Nástroje | 7. 9. 2016

Výzkum v opotřebení vyměnitelných břitových destiček na FVTM UJEP

Na Fakultě výrobních technologií a managementu Univerzity Jana Evangelisty Purkyně probíhají různé výzkumné aktivity. Patří mezi ně i výzkum v oblasti obrábění a opotřebení nástrojů. Článek popisuje jeden z řešených experimentů, který probíhal na Katedře technologií a materiálového inženýrství FVTM UJEP v oblasti analýzy opotřebení vybraných břitových destiček za použití SEM.

Úvod

Na Fakultě výrobních technologií a managementu, která je součástí Univerzitry Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem je realizováno několik výzkumných záměrů. Jedním z ních je výzkum v blasti životnosti vyměnitelných břitových destiček. Na FVTM je součástí takových výzkumů také realizace strukturní a materiálové analýzy experimentálních destiček za použití elektronové mikroskopie a také rozbor výsledného opotřebení použitých VBD po obrábění soustružením. V rámci realizovaných experimentů byly použité VBD podrobeny analýzám SEM.

Podmínky a realizace experimentu

Jako experimentální materiál pro obrábění byla zvolena ocel tř. 16 343 dle ČSN 42 0002, která byla zušlechtěna na 40–44 HRC (34CrNiMo6 dle EN 10269). Jedná se o ocel s vysokou prokalitelností, která je určena pro vysoce namáhané díly používané ve strojírenství. Po zušlechtění má příznivý poměr pevnosti k mezi kluzu, a také vysokou houževnatost, která brzdí šíření trhlin. Materiál se proto vyznačuje vysokými hodnotami meze únavy při statickém i dynamickém namáhání. V Tab. 1 je uvedeno chemické složení tohoto materiálu dle normy ČSN 41 6343.

Tab. 1: Chemické složení experimentálního materiálu dle ČSN 41 6343 v hm. %

C Mn Cr Cr Ni Mn P S
0,32-0,40 0,50-0,80 0,10-0,40 1,30-1,70 1,30-1,70 0,20-0,30 < 0,035 < 0,035

 

Byla provedena mikroskopická a spektrometrická analýza tohoto materiálu. [2] Pro ověření struktury experimentálního materiálu byla provedena mikroskopická analýza pomocí konfokálního laserového mikroskopu LEXT OLS 3100 (Obr. 1).

Obr. 1: Laserový konfokální mikroskop LEXT OLS 3100

Na obr. 2 je ukázka struktury tohoto materiálu. Ze snímků mikrostruktury bylo zřejmé, že materiál odpovídal své deklaraci.

V tab. 2 je výsledek spektrometrické analýzy, která byla provedena pomocí jiskrového spektrometru Bruker Q4 TASMAN.

Obr. 2: Ukázka struktury obráběného materiálu

Tab. 2: Chemické složení experimentálního materiálu dle spektrální analýzy v hm %

C Mn Cr Cr Ni Mn P S
0,342 0,570 0,329 1,519 1,470 0,193 < 0,005 < 0,001

 

Pro analýzu byly zvoleny vyměnitelní břitové destičky (dále VBD) CNMG 120408-M KT-CTP25 (Obr. 3), CNMG 120408-M KT-CTP15 (Obr. 4), CNMG 120408E-M GRADE T9325 (Obr. 5) a CNMG 120408E-M GRADE T9315 (Obr. 6).

Obr. 3: CNMG 120408-M KT-CTP25

Obr. 4: CNMG 120408-M KT-CTP15

Obr. 5: CNMG 120408E-M GRADE T9325

Obr. 6: CNMG 120408E-M GRADE T9315

Experimentální materiál byl soustružen na tříosém CNC soustruhu DOOSAN Lynx 220L s řídicím systémem FANUC. Hloubka úběru byla stanovena na ap = 1,5 mm, posuv byl stanoven na f = 0,3 mm.ot-1. Pro veškeré zkoumané VBD byl použit stejný držák nástroje PCLNR 2020 K 12. Experimentální řezná rychlost byla určena pro VBD vc = 100 m.min-1.

Na všech vyměnitelných břitových destičkách byla provedena mimo jiné také SEM analýza. Zkratka SEM znamená skenovací elektronový mikroskop.

SEM analýza odhalila u břitové destičky CNMG 120408-M KT-CTP25 rozsáhlé opotřebení špičky a hřbetu břitu (Obr. 7). Na obrázku lze zřetelně pozorovat jednotlivé vrstvy povlaku i samotný substrát břitové destičky. Mohlo by se jednat o delaminační opotřebení, které je u povlakovaných břitových destiček poměrně časté.

Opotřebení hřbetu břitu VBD CNMG 120408-M KT-CTP15 bylo dle SEM analýzy rovnoměrné (Obr. 8). Docházelo však k vydrolování částí povlaku a z bližšího pohledu bylo možné vidět, že se vydrolily obě vrstvy povlaku. Z analýzy je také patrná značná tepelně ovlivněná oblast, která byla způsobena vysokou teplotou během obrábění.

SEM analýza VBD CNMG 120408E-M GRADE T9325 ukázala, že opotřebení břitové destičky probíhalo rovnoměrně bez zjevných známek poškození (Obr. 9). Není zde patrná výrazná tepelně ovlivněná oblast ani významné abrazivní opotřebení.

SEM analýza VBD CNMG 120408E-M GRADE T9315 je na obr. 10 a lze pozorovat zejména velkou teplem ovlivněnou oblast v oblasti špičky, menší pak v oblasti hřbetu břitu. Dále je pak patrné značné ulpívání obráběného materiálu po celé délce využitelné části hřbetu.

Obr. 7: SEM CNMG 120408-M KT-CTP25

Obr. 8: SEM CNMG 120408-M KT-CTP15

Obr. 9: SEM CNMG 120408E-M GRADE T9325

Obr. 10: SEM CNMG 120408E-M GRADE T9315

Závěr

Obecně lze konstatovat, že dle SEM analýzy opotřebení VBD docházelo na všech VBD k rovnoměrnému abrazivnímu opotřebení čela nástroje a hřbetu břitu. Všechny destičky vykazovaly standardní chování za daných řezných podmínek a jejich opotřebení bylo akceptovatelné. V malé míře se vyskytovalo opotřebení delaminační. Prakticky na všech destičkách bylo možné pozorovat výraznou teplem ovlivněnou oblast.

Příspěvek vznikl s podporou grantů IRP 2016 UJEP, ISG FVTM UJEP a CZ.1.07/2. 3. 00/30.008.

Náprstková Nataša (naprstkova@fvtm.ujep.cz),
Cais, J. (cais@fvtm.ujep.cz), Sviantek, J.,
Fakulta výrobních technologií a managementu,
Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem.
svobodova@fvtm.ujep.cz

Literatura
[1] Beddoes, J., Bibby, M. J. Principles of Metal Manufacturing Processes, Eastbourne, Antony Rowe, 2003. ISBN 0-340 73162-1
[2] Cais, J. Elektronová mikroskopie. Metalografie, Praha, 2015, CZ.1.07/2. 3. 00/45.00 29, ISBN 978-80-86302-67-6 [online], 2015 [cit. 14. 5. 2016].
Dostupné z: http://www.csvs.cz/projekty/2014_veda_pro_zivot/data/11_KA3_Jaromir_
Cais_2_Elektronova_%20mikroskopie_a_%20EDS_%20analyza_metodicka_prirucka.pdf>
[3] Czajkowska, A. et al. Application of Electronv Scanning Microscope in the Analysis of the Structure of Casting Non Conformities Aimed at Optimization of Technological Process Parameter. Manufacturing Technology, 2013, Vol. 13, No. 2, pp. 164–169. ISSN 1213-2489
[4] Michna, S., Kusmierczak, S. Praktická metalografie. 2012, UJEP, Ústí nad Labem, Czech Republic, 2012, 245 pp.
[5] Svobodova, J. SEM and EDS Analysis Used in Evaluation of Chemical Pre-treatment Based on Manufacturing Technology, 2014, Vol. 14, No. 3, pp. 461–467. ISSN 1213-2489