Opotřebení nástroje

Opotřebením břitu nástroje se rozumí postupně probíhající proces, při kterém se zvětšuje poloměr zaoblení ostří, zhoršuje se drsnost plochy čela a hřbetu v místech styku s třískou a plochou řezu a mění se postupně geometrie břitu.

Obr. 1: Opotřebení nástroje

 

K opotřebení břitu nástroje dochází:

Otěrem stykových ploch – k otěru dochází jednotlivým nebo současným působením

• Abraze (brusný otěr vlivem tvrdých mikročástic obráběného materiálu i mikročástic uvolněných z nástroje).

• Adheze (vznik a okamžité následné porušování mikrosvarových spojů na stýkajících se vrcholcích nerovností čela a třísky, v důsledku vysokých teplot a tlaků, chemické příbuznosti materiálů a kovově čistých styčných povrchů - dochází k úbytku materiálu nástroje  např. u nástrojových ocelí). 

• Difúze (dochází k ní při dosažení teploty, při které se struktura kovů rozpadá na atomy. Pak dochází k následné migraci atomů z obráběného do nástrojového materiálu a naopak. Difundující atomy vnikají do mřížky kovu nástroje a vytvářejí nové tuhé roztoky nebo chemické vazby a z toho plyne vytváření nežádoučích chemických sloučenin ve struktuře nástroje).

• Oxidace (dochází ke vzniku chemických sloučenin na povrchu nástroje v důsledku přítomnosti kyslíku v okolním prostředí).

• Plastickou deformací povrchových vrstev břitu – při obrábění měkkých materiálů (dřeva, plastů, kůže apod.). Vlivem malé tepelné vodivosti obráběného materiálu se hromadí teplo v nástroji (důsledek vysokého tepelného a mechanického zatížení, kumulovaného v čase), které spolu s tlakem vyvolává plastický stav povrchových vrstev břitu. K opotřebení dochází plynulým přemisťováním plasticky deformované vrstvy materiálu, které se může ve svém nejnepříznivějším důsledku projevit ve formě tzv. lavinového opotřebení.

• Narušením ostří křehkými lomy – (důsledek vysokého mechanického zatížení, nejčastěji se objevuje u slinutých karbidů nebo řezné keramiky při práci nástroje přerušovaným řezem, nehomogenity a vměstky v obráběném materiálu). Příčinou mohou být též mikroskopické trhliny břitu vzniklé neopatrným ostřením nástroje. [1]

Abraze a adheze jsou obvykle označovány jako fyzikální mechanismy opotřebení. Difúze a oxidace jsou chemické mechanismy opotřebení. Všechny zmíněné mechanismy působí v průběhu času plynule, s tím že časový okamžik začátku jejich působení nemusí být vždy shodny. Plastická deformace a křehký lom jsou mechanismy, které působí náhle, v daném okamžiku a mají za následek okamžité ukončení činnosti nástroje (náhlá změna tvaru břitu nástroje, lavinové opotřebení nebo ulomení špičky). Hřbet nástroje se opotřebovává zejména v důsledku abraze a oxidace. Čelo nástroje se opotřebovává především v důsledku adheze, difúze, abraze a oxidace. [1]

Na skutečnost, zda se nástroj bude více opotřebovávat na hřbetě nebo čele (případně špičce), mají výrazný vliv i další faktory:

• Geometrie nástroje,
• Druh operace (hrubování, dokončování),
• Řezné podmínky (řezná rychlost, posuv, šířka záběru ostří, řezné prostředí). [1]

Proces obrábění lze sledovat tolika způsoby, kolik signálů o svém okamžitém stavu vysílá do svého okolí.

Podle toho, který druh namáhání převládá, rozlišujeme:

• Opotřebení čela, hřbetu nebo špičky nástroje otěrem (průběh je závislý na době řezání).

• Mechanické rozrušování břitu (vzniká, když dochází k nárazovému namáhání nástroje).

• Otupení ostří ztrátou tvrdosti (působením vysokých řezných tlaků a teplot, které jsou vlastně následkem plastické deformace břitu).

Klasifikace typů opotřebení

Byla provedena za účelem vytvoření báze pro posouzení operací obrábění a tím i možnosti ovlivnění produktivity. Pro volbu správných druhů řezných nástrojových materiálů a pro určení odpovídajících parametrů obrábění k dispozici následující kritéria obrábění:

• přesnost  rozměrů
• jakost obrobené plochy
• kontrolovaný odchod třísky.

Pohled na břit při zvětšení a posouzení, jaká opotřebení jsou na něm viditelná, umožňuje kontrolovat vhodnost trvanlivosti, její spolehlivost a dokonce i možnost jejího prodloužení. Pro každý proces existuje optimální průběh opotřebení. Správný nástroj a odpovídající řezné podmínky, kvalifikovaná odborná pomoc, vlastní zkušenost, dobrá jakost materiálu obrobku a dobré podmínky pro obrábění jsou důležitými předpoklady pro vznik optimálního průběhu opotřebení. [1]

 

Opotřebení na hřbetu nástroje

Patří mezi abrazivní formy opotřebení a projevuje se na hřbetní ploše břitu. Plochy hřbetu u hlavního ostří, vedlejšího ostří, poloměru špičky a na  čelní fasetce jsou před utvářením, během utváření a po utváření třísky zvlášť vystaveny působení materiálu obrobku. Opotřebení hřbetu je všeobecně obvyklým typem opotřebení. Stejnoměrně se zvětšující opotřebení hřbetu je často považováno za ideální. Příliš velké opotřebení hřbetu má za následek zhoršení jakosti obrobeného povrchu, nepřesnost rozměrů a narůstání tření, které vzniká změnou geometrie břitu.

Obr. 2: Opotřebení hřbetu nástroje - popis

Obr. 3: Opotřebení hřbetu nástroje

Opotřebení ve tvaru žlábku

Opotřebení ve tvaru žlábku na  čele je důsledkem působení mechanismů difúzního opotřebení a abraze. Žlábek vzniká částečně úběrem řezného materiálu nástroje vyvolaného brousícím pochodem, který vzniká působením tvrdých částic obsažených v materiálu, ale zejména difúzí v místě břitu s nejvyšší teplotou, tzn. v kontaktním místě mezi třískou a materiálem břitu. Tvrdost za tepla a malá afinita mezi materiály obrobku a břitu nástroje snižují tendenci ke vzniku tohoto opotřebení. Mimořádně velké opotřebení v podobě žlábku může změnit geometrii břitu a ovlivnit tak tvar třísky, změnit směr působení síly řezání a zeslabit břit.

Obr. 4: Opotřebení na čele nástroje - popis

Obr. 5: Opotřebení na čele nástroje

Vydrolení ostří

Je formou opotřebení, při níž se břit místo stejnosměrného opotřebení vydroluje. Toto opotřebení je způsobeno špičkami zatížení a vede k tomu, že se drobné částice řezného nástrojového materiálu začnou oddělovat z povrchu břitu. Nejčastější příčinou tohoto typu opotřebení je obrábění přerušovaným řezem. Pečlivé sledování břitu ukáže, kde je možné očekávat vydrolovaní. Odlupování materiálu a trhliny jsou příznaky, které upozorňují na možnost lomu břitu. Další  faktory způsobující tento typ opotřebení mohou být nevhodná volba řezného materiálu nebo nevhodná volba ostří.

Obr. 6: Vydrolení ostří - popis

Obr. 7: Vydrolení ostří

Oxidační rýha na vedlejším břitu

Je jedním z nejvýznamnějších kritérií limitujících životnost výměné břitové destičky. Nejčastěji se projevuje při technologii soustružení. Propojení oxidační rýhy s výlomem na čele se projeví na zvýšení drsnosti povrchu obrobku, dochází k jevu, který se slengově nazývá jako "chlupacení". Toto opotřebení lze zmenšit nebo odstranit, použijeme-li povlakovaný slinutý karbid, či zvýšíme intenzitu chlazení nebo snížíme řeznou rychlost.

Obr. 8: Oxidační rýha na vedlejším břitu - popis

Obr. 9: Oxidační rýha na vedlejším břitu

Plastická deformace břitu

Vzniká působením kombinace vysokých  teplot a  řezných tlaků na břit. U řezného materiálu nástroje, který těmto zatížením odolává a plasticky se nedeformuje, je tvrdost za tepla rozhodujícím faktorem. Typická deformace (vyboulení) břitu ještě více zvyšuje teploty a má za následek změnu geometrie břitu, změny v odchodu třísek a může velmi rychle dosáhnout kritického stádia. Toto opotřebení lze zmenšit použitím vhodného řezného materiálu s vyšší otěruvzdorností, správného zaoblení ostří a volbou vhodné geometrie.

Obr. 10: Plastická deformace špičky - popis

Obr. 11: Plastická deformace špičky

Opotřebení ve tvaru vrubu

Opotřebení ve tvaru vrubu na hřbetě břitu patří k typickým adhezním opotřebením. Může souviset s jevem oxidačního opotřebení. Vruby vznikají v místě kontaktu břitu s bokem třísky. Toto opotřebení se omezuje přesně na to místo, kudy proniká vzduch do oblasti obrábění. Opotřebení ve tvaru vrubu na vedlejším hřbetu břitu má mechanické příčiny. Jejich původcem jsou tvrdé částice materiálu obrobku. Mimořádně velké opotřebení ve tvaru vrubu ovlivňuje utváření třísky a může vést k lomu destičky.

Obr. 12: Opotřebení ve tvaru vrubu - popis

Obr. 13: Vrubové opotřebení

Tvorba nárůstku na hřbetě nástroje

Tvorba nárůstku se vztahuje k teplotám a řezným rychlostem. Může být způsobena i odlupováním vrstev v místě břitu nebo jinými formami opotřebení. Mimo změny geometrie břitu působí tato forma opotřebení negativně, protože se částice materiálu mohou odlomit. Afinita břitu k materiálu hraje v tomto případě rozhodující roli. Nízké teploty a vysoké tlaky vyvolávají mezi materiálem třísky a čelem nástroje efekt svařování. Velká část moderních způsobů obrábění probíhá nad obastí tvorby nárůstku a mnohé moderní řezné materiály nemají při správném použití k této formě opotřebení sklony. Mezi první znaky tvorby nárůstku je zhoršená jakost obrobeného povrchu. Nadměrná tvorba nárůstku může vést až k lomu výměné břitové destičky.

Obr. 14: Tvorba nárůstku - popis

Obr. 15: Tvorba nárůstku

Hřebenovité trhlinky na ostří nástroje

Vznik hřebenových trhlinek na ostří je formou únavového opotřebení, které vzniká tepelným šokem. Zvláště změna teplot při frézování vede často k tomuto druhu opotřebení. Trhlinky se tvoří kolmo na ostří. Přitom se mohou částice řezného materiálu mezi jednotlivými trhlinkami vylamovat a vyvolat tak náhlý lom břitu. Změnou tloušťky třísky se při obrábění změní též teploty. Použití chladících kapalin se nedoporučuje, protože zvyšuje rozdíl teplot při záběru břitu do materiálu obrobku a při výstupu z něj. [1]

Obr. 16: Hřebenovité trhlinky na ostří nástroje - popis

Obr. 17: Hřebenovité trhlinky na ostří nástroje

Únavový lom nástroje

Je typickým následkem mimořádně velkých změn velikosti řezných sil. Tento druh lomu vzniká vlivem součtu neustále se měnících různých zatížení, kdy působení jednotlivých zatížení není dostatečně intenzivní, aby mělo za následek lom. Způsob vřezávání nástroje do materiálu obrobku a změna velikosti a směru působení síly řezání mohou být pro pevnost a houževnatost výměné břitové destičky příliš náročné. Lomové plochy probíhají paralelně s ostřím.

Obr. 18: Únavové trhlinky podél hřbetu - popis

Obr. 19: Únavové trhlinky podél hřbetu

Lom břitu nástroje

Představuje konec funkčnosti řezného elementu. Totální lom je často velmi nebezpečný a mělo by se mu za každých okolností zabránit. Lom břitu nástroje je nutné v každém případě považovat za konec trvanlivosti. Změny geometrie, oslabení břitu, nárůst teplot a sil mohou vést ke značným škodám. Křehký lom může být způsoben různými faktory. Velmi často je zvolený materiál břitu málo houževnatý na to, aby mohl zvládnout všechny požadavky na obrábění. [1]

Obr. 20: Lom břitu nástroje - popis

Obr. 21: Lom břitu nástroje

 

Trvanlivost břitu je doba v minutách, při které může nástroj nepřetržitě pracovat, než se otupí na přípustnou mez (pak se musí nabrousit, popř. vyměnit).

Trvanlivost závisí na:

• řezných podmínkách – řezné rychlosti

• materiálu obrobku – obrobitelnosti

• materiálu řezné části nástroje.

T₂ = T₁ (v₁/v₂)^m    [min]

T_1,2 – trvanlivost břitu [min]

v_1,2 - řezná rychlost [m.min^-1]

m – exponent vyjadřující vliv materiálu břitu na řeznou rychlost (najdeme v tabulkách) [-]

Je-li známá hodnota trvanlivosti T₁, která odpovídá určité řezné rychlosti v₁, pak můžeme pro stejné podmínky obrábění a novou řeznou rychlost v₂ vypočítat trvanlivost T₂. [1]

 

Životnost nástroje je další kritérium v ekonomickém hodnocení obrábění. Vyskytuje se při použití nástrojů, které se po otupení přeostřují.

Životnost přebrušovaného nástroje Z je definována vztahem:

         [min]

T_i – jednotlivé trvanlivosti  [min]

T – aritmetický průměr hodnot T_i  [min]

x – počet možných ostření, které nástroj snese [-]

1 – první naostření z výroby   [1]

Zdroje

• [1] - BRYCHTA, Josef, Robert ČEP, Jana NOVÁKOVÁ a Lenka PETŘKOVSKÁ. Technologie II - 1. díl. 1. vyd. Ostrava: VŠB - TU Ostrava, 2007. ISBN 978-80-248-1641-8.
• DRIENSKY, Dušan, Pavel FÚRIK, Terézia LEHMANOVÁ a Josef TOMAIDES. Strojní obrábění I. 1. vyd. Praha: SNTL, 1986. 424 s.

Obrázky:

• Obr. 1: DRIENSKY, Dušan, Pavel FÚRIK, Terézia LEHMANOVÁ a Josef TOMAIDES. Strojní obrábění I. 1. vyd. Praha: SNTL, 1986. 424 s.
• Obr. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21: Katalog Soustružení 2014 Pramet.