Obrábění slitiny AlSi1Mg0,5Mn nástroji s progresivními tenkými vrstvami Antonín Kříž, Miroslav Zetek, Jan Matějka, Josef Formánek, Martina Sosnová, Jiří Hájek, Milan Vnouček Příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu FST – ZČU v Plzni. Prezentace příspěvku, který na straně 380 je k dispozici na www.ateam.zcu.cz
Obrábění hliníku a jeho slitin – přístup k problematice Doc. L. Bumbálek ve svém příspěvku »Vlastnosti povrchové vrstvy slitiny ALCu4Mg1po soustružení, frézování a broušení« na str. 318 uvádí: „Hliník a jeho slitiny patří do skupiny »problémových« materiálů z hlediska obrábění ….“
Obrábění hliníku, jeho slitin vyžaduje zcela odlišný přístup v porovnání s nástroji pro obrábění oceli nebo litiny. Z těchto důvodů je nutno vytvořit optimální pracovní podmínky zejména z hlediska použitého řezného materiálu, tvarů a typů použitých obráběcích nástrojů, jejich geometrie břitů a aplikaci tenkých vrstev. Charakteristický strukturní stav lité hliníkové slitiny
Aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích 2/21
Obrábění hliníku a jeho slitin – problém Vytváření nárůstku
Tvar, velikost a odvod třísek
Jakost obrobené plochy
3/21
Obrábění hliníku a jeho slitin – řešení U hliníkových slitin, kde je nebezpečí vytváření nežádoucích nárůstků na břitu nástroje jsou aplikovány kluzné vrstvy, popř. takové, které nepodporují jeho vznik.
Vrstva Rozhraní Substrát
4/21
Typy třísek hliníkové slitiny AlMg2,5 vytvořených při frézování za sucha bez DLC a s DLC
Vlastní experiment Obráběný materiál: AlSi1Mg0,5Mn Vyměnitelné břitové destičky typu TH10 Laboratorní testy byly realizovány na etalonech z K20 Analyzované vrstvy
5/21
Specifikace vrstvy
Celková tloušťka vrstvy [µm]
1
Speciální kluzná vrstva
0,90
2
Uhlíková kluzná vrstva + adhezní (kotvící) vrstva
1,75
3
Nanokompozitní vrstva zakončená kluznou vrstvou
1,26
4
Monovrstva
2,00
Obráběný materiál - slitina AlSi1Mg0,5Mn Měření chemického složení metodou GD-OES Kontrola nejen chemického složení, ale rovněž homogenity obráběného materiálu.
Hloubkový koncentrační profil získaný metodou GD-OES 6/21
Obráběný materiál - slitina AlSi1Mg0,5Mn Chemické složení vyplývající z měření GD-OES Prvek celkový průměr [%] Prvek celkový průměr [%]
Al
Si
Mg
Mn
Fe
O
97,974
0,763
0,534
0,452
0,002
0,055
N
P
S
Cu
Zn
Cr
0,050
0,033
0,020
0,019
0,022
0,016
Pravidelně rozmístěné eutektické útvary (Al-Si) osazené po hranicích zrn původního tuhého roztoku α + velice drobné částice precipitátu vyloučené uvnitř zrn. 7/21
Kontrola homegenity měřením tvrdosti dle Brinella Vzorek
HB
Vzorek
HB
Vzorek
HB
Vzorek
HB
Vzorek
HB
Vzorek
HB
1-1
51,8
2-1
50,5
3-1
49,6
4-1
50,5
5-1
51,4
6-1
51,8
1-2
48,3
2-2
50,5
3-2
50,9
4-2
50
5-2
51,8
6-2
51,4
1-3
50,9
2-3
50,9
3-3
51,4
4-3
51,4
5-3
50,9
6-3
49,6
1-4
51,4
3-4
50,5
4-4
50
3-5
51,4
4-5
51,4
8/21
Rozmístění vtisků při stanovení tvrdosti dle Brinella
Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Scratch test – vrypová zkouška
Scratch test - Kritická zatížení Lc [N]
60
50
40 Lc1 [N] Lc2 [N]
Lc [N] 30
Lc3 [N] Ls [N] 20
10
0
Vrstva 1
Vrstva 2
Vrstva 3
Vrstva 4
Všechny vrstvy dosahují dobrých adhezivně kohezivních vlastností. Nejlépe se jeví vrstvy 2 a 1, které svým charakterem porušování a dosaženými hodnotami kritických zatížení převyšují zbylé dvě vrstvy. 9/21
Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Tribologická analýza Vrstva č. 1
Vrstva č.2
Vrstva č.4
Vrstva č.3
1,00 0,90 0,80
Friction coef.
0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
TRACK [km]
Záznam koeficientu tření v závislosti na testované dráze: r=3,5mm; F=10N; BALL = Si3N4; v=8,25cm/s; n=5000cyklů 10/21
Laboratorní analýzy popisující vlastnosti tenkých vrstev Model tribologického testu simulujícího podmínky při obrábění Cílem této simulace je charakteristika tribologického chování a mechanismu opotřebení, čímž se dají vybrat vhodné tenké vrstvy na nástroje pro obrábění různých materiálů. Testovaný systém
Obráběný materiál
„PIN“ tělísko ve formě válečku pro modelový tribologický test, na který se nadeponuje sledovaná vrstva.
11/21
Model tribologického testu simulujícího podmínky při obrábění Hodnocení stavu kontaktní plochy
„Řezná hrana“ (váleček) „bez vrstvy“ Detail „řezné hrany“ u systému s vrstvou č. 1 Výsledky tohoto testu v sobě zahrnují nejen vznik nárůstku, ale rovněž také tribologické charakteristiky tj. koeficient tření a odolnost proti opotřebení. Nejlépe se osvědčila vrstva 2, která splňovala všechna kritéria Vrstva 1 měla nízký koeficient tření, ale její opotřebení bylo rychlejší Nejhůře se osvědčila vrstva 3. 12/21
Experimentální měření opotřebení, řezných sil, hluku a vibrací řezných destiček v závislosti na opotřebení břitu Sestava měřících přístrojů při technologické zkoušce Spektrální hlukoměr
Obráběná hliníková slitina
CNC soustruh
13/21
Dynamometr Kistler
Měřicí aparatura pro sledování vibrací
Podmínky dlouhodobých zkoušek trvanlivosti Podmínky zkoušek řezná rychlost: vc = 300 m/min Posuv: f = 0,55 mm/otáčku hloubka řezu: ap = 1 mm řezné prostředí: za sucha Hodnoceno bylo: 1) Rozsah opotřebení 2) Tvorba nárůstku 3) Jakost obrobené plochy 4) Řezné síly 5) Akustické signály 6) Chvění nástroje
14/21
Stav nástroje po 25 minutách obrábění Vrstva 1
Vrstva 2
Vyměnitelné břitové destičky s vrstvou č. 1 plnily poměrně dobře svoji úlohu při obrábění hliníkové slitiny. Opotřebení břitu je rovnoměrné bez výrazných nárůstků na hřbetu i na čele. Malý nárůstek se tvořil jen na konci funkční hrany břitu, v místě odchodu třísky. Z hlediska opotřebení na hřbetu byly tyto destičky ohodnoceny jako druhé nejlepší. U vyměnitelných břitových destiček s vrstvou č. 2 bylo naměřeno nejnižší opotřebení. Na hřbetě nedocházelo k výraznému ulpívání obráběného materiálu a opotřebení bylo po celé funkční ploše velmi rovnoměrné. K tvorbě nárůstku docházelo jen v lokalitě na konci funkční hrany břitu. 15/21
Stav nástroje po 25 minutách obrábění Vrstva 3
Vrstva 4
Vyměnitelné břitové destičky s vrstvou č. 3 prokázaly velmi špatnou odolnost proti tvorbě nárůstku. Jak vyplývá z tribologických experimentů, kluzná vrstva je při obrábění brzy odstraněna a na destičce se tak brzy začíná tvořit výrazný nárůstek, který brání dobrému odvodu třísek. Tvorba nárůstku a jeho opětovné odtrhávání však nezpůsobila výraznější rozptyl hodnot řezných sil. Na hřbetě těchto nástrojů s vrstvou č. 4 se tvořil výraznější nárůstek než na předchozích nástrojích. Tento systém nemá na povrchu kluznou vrstvu, přesto prokázal poměrně dobré vlastnosti a osvědčil se při obrábění hliníkových slitin a to přestože docházelo k ulpívání materiálu na funkčních plochách nástroje. 16/21
Tvorba krátké článkovité a plynulé dlouhé třísky
Jakmile nastalo poškození břitu - opotřebení, začal se velmi intenzivně tvořit nárůstek, který způsobil změnu jmenovitých rozměrů obrobku a jakosti obrobené plochy. Navíc se změnil i koeficient tření, který měl za následek zvýšení tepelného namáhání břitu. Tato změna se projevila ve tvaru třísek. Původní krátké, článkovité přecházely na dlouhé, plynulé. 17/21
160 140 120 100 80 60 1-1 1-2 2-1
40 20 0 20
Průměr VB
0 0
25 30 Čas t [min]
60 50 40 16
0,22
70
0,2
0,18
Průběh intenzity vibrací
18/21
5
6
20000
Vrstva č. 3
80
16000
Vrstva č. 2
90
8000
Vrstva č. 1
0,24
100
4000
Vrstva č. 4
3 4 Jednotlivé úběry
20 25 Čas t [min]
110
2000
0,26
2
15
120
1000
0,28
1
10
500
0,3
0
5
Průběh opotřebení nástroje
Průběh řezných sil
Intenzita U [V]
50
250
15
100
125
10
150
63
5
200
31,5
0
Opotřebení VB [µm]
180
Hodnota akustického tlaku [dB
Opotřebení VB [µm]
Výstupy praktické zkoušky trvanlivosti ostří
f [Hz]
Multispektrální analýza akustické emise
Velikost sil [N]
Průběh výslednice sil (F;, Fy; Fz) všech testovaných systémů 520 515
Vrstva č.1
Vrstva č. 2
Vrstva č. 3
Bez vrstvy
Vrstva č. 4
510 505 500 495 490 485 480 475 470 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
čas obrábění t [min] žádný Ze získaných poznatků jednoznačně vyplývá, že velikost opotřebení nemá vliv na hodnotu a průběh řezné síly. Stejně tak ani zvolený druh použité vrstvy. Jediný rozdíl, který byl shledán vizuální kontrolou během obrábění, bylo koncentrované teplo v obrobku a v nástroji. Jako nejlepší systém se z hlediska tepla jevila vrstva č. 4 a nejhůře systém s vrstvou č. 3 a nástroj bez vrstvy, při jehož aplikaci navíc příliš brzy vznikaly nežádoucí dlouhé třísky. 19/21
Opotřebení VB [µm
Průběh opotřebení všech testovaných systémů 160
Vrstva č. 2
140 120 100 80
Vrstva č. 1 Vrstva č. 4
Bez vrstvy
Vrstva č. 3
60 40 20 0 0
5
10
15
20
25 Čas t [min]
Z naměřených opotřebení a jejich časové závislosti vyplývá, že všechny sledované systémy mají obdobnou trvanlivost. Tento výsledek byl předpokládán hned zpočátku, proto byla věnována pozornost i dalším uvedeným charakteristickým projevům, které jsou při obrábění hliníkových slitin rozhodující. 20/21
Závěr Byly odzkoušeny, jak v laboratorních tak i aplikačních podmínkách progresivní vrstvy deponované na řezné nástroje, které jsou určeny k obrábění hliníkových slitin. Prokázalo se, že ačkoliv se systémy tvořené různými tenkými vrstvami lišily, přesto dosahovaly v technologických zkouškách podobných výsledků. Podobné shody bylo dosaženo i v laboratorních testech. Odzkoušení nové metodiky tribologické analýzy „PIN-on-DISC“ s použitím válečku „PIN“ tělíska namísto standardně využívané kuličky dovolilo získat nové poznatky a cenné informace, které napomohou v další činnosti vedoucí k dalšímu sblížení této analýzy s praktickými aplikacemi. Z dosažených výsledků vyplývá, že i mezi dodavateli tenkých vrstev je třeba hledat ty, které přináší v daném procesu zlepšení. Je třeba daný systém odzkoušet a v případě, že je vyhovující jej aplikovat bez dalších změn parametrů, neboť jejich jakákoliv změna např. řezné rychlosti, může znamenat, že dojde k posunu výsledků a tento systém nebude možné s požadovanou výhodou využít.
21/21
