tenkÉ vrstvy na ŘeznÝch nÁstrojÍch pro … · vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu...

60
TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH Tato přednáška vznikla sloučením dvou původních příspěvků, které jsou uvedeny ve sborníku na str. 152-163.

Upload: others

Post on 07-Sep-2019

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY

VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH

NÁSTROJÍCH

Tato přednáška vznikla sloučením dvou původních příspěvků, které jsou uvedeny ve sborníku na str. 152-163.

Page 2: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Obráběný materiál 2

Page 3: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu

Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu a rovněž z negativního ovlivnění kvality obrobené plochy.

3

Page 4: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Skutečný problém byl ve vytvoření defektních otřepůna obrobené ploše, aniž by nastalo výrazné opotřebeníbřitu nástroje.

4

Page 5: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Stav břitu v okamžiku špatné kvality obrobené plochy5

Page 6: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Komplexní řešení – cesta k úspěchu

13/58

6

Page 7: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Způsob řešení

Materiálové řešení: • materiál nástroje• povrchová úprava

Geometrie nástroje:• mikrogeometrie• makrogeometrie

Úprava technologie obrábění:• v současné době jsou prováděny rozsáhlé zkoušky, kteréobjasní tyto souvislosti. Prozatím je zjištěno, že při sousledném obrábění je kvalita obrobené plochy HORŠÍnež při nesousledném.

6 / 28

7

Page 8: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Nesousledně 363mm

Sousledně 190mm

Celkem 553mm

Průběh obrábění 8

Page 9: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Materiálové řešeníMateriál nástroje

V současné době se aplikuje velmi jemný slinutý karbid K10UF

1/2CI m MPa

LHV506,2 K ⋅=∑

Lomová houževnatost KIC= 10,2±0,4 MPa m1/2

9

Page 10: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Úprava mikrogeometrie před depozicíOmletí v ořechových skořápkách s brusivem Al2O3Otryskání1 Al2O3 – 7 mikronové zrnoOmletí 2 v ořechových skořápkách s brusivem Al2O3Otryskání2 diamantovým prachem unášeným gumovým granulátem

10

Page 11: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Reálný stav běžně broušeného nástroje ze slinutého karbidu

Před otryskáním

Po otryskání

11

Page 12: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Změna povrchu následkem předdepoziční úpravy břitu nástroje

12

Page 13: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

ostatní -kombinace

50%

řezné materiály

19%

geometrie řezných

nástrojů 1%tenké vrstvy

30%

(Makro) geometrie nástroje

Rozdělení hlavních nároků patentových přihlášekv oboru řezných nástrojů v Německu. r. 2002

Zdroj: Evropský patentový úřad Mnichov

13

Page 14: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

14

Page 15: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

1968 – CVD depozice vrstvy TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu

Firma Ceratizit sídlí v rakouských Alpáchv blízkosti jezera Plansee.

VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH

15

Page 16: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Co je to tenká vrstva?

Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1- 5µm)

3/39

16

Page 17: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Rozšíření použitelnosti řezného nástroje

Důležité vlastnosti řezného nástroje• tvrdost • nízký koeficient tření• tepelná bariéra

Zdroj: Martin Kathrein, AktuelleAktuelle EntwicklungenEntwicklungenin der in der HartmetallbeschichtungHartmetallbeschichtung, , CeratizitCeratizit -- SeminarkundeSeminarkundeZdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie,

Science, Nr. 10, Januar 2004

Vrstvy firmy LISS Platit a.s.

17

Page 18: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva

Rozhraní

Substrát

Systém tenká vrstva-substrát

Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování.Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází.

18

Page 19: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Otěruvzdorná vrstvaOdolnost proti opotřebeníRedukce třeníKorozní odolnostDifúzní bariéraTepelná bariéra

SubstrátPevnostTuhostGeometrie

MezivrstvaAdhezeBariéra rozvoje trhlinKompenzace dilatace a pnutí Modifikace struktury a morfologie

Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící daný systém

19

Page 20: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Gradientní vrstvaMonovrstva s adhezní vrstvičkou

Monovrstva

Moderní struktura vrstvy

Zdroj: Martin Kathrein, AktuelleAktuelle EntwicklungenEntwicklungenin der in der HartmetallbeschichtungHartmetallbeschichtung, , CeratizitCeratizit -- SeminarkundeSeminarkunde

80. léta

20

Page 21: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Moderní struktura vrstvy

Sendvičově řešená vrstva

Skladba vrstvy

Část výbrusu kaloty

21

Page 22: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

100 nm

Nanovrstevná struktura

Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy

Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakováníPřednáška Vrstvy a Povlaky 2003

Schématický postup šíření trhlinymultivrstevným systémem

Substrát

22

Page 23: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Nanokompozitní struktura; nc- (Ti1-x Alx)/a-Si3N4

Model

Source: S. Veprek, TU München

TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu

Zdroj: S. Veprek, TU MnichovMěřeno v EPF, Lausanne

Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov

Nanorozměrové krystaly AlTiN jsou „vsazeny“ do matrice Si3N4

23

Page 24: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN

Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004

TvrdostTvrdost [GPa]

NedeponovanéSK

TiNTiAlN

AlTiNTiAlSiN

24

Page 25: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vývoj nanokompozitní vrstvy

• 2003: nACo®: TiAlN / SiNx: pro obecné použití

• 2004: nACRo®: AlCrN / SiNx: pro použití v obtížných podmínkách

• 2005: nACo®+: TiAlN / Si(+)Nx+CBC: pro použití v těžkých podmínkách

• 2006: nACVIc ®: AlCrN / SiNx + CBC: pro kombinované použití

Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating 2007, Vrstvy a Povlaky 2006

25

Page 26: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

The Camel-Curve ® : Nanocomposite Structure Eliminates Disadvantages of Conventional Coating

nACRo ®: Nanocomposite: (nc-AlCrN)/(a- Si 3N4)

AlCrN

nACo … nanokompozit založený na bázi Ti …. nc-AlTiN / a-Si3N4Největší novinka roku 2006 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných

nástrojích je AlCrN / SiNx + CBC (PLC)

nACRo .. nanokompozit založený na bázi Cr … nc-AlCrN / a-Si3N4

Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004

26

Page 27: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Dráha v km

koef

. tře

MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku

MoS2

Vrstva na bázi uhlíku

AlTiN

Srovnání koeficientu tření – „PIN“ (kulička) Al2O3

Kluzné vrstvy

Krystalografická mřížka MoS2

27

Page 28: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Polymer-Like Carbon (PLC) - Diamond-like carbon (DLC)

Ternární fázový diagram vazeb u a –C:H.

Hybridizace orbitalů (a) sp, (b) sp2, (c) sp3

(a) (b) (c)

Hybridní orbitaly sp vzniknou hybridizací jednoho orbitalu s a jednoho orbitalu p.

Zdroj: Sosnová M., Kříž A., Hájek J.:FRICTION THIN LAYERS, Vrstvy a Povlaky 2005

Změnou koncentrace vodíku a poměru sp2 / sp3 vazeb mohou být připraveny měkké polymer-like (PLC) vrstvy nebo tvrdé amorfní diamond-like carbon (DLC) vrstvy. Diamond-like carbon (DLC) vrstvy mají podobné mechanické, optické, elektrické a chemické vlastnosti jako přírodní diamant, ale nemají jednoznačnou krystalovou strukturu. Jsou amorfní a skládají se ze směsi sp3 a sp2 uhlíkových struktur.

28

Page 29: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm

0

50

100

150

200

250

40 50 60 70 80Řezná rychlost v (m/min)

Trva

nliv

ost T

(min

)

SK (v=38,52,63,80 m/min)TiN (v=54,64,72,80 m/min)TiN-TiP (v=50,60,70,80 m/min)TiAlN-AlP (v=48,57,68,77 m/min)TiAlSiN-alfa (v=52,62,73,80 m/min)TiAlSiN-beta (v=57,67,75,87 m/min)

Ra

V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění

Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů.

29

Page 30: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Trend vývoje – požadavek na moderní nástroje s progresivními vrstvami:- Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty)- Obrobený povrch s vyšší kvalitou (lepší povrch při stejné ceně – vyšší kvalita)- Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena,

starosti s recyklací a skladováním)- Reprodukovatelnost výsledků alespoň z 80%- Odstranění „starých“ vrstev z nástrojů SK bez nutnosti následného přeostření

30

Page 31: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Mat: 38MnV35 - Rm=800 N/mm 2 - Emulsion 7%K40UF - d=12.6mm - ap=13,5mm - vc=78 m/min - f=0.25 mm/U

Quelle: DC, Stuttgart, Gühring, Sigmaringen

4.5 4.5

28

51

7.4

10.8

27

50

TiN Multivrstva TiAlN0

10

20

30

40

50

60Odvrtaná délka; Lf [m]

Bez PVD Povlakovaný nástroj přeostřeno Přeostřeno+přepovlakováno

Vyplatí se depozice řezných nástrojů?

Bezvrstvy

Bezvrstvy

Depozice

Přeostřeno

Přeostřeno a deponováno

Depozice

Přeostřeno

Přeostřeno a deponováno

Bezvrstvy

TiN TiAlN

78,-

/1m

odv

rtan

é dé

lky

288,

-Kč

/1m

odv

rtan

é dé

lky

288,

-Kč

/1m

odv

rtan

é dé

lky

45,- Kč /1m odvrtané délky

Ceny dle katalogu

31

Page 32: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

České firmy zabývající se depozicí tenkých vrstev

38/39

32

Page 33: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Povrchová úprava nástrojů v aplikaci obrábění sendvičových

težkoobrobitelných plastů

Nanokrystalická vrstva TiAlSiN

33

Page 34: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Monovrstva vrstva TiAlN

34

Gradientní vrstva TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu

Page 35: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

TiAlN - monovrstvaBeze změny39TiAlN – gradientní s kluznou vrstvouBeze změny36TiAlN – gradientní s kluznou vrstvouOmleto u výrobce vrstvy 33

TiAlN - monovrstvaOmleto u výrobce vrstvy TiAlSiN30TiAlSiNBeze změny26

Bez vrstvyBeze změny23Bez vrstvyOmleto u výrobce vrstvy TiAlSiN22

TiAlN – gradientní s kluznou vrstvouOtrysk u dodavatele tryskacích strojů17TiAlN - monovrstvaOtrysk u dodavatele tryskacích strojů14

TiAlSiNOmleto u výrobce vrstvy12

Bez vrstvyOmleto u výrobce vrstvy TiAlN -gradientní7

TiAlSiNOtrysk u dodavatele tryskacích strojů4Bez vrstvyOtrysk u dodavatele tryskacích strojů1

Testované nástroje a jejich povrchová úprava 35

Page 36: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Bylo obráběno 10 desek se stejnými řeznými podmínkami: n = 24 000 ot/min f = 3 600 mm/min (fz = 0,15) Po obrobení čtyř desek byly břity nástrojů zdokumentovány na řádkovacím elektronovém mikroskopu - po focení bylo provedeno frézování dalších 6 desek.

2.1,782,001,561,78Monovrstva TiAlN

3.1,892,002,111,55Nanokompozitní

TiAlSiN

1.1,712,001,331,78Gradientní TiAlNs kluznou vrstvou

Prům.III.II.I.Varianta

Celkové vyhodnocení chování nástrojů dle vrstev

36

Page 37: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Technologické zkoušky v laboratorních podmínkách

Způsob opotřebení zahrnuje faktory, které mnohdy zůstávají nepovšimnuty- např. chvění nástroje nevyvážeností, nedostatečnou tuhostí nástroje, obrobku ….

37

Page 38: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Cíl laboratorních testů – porozumět dějům při obrábění38

Page 39: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Mikrotvrdost 39

Page 40: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

MikrotvrdostLaboratorně předupravené povrchy vzorků + vzorky s „průmyslovým“ povrchem

2,66,24,048,438,4TSI - TiAlN2,86,04,044,53236,09DSI TiAlN+uhlík. vrstva3,16,63,137,530,3CSI TiAlSiN3,76,13,436,129,922 - TiAlN(beze změny)2,76,14,049,338,915 - TiAlN (beze změny)4,76,42,830,625,4

11 - TiAlN+uhlík. vrstva (otryskání)

3,85,83,533,528,38 -TiAlN+uhlík. vrstva (bez změny

substrátu)

3,06,43,5242,734,21bez změny substrátuWrWeEHupl.HIT

40

Page 41: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Energie elastické a plastické deformace

0

2

4

6

8

10

12

1bez

změn

ysu

bstrá

tu

8 -

TiA

lN+u

hlík

.vr

stva

(bez

změn

ysu

bstrá

tu)

11 -

TiA

lN+u

hlík

.vr

stva

(otry

skán

í)

15 -

TiA

lN(b

eze

změn

y)

22 -

TiA

lN(b

eze

změn

y)

CS

I TiA

lSiN

(met

al.

leštěn

)

DS

ITi

AlN

+uhl

ík.

vrst

va (m

et.

leštěn

)

TSI -

TiA

lN(m

et. l

eště

n)

We/

Wr

[nJ]

41

Page 42: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Scratch test – vrypová zkouškaParametry zkoušky při použití standardních podmínek měření –10 mm/min a 100 N/min., zatížení 0-100 N, indentor je diamantový Rockwellův kužel s vrcholovým úhlem 120° a s poloměrem zaobleníšpičky hrotu 200 mm.

Zatížení v místě, kde došlo k prvnímu porušení vrstvy (trhliny) – LC1, porušení vrstvy většího rozsahu – LC2 , první odhalení substrátu – LC3, totální odhalení substrátu – LS

42

Page 43: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlSiN• Tloušťka ~ 4,3 µm.

• Vrstva je celistvá, na několika místech nastalo „rozmáznutí“ makročástic přejetím hrotu.

• Vrstva se neštěpí, má dobrou plasticitu.

• V oblasti vyšších zatížení nastává vrásnění vrstvy, které přechází v její štěpení, zejména podél hrany vrypu.

• Vrstva má dobrou adhezi, ale to může být také ovlivněno její tloušťkou, která je v porovnání s ostatními cca dvojnásobná. 62 ± 158 ± 139 ± 1016 ± 5TiAlSiNTiAlSiN

LLssLLc3c3LLc2c2LLc1c1

KritickKritickéé zatzatíížženeníí LcLc [N][N]VzorekVzorek

Testy s laboratorně upravenými povrchy43

Page 44: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlSiN Lc2 (39N) a Lc3 (58N).

44

Page 45: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlN + PLC

• Tloušťka ~ 1,8µm.

• Vrstva podléhající plastické deformaci má dobrou odezvu.

• Neštěpí se, na okrajích vrypu se vyskytují pouze jemné trhlinky kohezivního charakteru.

• Uvnitř stopy se vrstva jemně vrásní, ale nedochází k žádnému vytrhávání.

• První odhalení substrátu nastává společně s celkovým odhalením při zatížení ~ 52N.

52 ± 052 ± 047 ± 138 ± 2TiAlN TiAlN +PLC+PLC

LLssLLc3c3LLc2c2LLc1c1

KritickKritickéé zatzatíížženeníí LcLc [N][N]VzorekVzorek

45

Page 46: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlN + PLC Lc2 (47N) a Lc3 = Ls (52N)

46

Page 47: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlN

• Tloušťka ~ 2,3µm.

• Vrstva se porušuje uvnitř stopy vrypu „rozmazává se“.

• S rostoucím zatížením dochází k ovlivnění hran vrypu.

57 ± 253 ± 046 ± 021 ± 2TiAlNTiAlN

LLssLLc3c3LLc2c2LLc1c1

KritickKritickéé zatzatíížženeníí LcLc [N][N]VzorekVzorek

47

Page 48: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Hodnoty kritických zatížení

57 ± 253 ± 046 ± 021 ± 2TiAlNTiAlN

52 ± 052 ± 047 ± 138 ± 2TiAlN + PLCTiAlN + PLC

62 ± 158 ± 139 ± 1016 ± 5TiAlSiNTiAlSiN

LLss [N][N]LLc3c3 [N][N]LLc2c2 [N][N]LLc1c1 [N][N]

KritickKritickéé zatzatíížženeníí LcLc [N][N]VzorekVzorek

48

Page 49: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

22

Vrstva se porušuje uvnitř stopy vrypu „rozmazává se“. Na okrajích vrypu nedocházík porušení, pouze po dosažení kritického zatížení Lc3.

TiAlN

13

Neštěpí se, na okrajích vrypu se vyskytujípouze jemné trhlinky kohezivního charakteru. Uvnitř stopy se vrstva jemně vrásní, ale nedochází k žádnému vytrhávání. Vrstva se pouze kohezivně porušuje až do dosažení Lc3a Ls.

TiAlN + PLC

31

Rozmáznutí makročástic přejetím hrotu. Vrstva se neštěpí, má dobrou plasticitu. V oblasti vyšších zatížení nastává mírnévrásnění vrstvy, které přechází v její štěpení, zejména podél hrany vrypu

TiAlSiN

porušeníA/K

Vyhodnoceníz hlediskaPopis porušeníVzorek

49

Page 50: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

TRIBOLOGICKÝ TEST

• Tribologický test metodou „PIN-on-DISC“ není pouze prostředek k získání hodnot koeficientu tření určité materiálové dvojice, ale je jedním z nejdůležitějších laboratorních testů, který má za cíl určit charakter daného experimentálního materiálu a oblast jeho využití.

• Podmínky tribologického testu byly koncipovány tak, aby nastalo odhalení substrátu.

50

Page 51: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Průběh koeficientu tření

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

fric

tion

coef

ficie

nt

TiAlN – 7 000

TiAlSiN – 15 000

TiAlN s kluznou vrstvou – 10 000

51

Page 52: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Vrstva TiAlSiN• V průběhu tohoto testu - 15 000 cyklů, nenastalo totální odhalení substrátu,

vrstva je porušena pouze do mezivrstvy.• Koeficient tření je po době záběhu ustálený na hodnotě

~ 0,55. • Ve srovnání s vrstvou TiAlN je hodnota koeficientu tření nižší

a stabilnější. Ve srovnání s vrstvou TiAlN+PLC je koeficient tření vyšší. Vrstva má evidentně výborné adhezivní chování. Abrazivní opotřebení se projevuje rýhami na povrchu způsobené především částicemi samotné vrstvy.

Vrstva TiAlN+DLC• Tato vrstva díky kluzné vrstvě PLC na povrchu systému vykazuje nejenom

nejnižší koeficient tření ~ 0,1, ale i jeho stabilní průběh v rámci celého testu. V průběhu testu - 10 000 cyklů - lokální porušení, nenastalo totální odstranění, což zajišťuje systému výborné kluzné vlastnosti.

Vrstva TiAlN • Změny v průběhu koeficientu tření jsou s největší pravděpodobností

způsobeny přechody mezi jednotlivými částmi systému vrstvy. Na rozdíl od předchozích vrstev nastalo odhalení substrátu již po 7000 cyklech.

52

Page 53: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

vrstva TiAlSiN – 15 000 cyklů

vrstva TiAlN – 7000 cyklů

vrstva TiAlN + PLC– 10 000 cyklů

53

Page 54: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

• Nejlepší kluzné vlastnosti a tím i nejnižší koeficient tření má vrstva TiAlN + PLC, kdy se jedná o výbornou kombinaci tenké otěruvzdorné vrstvy, která má na svém povrchu vrstvu kluznou (PLC).

• I když hodnoty kritických zatížení patří k nejnižším je nutné uvažovat, že z hlediska adhezivně kohezivního chování vyniká vrstva mechanismem opotřebování.

• Vrstva TiAlSiN vyniká dobrou otěruvzdorností, avšak při vyhodnocování výsledků je třeba uvažovat její přibližně dvojnásobnou tloušťku v porovnání s ostatními vrstvami. Vrstva TiAlN vykazuje nestabilní průběh koeficientu tření a zároveň u ní jako u jediné během tribologického testu nastalo odhalení substrátu a to již po 7000 cyklech.

54

Page 55: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Scratch test – vrypová zkouška

57 ± 253 ± 046 ± 021 ± 2TS1Metalograficky leštěn - TiAlN – monovrstva

52 ± 052 ± 047 ± 138 ± 2DS1Metalograficky leštěn TiAlN – gradientní vrstva

62 ± 158 ± 139 ± 1016 ± 5CS1Metalograficky leštěn - TiAlSiN – nanokompozitní vrstva

59 ± 159 ± 132 ± 1116 ± 322Beze změny - AlTiN – monovrstva

58 ± 157 ± 223 ± 015 ± 019Omleto u výrobce vrstev (konkurence) + TiAlN – monovrstva

64 ± 159 ± 229 ± 820 ± 518Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlN – monovrstva

59 ± 257 ± 336 ± 125 ± 515Beze změny - TiAlN – monovrstva

56 ± 051 ± 736 ± 528 ± 1114Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlN – gradientní vrstva

57 ± 155 ± 232 ± 626 ± 78Beze změny - TiAlN – gradientní vrstva

72 ± 169 ± 245 ± 931 ± 147Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlSiN–nanokompozitní vrstva

71 ± 469 ± 532 ±915 ± 44Omleto u výrobce vrstvy + TiAlSiN – nanokompozitní vrstva

72 ± 466 ± 646 ± 1217 ± 01TiAlSiN – nanokompozitní vrstva 1

Ls [N]Lc3 [N]Lc2 [N]Lc1 [N]

Kritické zatížení Lc [N]Vzorek

Laboratorně předupravené povrchy vzorků + vzorky s „průmyslovým“ povrchem

55

Page 56: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Tribologická měření

5, 629 - Beze změny - AlTiN – monovrstva5, 621 - Omleto u výrobce vrstvy– bez vrstvy

120 - Otrysk u dodavatele tryskacích strojů– bez vrstvy

316 - Beze změny - TiAlN – monovrstva49 - Beze změny - TiAlN – gradientní vrstva

25- Omleto u výrobce vrstvy + TiAlSiN –nanokompozitní vrstva

72 - TiAlSiN – nanokompozitní vrstva

Pořadí

Vzorky s „průmyslovým“ povrchem

56

Page 57: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Tribologická zkouška za rotace

Rychlost rotace polypropylenového tělíska 3000 ot./min. Test byl rozdělen na několik časových úseků po 5.,15.,30.,60. a 90. minutě.

Detail stopy vzorku bez vrstvy s vyznačením jednotlivých druhů opotřebení po 30 minutách testu

57

Page 58: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Stopa opotřebení vzorku bez vrstvy po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu.

Stopa opotřebení vzorku s vrstvou TiAlN+DLC po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu.

Při tribologickém testu za rotace testu se potvrdil velmi důležitý poznatek. Skleněná vlákna, která jsou chaoticky umístěna v polypropylenu, neovlivňují výrazně mechanismus poškození povrchu. V žádném sledovaném případě nebyly shledány výrazně degradující stopy po abrazivním opotřebení.

58

Page 59: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Na základě laboratorních testů a získaných korelačních srovnání s technologickými zkouškami byla navržena vrstva TiAlNs povrchovou kluznou vrstvou.

Cílem této vrstvy bude především tlumit rázy, které se mohou iniciovat při chvění nástroje popř. obrobku. Rovněž bude v okamžiku krizových situací zabraňovat náhlé změně mikrogeometrie. Ta bude spočívat jednak ve větší otěruvzdornosti, která bude zajištěna nejen tvrdou vrstvou TiAlN, ale i měkkou kluznou vrstvou na povrchu.

ZÁVĚR59

Page 60: TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO … · Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu

Prezentaci upravené přednášky je možné stáhnout na internetové adrese:www.ateam.zcu.cz