Różnica pomiędzy tanim i drogim narzędziem.

grupowe

Klienci TIZ IMPLEMENTS często zadają naszym przedstawicielom pytanie „Czemu jeden frez jest droższy od innego skoro wyglądają prawie identycznie ?”. Odpowiedź na to pytanie jest oczywista choć nie każdy zdaje sobie z tego sprawę. W poniższym artykule przedstawimy kilka różnic pomiędzy narzędziami wysokiej klasy a frezami ekonomicznymi.

 

  1. RÓŻNICA GATUNKOWA

Pierwsza różnica dotyczy jakości gatunkowej węglika spiekanego z jakiego wykonane jest narzędzie pełno węglikowe monolityczne.

Co trzeba wiedzieć o węgliku spiekanym ?

Węglik spiekany W głównej mierze składa się z dwóch komponentów. Podstawowym komponentem jest węglik wolframu (WC), drugim jest spoiwo w postali kobaltu (Co). Ekstremalnie wysoką twardość, węglik spiekany zawdzięcza węglikowi wolframu i wysokiej wytrzymałości spoiwu (Co), które łączy żarna węglika wolframu (WC). Swoją wysoką twardością, węglik spiekany zasadniczo góruje nad stalą szybkotnącą HSS. Wiadomo, że stal osiąga swoją najwyższą twardość po hartowaniu i że ten stan nie można określić jako stabilny, ponieważ ulega zmiękczeniu po wyżarzaniu. Zaś gotowy węglik spiekany utrzymuje się w stabilnym stanie, w którym praktycznie nigdy nie ulega zmianie twardości pod wpływem temperatury. Jego ekstremalnie wysoka twardość i niezrównana termo-stabilność powodują że narzędzia z węglików spiekanych mają znacznie dłuższą żywotność od narzędzi ze stali szybkotnącej (HSS).

Węglik spiekany produkowany jest z proszków WC i Co, które są mieszane i doprowadzane do masy plastycznej, z której są wytłaczany surowe pręty a następnie poddawane są spiekaniu. Obróbka cieplna nadaje wytrzymałość węgliku spiekanemu.

Jakość węglika spiekanego w dużej mierze zależy od jakości proszku.

Podstawowe charakterystyki węglika spiekanego w głównej mierze zależą od wielkości ziarna WC i od procentu zawartości Co. Przy zmniejszeniu wielkości ziarna, twardość i wytrzymałość na zginanie zwiększa się, ale odporność na pękanie (ciągliwość – odporność na obciążenia dynamiczne) zmniejsza się. Jeżeli zawartość Co w węgliku spiekanym zwiększa się, wytrzymałość będzie rosła, lecz twardość będzie spadała. Najistotniejszą rzeczą dla producentów węglików spiekanych jest by mały one jednolite charakterystyki. Należy zaznaczyć, że przy spiekaniu powstaje tendencja wzrostu wielkości ziarna. Producenci starają się temu zapobiegać.

Najlepsze gatunki węglika spiekanego charakteryzują się jednolitą, ultra drobno ziarnistą strukturą o granulacji 0,2-0,4 µm, twardości > 1900 [kg/mm2], wytrzymałość na zginanie > 4000 N/mm2. TIZ IMPLEMENTS głównie stosuje takie gatunki. Większość firm stosuje tańsze gatunki które charakteryzują się granulacją 0,7-0,8 µm o twardości < 1700 [kg/mm2], wytrzymałość na zginanie na poziomie 3200 N/mm2.

 

Różnice pomiędzy gatunkami węglika :

Dla porównania, przedstawione zostały trzy różne gatunki węglika spiekanego. Dwa pierwsze gatunki stosowane są zazwyczaj w tańszych frezach klasy ekonomicznej. Ostatni gatunek stosowany jest przez TIZ IMPLEMENTS we frezach z serii UFG. Porównując cztery najważniejsze właściwości gatunków węglika można łatwo wyciągnąć wnioski o wysokiej jakości gatunku używanego we frezach UFG.

 

Właściwości
gatunku
Gatunek stosowany w narzędziach węglikowych
 
Frezy
ekonomiczne #1

Frezy ekonomiczne #2

Frezy UFG

Granulacja (wielkość ziarna) węglika [µm]

0,7

0,6

0,2 – 0,4

Zawartość procentowa Co [%]

8

10

9

Twardość węglika spiekanego [kg/mm2]

1700

1600

1900

Wytrzymałość na zginanie [N/mm2]

3200

4000

>4000

Rysunek makroskopowy dla porównania granulacji
frez_1

frez_2

frez_3

 

Jak widać różnica gatunku węglika ma zasadniczy wpływ na właściwości gotowego narzędzia. W zależności od gatunku narzędzie może być bardziej lub mniej twarde, bardziej lub mniej odporne na zginanie lub na obciążenia dynamiczne.

 

2. RÓŻNICE W POWŁOCE

Drugą różnicą, jaka wpływa na jakość wykonanego freza jest pokrycie powłoką. Powłoka wpływa z znacznym stopniu na żywotność narzędzia.

 

Co to jest nano-krystaliczna powłoka kompozytowa ?

Kompozytowa, nano-krystaliczna powłoka złożona jest z monokryształów o rozmiarze mniejszym od 10nm, które są osadzone w amorficznej siatce. Siatka połączona jest związkiem międzykrystalicznym o grubości około 1 nm. Jest to materiał stały termodynamicznie. Stałość tego materiału objawia się także w wielkości ziarna. W tym przypadku wielkość ziarna nie wzrasta przy wzroście temperatury. Granice międzykrystaliczne służą jako spoiwo zapobiegające pęknięciom – w ten sposób zdefiniowana jest wysoka twardość tego materiału.

Nano-krystaliczne struktury lub nadstruktury są tworzone poprzez nakładanie bardzo cienkich warstw z różnymi właściwościami. Grubość kolejnej warstwy zależy do jej właściwości. Optymalna grubość mieści się w granicach od 3 do 10 nm i zależy od rodzaju warstwy. W rezultacie otrzymujemy bardzo twarda powłokę o dużej odporności na pękanie.

 

Główne zalety stosowania powłok Nano-krystalicznych :

Wzrost żywotności narzędzia

  • Poprawa jakości obrabianego materiału

  • Możliwość zastosowania większych parametrów – większe prędkości skrawania i większe posuwy – w wyniku czego wzrasta produktywność

  • Możliwość zmniejszenia lub unikania użycia chłodziwa

  • Zmniejszenie wartości sił skrawania – mniejsze zużycie mocy obrabiarki

  • Zmniejszenie drgań występujących podczas obróbki

  • Łatwiejsze wypłukiwanie wiórów

W celu zwiększenie gładkości i smarowności powłoki dodawana jest warstwa smarująca. Łączenie powłoki z warstwą smarującą jest unikalną, opatentowana technologią bazującą na odparowaniu przy pomocy łuku niskonapięciowego.

Zarówno metoda łącznia Nano-struktur jak również łącznie ich z czynnikiem smarującym posiadają pewne zalety :

  • Gładka powierzchnia warstwy z pomniejszoną ilością makrostruktur jest osiągalna dzięki szybkim ruchom katody który jest możliwy dzięki zastosowaniu pola magnetycznego i znacznej rotacji elektrod oraz przez równą erozję materiału pokrywanego

  • Przygotowanie warstwy Nano-krystalicznej jest możliwe dzięki wysokiej jonizacji plazmy za pomocą intensywnego dwufazowego pola magnetycznego

  • Programowanie stechiometryczne warstw umożliwia przygotowanie zróżnicowania warstw i połączenia różnych warstw podczas procesu ich spajania

  • Dzięki optymalnemu wykorzystaniu zróżnicowania i odpowiedniej synchronizacji możliwe jest tworzenie wielowarstwowych i Nano-struktur w jednym procesie.

Połączenie wyżej wymienionych zalet z automatyzacją procesu powlekania oraz specjalną metodą czyszczenia przed powlekaniem powoduje że połączenie Nano-powłoki z elementem smarującym jest niezwykle skuteczne. Nałożona warstwa powłoki musi przejść kontrolę złożoną z następujących czynności :

  • Analiza twardości

  • Analiza przylegania

  • Analiza grubości powłoki

  • Optyczna ocena jakości powłoki 

Metody powlekania.

Istnieją dwie podstawowe metody powlekania. Jedną z nich jest CVD (Chemical Vapour Deposition – metoda chemicznego osadzania powłok z fazy gazowej) oraz PVD (Physical Vapor Deposition – metoda fizycznego osadzania powłok z fazy gazowej). W metodzie CVD używane są aktywne chemicznie gazy (tj. TiCl3, CH4, AlCl3, itp…) podgrzewane do temperatury od 900 do 1000oC. Metoda PVD oparta jest na fizycznych metodach osadzania (parowanie, natryskiwanie…) związków wchodzących w skład powłoki. Inną metoda powlekania jest SHM, oparta na parowaniu przy pomocy niskonapięciowego łuku elektrycznego. W konwencjonalnej metodzie powlekania PVD elektroda posiada kształt cylindryczny z płaskim czołem. Powoduje to skoncentrowanie ładunków i nierównomierne rozłożenie warstwy powłoki. Aby rozkład był równomierny należy odpowiednio zaprojektować kształt elektrody.

Jak wynika z powyższego opisu, nakładanie powłok jest niezwykle trudnym i zależnym od wielu czynników procesem.

Dla porównania przedstawiamy najważniejsze parametry dwóch powłok ekonomicznych używanych w tańszych frezach ogólnego użytku oraz właściwości powłoki używanej w narzędziach monolitycznych węglikowych typu UFG :

 

 

Właściwości powłoki

Powłoka uniwersalna TiN

Powłoka uniwersalna TiAlN

Frezy UFG

Nano-twardość [GPa]

24

31

42

Grubość [µm]

1-6

1-4

1-4

Współczynnik tarcia

0,56

0,55

0,44

Maksymalna temperatura oksydacji

600

800

1200

 

Łatwo wywnioskować z powyższych informacji o wyższości powłoki używanej w narzędziach typu UFG w porównaniu do uniwersalnych powłok TiN lub TiAlN. Warto zwrócić uwagę na współczynnik tarcia dzięki któremu jest możliwe łatwiejsze odprowadzanie wióra z obszaru obróbki. Dzięki temu wiór nie dostaje się pomiędzy ostrza a narzędzie i nie powoduje wibracji lub wykruszeń ostrzy.

 

3. RÓŻNICE W JAKOŚCI SZLIFOWANIA

Trzecią własnością narzędzi węglikowych monolitycznych pozwalającą na rozróżnienie frezów ekonomicznych od frezów wysokiej klasy jest jakość szlifowania. Jakość szlifowania przejawia się przede wszystkim w dokładności z jaką zostało wykonane narzędzie.

Podstawowym czynnikiem wpływającym na jakość szlifowania jest zastosowanie odpowiedniej technologii i użycie odpowiednich szlifierek. Zastosowanie nowoczesnych 5-cio osiowych szlifierek CNC znacznie uprościło i podniosło poziom jakości wykonywanych narzędzi. Sztywność i szybkość takich obrabiarek także odgrywa dużą rolę. Jednak wyposażenie parku w maszyny wysokiej klasy jest kosztowne. Godzina pracy na 5-cio osiowej szlifierce CNC jest znacznie droższa od godziny pracy na konwencjonalnej szlifierce.

 

 gringing

Kolejnym czynnikiem wpływającym na jakość wytwarzanych narzędzi jest czas ich wykonania. Niestety mimo zastosowaniu nowoczesnych maszyn CNC i automatyzacji procesu produkcyjnego pewnych etapów nie da się ominąć. Wiadome jest że aby narzędzie zostało wykonane w wysokiej klasie tolerancji to musi być szlifowane w dokładny i powolny sposób. Wiadomo także że każda dodatkowa godzina pracy pociąga za sobą koszty. Lecz efekty można zaobserwować podczas kontroli.

 

tolerancja 

Powyższy rysunek pokazuje różnice pomiędzy dwoma frezami kulistymi, dwuostrzowymi. Granice tolerancji wynoszą ±5µm. Na pierwszy rzut oka już widać który frez został wykonany w wysokiej klasie tolerancji. Frez UFG28 TIZ IMPLEMENTS mieści się w założonej granicy tolerancji. Średnia tolerancja kształtu nie przekracza ±2µm. W przypadku freza ekonomicznego, który nie mieści się w tolerancji ±5µm, widać że nie został odpowiednio dobrze wyszlifowany.

Jest jeszcze jedna przyczyna warunkująca potrzebę dokładnego szlifowania narzędzia. Podczas gdy narzędzie nie zostanie odpowiednio dobrze przeszlifowane – nałożenie powłoki powoduje że frez staje się mniej ostry – powłoka zaokrągla ostrza freza. Lecz kiedy narzędzie jest odpowiednio ostre to nałożenie powłoki w niewielkim stopniu „stępia” ostrze.

 jakoscostrza

PODSUMOWANIE .

Podsumujmy jakie czynniki wpływają na wysoką jakość narzędzia i jednocześnie podnoszą jego cenę w porównaniu do zalet jakie posiadają :

 

Czynniki wpływające

na jakość i cenę

Zalety narzędzia

Wysoka jakość gatunku węglika spiekanego

Wysoka twardość i odporność na zginanie

Odpowiednia powłoka i technologia jej nakładania

Łatwiejsze odprowadzanie wiórów – mniej drgań

Większa maksymalna temperatura pracy narzędzia

Mniejsza grubość powłoki

Większa twardość powłoki

Dłuższa żywotność narzędzia

Dokładne szlifowanie narzędzia przy użyciu zaawansowanych szlifierek CNC

Odpowiednia geometria

Większa ostrość narzędzia

Mniejsza ilość kraterów na ostrzu

Gładsza powierzchnia narzędzia – łatwiejsze nakładanie powłoki

 

Można zadać sobie teraz pytanie: to w jakim celu produkowane są (tańsze) ekonomiczne narzędzia? Otóż ekonomiczne narzędzia mają odmienne zastosowanie. Główne zastosowania przedstawimy w poniższej tabeli :

 

ZASTOSOWANIE NARZĘDZI

Narzędzia wysokiej klasy

Narzędzia ekonomiczne

– obróbka precyzyjna i superprecyzyjna

– wysokoobrotowe obrabiarki CNC

– do obróbki aluminium i miękkich materiałów – wysokie prędkości skrawania

– obrabiarki HSM

– obróbka powierzchni o wysokich tolerancjach

– obróbka powierzchni wymagająca bardzo dobrej jakości powierzchni

– wymagają użycia oprawek o małym biciu osiowym

– obróbka hartowanych i ciężkoskrawalnych materiałów

– wyższa klasa programowania CAD/CAM

– obrabiarki o małej sztywności

– obrabiarki konwencjonalne i mniej dokładne obrabiarki CNC

– programowanie manualne na obrabiarce lub przy użyciu niższej klasy systemów CAD/CAM

 

 

Ostatnie wpisy

Jak uczyli się i żyli studenci średniowiecznych uniwersytetów?

Jak uczyli się i żyli studenci średniowiecznych uniwersytetów?

Bolonia, na przykład, miała około 500 do 1500 studentów w XIII wieku, jest to dużo jak na współczesne małe miasto,

Pierwsze uniwersytety

Pierwsze uniwersytety

Pierwszy europejski uniwersytet znajdował się w Bolonii. Była to gildia dorosłych uczniów, którzy chcieli zdobyć dodatkową wiedzę. Studenci sami wybierali

Energia wodorowa w UE

Energia wodorowa w UE

Temat energii wodorowej nie pojawił się ani dziś, ani wczoraj. Po raz pierwszy tak duży wzrost zainteresowania nią nastąpił w

Problemy związane z energią wytwarzaną z wodoru.

Problemy związane z energią wytwarzaną z wodoru.

Ostatnio coraz więcej mówi się o energii wodorowej lub gospodarce wodorowej. O wykorzystaniu wodoru jako głównego nośnika energii dla różnych

Podziel się tym wpisem ze swoimi znajomymi

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on pinterest
Share on email