#08 CNC | Materiály, z ktorých sú vyrábané nástroje

Pri využití CNC obrábacích strojov je dôležitým aspektom aj správny výber nástrojov a materiálov z ktorých sú vyrábané. Už od staroveku existujú rôzne rezné nástroje. Ide o jeden z najstarších vynálezov v histórii ľudstva. V minulosti boli nástroje na obrábanie vyrábané z kameňa a neskôr z kovov. Napriek tomu, že pri každom reznom nástroji je primárnym cieľom rezať iný materiál tak v použití jednotlivých nástrojov býva obrovský rozdiel. Aby bol nástroj účinný musí spĺňať:

  • tvrdosť samotného nástroja musí byť o 30% až 50% vyššia ako je materiál ktorý je obrábaný,
  • nízky koeficient trenia,
  • dobrá odolnosť voči opotrebeniu,
  • musia byť chemicky inertné a stabilné,
  • vysoká tepelná vodivosť.

V praxi sa používajú rôzne rezacie nástroje na vykonávanie rôznych obrábacích operácii. Predtým ako sa zvolí typ nástroja určený na obrábanie je potrebné správne poznať vlastnosti materiálu z ktorého je nástroj zhotovený. Na základe toho z akého materiálu sú nástroje zhotovené ich rozdeľujeme na:

Rýchlorezná oceľ 

Je to druh nástrojovej ocele s vysokou tvrdosťou a vysokou odolnosťou voči opotrebeniu. Vyznačuje sa obsahom prvkov ako sú W, Mo, Cr, V atď. Rýchlorezná oceľ má dobré komplexné vlastnosti a je najviac používaným nástrojovým materiálom pri CNC strojoch. Používa sa na výrobu vysokoteplotných ložísk a lisovacích foriem za studena. Po tepelnom spracovaní má nástrojová oceľ tvrdosť 62-66 HRC. Pevnosť tejto ocele pri ohybovom namáhaní je 3,3 GPa a tepelná odolnosť je asi 600°C. Jej výhodou je jednoduché brúsenie rezných hrán, malá deformácia pri tepelnom spracovaní.

Spekané karbidy (SK)

Rezné materiály vyrobené spekaním práškov  karbidov niektorých kovov (karbidy volfrámu, titánu, tantálu, chrómu) pričom ich spojivom je kobalt. Princíp výroby spekaných karbidov sa skladá z niekoľkých fáz:

  • Výroba prášku
  • Lisovanie polotovaru
  • Spekanie
  • Tvarovanie polotovaru
  • Povlakovanie

Spekané karbidy sú kompozitný materiál, ktorý pozostáva z kobaltu ( nositeľ pevnosti a húževnatosti materiálu) a karbidov ( dodávajú odolnosť voči opotrebeniu pri vysokých teplotách). Využitie práškovej metalurgie je potrebné z dôvodu, že teplota tavenia karbidov je nad teplotou vyparovania kobaltu. To znamená, že za normálnych okolností by nebolo možné spojiť tieto materiály.

Spekané karbidy

sa vyznačujú:

  • Tvrdosť 88 až 93 HRC
  • Odolnosť voči opotrebniu pri 700 až 1100 °C
  • Vysoká pevnosť v ťahu
  • Malý súčiniteľ teplotnej rozťažnosti
  • Nízka ohybová pevnosť

Cermety

Cermet

je rezný materiál z hraničnej oblasti medzi spekanými karbidmi a reznou keramikou. Hlavnou zložkou tohto materiálu je TiC, TiN alebo TiCN s prísadou MoC, TaN a spojivom Ni-Mo. Nástroje alebo vymeniteľné rezné platničky z cermetu majú tvrdosť keramiky a húževnatosť kovu. Tvrdosť zŕn TiC a TiN ako aj obsah kovového spojiva poskytujú cermetom vlastnosti, ktorými sa viac blížia ku spekaným karbidom ako k reznej keramike. V porovnaní so SK sa cermety vyznačujú iba nepatrnou náchylnosťou na difúziu. Vysoká pevnosť aj pri vysokých teplotách rezania umožňuje použiť vysoké rezné rýchlosti, ktoré dosahujú len pri povlakovaných SK súčasnej generácie. Cermety sa predovšetkým používajú pri dokončovacom obrábaní ocelí a oceľozliatiny. Oblasti ich použitia sa prekrývajú s povlakovanými SK triedy P01 až P15.

Rezná keramika

Tak ako predošlé materiály aj rezná keramika je využívaná ako materiál na výrobu CNC nástrojov. V súčastnosti možno reznú keramiku rozdeliť na 3 základné skupiny:

  1. Oxidová - na báze Al3O3 s prísadou ZrO2
  2. Oxid-Karbidová keramika na báze Al2O3 s prísadou TiC
  3. Bezoxidová alebo nitrid-karbidová keramika, nazýva sa aj nitridová na báze Si3N4 s prísadou Al2O3, YO2, TiC a TiN. Umožňuje zvýšiť pevnosť v ohybe až na 850 MPa. Aplikačne zodpovedá aj SK triedy P10 až P20.

Supertvrdé rezné materiály

Diamant

Diamant je najtvrdší materiál aký poznáme. Diamantové rezné platničky sa delia na:

  • Prírodný diamant,
  • Syntetický diamant: - Monokryštlický a polykryštalický

Prírodný diamant je v súčasnosti čoraz menej používaný a pri väčšine priemyselných aplikácií ho nahrádza syntetický diamant. Priemyselná výroba syntetického diamantu súvisí so skutočnosťou, že diamanty pre priemyselné aplikácie sú vysoko deficitné a preto sa realizuje jeho syntetická produkcia aj napriek tomu, že cena syntetických diamantov je často vyššia ako prírodných. Syntetické diamanty sa od prírodných nelíšia základnou štruktúrou mriežky, tvrdosťou, tepelnou odolnosťou, vodivosťou tepla či inými fyzikálno-mechanickými vlastnosťami a v mnohých prípadoch ich dokonca predstihujú.

Diamantové nástroje sú vhodné predovšetkým na obrábanie zliatin hliníka ako aj vo všeobecnosti neželezných kovov a zliatin. Diamantové nástroje nie je vhodné používať na obrábanie zliatin železa vzhľadom na vysokú afinitu uhlíka a železa. Pri aplikácii diamantových nástrojov na obrábanie zliatin železa dochádza k jeho intenzívnemu difúznemu opotrebeniu. Jeho nevýhodou je taktiež jeho nízka teplotná stálosť (len do teploty 700°C)

Kubický nitrid bóru (CBN)

CBN je po diamante druhým najtvrdším materiálom. Vyrába sa v extrémnych tlakových a tepelných podmienkach podobných syntetizovaniu diamantu. Je to materiál, ktorý sa v prírode v prirodzenej forme nevyskytuje a ide v podstate o umelý produkt. Kryštály CBN boli nájdené v tavenine niklu pri výrobe syntetických diamantov. Na rozdiel od diamantu je jeho tepelná stálosť až do teploty 1500°C a je možné ho použiť aj na obrábanie zliatin železa. Výroba CBN pre CNC nástroje:

V súčasnosti napríklad predstavuje najvhodnejší materiál pre obrábanie kalených ocelí nástrojmi s definovanou geometriou. Tieto veľmi tvrdé materiály možno aplikovať na obrábanie výrobkov vyrobených práškovou metalurgiou či tvrdených liatin. CBN má relatívne dobrú pevnosť v ohybe. Vyrába sa v dvoch modifikáciách:

  • Ako monokryštalický pre brúsne nástroje,
  • Ako polykryštalický pre nástroje s definovanou geometriou.
Zdroje:

Autor: Ján Adamec | DailyAutomation | adamec@dailyautomation.com