Nástroje na třískové obrábění

Obrábění slitin na bázi niklu

Tak, kde dochází k vysokému tepelnému a mechanickému zatížení - jak tomu je u celé řady komponent používaných v leteckém a kosmickém průmyslu, v automobilovém nebo energetickém průmyslu - se často používají komponenty ze slitin na bázi niklu. 

Co to jsou slitiny na bázi niklu?

Slitiny na bázi niklu jsou materiály, jejichž základní součást, těžký kov nikl, se vyrábí slučováním s minimálně jedním dalším chemickým prvkem (většinou metodou tavení). Používají se slitiny niklu a mědi, niklu a železa, niklu, železa a chromu, niklu a chromu, niklu, molybdenu a chromu, niklu, chromu a kobaltu, nízkolegované slitiny niklu (s až 99,9 % podílem niklu) a jiné vícesložkové slitiny. 

Tvárné slitiny a slévárenské slitiny

Obecně rozlišujeme dvě skupiny slitin na bázi niklu: tvárné slitiny a slévárenské slitiny. Tvárné slitiny se používají v oblasti výroby turbín na disky a lopatkové kruhy a díky svým vlastnostem jsou vhodné pro teplotní rozsah do 730 stupňů Celsia. Slévárenské slitiny se používají zejména na výrobu komponent s vysokým tepelně-mechanickým zatížením a s komplexní geometrií. Přitom se komponenty odlévají ve tvaru podobném finálnímu produktu s polykrystalickou strukturou a pouze nepatrně se mechanicky obrábějí. 

Vlastnosti slitin na bázi niklu

Zvláště rozšířené slitiny niklu s chromem se vyznačují extrémní žáruvzdorností až do 750 stupňů Celsia, jsou tudíž schopny odolávat trvalému zatížení blížícímu se bodu tavení. Současně vykazují vysokou roztažnost a pevnost i nízkou tepelnou vodivost a současně dobrou tvářitelnost za studena a vysokou antikorozní odolnost. Nízká hustota, vysoká chemická odolnost a vysoká otěruodolnost vytvářejí ze slitin zajímavé řešení pro oblast vysokých teplot, při jejichž působení jsou hliník a ocel nestabilní.

Právě tyto dobré procesní vlastnosti slitin naopak ztěžují jejich mechanické obrábění: V případě krátké životnosti nástroje lze využívat pouze relativně nízkých řezných rychlostí. Při obrábění hliníku pomocí TK nástrojů bez povlaku činí běžná životnost nástrojů několik dnů, v případě obrábění tvárné litiny tato životnost klesá na zhruba jednu hodinu a při obrábění slitin na bázi niklu se životnost pohybuje mezi pěti až deseti minutami. 

Řezné materiály na slitiny na bázi niklu

Rychlořezná ocel

Rychlořezná ocel („High-Speed-Steel (HSS)“) se při obrábění slitin na bázi niklu používá na základě své vysoké houževnatosti pro operace s přerušovaným řezem, jako je frézování, řezání závitů, protahování a drážkování. Při obrábění slitin na bázi niklu lze využívat řezných rychlostí v rozsahu od 5 do 10 m/min. Posuvy na zub lze díky hodnotám houževnatosti HSS od 0,1 do 0,16 mm volit relativně vysoké.

Tvrdokov

Tvrdokovy (TK) se skládají z metalických karbidů, zpravidla z karbidu wolframu, které jsou uloženy v měkkém metalické pojivu a patří tak ke kompozitním materiálům. Zpravidla se materiály z tvrdokovu používají pro obrábění slitin na bázi niklu se srovnatelně nízkými řeznými rychlostmi činícími 20 až 40 m/min.. Vyšší řezné rychlosti způsobují rychlé přetížení řezného materiálu a ve většině případů tak neumožňují dosáhnout požadované procesní bezpečnosti. 

Nitrid boru

Kubický nitrid boru (cBN) je po diamantu druhým nejtvrdším známým materiálem. Je tudíž tvrdší, otěruodolnější a dražší než řezná keramika. Na základě vlastností cBN lze při soustružení dosahovat vysokých řezných rychlostí. Při frézování slitin na bázi niklu se cBN nepoužívá. Při soustružení Inconelu 718 ovšem již využití nachází. Doporučujeme zvolit rozsah řezných rychlostí od 400 m/min. do 600 m/min.. V přímém porovnání s TK nástroji opatřenými povlakem TiAlN vykazuje cBN v případě řezné rychlosti vc = 50 m/min. o 100 procent delší životnost. Pro dokončovací soustružení nestabilních struktur představuje cBN v průmyslových provozech první volbu. 

Řezná keramika

Řezné keramiky se slinují z keramických prášků bez přidávání pojiv. Norma DIN ISO 513 rozděluje řezné keramiky do pěti skupin:

CA = řezná keramika, hlavní součástí je oxid hlinitý (Al2O3)

CM = směsná keramika, hlavní součástí je oxid hlinitý (Al2O3), společně s jinými komponentami než jsou oxidy

CN = keramika na bázi nitridu křemíku, hlavní součástí je nitrid křemíku (Si3N4 )

CR = whiskery vyztužená keramika, řezná keramika, hlavní součástí je oxid hlinitý (Al2O3)

CC = řezná keramika, veškeré výše uvedené keramiky, ovšem povlakované

Keramické nástroje si zachovávají svoji tvrdost i při vysokých teplotách, které vznikají při frézování žáruvzdorných superslitin (HRSA). Tím lze ve srovnání s TK nástroji dosáhnout 20násobné až 30násobné rychlosti.

Keramické řezné materiály se původně používaly při soustružení. Tepelné zatížení zůstává při soustružení relativně stabilní. Při frézování oproti tomu teplota na břitu kolísá, protože se jedná o přerušovaný řez. Náhlé změny teplot v důsledku tření a rychlého ochlazování zatěžují břit. Aby se zabránilo tepelnému šoku způsobenému ochlazováním nástroje, při frézování pomocí keramických břitů se nepoužívají chladiva. Keramiky SiAlON (silikon alumina nitrid) jsou obecně méně citlivé na teplotní výkyvy než whiskery vyztužené keramiky. Pro frézování tudíž představují lepší volbu. 

Základním předpokladem pro frézování pomocí keramických břitů jsou vysokorychlostní frézky, které jsou schopné urychlit vřeteno místy až na 10.000 ot./min., což představuje dodatečné zatížení pro používané nástroje.

Zatímco se nástrojové systémy s keramickými vyměnitelnými břitovými destičkami vyskytují na trhu v různorodých variantách a používají se při průmyslovém obrábění, frézy do průměru 16 mm nejsou z výše uvedených důvodů dosud tolik rozšířeny. Zde dlouhou dobu neexistovala alternativa k nástrojům z rychlořezné oceli a tvrdokovu.

Vedle chemického opotřebení vyvolaného působením teploty se u keramických řezných materiálů často vytvářejí nárůstky: V žáru, který vzniká v oblasti obrábění, se tvoří kovové páry, které tavením splývají s povrchem řezného materiálu - při uvolňování se mohou odlupovat části keramiky.