Różnica pomiędzy tanim i drogim narzędziem.

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

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 1000^oC. 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 :

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.

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.

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.

PODSUMOWANIE .

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

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 :