Artykuł ten pochodzi z wortalu highspeedmachining.eu, który zostaje niejako włączony całościowo w procestechnologiczny.com.pl.

Na wstępie pragnę podziękować dr inż. Joannie Kossakowskiej (Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem ITW WIP PW) za bycie współautorką tego wpisu. Mam nadzieję, że współpraca będzie się rozwijać.

Obróbki szybkościowe (HSM/HSC) zawdzięczają swoje możliwości dzięki rozwojowi w obszarze konstrukcji obrabiarek (korpusy, wrzeciona, napędy wzdłużne) oraz narzędzi skrawających (narzędzia HSM – materiały, oprawki narzędziowe). Współcześnie dominują trzy odmiany obróbek szybkościowych, a mianowicie:

• HSM/HSC – ang. High Speed Machining / High Speed Cutting,
• HPM – ang. High Performance Machining
• HFM – agn. High Feed Machining

Narzędziom HSM stawiane są następujące wymagania:

• wysoka twardość,
• duża sztywność,
• wytrzymałość na wysokie temperatury,
• wyrównoważenie masowe.

Narzędzia HSM – w przypadku rozwoju narzędzi skrawających dedykowanych dla obróbek szybkościowych za kluczowe należy uznać rozwój w zakresie materiałów narzędziowych oraz zdolności technologicznych do ich wytwarzania w ujęciu dokładności wymiarowych. Wymagana jest precyzja wykonania, która jest powiązana m.in. z wyrównoważeniem masowym narzędzia, co ma znaczenie przy tak wysokich prędkościach obrotowych (ok. 58.000 obr/min, a w przypadku mikroobróbki szybkościowej wrzeciona zapewniają prędkość obrotową rzędu 100.000 obr/min).

Narzędzia HSM mogą występują jako monolityczne (frezy o średnicy do Ø10-12 mm) i jako narzędzia składane (frezy powyżej 12 mm oraz narzędzia tokarskie) są stosowane w zakresie obróbek typu HSM/HSC i HPM. Narzędzia monolityczne wytwarzane są z drobnoziarnistych węglików spiekanych, na które są nanoszone uszlachetniające warstwy – za przykład posłuży drobnoziarnisty węglik typu 1610 odporny na wysokie temperatury, stosowany przez firmę Sandvik. Węglik ten po uformowaniu pokrywany jest warstwą TiCN metodą PVD.

Ilustracja 1. Płytka do CoroMill 419 firmy SANDVIK.

Płytki (ilustracja 1) do narzędzi składanych produkowane są z takich materiałów jak:

• węglików spiekanych odpornych na wysoką temperaturę (zastosowanie do HSC oraz HFM),
• spieków ceramicznych (zazwyczaj do HPC),
• CBN/PCBN (zazwyczaj do obróbki HSC stali hartowanych).

Narzędzia HSM – materiały

Za jeden z najtwardszych materiałów na świecie uznawany jest sześcienny azotek boru (ang. CBN – Cubic Boron Nitride) o strukturze zbliżonej do struktury diamentu. Cechuje się:

• wysoką przewodność cieplną,
• wysoką twardość na gorąco,
• dobrą stabilność termiczną,
• małą reaktywnością z żelazem (obróbka stali, w tym utwardzanej powyżej 45 i 60 HRC)

Wadą są wysokie koszty wytworzenia – technologia bazuje na metodzie przeznaczonej do otrzymywania sztucznych diamentów (wysokie ciśnienie i wysoka temperatura).

Na bazie proszku CBN produkowany jest PCBN (ang. Polycrystalline Cubic Boron Nitride), w którym flepiszczem mogą być m.in.: Co, Ni, TiC, TiN, Al2O3. Różne odmiany PCBN uzyskuje się poprzez różnicowanie zawartości CBN w PCBN od 50% (obróbka wykańczająca) do 90% (HSM/HSC – obróbka przerywana oraz kształtująca – m.in. stopy niklu, chromu, stale hartowane, spieki metali).

Wytwarzane są również materiały ceramiczne (niemetalowe) które cechują się:

• wysoką odporność na zużycie zmęczeniowe oraz ścierne,
• wysoką twardością na gorąco.

Na rynku występują obecnie dwa dwa główne materiały: tlenek glinu (Al2O3) i azotek krzemu (Si3N4).

Tlenek glinu, zalety: stabilność chemiczna, małe powinowactwo względem żelaza, małe zużycie dyfuzyjne, odporność na utlenianie, niewielkie naprężenia wewnętrzne, utrudniona adhezja. Wady: mała wytrzymałość, niewielka przewodność cieplna, mała odporność na szok termiczny, występujące kruche pękanie.

Azotek krzemu, zalety: większa względem tlenku glinu wytrzymałość na szok termiczny, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Narzędzia na bazie tlenku aluminium stosuje się w obróbce HSM/HSC stali, a na bazie azotku krzemu do obróbki żeliw.

Hubrydowy materiał narzędziowy łączący azotek krzemu i tlenek glinu – tzw. sialon. Zalety: wysoka twardość, wytrzymałość na kruche pękanie, mała rozszerzalność termiczna.

Narzędzia wykorzystujące jako bazowy materiał sialon dedykowane są do obróbki zgrubnej żeliwa i stopów niklu.

Cermetale to materiały narzędziowe powstające na bazie głównie TiC z dodatkiem niklu, kobaltu, molibdenu. Zalety: chemiczna stabilność, wysoka odporność na zużycie, odporność na kruche pękanie.

Cermatele zalecane są do obróbki HSM/HSC stopów stali i żeliw.

Ceramika zbrojona – do proszku tlenku glinu przed prasowaniem formującym na gorąco dodawane jest do 25% włókien węglika krzemu (SiC) o średnicy około 2 μm i długości ok 20 μm (tzw. ang. whiskers). Dodane włóka zwiększają odporność na wysoką temperaturę, nagłe zmiany temperatur oraz polepszają trwałość.

Narzędzia na bazie ceramiki zbrojonej zaleca się do obróbki stopów żaroodpornych, stali utwardzanej, żeliwa stopowego z prędkością skrawania nawet powyżej 1000 m/min.

Pokrycia

Narzędzia HSM  mają nanoszone pokrycia w celu poprawienia ich właściwości skrawnych i wytrzymałościowych. Stosuje się jednocześnie wiele powłok nałożonych jedna na drugą, które razem nadają pożądane właściwości lub wzmacniają już te istniejące (odporność na wysokie temperatury, wytrzymałość na kruche pękanie i złamania). Istotnym warunkiem jest zapewnienie właściwego powiązania między materiałem bazowym a nakładanymi powłokami.

Najczęściej stosowanymi pokryciami są: TiN (azotek tytanu), TiCN, TiAlN.

TiN – poprawie wytrzymałość na zużycie (trwałość narzędzia), przeciwdziałanie tworzeniu się narostów. TiCN to większa względem TiN twardość co pozwala na obróbkę z prędkościami i posuwami roboczymi większymi, odpowiednio o 40% i 60%. TiAlN poprawia właściwości skrawne w bardzo wysokich temperaturach, co predysponuje do obróbki bez stosowania chłodziwa (tzw. obróbka na sucho).

Stosowane są i inne pokrycia, np. NbN i CrN (związki azotu), czy DLC (ang. Diamond like Carbon) i CBN. Pokrycia te cechują się przede wszystkim bardzo dobrą stabilność termiczną w środowisku rosnącej temperatury, co predysponuje je do zastosowania w obróbkach szybkościowych.

Oprawki HSK

Ilustracja 2. Rozwiązania HSK (dzięki uprzejmości firmy SANDVIK)

Konstrukcja oprawek typu HSK w podjętym zagadnieniu obróbek szybkościowych umożliwiła:

• obróbkę przy wysokich prędkościach obrotowych,
• zwiększenie statycznej i dynamicznej sztywności połączenia narzędzia i wrzeciona,
• poprawę dokładności i powtarzalności połączenia narzędzia i wrzeciona,
• zmniejszenie masy oraz długości narzędzia,
• skuteczniejsze przenoszenie momentów obrotowych (zgodnie z charakterystykami),
• otrzymanie lepszej wibrostabilności UOPN.

Przy bardzo dużych prędkościach obrotowych kluczowym zagadnieniem staje się właściwe wyważenia oprawki narzędziowej wraz z narzędziem. Brak spełnienia tego warunku, czy wystąpienie braku koncentryczności narzędzia względem wrzeciona prowadzi z reguły do:

• gorszych parametrów jakościowych powierzchni obrobionej,
• destabilizacji procesu obróbkowego,
• skrócenia okresu trwałości narzędzia,
• wystąpienia niekorzystnych warunków pracy napędu głównego.

Brak wyważenia wynika przeważnie z przesunięcia masy względem osi wrzeciona (środek ciężkości zespołu oprawki narzędziowej i narzędzia HSM nie znajduje się na osi wrzeciona).

Źródła:

1. Galewski M., Rozprawa doktorska. Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona, Politechnika Gdańska 2007
2. Honczarenko J, Obrabiarki sterowanie numeryczne, WNT 2008
3. Morek R., Obrabiarki HSM, STAL Metale & Nowe Technologie, 7-8/2012
4. Morek R., Optymalizacja zgrubnej obróbki objętościowej, MM Magazyn Przemysłowy 10 (151)/2015
5. Kopac J., Advanced tool materials for high-speed machining, 12th International Scientific Conference Achievements in Mechanical & Materials Engineering, AMME 2003
6. Sugihara T., Enomoto T., High Speed Machining of Inconel 718 Focusing on Tool Surface Topography of CBN Tool, Procedia Manufacturing, Volume 1, 2015, str. 675–682
7. Liu Zhanqiang, AI Xing, Cutting tool materials for high speed machining, PROGRESS IN NATURAL SCIENCE Vol. 15, No. 9, 2005
8. Materiały handlowe firmy GF Machining Solutions
9. Materiały handlowe firmy ISCAR
10. Materiały handlowe firmy Sandvik
11. Materiały handlowe firmy SECO
12. Materiały handlowe KENNAMETAL