Spolehlivé obrábění litiny s nástroji LOGIQ

Obrábění litiny však není tak jednoduché, jak se někdy mnozí výrobci mylně domnívají. Předpokládají, že ji bude možné snadno obrábět, protože v porovnání s ocelí obsahuje více grafitu. Grafit má schopnost zamezovat tření, čímž přispívá k „mazání” řezné hrany. Další jeho zajímavou vlastností je pohlcování vibrací, což vede ke zlepšení stability procesu obrábění. Třísky s grafitem jsou navíc křehké a krátké. I když lze výše uvedené vlastnosti považovat za velké výhody, je potřeba problematiku obrábění litiny chápat v širších souvislostech.

Jak již vyplývá z názvu, litina je určena především pro výrobu odlitků. Obrobení litinového obrobku však velmi často vyžaduje odstranění nejednotných a proměnlivých přídavků. Povrch takového dílce může obsahovat například vměstky písku, různé boule, tepelné trhliny a další vady negativně ovlivňující řezné nástroje. Nevýhodou při obrábění litiny je i obsah SiC, jenž působí na břit velice abrazivně. Aby byla zajištěna vysoká produktivita, musí mít řezné nástroje dobrou odolnost proti opotřebení. Rovněž stojí za zmínku, že termín „litina“ může ve skutečnosti odkazovat na různé typy slitin železa, u nichž se obrobitelnost může výrazně lišit. Výše uvedené aspekty mohou následně vést k nesprávnému výběru řezných nástrojů a chybné definici řezných podmínek.

Specifika obrobitelnosti různých typů litiny

Existuje mnoho typů litiny a každý z nich má při opracování mnohá specifika. Šedá, nodulární a temperovaná litina tvoří v souladu s normou ISO 513 skupinu materiálů ISO K (červená identifikační barva). Kalená a odlévaná tvrzená litina zase náleží do skupiny materiálů ISO H (šedá identifikační barva). Tato specifikace dává výrobcům jasné pokyny ohledně použití řezných nástrojů. Určuje vhodný řezný materiál nástroje, řeznou geometrii i volbu vhodných řezných podmínek. Obrábění litiny ISO K obvykle pro výrobce nepředstavuje větší problém a například feritická šedá litina je materiálem snadno obrobitelným. Obrábění tvrzené litiny ISO H je ovšem již mnohem obtížnější. Přestože se jedná o velmi podobné podmínky jako při obrábění kalených ocelí, vyžadují speciální vlastnosti tohoto materiálu od výrobců obráběcích nástrojů mnohá řešení. Mimo to některé typy litiny vykazují určitou dualitu ve své obrobitelnosti a zdůrazňují širokou a různorodou definici pojmu „litina.“

Například obrobitelnost austenitické litiny (Ni-resist) lze porovnat s šedou litinou. Co se však týče řezné geometrie, zdá se být vhodnější ta, která je požadovaná pro austenitickou nerez ocel.

Izotermicky kalená tvárná litina (ADI) je moderní materiál, jenž své uplatnění nachází v odvětvích, jako je výroba těžkých nákladních, ale i lehkých vozidel, železniční doprava, hornictví či zemědělství. Nabízí kombinaci jedinečných mechanických vlastností, například poměr vysoké pevnosti k hmotnosti, díky němuž se ekonomicky vyplatí nahradit ocelové výkovky a svařence. ADI komponenty jsou nejen o 30 % levnější než hliníkové, ale i třikrát silnější. Díky hustotě, která 2,5 × vyšší než v případě hliníku, bude díl z ADI litiny při stejné pevnosti lehčí než hliníkový díl. Odlitek z ADI může mít také složité tvary. Obrobky z této litiny jsou dodávány v různém stavu, s různou úrovní tvrdosti a mají vliv na výběr správných řezných nástrojů. Obrobitelnost ADI litiny je před kalením dobrá a je podobná obrábění vysoce legované oceli. Pokud je však tento typ litiny obráběn ve stavu vysoké tvrdosti, je nutné použít nástroje určené pro materiálovou skupinu ISO H, která představuje větší výzvu.

Tvrzená litina s tvrdostí 400–440 HB obvykle představuje pro výrobce menší problém, avšak situace se radikálně mění, jedná-li se o bílou litinu s vysokým obsahem chromu. Chromové litiny se vyznačují velmi vysokou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Obecná tvrdost bývá kolem 52–54 HRC, ovšem u tenkostěnných obrobků může dosahovat až 60 HRC a více. Taková tvrdost v kombinaci s vysokým obsahem chromu činí obrábění extrémně obtížným a výrazně snižuje životnost nástroje.

Tabulka 1 ukazuje průměrné hodnocení obrobitelnosti pro různé typy litiny. Výchozím materiálem pro porovnání je perlitická šedá litina s hodnocením obrobitelnosti 100 %.

Typ a tvrdost litiny určuje správnou volbu nástroje

Výběr nejvhodnějšího řezného nástroje pro obrábění litiny by měl být založen na jednoznačném označení typu litiny a její tvrdosti. Bez těchto znalostí není jednoduše možné zvolit nejvhodnější nástroj. Výrobci řezných nástrojů intenzivně usilují o nalezení nejúčinnějších řešení pro obrábění litiny, s přihlédnutím k rozmanitosti jejích typů. Mezi hlavní zpracovatele litiny patří automobilový průmysl, dále pak výrobci forem a zápustek, segment těžkého průmyslu a výrobci obráběcích strojů. Všichni tito zpracovatelé pochopitelně kladou stále vyšší nároky na výrobce nástrojů a očekávají od nich i nárůst životnosti. ISCAR uvedl na trh řadu nástrojů a řezných materiálů určených pro obrábění tohoto oblíbeného materiálu a tyto výrobky tvoří velkou část produktové řady. Mnohé z těchto nástrojů byly konstruovány nejen s ohledem na požadavky trhu, ale navíc i v úzké spolupráci s výrobci, díky čemuž byla nalezena vhodná nástrojová řešení jejich potřeb.

Nástroje ISCAR pro obrábění problematické litiny

Vlastnost výše popsané, těžko obrobitelné litiny s vysokým obsahem chromu tvoří vážnou bariéru pro dosažení uspokojivé produktivity při jejím obrábění. Řezný nástroj je totiž vystaven vysokému mechanickému a tepelnému zatížení. Při frézovacích operacích za použití slinutých karbidů se řezná rychlost pohybuje nejčastěji mezi 40‒50 m/min., což je velmi nízká hodnota a o produktivitě už vůbec nemůže být řeč. Tvorba intenzivního tepla často nutí výrobce používat chladicí emulzi, avšak vinou toho dochází na břitu nástroje velmi často k tepelným šokům, což mu výrazně zkracuje životnost. Speciálně pro tyto účely ISCAR vyvinul jakost karbidu DT7150. Jedná se o tzv. DO-TEC karbid, jenž má houževnatý substrát s dvojitým MTCVD Al2O3 a TiAlN PVD povlakem a kombinuje procesy povlakování CVD a PVD při středních teplotách. Díky extrémně vysoké odolnosti proti opotřebení a vyštipování se karbid DT7150 stává velmi účinným řezným materiálem pro obrábění tvrzené litiny.

Významné změny produktivity lze dosáhnout při použití kubického nitridu boru (CBN), který umožňuje značné zvýšení řezné rychlosti. Ve srovnání se slinutým karbidem lze s CBN při obrábění problematické tvrzené litiny použít dva- až pětkrát vyšší řeznou rychlost. Vysoce výkonné frézy ISCAR s tangenciálně upnutými destičkami s pájeným CBN břitem jsou velmi oblíbené a hojně používané v automobilovém průmyslu. Pro aplikace soustružení tvrzené litiny rozšířila firma ISCAR svůj sortiment o ISO destičky s pájeným CBN břitem pro nepřerušovaný i přerušovaný řez (viz obr. 1).

Obr. 1

Při obrábění materiálů ze skupiny ISO K (šedá, nodulární a tvárná litina) při středně těžkých podmínkách vykazovaly keramické nástroje dobré výsledky. Obvodově broušené, tangenciálně upnuté frézovací destičky TANGMILL, vyrobené z keramiky třídy IS8 (na bázi nitridu křemíku – Si3N4), umožňují až trojnásobné zvýšení řezné rychlosti a poskytují vynikající drsnost obrobených ploch. Při operacích soustružení lze pomocí keramických destiček z nitridu křemíku s CVD povlakem dosáhnout až pětinásobné řezné rychlosti, a to i pro hrubovací operace.

Role geometrie

Pro výkon nástroje jsou rozhodující řezná geometrie a úprava řezné hrany. Existuje několik typů úprav řezné hrany: ostrá, zaoblená, s fazetkou atd. Přestože se výběr požadované úpravy řezné hrany může jevit jako jednoduchý úkol, není to tak. Hlavními otázkami při využití keramických nebo CBN destiček jsou: Jaká šířka nebo úhel zkosení bude nejvhodnější či jak zajistit definovaný úhel při výrobě nástroje? Odpovědi se neobejdou bez patřičných odborných dovedností a zkušeností. Současní konstruktéři jsou však vybaveni výkonným konstrukčním softwarem (CAD) a dalšími nástroji, které umožňují počítačovou simulaci tvorby třísky, díky níž je možné navrhnout optimální geometrii břitu a utvařeče. Tyto moderní softwarové nástroje výrazně zkracují čas potřebný pro vývoj vhodné geometrie břitu a jsou nedílnou součástí při konstrukci úspěšného nástroje. Dobrým příkladem optimální úpravy řezné hrany v kombinaci s vhodným karbidem pro obrábění litiny je TOP-GRIP zapichovací destička TGMA. Tato destička byla na trh uvedena teprve nedávno a rozšířila nástrojovou řadu TOP-GRIP od firmy ISCAR. Destička má na čele a bocích fazetku pro zvýšení pevnosti břitu a prodloužení životnosti (viz obr. 2). V tomto konkrétním případě hrálo počítačové modelování při optimalizaci geometrie hran klíčovou roli. Destička je vyrobena z jakosti karbidu IC5010 a je opatřena CVD povlakem, který byl vyvinut speciálně pro zapichování litiny.

Obr. 2

Superdokončovací nástroj

V nedávné době uvedl ISCAR na trh nové produkty s názvem LOGIQ. Ty mimo jiné zahrnují čelní frézy TANGFIN s tangenciálními destičkami určenými pro frézování čelních ploch s vysoce kvalitním povrchem (viz obr. 3), o které mají výrobci litinových dílců velký zájem. Tangenciálně upnuté destičky jsou v tělese frézy TANGFIN uloženy tak, že každá destička odebírá malý průřez třísky, a to jak v radiálním tak i axiálním směru. Takový koncept frézy, spolu s tuhým tangenciálním upnutím a dlouhým hladicím břitem destičky, zaručuje velmi dobrou drsnost obrobených ploch s hodnotou Ra až 0,1 μ.

Obr. 3

Řešení na míru

Automobilový průmysl je jedním z největších výrobců litinových dílců. Ve snaze snížit náklady na kus v hromadné výrobě automobilových komponentů vyvinuli výrobci řezných nástrojů speciální nástroje „šité na míru”. Tyto nástroje jsou schopné provádět specifické obráběcí operace s maximální produktivitou a zkracují neproduktivní složku času jednotlivého obráběcího cyklu.

Obr. 4

Jako vynikající příklad může posloužit kombinovaný nástroj pro obrábění těhlice (viz. Obr. 4). Toto nástrojové řešení ISCAR vyvinul jako součást projektu na klíč pro jednoho z největších výrobců automobilů. Sdružený nástroj provádí několik operací: zhotovení vnitřních závitů pro připevnění krytu brzdového kotouče, frézování dvou drážek (pro pojistný kroužek a těsnění) kruhovou interpolací a frézování vnější čelní plochy. Nástroj je osazen radiálně a tangenciálně upnutými destičkami a závitníkem s plovoucím mechanismem, kompenzujícím nesouosost mezi závitníkem a obrobkem. Nástroj je vyroben v přísné lineární rozměrové toleranci, a je tak vhodný pro použití ve vícevřetenových strojích.

S ohledem na výše popsané aspekty je patrné, že obrábění litiny není až tak jednoduchá záležitost. Jedině pochopení rozmanitosti tohoto materiálu a dodržování striktních pravidel pro volbu správného řezného nástroje zajistí jeho maximální účinnost v obráběcím procesu.