Artykuł Dodaj artykuł

Zrównoważenie wpływu głównych czynników na obróbkę skrawaniem stali nierdzewnej

30-05-2014, 02:00

Logo Seco ToolsStal nierdzewna jest uniwersalnym materiałem obrabianym, szeroko wykorzystywanym tam, gdzie ważne są takie własności jak wytrzymałość, odporność cieplna i odporność na korozję. Jednakże te same własności, które sprawiają, że stopy stali nierdzewnych są wyjątkowymi materiałami konstrukcyjnymi, stanowią utrudnienie w procesach stosowanych do ich obróbki w celu uzyskania użytecznych elementów. Starannie dobrane połączenie własności i geometrii narzędzia skrawającego (czyli równowaga między tymi czynnikami) oraz stosowanie agresywnych parametrów skrawania może znacznie zwiększyć wydajność operacji obróbki skrawaniem stali nierdzewnych.

Zrównoważenie wpływu głównych czynników na obróbkę skrawaniem stali nierdzewnej, Seco ToolsEwolucja stopów

Podstawowe stopy stali nierdzewnych dzielą się na dwie kategorie: ferrytyczne i martenzytyczne. Stopy ferrytyczne zawierają 10-12% chromu i nie są utwardzalne (hartowne). Stopy martenzytyczne zawierają więcej chromu i węgla niż ferrytyczne stale nierdzewne, a także dodatek manganu i krzemu. Stopy te można hartować poprzez obróbkę cieplną. Obecnie ferrytyczne i martenzytyczne stopy stali nierdzewnych nie są szeroko stosowane w przemyśle. Używa się ich raczej do produkcji artykułów gospodarstwa domowego – sprzętu kuchennego lub narzędzi ogrodowych.

Zastosowanie stali nierdzewnych przechodziło ewolucję. Stopy były często stosowane w przypadkach wymagających wytrzymałości mechanicznej a także odporności na korozję. W celu zwiększenia wytrzymałości stopów metalurdzy dodali do nich nikiel. Stopy żelazo-chromowe stały się stopami żelazo-chromo-niklowymi. Materiały te są określane jako nierdzewne stale austenityczne. Obecnie są one szeroko stosowane w przemyśle wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wytrzymałość, odporność cieplna i odporność na korozję. Stopy są zwykle stosowane w procesach petrochemicznych, w przemyśle spożywczym, którego normy higieniczne wymagają odporności na korozję, oraz do produkcji maszyn ogólnego zastosowania przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach.

Zrównoważenie wpływu głównych czynników na obróbkę skrawaniem stali nierdzewnej, Seco Tools

Ulepszanie własności stopu, np. stali nierdzewnej, nieuchronnie mnoży wyzwania stojące przed jego obróbką. Odporność na korozję ferrytycznych i martenzytycznych stali nierdzewnych należy zasadniczo do własności chemicznych i dlatego te stopy nie są wiele trudniejsze w obróbce od stali zwykłych. Jednak dodatki niklu i innych pierwiastków w nierdzewnych stalach austenitycznych powodują zwiększenie twardości, ciągliwości, odporności na odkształcenia plastyczne i poprawę własności cieplnych, co skutkuje obniżeniem obrabialności.

Zrozumienie stopów

Do niedawna, obróbka skrawaniem nierdzewnych stali austenitycznych nie była dobrze rozumiana. Zajmujący się obróbką skrawaniem zakładali, że bardziej wytrzymałe stopy wymagają wyższych sił skrawania, a co za tym idzie, stosowania mocniejszych narzędzi o ujemnej geometrii oraz obniżonych parametrów obróbki. Jednak takie podejście skutkowało mniejszą trwałością narzędzi, długimi wiórami, częstymi zadziorami, niezadowalającą chropowatością powierzchni i niepożądanymi drganiami.

W rzeczywistości siły skrawania występujące przy skrawaniu nierdzewnej stali austenitycznej nie są o wiele wyższe od tych, które występują przy obróbce stali tradycyjnych. Większość dodatkowej energii wymaganej do obróbki nierdzewnych stali austenitycznych wynika z ich własności cieplnych. Skrawanie metali jest procesem odkształcania. W czasie obróbki skrawaniem odpornej na odkształcenia nierdzewnej stali austenitycznej generowany jest nadmiar ciepła.

Odprowadzenie tego ciepła ze strefy skrawania ma podstawowe znaczenie. Niestety, nierdzewna stal austenityczna, oprócz odporności na odkształcenie, charakteryzuje się także niską przewodnością cieplną. Wióry powstające podczas obróbki skrawaniem stali zwykłej pochłaniają i odprowadzają ciepło. Natomiast wióry nierdzewnej stali austenitycznej pochłaniają ciepło tylko w ograniczonym zakresie. Sam element obrabiany ma niską przewodność cieplną, więc nadmiar ciepła jest pochłaniany przez narzędzie skrawające, co prowadzi do obniżenia jego trwałości.

Aby uzyskać twardość na gorąco wytrzymującą podwyższone temperatury występujące przy obróbce skrawaniem stali nierdzewnej, producenci narzędzi opracowali substraty węglikowe. Co najmniej takie samo znaczenie jak skład substratu ma ostrość krawędzi skrawającej narzędzia. Ostrzejsze narzędzie przecina stal nierdzewną z mniejszym odkształceniem, przez co ogranicza wytwarzanie ciepła.

Agresywne parametry skrawania

Najskuteczniejszym sposobem odprowadzenia ciepła ze strefy skrawania przy obróbce stali nierdzewnej jest zastosowanie największych możliwych głębokości skrawania i prędkości posuwu. Celem jest zmaksymalizowanie ilości ciepła odprowadzanej przez wiór. Niska przewodność cieplna stali nierdzewnej ogranicza ilość ciepła, jaką może pochłonąć każdy milimetr sześcienny materiału wióra, więc wytwarzanie wiórów o większej objętości powoduje odprowadzanie większej ilości ciepła. Zastosowanie większej głębokości skrawania spowoduje również zmniejszenie liczby przejść wymaganych do wyprodukowania detalu. Jest to bardzo ważne, ponieważ nierdzewna stal austenityczna przejawia skłonności do umacniania przez zgniot.

Zrównoważenie wpływu głównych czynników na obróbkę skrawaniem stali nierdzewnej, Seco Tools

Istnieją praktyczne ograniczenia dla tego agresywnego sposobu obróbki skrawaniem. Np. wymagania odnośnie gładkości powierzchni ograniczają maksymalną prędkość posuwu. Dostępna moc obrabiarki oraz wytrzymałość narzędzia skrawającego i elementu obrabianego również narzucają ograniczenia agresywności stosowanych parametrów.

 

Strategie stosowania chłodziwa

Problemy wynikające z własności cieplnych nierdzewnych stali austenitycznych sugerują, że zastosowanie chłodziwa prawie zawsze ma zasadnicze znaczenie dla udanej obróbki tych stali. Chłodziwo musi mieć wysoką jakość i zawierać co najmniej osiem lub dziewięć procent oleju w emulsji wodno-olejowej. Dla porównania w wielu operacjach obróbki skrawaniem emulsja zawiera zwykle trzy lub cztery procent oleju.

Równie ważny jest sposób użycia chłodziwa. Im wyższe jest ciśnienie, pod którym chłodziwo jest dostarczane do strefy skrawania, tym skuteczniej chłodziwo spełnia swoją funkcję. Jeszcze skuteczniejsze są specjalne systemy np. Seco Jetstream Tooling®, który doprowadza strumień chłodziwa pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio do strefy skrawania.

Powłoki narzędzi a proces zużycia

Twarda powłoka osadzona na podłożu narzędzia zwiększa jego twardość na gorąco i podwyższa trwałość w środowiskach o wysokiej temperaturze. Jednak powłoka musi być wystarczająco gruba, aby izolować podłoże narzędzia od ciepła, a gruba powłoka nie przywiera dobrze do narzędzia o ostrej geometrii. Producenci narzędzi skrawających pracują nad powłokami, które są cienkie, ale stanowią dobrą barierę zatrzymującą ciepło.

Nierdzewne stale austenityczne charakteryzują się wysoką ciągliwością i tendencją do przywierania do narzędzia skrawającego. Zastosowanie powłoki może również ograniczyć zużycie adhezyjne występujące wtedy, gdy skrawany materiał przywiera do krawędzi skrawającej i gromadzi się na niej. Przywarty materiał elementu obrabianego może oderwać część krawędzi skrawającej, co prowadzi do niezadowalającej gładkości powierzchni i awarii narzędzia. Powłoka może zapewnić smarowanie ograniczające zużycie adhezyjne. Do minimalizacji zużycia adhezyjnego przyczyniają się również wyższe prędkości skrawania.

Zrównoważenie wpływu głównych czynników na obróbkę skrawaniem stali nierdzewnej, Seco Tools

Niektóre nierdzewne stale austenityczne zawierają twarde wtrącenia ścierne, więc zwiększenie odporności narzędzia na ścieranie, uzyskane przez nałożenie twardej powłoki, może korzystnie wpłynąć na trwałość narzędzia.

Zużycie karbowe wynika ze skłonności stopu do umacniania zgniotowego w czasie obróbki skrawaniem. Zużycie karbowe można określić jako miejscowe ekstremalne zużycie w wyniku tarcia. Można je ograniczyć przez zastosowanie odpowiednich powłok lub inne działania, takie jak zmienianie głębokości skrawania w celu rozłożenia powierzchni zużycia na całej krawędzi skrawającej.

Tworzenie nowych narzędzi

Producenci narzędzi koncentrują swoje wysiłki zmierzające do opracowania narzędzi skrawających na znalezieniu równowagi między własnościami narzędzia, która zapewni optymalną wydajność dla określonych materiałów elementów obrabianych. W badaniach nad węglikiem poszukuje się równowagi między twardością a ciągliwością, która zapewni, że narzędzie nie będzie za twarde, aby pękać, ale wystarczająco twarde, aby zachować odporność na odkształcenia. Analogicznie preferowana jest ostra geometria krawędzi skrawającej, ale nie tak wytrzymała mechanicznie jak krawędź zaokrąglona. Zatem prace nad geometrią krawędzi ukierunkowane są na stworzenie narzędzi, w których zachowana jest równowaga między ostrością i możliwie jak największą wytrzymałością.

W ramach procesu rozwojowego producenci narzędzi od nowa przyglądają się wytycznym do stosowania narzędzi. Aktualne zalecenia dotyczące parametrów obróbki skrawaniem oparte są w większości na charakterystykach ciągliwości i twardości stali tradycyjnych, bez uwzględniania czynników termicznych, które są tak ważne przy obróbce nierdzewnych stali austenitycznych i innych wydajnych stopów. Ostatnio producenci narzędzi podjęli współpracę z placówkami akademickimi w celu weryfikacji procedur testowania narzędzi, tak aby uwzględnić charakterystyki termiczne pewnych materiałów.

Nowe wytyczne odzwierciedlają stworzenie nowych materiałów wzorcowych. Tradycyjnie normy obrabialności ustalano, przyjmując jeden materiał wzorcowy – stal stopową, w oparciu o obciążenia mechaniczne występujące podczas obróbki skrawaniem. Obecnie dla nierdzewnych stali austenitycznych stosuje się oddzielny materiał wzorcowy, dla którego ustalono podstawowe wartości prędkości, posuwu i głębokości skrawania. W odniesieniu do tego materiału wzorcowego stosowane są współczynniki zrównoważenia, czyli kalibracji, w celu określenia zmian wartości podstawowych, które pozwolą osiągnąć optymalną wydajność dla materiałów o różnej charakterystyce obróbki.

Specjalne geometrie dla specjalnych materiałów

Wiele narzędzi skrawających zapewnia akceptowalną wydajność dla szerokiej gamy materiałów oraz szerokiego zakresu warunków skrawania i parametrów obróbki. Dla zadań jednorazowych o przeciętnych wymaganiach odnośnie do wydajności i jakości narzędzia te mogą stanowić ekonomiczny wybór. Lecz aby osiągnąć maksymalną wydajność, producenci narzędzi stale manipulują szeroką gamą elementów narzędzi i podejmują próby ich zrównoważenia, tak aby stworzyć narzędzia zapewniające najwyższą wydajność i niezawodność procesu dla określonych materiałów elementów obrabianych.

Do podstawowych elementów narzędzia należą substrat, powłoka i geometria. Każdy z nich jest ważny a w najlepszych narzędziach tworzą system, który daje wynik wyższy od sumy udziałów poszczególnych elementów.

Części narzędzia spełniają różne funkcje. Substrat i powłoka spełniają rolę bierną; są zaprojektowane tak, aby zapewnić równowagę między twardości a ciągliwością, odporność na wysokie temperatury oraz na zużycie chemiczne, adhezyjne i ścierne. Z drugiej strony, czynną rolę odgrywa geometria narzędzia, ponieważ modyfikacja geometrii może doprowadzić do zmiany ilości metalu, który jest usuwany w pewnym przedziale czasu, zmiany sposobu formowania wiórów oraz możliwej do uzyskania gładkości powierzchni.

Podstawowe przykłady różnic geometrii wpływających na zmianę wydajności obejmują płytki o tradycyjnej geometrii do toczenia firmy Seco np. M3 i M5 o ujemnej (kąt przyłożenia 0°) geometrii krawędzi skrawającej i ścinie T między krawędzią skrawającą a powierzchnią natarcia. Geometria M3 jest uniwersalną geometrią do obróbki średnio-zgrubnej, która oferuje dobrą trwałość narzędzia i dobre łamanie wiórów w szerokim zakresie materiałów elementów obrabianych. Geometrie M5 są przeznaczone do wymagającej obróbki zgrubnej o dużym posuwie; łączą wysoką wytrzymałość krawędzi ze stosunkowo małymi siłami skrawania.

Mimo swojej uniwersalności geometrie M3 i M5 są mocne, ale nie mają maksymalnej ostrości. Przy obróbce nierdzewnych stali austenitycznych deformacja materiału powoduje wytwarzanie znacznych ilości ciepła. Dla porównania, konstrukcje narzędzi, które mogą być bardziej skuteczne przy obróbce skrawaniem stali nierdzewnej obejmują geometrie MF4 i MF5 firmy Seco charakteryzujące się dodatnimi kątami z węższymi dodatnimi ścinami T, które pozwalają utrzymać ostrość, jednocześnie zapewniając wsparcie za ostrą krawędzią. Geometrie są skonstruowane z myślą o otwartości i łatwości obróbki, tak aby ułatwiać operacje obróbki średniej i wykańczającej stali i stali nierdzewnych. Geometria MF5 jest szczególnie efektywna w zastosowaniach o dużym posuwie.

Podobne artykuły