Narzędzia skrawające: specjalne materiały i powłoki

narzędzia skrawające © Pixabay

Udostępnij:

Poszukiwanie przed producentów z różnych gałęzi przemysłu coraz wytrzymalszych materiałów stanowi dla branży narzędziowej spore wyzwanie. Narzędzia skrawające muszą bowiem coraz częściej radzić sobie z bardzo twardymi i niepodatnymi na obróbkę przy użyciu standardowych narzędzi detalami. W efekcie równolegle z ewolucją obecnych materiałów obrabianych i pojawianiem się nowych ma miejsce dynamiczny rozwój materiałów, z których wytwarzane są same narzędzia skrawające.

Nie tylko wzrost wydajności, wydłużenie żywotności, obniżenie kosztów produkcji czy poprawa efektywności energetycznej stoją za zmianami zachodzącymi w ostatnim czasie w branży narzędziowej. Modyfikacje oferowanych produktów z tego sektora bardzo często są też efektem konieczności dostosowania się przez ich producentów do nowych potrzeb rynkowych związanych z pojawianiem się nowych, bardziej zaawansowanych typów materiałów konstrukcyjnych.

Gdy węglik spiekany już nie wystarczy

Obecnie najczęściej stosowanym materiałem, z którego wytwarzane są narzędzia skrawające, jest węglik spiekany. Jego charakterystyka sprawia, że narzędzia VHM (w całości wykonane z węglików spiekanych) dobrze radzą sobie z obróbką wielu różnorodnych materiałów i wysoką temperaturą (do 850°C), a także zapewniają dużą prędkość skrawania. Innym, równie często wykorzystywanym tu materiałem jest stal szybkotnąca, która również zapewnia wysokowydajną obróbkę, jednak przy nieco niższych maksymalnych temperaturach (do 600°C).



Coraz częściej mamy jednak do czynienia z sytuacjami, w których narzędzia skrawające wykonane z wyżej wymienionych materiałów nie zapewniają odpowiednich parametrów skrawania albo wręcz nie są w stanie wykonać danego rodzaju obróbki. Problemy mogą pojawić się przy twardych odmianach stali, stali nierdzewnej bądź kwasoodpornej, aluminium, stopach tytanu bądź niklu oraz coraz popularniejszych materiałach kompozytowych.

Odpowiedzią branży narzędziowej jest poszukiwanie jeszcze bardziej zaawansowanych stopów, które zapewnią lepsze właściwości skrawania i wyższą trwałość narzędzi. W efekcie powstają nowe gatunki węglików spiekanych, które mogą być wykorzystywane do realizacji trudniejszych, najbardziej specjalistycznych procesów. Do produkcji bardziej wytrzymałych narzędzi obróbczych stosuje się także takie supertwarde materiały jak borazon (CBN, regularny azotek boru), diament polikrystaliczny (PCD) czy ceramika. Materiały te zapewniają narzędziom dużo większą twardość oraz  trwałość i z powodzeniem mogą być stosowane w wielu branżach w szeregu różnorodnych procesów obróbczych.

Supertwarde powłoki są jednym z najpopularniejszych rozwiązań stosowanych obecnie przez branżę narzędziową. W celu zwiększenia twardości i żywotności narzędzi stosuje się powłoki na bazie azotków, węglików czy węglikoazotków różnych pierwiastków, np. glinu, krzemu czy chromu. Bardzo dobre opinie mają także powłoki na bazie związków tytanu (np. TiN – powłoka z azotku tytanu, TiCN – powłoka z węglikoazotku tytanu czy TiAlN – powłoka z azotku tytanu glinu). Grupa specjalnych powłok, które nadają narzędziom lepsze właściwości tnące, jest jednak znacznie większa i z pewnością to w tym kierunku rozwijać się będzie rynek narzędzi skrawających. Tradycyjnie stosuje się tu dwie metody nakładania powłok: PVD – nanoszenie powłok w postaci fizycznego osadzania cienkich warstw z fazy gazowej, a także CVD – chemiczne osadzanie cienkich warstw z fazy gazowej, które znacząco zwiększa odporność narzędzi na zużycie ścierne.

Kompozytem w kompozyty

Do materiałów, których obróbka stanowi obecnie największe wyzwanie, z pewnością należą różnego rodzaju kompozyty, które ze względu na swoje właściwości (m.in. dobry stosunek wytrzymałości do masy czy odporność na wymagające warunki środowiskowe) są coraz częściej stosowane przez producentów z różnych branż. Problemy związane z ich obróbką wynikają przede wszystkim z ich niejednorodnej struktury oraz stosowania różnych materiałów wzmacniających, takich jak np. grafit, szkło czy korund. Ponieważ są to materiały o dużej twardości, wykorzystywanie do ich obróbki tradycyjnych narzędzi prowadzi do ich szybkiego zużycia ściernego. Ponadto bardzo często podczas procesów obróbczych dochodzi do rozwarstwienia materiałów kompozytowych w obrębie miejsca skrawania, co prowadzi do zmniejszenia trwałości materiału.

Dlatego też materiały kompozytowe wymagają stosowania specjalistycznych narzędzi. W przypadku np. kompozytów z domieszką włókna węglowego zalecanym rozwiązaniem są narzędzia z diamentu polikrystalicznego (PCD) lub węglików spiekanych z naniesioną dodatkową powłoką diamentową. PCD to również materiał kompozytowy, w skład którego wchodzą mikronowej wielkości cząsteczki diamentu z metalicznym spoiwem osadzone na warstwie z węglika spiekanego. Materiał ten wyróżnia się wysoką odpornością na ścieranie i wykruszanie oraz zapewnia wysokie prędkości cięcia i posuwu, choć jego słabością jest niska stabilność chemiczna w wysokich temperaturach.

Kompozyty są tym kierunkiem, w którym coraz chętniej podążają producenci narzędzi skrawających. W ofercie rynkowej można znaleźć coraz więcej narzędzi wykonanych z różnych typów kompozytów. Jednym z przykładów może być cermet, czyli kompozyt spieczony z materiałów ceramicznych i metalowych. Metalem, który stanowi do ok. 20% objętości cermetu, jest najczęściej nikiel, molibden bądź kobalt. Stanowi on spoiwo dla tlenków, borków czy węglików. Z kolei materiały ceramiczne zapewniają odpowiedni poziom twardości oraz ognioodporności. Dokładne właściwości cermetu zależą od udziału poszczególnych składników. Do jego zalet należą także niższe koszty wytworzenia oraz równe powierzchnie po wykonanym skrawaniu.

Ważny nie tylko materiał narzędzia skrawającego

Producenci narzędzi inwestują nie tylko w nowe materiały czy powłoki. Równie istotna jest sama konstrukcja narzędzia, w tym np. geometria ostrza. Zmiany w tym zakresie również wpływają na parametry obróbki określonych materiałów. Zmiana geometrii narzędzia, jego wielkość, ale i kształt, aktywnie zmieniają przepływ odkształconego materiału. Okazuje się bowiem, że np. okrągłe płytki mają większość wytrzymałość niż płytki kwadratowe, a te z kolei charakteryzują się lepszymi parametrami niż narzędzia o kształcie rombu. Jednak lepsza wytrzymałość nie zawsze idzie w parze z innymi cechami. Płytki o kształcie rombu są w stanie wykrawać dużo bardziej skomplikowane profile od narzędzi okrągłych.



Obróbka jakich rodzajów materiałów stanowi największe wyzwanie?
Lech Wyród, YG-1Wszelkie trudności przy obróbce materiałów wynikają ze składu danego stopu metali. Jednak wiemy, jak sobie z nimi radzić. Według mnie największym wyzwaniem jest wiercenie otworów w płytach składających się z połączonych ze sobą na przemian warstw różnych stopów metali (np. tytanu czy aluminium) z warstwami CFRP (materiał kompozytowy zbrojony włóknem węglowym z polimerową osłoną). W tym przypadku trzeba bowiem pogodzić sprzeczne wymagania warstw składowych, unikając delaminacji, przypalenia lub uszkodzenia CFRP metalowymi wiórami.

Lech Wyród, Menedżer Produktu Narzędzia Składane, YG-1 Poland


 

Udostępnij:

Drukuj



Wojciech Traczyk




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również