale powstały w czasach drugiej wojny światowej, gdy utrudniony był dostęp do złóż wolframu, który w postaci węglika WC był głównym składnikiem węglików spiekanych. Początkowo cermetal składał się z ziaren TiC, TiN, TiCN i nie zawierał WC. Obecnie cermetale w większości zawierają kilkanaście procent tego składnika, który podwyższa ich odporność na ścieranie. Cermetale swoimi właściwościami sytuują się między ceramiką a węglikami spiekanymi i dość dobrze sprawują się głównie podczas kształtowania stali w stabilnych warunkach obróbek wykończeniowych.

Podobny pogląd, co w przypadku rozwoju innych materiałów narzędziowych, można wyrazić w odniesieniu do ceramiki tlenkowej, mieszanej i azotkowej , , , , . Cały czas trwają usilne prace nad zwiększaniem ich odporności na kruche pękanie, szoki termiczne, a także nad zwiększanym wytrzymałości na zginanie. Jednak postępy na tym polu są bardzo umiarkowane. Ostrza w postaci wymiennych płytek z ceramiki stosowane są już od bardzo dawna. Natomiast próby zastosowania tych materiałów narzędziowych w monolitycznych narzędziach, takich jak wiertła lub frezy trzpieniowe, napotykały na utrudnienia z powodów małej ich wytrzymałości na zginanie oraz złego zachowywania się w warunkach małych prędkości skrawania, jakie występują w przypadku narzędzi o małych średnicach lub w pobliżu osi obrotu narzędzia. Zwiększenie wytrzymałości na zginanie i odporności na kruche pękanie materiałów ceramicznych spowodowało, że zaczęto ponownie oferować trzpieniowe frezy z tych materiałów . Na rysunku 2.3 przedstawiono monolityczny frez ceramiczny do obróbki superstopów na bazie niklu. Wytwarzany jest on w zakresie średnic od 6–12 mm.

Rys. 2.3. Frez trzpieniowy ceramiczny (Iscar)

Głównym nurtem rozwoju materiałów supertwardych, do których zaliczają się spieki diamentowe (DP) i z regularnego azotku boru (BN), są prace związane z udoskonalaniem technologii wiążącej ziarna tych materiałów. Produkowanych jest po kilkanaście gatunków spieków z tych materiałów. Różnią się one między sobą wielkością ziaren małych, średnich bądź dużych, procentowym udziałem frakcji twardych w spieku oraz materiałem lepiszcza.

W przypadku spieków diamentowych stosuje się ziarna o wielkości ~2 μm, ~10 μm, ~25 μm, a także frakcje mieszane, na przykład ziarna duże i małe, co pozwala na uzyskanie większej koncentracji twardych frakcji w spieku. Podstawowym lepiszczem jest kobalt, który ma bardzo dobre właściwości zwilżające ziarna, a także względnie wysoką temperaturę topnienia. Diament oprócz bardzo dużej twardości i związanej z nią odporności na ścieranie, a także możliwości nadawania kształtowanym nim powierzchniom nieomal lustrzanego wyglądu, ma niemal same wady, do których zaliczyć trzeba:

• powinowactwo do żelaza, niklu, które powoduje bardzo duże zużycie dyfuzyjne ostrzy podczas obróbki stopów zawierających te metale,

• niewysoką dopuszczalną temperaturę pracy (600–800°C) z uwagi na grafityzację, dyfuzję i utlenianie,

• bardzo małą wytrzymałość na zginanie,

• małą udarność,

• bardzo złą kształtowalność,

• wysoką cenę.

Mimo tych licznych wad DP jest on powszechnie stosowany w produkcji wielkoseryjnej, podczas kształtowania metali nieżelaznych oraz kompozytów.

Pewne możliwości rozszerzenia zastosowań diamentu do obróbki skrawaniem wiążą się z próbami powrotu do ostrzy z monokryształów tego materiału. Wynika to z dynamicznie rozwijających się metod syntezy diamentu. Obecnie oferowane są handlowo sztuczne diamenty o wielkościach nawet 10 × 10 mm .

Regularny azotek boru (boron nitrogen, BN) ma blisko dwukrotnie wyższą odporność temperaturową od diamentu, wynosząca ok. 1400°C. Stąd też, aby wykorzystać tę jego bardzo pozytywną cechę, do spiekania jego ziaren stosuje się nie tylko kobalt, ale także ceramikę Al₂O₃, TiCN, TiN, TiC . Koncentracja ziaren cBN w spieku może się zawierać w zakresie od 40–65% dla gatunków o małej koncentracji (BL) aż do 70–95% dla spieków o dużej koncentracji (BH). Wielkość ziaren cBN stosowanych w spiekach może się zawierać w przedziale 1–10 μm. Spieki drobnoziarniste charakteryzują się większą udarnością i są przeznaczone do skrawania przerywanego. Ponieważ spiekany azotek boru (polycrystalline, PcBN) ma kilkakrotnie większą wytrzymałość na zginanie od spieków diamentowych, dlatego też możliwe jest wykonywanie z tego materiału monolitycznych płytek wieloostrzowych, a nie tylko samych naroży w korpusach płytek węglikowych, jak to jest w przypadku spieków diamentowych. Brak reakcji chemicznych z takimi materiałami jak żelazo, nikiel czy kobalt, do temperatury 1350°C, powoduje jego dużą przydatność do obróbki wszelkich stopów żelaza, zwłaszcza znajdujących się w stanie zahartowanym. Jego kilkunastokrotnie większa odporność na ścieranie w porównaniu do węglików spiekanych powoduje, że bywa stosowany również tam, gdzie wymagane są długie nieprzerwane drogi skrawania, na przykład do wykończeniowej obróbki dużych powierzchni form, matryc, walców papierniczych. Bardzo duża przewodność cieplna spieków z materiałów supertwardych umożliwia stosowanie cieczy chłodząco-smarujących. Jest to korzystne nie tylko z uwagi na trwałość narzędzi i jakość obrabianych powierzchni, ale także ze względu na skuteczniejsze usuwanie wiórów, które podczas obróbek tymi ostrzami tworzą się w bardzo dużych ilościach. Mimo iż ceny ostrzy z azotku boru często przekraczają ceny ostrzy diamentowych, jednak ze względu na swoje zalety bywają chętnie stosowane.

Rys. 2.4. Wybrane właściwości spieków w zależności od objętościowej zawartości cBN oraz od: a) wielkości ziarna, b) rodzaju obrabianych materiałów (wg SECO)

Na rysunku 2.4 przedstawiono wybrane właściwości spieków PcBN w zależności od objętościowej zawartości cBN oraz od wielkości ziarna i rodzaju obrabianych materiałów.

Rys. 2.5. Obszar zastosowań narzędziowych materiałów supertwardych do obróbki różnych materiałów z uwzględnienia potencjalnej temperatury skrawania (wg Mapal)

Na rysunku 2.5 przedstawiono zakresy zastosowań materiałów supertwardych do obróbki różnych materiałów w zależności od temperatury występującej podczas efektywnego skrawania tych materiałów.

Obszar zastosowań materiałów narzędziowych do obróbki podstawowych grup materiałów metalowych zamieszczono na rys. 2.6.

Rys. 2.6. Obszar zastosowań materiałów narzędziowych do obróbki podstawowych grup materiałów metalowych (wg Mapal)

2.2. Powłoki przeciwzużyciowe

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone na ostrza cały czas są ulepszane i modernizowane. Co kilka miesięcy pojawiają się na świecie nowe bądź gruntownie zmodyfikowane ich wersje. Obecne powłoki do pracy z dużymi prędkościami lub do obróbek na twardo, a więc tam gdzie występują bardzo wysokie temperatury skrawania, wytrzymują temperatury rzędu 1300°C. Pozwala to z sukcesem obrabiać zahartowane materiały za pomocą ostrzy z węglików spiekanych.

Różne źródła podają, że ok. 65–80% wszystkich narzędzi stosowanych w produkcji masowej ma powłoki. Dotyczy to także narzędzi przeostrzanych, które mogą być repowlekane.

Istnieją dwie podstawowe metody nanoszenie powłok. Zdecydowaną większość stanowią powłoki nakładane technikami fizycznego osadzania (physical vapour deposition, PVD). W mniejszym zakresie nanosi się powłoki metodami chemicznymi (chemical vapour deposition, CVD).

Niezależnie od sposobu nanoszenia powłok ich głównym zadaniem jest ograniczenie zużycia ostrza przez:

• zmniejszenie współczynnika tarcia w strefie kontaktu narzędzia z wiórem i przedmiotem obrabianym,

• zwiększenie twardości warstw wierzchnich powierzchni roboczych narzędzia,

• stworzenie bariery dla wnikania ciepła w narzędzie,

• ograniczenie dyfuzji,

• zmniejszenie zmian chemicznych w warstwach wierzchnich ostrza.

Kolejnymi korzyściami stosowania powłok może być:

• zmniejszenie sił skrawania,

• obniżenie temperatury skrawania,

• zmniejszenie nagrzewania się narzędzia i przedmiotu obrabianego,

• zmniejszenie skłonności do tworzenie się narostu,

• zmniejszenie chropowatości obrobionych powierzchni,

• ułatwienie transportu wiórów w rowkach wiórowych,

• możliwość skrawania bez konieczności stosowania płynów obróbkowych,

• znaczne zwiększenie okresu trwałości narzędzi lub alternatywnie korzystniejsze zwiększenie okresowej prędkości skrawania,

• ułatwienie wizualnej oceny stanu zużycia ostrza, jeśli zewnętrzna warstwa powłoki ma barwę różniącą się od podłoża, na przykład w kolorze złotym wykonaną z TiN,

• znaczne rozszerzenie uniwersalności zastosowań ostrzy wykonanych z takich materiałów narzędziowych jak: stale szybkotnące, węgliki spiekane i cermetale itp.

Przyjmuje się, że w wyniku nałożenia powłoki zwiększenie trwałości ostrza wzrasta co najmniej o 100%. Im bardziej wytężone warunki pracy, w których narzędzia niepowlekane pracują w okolicach swoich maksymalnych dopuszczalnych temperatur, tym zastosowanie powłok jest bardziej efektywne. Efektywność jest także tym większa, im droższe jest narzędzie, bowiem koszt powlekania jest niezależny od jego ceny. Przeciętnie koszt naniesienia powłoki stanowi w dużym przybliżeniu ok. 30% ceny narzędzia.

Nie wchodząc w szczegóły, różnice między właściwościami powłok nanoszonych metodami PVD i CVD przedstawiono w tab. 2.1.

Powleka się ostrza wykonywane niemal ze wszystkich materiałów. Na powłoki jedno- lub wielowarstwowe stosuje się rozmaite materiały: węgliki tytanu, azotki tytanu, węglikoazotki tytanu, chrom, ceramikę, regularny azotek boru, a także inne związki o dużej odporności na ścieranie, zwłaszcza w wysokich temperaturach. Czasami, jako jedną z warstw powłoki stosuje się miękki materiał, którego zadaniem jest blokada kruchych pęknięć inicjowanych w twardych warstwach lub tworzenie związków w wysokich temperaturach o małym współczynniku tarcia.

Stosuje się także powlekanie ostrzy ze spieków z regularnego azotku boru, a także ceramicznych. Pojawiają się też próby powlekania ostrzy węglikowych powłokami z regularnego azotku boru. Od wielu lat stosowane są powłoki diamentowe nakładane na ostrza z węglików spiekanych. W ostatnich czasach pojawiły się także one w odmianie, w której nakładanych jest naprzemiennie wiele warstw diamentu ultradrobnoziarnistego i drobnoziarnistego. Polepsza to właściwości mechaniczne całej powłoki i stwarza możliwości zwiększenia jej grubości.

Tabela 2.1. Właściwości powłok nanoszonych metodami PVD i CVD

-------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------
PVD CVD
niższe temperatury nanoszenia (zazwyczaj ~500°C) wyższe temperatury nanoszenia (zazwyczaj ~1000°C)
cieńsze powłoki grubsze powłoki
większa udarność większa odporność na ścieranie zwłaszcza na powierzchni przyłożenia
mniejsze promienie zaokrąglenia krawędzi większe promienie zaokrąglenia krawędzi
korzystne naprężenia ściskające w powłoce niekorzystne naprężenia rozciągające w powłoce
możliwość stosowania małych grubości warstwy skrawanej nadaje się do obróbek kształtujących i zgrubnych
-------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------

Powłoki diamentowe nanoszone na ostrza mają zastosowanie podobne jak ostrza diamentowe, a więc głównie do metali nieżelaznych lub kompozytów, do których obróbki zaleca się stosować małe promienie zaokrąglenia krawędzi rn. Natomiast ostrza węglikowe powlekane powłokami diamentowymi mają niekorzystnie te promienie powiększone co najmniej o wartość grubości powłoki (rys. 2.7). Bywa, że powłoki w takich przypadkach nanosi się o zmniejszonej grubości nawet rzędu 1 μm. Jednak powłoka to czysty diament bez fazy wiążącej i w związku z tym nie ma tendencji do sczepień adhezyjnych, jakie mogą pojawić się między kobaltową fazą wiążącą spieku a materiałem obrabianym.

Znaczna część narzędzi jest regenerowana przez ostrzenie. Można tego dokonywać od strony powierzchni przyłożenia lub natarcia, a także z obu stron jednocześnie. Wiele doniesień sugeruje, że gdy ostrza mają powłokę, wówczas usunięcie jej podczas ostrzenia tylko z jednej powierzchni, natarcia lub przyłożenia, pozwala na nadspodziewanie dobre zachowanie zdolności ochronnych ostrza. Potwierdza to także praktyka usuwania powłoki z powierzchni natarcia ostrzy przeciągaczy po naniesieni jej na całym narzędziu. Co prawda robi się to z innych powodów, a mianowicie aby zmniejszyć promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej, niekorzystnie powiększonej dzięki naniesionej powłoce. Ostrza wykończeniowe tych narzędzi zdejmują bardzo cienkie warstwy i wówczas może być zakłócony proces oddzielania materiału i uzyskiwania gładkich powierzchni. Niemiej jednak takie przygotowanie ostrza pozwala zachować zadowalające zmniejszenie intensywności jego zużycia.

Rys. 2.7. Widok przekroju ostrza: a) z wielowarstwową powłoką diamentową, b) zwiększony promień zaokrąglenia krawędzi w wyniku naniesionej powłoki (CC Dia®Tiger CameCom)

Często uważa się , , że jeśli podczas regeneracji narzędzie nie musi być przeostrzane, na którejś z powierzchni roboczych ostrza, to grubość naniesionej na tę powierzchnię powłoki może być większa od optymalnej. Dopuszcza się w takich przypadkach 3–4-krotne nanoszenie powłoki jednej na drugą. Większa krotność nanoszonych powłok jest niekorzystna i przed dalszym powlekaniem należy stare warstwy usunąć. Dokonuje się tego we względnie prosty sposób, na przykład za pomocą wody utlenionej o odpowiednim stężeniu i temperaturze. Czasami powłoki na węglikach spiekanych usuwa się, wspomagając ten proces elektrochemicznym roztwarzaniem .

Ostrzenie narzędzi zleca się najczęściej producentowi bądź wyspecjalizowanej firmie, które przy okazji oferują ich repowlekanie, a także podejmują się właściwego przygotowania narzędzi do ponownego nakładania powłok. Samodzielna regeneracja narzędzi o specjalnie modyfikowanych geometriach i wymaganej bardzo dużej precyzji ostrzenia w większości przypadków jest trudna do wykonania bez specjalnych szlifierek i oprogramowań.