Které kovy nazýváme exotické, proč jsou tak vzácné a jakým způsobem jsou obrobitelné? Abychom tomuto tématu a otázkám správně porozuměli, začněme celkovou definicí těchto pojmů.

Nejrozšířenější materiály v oblasti obrábění kovů jsou slitiny na bázi železa, jako je ocel, korozivzdorná ocel a litina. Další skupinou běžně používaných materiálů jsou slitiny na bázi neželezných kovů, jako jsou slitiny hliníku, mosazi a bronzu.

Avšak kromě výše zmíněných materiálů existují i tzv. exotické druhy, které byly vyvinuty pro specifické požadavky. Exotické materiály jsou většinou určeny pro danou konkrétní aplikaci, a proto jsou poměrně vzácné, běžně se nepoužívají a jejich výroba je zpravidla nákladnější.

Přesně dohodnutá definice exotického materiálu neexistuje. Mnoho odborníků označuje jako exotické materiály kovy jako je beryllium, zirkonium atd. a jejich slitiny, případně keramiku, kompozity a super slitiny. Důvodem, proč se kovoobráběcí průmysl intenzivně zabývá těmito typy materiálů, je jejich problematické obrábění. Super slitiny, nebo přesněji řečeno vysokoteplotní super slitiny (HTSA), jsou schopné odolávat vysokému mechanickému zatížení v kombinaci s vysokými teplotami. Ve velké míře se používají v plynových turbínách a v různých ventilech a petrochemických zařízeních. „Exotičnost“ super slitin je dána jejich metalurgickou strukturou, která zaručuje velkou odolnost proti roztavení, čímž zajišťuje vysokou pevnost při vysokých teplotách. Na základě převládajícího prvku lze vysokoteplotní super slitiny (HTSA) rozdělit do tří skupin: na bázi niklu (Ni), kobaltu (Co) nebo železa (Fe). Vysoký obsah legur v chemickém složení HTSA, zejména v případě slitiny na bázi niklu a kobaltu, vede ke špatné obrobitelnosti.

Kompozity jsou materiály s vrstvenou strukturou. Ve srovnání s tradičním materiálem, jako je např. ocel nebo hliník, mají obrobky z kompozitních materiálů většinou téměř finální tvar a nevyžadují výrazné úběry materiálu. Jednotlivé vrstvy kompozitních materiálů mají odlišné mechanické vlastnosti a jejich kombinace vytváří heterogenní strukturu, která činí obrábění těchto dílců velmi problematickým. U obrábění kompozitních materiálů nastává problém s obrobeným materiálem, tj. třískami. Hlavním rozdílem od obrábění kovů je, že při procesu nevznikají plynulé třísky (břit nevytváří třísku střihem), ale dochází k odlamování materiálu břitem ve formě prachu a jemných měkkých třísek. Proces odlamování materiálu působí na klín řezného nástroje velmi abrazivně a obvykle dochází k intenzivnímu opotřebení (otupení) nástroje, což nevyhnutelně vede k problémům s výkonem, dochází ke zhoršení přesnosti nebo v extrémním případě k neopravitelným vadám na obrobku.

Kovoobráběcí průmysl dosáhl značného pokroku v oblasti opracování exotických materiálů a díky moderním řezným nástrojům a efektivním strategiím obrábění dosahuje zcela nové úrovně ve srovnání s minulostí. Také velký krok vpřed v oblasti 3D tisku je působivý a může výrazně snížit potřebu operací obrábění. Při kovoobrábění exotických materiálů existuje jedna „výjimka“, která stále omezuje plné využití obráběcích strojů a jejich stále se zlepšujících charakteristik a schopností. Touto „výjimkou“ je řezný nástroj. Navzdory značnému pokroku zůstávají řezné nástroje hlavní překážkou efektivity obrábění exotických materiálů a průlomové strategie produktivního obrábění jsou v mnohém závislé právě na řezných nástrojích.

Výzkumné a vývojové oddělení firmy ISCAR pokračuje ve vývoji produktivních a spolehlivých nástrojových řešení pro obrábění exotických materiálů. Každý výrobce řezných nástrojů včetně firmy ISCAR se stále snaží nabízet pokrokové výrobky, které kombinují dostupné materiálové zdroje s novými strategiemi obrábění. Nástroje ISCAR, uvedené v nedávné době na trh, jsou dobrým příkladem těchto produktů a pokusem vyřešit problematiku obrábění exotických materiálů a najít nové způsoby, jak se posunout vpřed.


Exotikou na exotiku: pokroková keramika
Slinutý karbid je stále hlavním řezným materiálem při kovoobrábění. S příchodem karbidových nástrojů došlo k revoluci v kovoobráběcím průmyslu a k výraznému nárůstu produktivity díky možnosti zvýšení řezných rychlostí. I přes tento pokrok jsou řezné rychlosti dosažitelné při obrábění těžko obrobitelných vysokoteplotních super slitin na bázi niklu a kobaltu (HTSA) poměrně nízké: obvykle se pohybují v rozmezí 25–50 m/min. Jakým způsobem ale posunout hranici a zvýšit řeznou rychlost?

Exotickým můžeme označit nejen obráběný, ale také řezný materiál. V tom případě hovoříme o řezné keramice. S tímto moderním materiálem je, oproti slinutému karbidu, možné dosáhnout mnohem vyšší řezné rychlosti. Běžně se lze dostat na hodnotu kolem Vc = 1000 m/min. A právě proto je v dnešní době použití řezné keramiky pro obrábění vysokoteplotních super slitin téměř běžným standardem.

V nedávné době uvedla firma ISCAR na trh čelní nástrčné frézy (označení těles FRN – viz obr. 1) pro oboustranné keramické kruhové destičky. Frézy jsou určeny především na hrubovací a polodokončovací obrábění čelních a 3D tvarových ploch při extrémně vysokých řezných rychlostech. Oboustranná kruhová destička umožňuje maximální využití řezného materiálu a stává se tak velmi ekonomickým řešením. Destičky RNGN jsou dostupné ve vícero typech řezné keramiky: „černá“ keramika IN22 a IN23, Whiskery vyztužená keramika IW7 nebo SiAlON keramika IS25 a IS35 (druh keramiky na bázi nitridu křemíku). Nová frézovací tělesa jsou zaměřena na maximalizaci rychlosti úběru přebytečného kovu za jednotku času a dramatické snížení časů jednotlivých obráběcích cyklů.

Dalším dobrým příkladem úspěšného použití řezné keramiky v praxi je další z nejnovějších produktů společnosti ISCAR: řada monolitních stopkových fréz SOLIDMILL z řezné keramiky SiAlON. Ty jsou dostupné jako tříbřité frézy (EC-E3) v jakosti řezné keramiky IS35 a sedmibřité frézy (EC-E7) v jakosti řezné keramiky IS6. Tyto stopkové frézy byly navrženy speciálně pro produktivní hrubování super slitin na bázi niklu, jako například Inconel, Incoloy, Haynes atd. Zmiňované materiály jsou velmi používané v leteckém průmyslu. Oproti frézám ze slinutého karbidu lze s keramickými frézami (SiAlON) dosáhnout až padesátinásobného zvýšení řezné rychlosti!



Nástroje s polykrystalickým diamantem
Vrtání je obecně považováno za hlavní řeznou operaci při výrobě dílů z kompozitů. Důležitým faktorem ve výrobě a celkové efektivitě obrábění kompozitů jsou stále se zlepšující vlastnosti vrtacích nástrojů.

V létě roku 2020 uvedla firma ISCAR na trh řadu monolitních vrtáků SOLIDDRILL v rozsahu průměrů 3,3–12 mm, které jsou speciálně navrženy pro vrtání kompozitních materiálů CFRP (viz obr. 3). Řada těchto vrtáků je osazena špičkou nebo hroty z pájeného polykrystalického diamantu (PCD) nebo je vrták opatřen CVD diamantovým povlakem, který poskytuje nástrojům vysokou odolnost proti abrazivnímu opotřebení. ISCAR nabízí tři typy vrtáků pro obrábění CFRP materiálů s PCD hroty (označení SCD-WPCD – na obr. 2 vlevo) a vrtáky se špičkou z pájeného PCD (označení SCD-FNPCD – na obr. 2 uprostřed). Oba typy vrtáků nabízejí dostatečnou délku PCD pro možnost vícenásobného přebroušení. Třetím typem vrtáku je celokarbidový nástroj s CVD diamantovým povlakem (označení SCD-CVD – na obr. 2 vpravo).

Speciálně konstruovaná geometrie řezné hrany tohoto vrtáku účinně snižuje řezný odpor a omezuje delaminaci a otřepy při vrtání CFRP a vrstvených CFRP s hliníkovými fóliemi.

Řešení efektivního chlazení
Základem úspěchu při obrábění exotických materiálů je efektivní způsob chlazení. Vysokotlaké chlazení směrované přímo na břit má velmi pozitivní vliv na zlepšení řezného výkonu. Také výrazně prodlužuje životnost nástroje, pomáhá k efektivní tvorbě třísky a zvyšuje produktivitu.

Dosavadní soustružnické držáky vybavené vysokotlakým chlazením měly řešený upínací mechanismus páčkou, protože by horní upínka bránila proudu chladicí kapaliny a nedocházelo by k efektivnímu chlazení řezné hrany. Proto společnost ISCAR vyvinula a v nedávné době uvedla na trh nový systém soustružnických nástrojů pro ISO destičky z řady nástrojů JET-R-TURN JHP (obr. 3). Jedná se o soustružnický nožový držák s nově navrženou dutou horní upínkou s vnitřním přívodem chladicí kapaliny směřující přímo k řezné hraně. Horní upínka zajišťuje spolehlivé a tuhé upnutí destičky v lůžku i při těžkých a přerušovaných řezech a chladivo je směrováno přímo na řeznou hranu.





U systému JET-R-TURN plní horní upínka, kromě funkce upnutí destičky v lůžku, i funkci trysky chladiva.

Použití nových nástrojů s vnitřním chlazením zaručuje velkou výhodu nejen při vysokotlakém chlazení, ale lze je použít i na strojích s konvenčním „nízkým“ tlakem chlazení (10–15 barů), kde i za těchto podmínek dojde k podstatnému zlepšení výkonu obrábění.

Efektivní tvorba třísky má při operacích upichování a zapichování, zejména pak při hlubokém zapichování, zásadní význam. Chladivo s vysokým tlakem, přesně směřované na řeznou hranu, podstatně snižuje riziko pěchování třísek v drážce a zamezuje tvorbě nárůstku na řezné hraně. V roce 2019 rozšířila společnost ISCAR řadu svých produktů o nové adaptéry pro čelní zapichování (označení TNFPAD-XL-JHP a HFPAD-JHP) s možností vysokotlakého chlazení (obr. 4 – TNFPAD-XL-JHP s destičkou TNF 4P). Nástroje lze použít pro maximální tlak řezné kapaliny až 140 barů.

Nikdy nekončící inovace v oblasti řezné geometrie
Vylepšení řezné geometrie je nedílnou součástí zvyšování efektivity obrábění. Dobrým důkazem této skutečnosti je celá řada nových řešení, aplikovaných na nejnovějších řezných destičkách firmy ISCAR. Neustálá inovace řezných geometrií spočívá v nových typech utvařečů, zesílení a vylepšení úpravy řezné hrany.

Společnost ISCAR přišla s novými typy utvařečů označenými F3S (viz obr. 5) a aplikovala je na populární ISO destičky (CNMG, SNMG a WNMG). Utvařeč F3S je určen pro dokončovací operace soustružení exotických super slitin. Pro dokončovací operace je typická malá hloubka řezu a nízký posuv. Proto úspěch dokončovacího utvařeče spočívá na velmi malé ploše, která je těsně u řezné hrany břitové destičky. Zde jsme svědky opravdového strojírenského „umění“ a vynaloženého úsilí na přepracování této oblasti a utvařeč F3S přinesl potřebné navýšení výkonu.

Konstrukce utvařeče F3S je dobrým příkladem úspěšné implementace inovativní geometrie do praxe. Utvařeč F3S má zesílenou řeznou hranu, která zvyšuje odolnost vrubovému opotřebení a speciální deflektor pro dokonalou tvorbu třísky při dokončovacím soustružení vysokoteplotních super slitin HTSA. Tyto vlastnosti, v kombinaci s pozitivním úhlem čela destičky, zajišťují hladký a lehký řez, výjimečnou schopnost lámání třísky a výrazné snížení řezných sil.

Obrábění exotických materiálů staví výrobce nástrojů hned před několik výzev. Při vývoji řezného nástroje, který povede k jistému průlomu, využijí výrobci nástrojů veškerých svých možností. Někdy jsou jejich řešení skutečně „exotická“ a jindy jim inovativní myšlení umožňuje jít vpřed tradičním směrem. V případě firmy ISCAR je patrné, že pokrok směrem k nalezení ještě výkonnějších nástrojů, v reakci na potřeby kovozpracujícího průmyslu pro obrábění exotických materiálů, se nikdy nezastavil. Firma ISCAR tak hájí své heslo „WHERE INNOVATION NEVER STOPS” – „Kde inovace nikdy nekončí.”

Obr. 1


Obr. 2


Obr. 3


Obr. 4


Obr. 5