Na po - ateam.zcu.cz · Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Katedra KMM, KTO, KKS, KKE, NTC. Interní grant Fakulty strojní, ZČU v Plzni pro rok 2007. Teplotní

Na počátku byla

obyčejná

zvědavost,co se stane s nadeponovanou břitovou destičkou,

když se nechá v peci při teplotě 800°C po dobu 40 min?

Tak vznikl impuls zabývat se

teplotní

odolností

tenkých vrstev a jejich přínosem při obrábění

tvrdých ocelí

Západočeská

univerzita v

PlzniFakulta strojní

Katedra KMM, KTO, KKS, KKE, NTC

Interní

grant Fakulty strojní, ZČU v

Plzni pro rok 2007Teplotní

odolnost tenkých vrstev a jejich přínos

v obrábění

tvrdých ocelíŘešitel interního grantu:

Antonín Kříž

Členové

řešitelského týmu:Akademičtí

pracovníci

Josef Formánek, Jan Matějka, Martina Sosnová, Miroslav Zetek, Jiří

Martan, Radomír Čerstvý, Milan Vnouček, Jiří

Hájek

1/48

Akademičtí

pracovníci -

8 Studenti -

12

Studenti David Krivánka, Michal Rogl, Jiří Tesař, Petr

Beneš, Petr Hrbáček, Aleš

Srogončík, Tomáš

Kepka, Michal Pacina, Kateřina Kutilová, Václava Dobšíčková,Martin Rezek, Jan Klepáček

Řešitelský tým:Antonín Kříž

–

garant a koordinátor projektu

Jiří Martan – Měření

teplotních vodivostí

PVD vrstevJosef Formánek –

Měření

vysokorychlostní

kamerou, elektrotechnické

záležitosti

Jan Matějka –

Praktické

frézovací

obráběcí

testyMartina Sosnová

–

Realizace Scratch

testu, Fretting

testu na PVD vrstvách

Miroslav Zetek -

Praktické

obráběcí

testy soustruženímRadek Čerstvý –

Měření

mikrotvrdosti

PVD vrstev

Milan Vnouček –

GD-OES měřeníJiří

Hájek –

Tribologická

měření

Petr Hrbáček –

Měření

na konfokálním mikroskopuDavid Krivánka

–

Měření

vibrací

při praktických obráběcích testech

Michal Rogl

–

Metalografická

měřeníJiří Tesař

-

Praktické

frézovací

obráběcí

testy, Praktické

obráběcí

testy

soustružením Petr Beneš

–

Impact

test, metalografická

měření

Aleš

Srogončík

-

Praktické

frézovací

obráběcí

testy, Praktické

obráběcí

testy soustružením, měření

tvrdosti

Tomáš

Kepka

-

Praktické

frézovací

obráběcí

testy, Praktické

obráběcí

testy soustružením, měření

tvrdosti

Michal Pacina

-

Praktické

frézovací

obráběcí

testyKateřina Kutilová

–

Příprava metalografických vzorků

Václava Dobšíčková

-

Příprava metalografických vzorkůMartin Rezek -

Příprava metalografických vzorků 2/48

Cíl projektu –

praktické

výsledky, propojení

jednotlivých odborníků

z různých kateder.

Hlavním cílem projektu bylo sledování

vlivu tepelného zatížení

daného systému a iniciované

změny nejen ve sledovaných vlastnostech, ale

také

v

praktických aplikacích.Bylo využito těchto mezioborových zkušeností

a ty budou dále rozvíjeny tak,

aby je bylo možno využít při podávání

a řešení

dalších mezioborových projektů. Rozhodně

jsme se nesnažili získat akademické

poznatky spadající

do základního výzkumu.

3/48

„Pedagogické“

cíleDo projektu bylo zapojeno velké

množství

studentů, kteří

vykonávali různé

činnosti –

od přípravných prací, metalografických výbrusů

(4 studenti bakalářského studia) až

po řešení

diplomových prací

(3 studenti

magisterského studia). Velmi cenné

je také

zapojení

5 doktorandů, kteří

již vykonávali v

rámci svěřených měření

řídící

a odborné

práce.

Jednotlivými spoluřešiteli, kteří

byli aktivně

zapojeni do řešení

projektu, byly vypracovány závěrečné

zprávy. Tyto zprávy podrobně

popisují

experimenty, výsledky i získané

poznatky a souvislosti z následujících analýz.1. zpráva –

Mikrotvrdost

systémů

tenká

vrstva substrát (10str.);

2. zpráva -

Charakteristika analyzovaných systémů, Scratch

test, Fretting test (35str.);

3. zpráva -

Vliv teplotní

zátěže na tribologické

vlastnosti systému tenká vrstva –

substrát (10str.);

4. zpráva –

Impact

test (18str.);5. zpráva –

Stav povrchu (6 str.);

6. zpráva –

Komplexní

posouzení

procesů

odehrávající

se při technologické zkoušce trvanlivosti břitu

při soustružení

a frézování

(51 str.).

Závěrečná

zpráva pojednává

nejen o dosažených cílech, ekonocmickém stavu a technickém řešení

projektu, ale poskytuje na získané

výsledky

komplexní

pohled a dává

je do potřebných souvislostí. (30str.)

4/48

Měření

vysokorychlostní

kamerou při soustružení

Příprava na měření

před frézování

Do měření

bylo zapojeno velké

množství

studentů

–

proces frézování 5/48

Sledované

systémy tenká

vrstva-substrát

VRSTVA Tloušťka [µm]

TiAlN

(nACo) 1,8

TiAlSiN 3,2

TiN 0,9

Substrát –

slinutý karbid K20

6/48

•Kalotest•Mikrotvrdost•Fretting

test

•Scratch

test•Vliv teplotní


vlastnosti systému tenká

vrstva -

substrát•Impact

test

•Stav povrchu systémů

a měření

drsnosti•Komplexní

posouzení

procesů

odehrávající

se při technologické

zkoušce

trvanlivosti břitu

při soustružení

a frézování- měření

trvanlivosti

- měření

jakosti obrobené

plochy –

tvrdost, drsnost- měření

chvění

nástroje

- měření

průběhu řezných sil-

tvorba třísky –

sledování

vysokorychlostní

kamerou

-

metalografický rozbor získaných třísek-

tepelné

zatížení

nástroje –

měření

termokamerou

-

dotykovým termočlánkem-

kalibrací

vysokorychlostní

kamery

Provedené

analýzy

7/48

Kalota -

vrstva TiN Kalota -

vrstva TiAlN

(nACo)

Kalota -

vrstva TiAlSiN8/48

Nanoindentační

měření

S

ohledem na tloušťku tenkých vrstev (nejtenčí

vrstva TiN –

0,9μm) byla odzkoušena metoda nanoindentačního

měření, kdy bylo zvoleno zatížení

70mN (cca 7g). Hloubka

dosažená

indentorem

byla 30nm.

9/48

Energie spotřebovaná na deformace

5,265 5,48 5,304 5,375 5,81 5,898 5,762

4,616 4,523,777 3,666 3,145 3,004 3,656

0

2

4

6

8

10

12

TiN (20°C) TiN (400°C) TiAlSiN(20°C)

TiAlSiN(400°C)

nACo (20°C) nACo(400°C)

nACo (800°C)

Ener

gie

[nJ]

Elastická energie [nJ]

Plastická energie [nJ]

Podíl Wr/We87,782,5

71,2 68,2

54,1 50,9

63,4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


TiAlSiN(400°C)


nACo (800°C)

Indentační mikrotvrdost

26,1 24,8

34,432,3

35,339,3

35,2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45


TiAlSiN(400°C)


nACo (800°C)

[GPa

]

HIT [GPa]

10/48

Vrstva TiN je nejměkčí, má

ale velmi příznivý poměr plastické

ku elastické

složce deformace. Teplotním zatížením vrstva sice nepatrně

dále měkne, ale i přesto lze

očekávat, že dojde k

nárůstu křehkosti. Podobně

se chovala i vrstva TiAlSiN, která měla poměrně

vysokou hodnotu tvrdosti. Křehkost této vrstvy vyšší

něž

vrstvy TiN.

Zcela odlišné

chování

měla vrstva TiAlN

(nACo), u níž

došlo následkem teplotní exploatace při 400°C k

nárůstu mikrotvrdosti

a křehkosti, ale zahřátí

na 800°C

způsobilo pokles mikrotvrdosti

a podle podílu plastické

ku elastické

složce lze očekávat zvýšení

houževnatosti.

11/48

Fretting

test

test Materiál „PIN“

tělíska Zatížení počet cyklů

1 ocel 14

109 1N 500

2 Si3

N4 2N 1000

3 Si3

N4 10N 1000

4 Si3

N4 10N 2500

Parametry Fretting

testu

500 cyklů, zatížení

1N, PIN 14

109 TiN


2N, PIN Si3

N4


10N, PIN Si3

N4


10N, PIN Si3

N4vrstva stav 1 stav 2 stav 3

TiN TiN 20°C TiN 400°C -

TiAlN nACo

20°C nACo

400°C nACo

800°C

TiAlSiN TiAlSiN

20°C TiAlSiN

400°C -

Teplotní

zatížení

analyzovaných systémů

12/48

TiN

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

počet cyklů

koef

icie

nt tř

ení TiN 1_1000

TiN 1_2500TiN 3_1000TiN3_2500

TiAlN

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 500 1000 1500 2000 2500

počet cyklů

koef

icie

nt tř

ení

TiAlN 1_1000TiAlN 1_2500TiAlN 3_1000TiAlN 3_2500TiAlN 4_1000TiAlN 4_2500

;

TiAlSiN

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 500 1000 1500 2000 2500

počet cyklů

koef

icie

nt tř

ení TiAlSiN 1 _1000

TiAlSiN 1 _2500TiAlSiN 3 _1000TiAlSiN 3 _2500

Průběh koeficientu tření

TiAlN

TiN

TiAlSiN

13/48

Scratch

test

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

TiN 20°C TiN 400°C TiAlN 20°C TiAlN400°C

TiAlN800°C

TiAlSiN20°C

TiAlSiN400°C

Krit

ické

zat

ížen

í [N

]

Lc1

Lc2

Lc3

Ls

Hodnoty sil popisující

jednotlivá poškození

u analyzovaných

systémů

Porušení

asociované silou: (a) LC1 (b) LC2

(c) LC3

Parametry zkoušky při použití

standardních podmínek měření

–

10

mm/min a 100 N/min., zatížení

0-80 N,

indentor

je diamantový Rockwellův

kužel s

vrcholovým úhlem 120°

a s

poloměrem zaoblení

špičky hrotu 200 mm.

V

žádném sledovaném případě

nenastalo při maximálním zatížení

80N

souvislé poškození

vrstvy až

do oblasti substrátu. Jednotlivá

poškození

byla pouze lokálního

charakteru. Ani v

jednom případě

se neprokázal výrazný vliv teplotní

exploatace na výsledné

vlastnosti.

14/48

Vliv teplotní


vlastnosti systému tenká

vrstva –

substrátTato měření

byla provedena na tribometru v NTC u Doc. Ing. P. Šutty

CSc.

"PIN" tě lísko ocel 14109

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016

Fric

tion

TiN20 TiAlSiN20 nACo20 TiN400 nACo400 nACo800 TiAlSiN400

L v Ball n r

1N 2,5cm/s 14109500

cyklů 5mm

Parametry zjišťování

koeficientu tření

mezi tenkou vrstvou a ocelí

14109 Parametry zjišťování

odolnosti proti opotřebení

mezi tenkou vrstvou a „PIN“

tělískem Si3

N4L v Ball n r

10N 2,5cm/s Si3

N41000 event. 2500cyklů 2mm

Souhrnné

porovnání

koeficientů

tření

jednotlivých systémů

testovaných za stejných podmínek 15/48

Jedině

u vrstvy TiN byl koeficient tření

nižší

v

dodaném stavu, než

byl zaznamenán na vzorku po teplotní

exploataci.

U ostatních vrstev došlo teplotní

exploatací

k

povrchové

změně, která zapříčinila snížení

koeficientu tření. Tuto změnu nelze omezit pouze na

povrch, kde se dozajista vytváří různé

oxidické

filmy, ale na větší

hloubku. Tenký oxidický

film se během velmi krátké

doby kontaktního namáhání

odstranil, přesto koeficient tření

nevzrůstal, naopak jako např. u vrstvy TiAlN

poklesl (obě

teplotní

exploatace 400; 800°C).

16/48

0,0E+00

1,0E-06

2,0E-06

3,0E-06

4,0E-06

5,0E-06

6,0E-06

k. o

potř

eben

í

TiNr nACo TiAlSiN

Opotřebení 20°C

Souhrnné

grafy dokumentující

koeficienty opotřebení

systémů

tenká

vrstva- substrát při tribologické

analýze

0,0E+00

5,0E-07

1,0E-06

1,5E-06

2,0E-06

2,5E-06

3,0E-06

Opo

třeb

ení

TiN nACo 400 TiAlSiN nACo 800

Opotřebení po tep. zátěžiTeplota 20°C Tepelně

exploatované

vzorky

Přestože byl u vrstvy TiN byl koeficient tření

nižší

v

dodaném stavu, než

byl zaznamenán na vzorku po teplotní

exploataci, měla teplotně

nezatížená

vrstva větší

opotřebení

oproti exploatované

vrstvě

při 400°C, zbývající

exploatované

vrstvy (TiAlSiN; TiAlN) vykazovaly nárůst opotřebení.

17/48

Impact

test

Pro testování

vrstev bylo zvoleno dvou zátěžných sil a to F= 2 N a F= 5 N (při dopadové

výšce 10 mm odpovídá

dopadové

energii E= 0,044 J a E= 0,074 J)

a počet úderů

1000; 25000; 5000; 10

000 .

18/48

Impactové

krátery

Vrstva TiN 20°C, F= 10 N po: a) 1000, b) 2500, c) 5000 úderech

Vrstva TiAlN, F= 10 N po: a) 1000, b) 2500, c) 5000 úderech

19/48

Pro všechny zkoumané

vzorky byla charakteristická

vysoká

odolnost vůči rázovému únavovému opotřebení. Z

hlediska okamžiku odhalení

substrátu nejlépe odolávala z

teplotně

neovlivněných vzorků

vzorek s

vrstvou TiN. U zbývajících dvou teplotně neovlivněných vzorků

s

vrstvami TiAlN

a TiAlSiN

nelze jednoznačně

určit,

která

z

těchto vrstev měla lepší

odolnost, neboť

počet úderů

nutných k

odhalení

substrátu byl u obou vzorcích prakticky totožný.

Z

experimentů

dále vyplývá

pozitivní

vliv adhezních vrstev TiN, které

byly přítomny u vzorků

s vrstvami TiAlN

a TiAlSiN. Tyto adhezní

vrstvy se prokazatelně

podílely

na zvýšení

odolnosti systémů

tenká

vrstva-substrát, tím že zlepšovaly adhezi vnější vrstvy k

substrátu a tak zvyšovaly počet impactů

nutných k

celkovému porušení

vrstvy.Zahřátím

vzorků

s

vrstvou TiN na teplotu 400°C a TiAlN

na teplotu 400

a 800°C došlo k prokazatelnému zvýšení

odolnosti vůči nízkocyklovému

(tj. do 5000 úderů) rázovému únavovému opotřebení. Největší

zvýšení

odolnosti

vykazoval vzorek s

vrstvou TiAlN

zahřátý na teplotu 800°C. Toto zvýšení odolnosti je pravděpodobně

zapříčiněno zvýšením drsnosti povrchu vzorku

tvorbou oxidického

filmu a oxidických

produktů

ze substrátu.

Zvýšená

drsnost účinně

zamezovala rovnoměrnému kontaktu mezi vrstvou a zkušebním tělískem,

což

se projevilo snížením opotřebením.

20/48

Komplexní

posouzení

procesů

odehrávající

se při technologické

zkoušce trvanlivosti břitu

při soustružení

a frézování

měření

trvanlivosti- měření

jakosti obrobené

plochy –

tvrdost, drsnost

- měření

chvění

nástroje- měření

průběhu řezných sil

-

tvorba třísky –

sledování

vysokorychlostní

kamerou-

metalografický rozbor získaných třísek

-

tepelné

zatížení

nástroje –

měření

termokamerou-

dotykovým termočlánkem

-

kalibrací

vysokorychlostní

kamery

Pracoviště

CNC soustruhu s

instalovanou měřicí

aparaturou Pracoviště

NC frézky s

instalovanou měřicí

aparaturou 21/48

Typ použitých vyměnitelných břitových destičekZnačení: SNHN 1204ENEN, H10Geometrie: úhel čela a úhel hřbetu α

= γ

= 0°

Řezný materiál: SK H10

SoustruženíŘezná

rychlost:

vc

= 85 m/min

Posuv:

f = 0,12 mm/ot. Hloubka řezu:

ap

= 0,5 mm

NástrojSoustružnický držák CSBNR –

2525 L12

FrézováníŘezná

rychlost:

vc

= 85 m/min

Posuv:

f = 0,12 mm/ot. Šířka řezu:

ae

= 20 mm

Hloubka řezu:

ap

= 0,5 mmNástrojNástrčná

fréza 100B07R-W75SN12N RT926

osazena pouze jednou VBD, negativní

geometrie

Obráběný materiálNástrojová

ocel 19

436.6

Tvrdost 56-58 HRC

Parametry obrábění

–

nástroj -

obrobek

22/48

Tvar třísky a jejich teplota

Vysokorychlostní

kamera Olympus

I-SPEED 2

23/48

Proces soustružení

–

VBD s

vrstvou TiAlN

tepelně

ovlivněná

na 800°C

Proces odehrávající

se uprostřed sledovaných časů

obrábění

24/48

Proces frézování

–

VBD s

vrstvou TiAlN

–

tepelně

ovlivněná

na 800°C

Závěr v procesu obrábění

25/48

Pro zjištění

těchto parametru byla rychlokamera

nakalibrována

pomocí

barevné

škály

Zjištění

teplotních vlastností

26/48

Systém TiAlN 400°C

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

Čas t [s]

Velik

ost s

lože

k ře

zné

síly

F [N

] Fx I

Fy I

Fz I

Fx II

Fy II

Fz II

Velikost řezných sil

V tomto místě

dochází

k porušení

VBD –

konec lineárního opotřebení=>

zde srovnáme systémy z hlediska trvanlivosti

Frézování

27/48

Čas na konci lineární oblasti opotřebení

0

50

100

150

200

250

300

350

400

TiAlN TiAlN 400°C TiAlN 800°C TiAlSiN TiN

Čas

T [s

]

Frézování

28/48

TiNPři prvním měření Na konci trvanlivosti

Při prvním měření Na konci trvanlivostiTiAlSiN

Frézování

29/48

TiAlN

800°CPři prvním měření Na konci trvanlivosti

TiAlN

400°C

Při prvním měření Na konci trvanlivosti

Frézování

30/48

Drsnost povrchu

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

TiAlN TiAlN 400°C TiAlN 800°C TiAlSiN TiN

Drs

nost

Ra

[µm

]

po prvním řezuna konci životnosti

Frézování

31/48

Teplotní

průběh břitu

TiAlSiN

Průběh řezných sil –

VBD s TiAlSiN

100°C

200°C

Dynamometry Kistler

Frézování

32/48

Při frézování

docházelo k

náhlému poškození

břitu

následkem vyštípnutí. Tento nepředpokládaný konec způsobil problém s

měřením opotřebení,

neboť

nebylo možné

jeho poslední

hodnotu změřit. Nejlépe se osvědčila vrstva TiAlSiN, která

měla trvanlivost až

10 min, zatímco ostatní

vrstvy měly

pouze 7 min a pak nastalo výše popsané

poškození

břitu. To s

sebou přinášelo také

změnu tvaru třísky (viz následující

tabulky) a průběh řezných

sil. Nejnižší

řezné

síly byly zjištěny při obrábění

s

vrstvou TiAlSiN. Naopak největších řezných sil bylo dosaženo při obrábění

s

nástrojem s

vrstvami

TiAlN, ať

již

bez tepelné

nebo s

tepelnou exploatací.

33/48

Tvary třísek dle normy ISO

Za hlavní

faktor ovlivňující

tvar třísek může být považována teplota, která

se samozřejmě

zvyšuje v

průběhu zvyšujícího se času pracovního cyklu, a která

má

za následek zvýšení

plasticity odebíraného materiálu. To se projeví změnou charakteru oddělování

třísek. Třísky vzniklé

při vyšší

teplotě

vykazují

výrazně

plynulejší

charakter.

34/48

VrstvyNáběr třísek ( 1 –

počátek prac. cyklu, 2 po 2. min., na konci )

1 2 3

TiN článkovitá

tříska obloukovitá

dělená

dle ISO: 6.2.barva zlato-fialová

plynulá

třískastužková

smotanádle ISO: 1.3.

barva zlato-fialová

plynulá

třískastužková


barva světle modrá

TiAlSiN plynulá

třískastužková

smotanádle ISO: 1.3.barva zlatá

plynulá

tříska vinutá

smotanádle ISO: 2.3.barva zlatá

plynulá

třískastužková


barva světle modrá

TiAlN článkovitá


dělená

dle ISO: 6.2.barva zlatá

článkovitá


spojenádle ISO: 6.1.


plynulá

třískavlnitá

šroubovitá

smotaná, dle ISO: 4.3.


TiAlN

-

400°C článkovitá

třískavlnitá

šroubovitá

krátká, dle ISO: 4.2.


článkovitá

třískavlnitá

šroubovitákrátká, dle ISO: 4.2.

barva fialová

plynulá

třískavinutá

smotanádle ISO: 2.3.barva fialová

TiAlN

-


třískavlnitá

šroubovitá

krátká, dle ISO: 4.2.


plynulá

třískavlnitá

šroubovitásmotaná, dle ISO: 4.3.

barva fialová

plynulá

třískavlnitá

šroubovitásmotaná, dle ISO: 4.3.barva tmavě

fialová

Charakter třísek –

soustružení

35/48

TiN

TiAlSiN

TiAlN

20°C

TiAlN

400°C

TiAlN

800°C

36/48

VrstvyNáběr třísek ( 1 –

počátek prac. cyklu……….)

1 2 3

TiN článkovitá


dělená

dle ISO: 6.2.barva zlato-hnědá

článkovitá


dělená


článkovitá


dělená


TiAlSiN plynulá

tříska vinutá


barva zlato-hnědá

plynulá

třískavlnitá

šroubovitá

smotaná, dle ISO: 4.3.


článkovitá

třískavlnitá

šroubovitákrátká, dle ISO: 4.2.barva zlato-fialová

TiAlN článkovitá


dělená


článkovitá


dělená


článkovitá


dělená


TiAlN

-



dělená


článkovitá


dělená


článkovitá


dělená


TiAlN

-


tříska spirálová

kuželovitá


článkovitá

tříska spirálová

kuželovitá


plynulá

třískaobloukovitá

spojenádle ISO: 6.1.

barva modro-fialová

Charakter třísek -

frézování

37/48

Metalografické

hodnocení

třísekNástroj s vrstvou TiN -

soustružení

Posuv 0,1 mm/ot. -

začatek

soustružení Posuv 0,12 mm/ot. -

konec soustružení

38/48

U třísek vzniklých při frézování

byla situace oproti soustružení

značně odlišná. Všeobecným rysem byla značná

podobnost z hlediska tvaru

a barvy třísek vyjma nástroje s

vrstvou TiAlSiN

a teplotně

ovlivněnou vrstvou TiAlN

při 800°C.

Třísky vzniklé

frézováním VBD s vrstvami TiN, TiAlN

a TiAlN

400°C měly v průběhu celé

životnosti zlatohnědou barvu a nelišila se nijak

prokazatelně

ani délka jednotlivých článků, která

většinou nepřesáhla 20mm. U

nástrojů

s

vrstvami TiAlSiN

a TiAlN

800°C docházelo v

rozdílu zejména

u třísek odebraných před koncem testování

jednotlivých nástrojů. Třísky byly zabarvené

do světle modré

barvy a také

jejich charakter byl plynulejší.

Třísky vzniklé

při soustružení

vykazovaly elementární

(článkovitý) charakter s

délkou jednotlivých částí

řádově

do 1 cm a měly tendenci točit se do

spirály. Barva i charakter třísek se lišil v

závislosti na době

odběru třísky při obrábění. Na počátku obrábění

byla barva třísek zlatá

a následně

přecházela až

do konečné

zlato-fialové

barvy. S

rostoucí

dobou obrábění

se měnil i charakter jednotlivých třísek, kdy docházelo ke zvýšení

soudržnosti

třísky a

prodlužování

třísky v

jednotlivých spirálách.

39/48

Uspořádání

použitého vybavení

při soustružení

40/48

Vyhodnocení

řezných sil a teplot při soustružení

TiAlSiN

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

1600,00

0:05-0:06

0:30-0:31

0:58-0:59

1:05-1:06

1:30-1:31

1:58-1:59

2:05-2:06

2:30-2:31

2:28-2:59

3:05-3:06

3:30-3:31

3:58-3:59

Čas soustružení [min:sek]

Síla [N]FxFzFy

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t (min)

T (°

C)

T brit max (°C)T brit avg (°C)T triska max (°C)

Termovizní

systém ThermaCAM

SC2000

TiAlSiN

41/48

Celková síla F

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

5 30 58 65 90 118

125

150

178

185

210

238

Čas T [sek]

F [N

]

TiAlSiNTiNnAConACo400nACo800

Při soustružení

dosahovaly nejlepší

trvanlivosti nástroje s

vrstvami TiN a TiAlSiN. Tyto nástroje pracovaly až

dvojnásobnou dobu oproti nástrojům s

vrstvami TiAlN

(teplotně

exploatované, i bez tepelného ovlivnění).

Soustružení

42/48

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1 2 3 4

Doba soustružení T [min]

Drs

nost

Ra

[μm

] TiAlSiN

TiN

TiAlN

TiAlN 400

TiAlN 800

Soustružení

S

opotřebením se rovněž měnila drsnost obrobeného povrchu. Jak dokumentuje graf opotřebení

břitu

se prokazatelně

projevilo na snížení

drsnosti obrobené

plochy.

Jak již

bylo uvedeno, rostoucí

opotřebení

břitu

mělo vliv na teplotu jak nástroje, tak i třísek. Se zvyšujícím se opotřebením narůstala teplotou následkem větší

kontaktní

plochy. Následkem zvyšujícího se poloměru břitu

dochází

ke snížení

drsnosti obrobené

plochy. Opotřebení

se také

projevilo na zvýšení

povrchové

tvrdosti

obrobené

plochy. Hodnota tvrdosti se v

některých případech zvýšila z

původních 55HRC na 61,1 HRC. 43/48

56,4 56,0

57,3

61,1

52

54

56

58

60

62

Hod

nota

tvrd

osti

HR

C

a b c d

Jednotlivé časové oblasti

1,56

1,271,22

0,75

0

0,4

0,8

1,2

1,6

Hodn

ota

drsn

osti

Ra

[ m

]

a b c d

Jednotlivé časové oblasti

Průběh tvrdosti pro řeznou destičku s

vrstvou TiN

Průběh drsnosti pro řeznou destičku s

vrstvou TiN

Soustružení

44/48

Závěr

Cílem projektu bylo popsat teplotní

vliv na vlastnosti tenkých vrstev a získat vstupní

data pro návrh dalších projektů. Nemalým úkolem projektu bylo

také

propojit týmovou prací

mladé

odborníky technických kateder fakulty strojní

a zapojit do řešení

studenty, kteří

získali podklady pro realizaci

diplomových popř. i disertačních prací.

Z

kontaktních analýz se osvědčil tribologický

test, který označil pořadí vrstev tak, jak byly posléze hodnoceny v

praktických technologických

testech. Ukázalo se, že není

důležitý koeficient tření, jestliže jednotlivé rozdíly jsou řádově

v několika desítkách procent, není

rozhodující

ani

koeficient otěru, který se poslední

dobou často uvádí. Důležitým faktorem je mechanismus opotřebení, vznik adhezních spojů

mezi ocelovým „PIN“

tělískem a povrchem zkoušeného systému. Za velmi progresivní

metodu testování

je autory považován impact

test. Jedná

se o zcela novou

laboratorní

kontaktní

analýzu, která

je i světovým unikátem, proto je třeba tomuto testu věnovat větší

pozornost.

45/48

Výsledky fretting

testu a scratch

testu korelovaly s

výstupy vyplývající z

elasticko-plastických vlastností

popsaných nanoindentačními

analýzami

a rovněž

prokázaly spojitost s

výsledky technologických zkoušek. Obě analýzy, sice bez výrazného důrazu, hodnotily systémy TiAlSiN

a TiN jako

nejlepší. Stejné

hodnocení

vyplynulo i z

technologického testu.

Technologickým zkouškám byla rovněž věnována velká

pozornost. Poprvé byly na pracovišti řešitele sledovány různé

výstupy moderními

diagnostickými přístroji. Byla využita termovize, která

se ukázala jako

nejspolehlivější

pro sledování

teplotního zatížení

nástroje. Měření

termočlánky se neosvědčilo pro velmi „pomalé“

(200ms) vyhodnocování odezvy. Bezdotykové

měření

teploty se rovněž

neosvědčilo. Řezný proces

byl vyhodnocován také

pomocí

vysokorychlostní

kamery, kdy bylo nutné sestrojit osvětlení

tak, aby jeho frekvence nerušila snímaný obraz. Byly

získány zajímavé

ukázky z

tvorby a oddělování

třísky. Tyto procesy budou jednak využity jako didaktická

pomůcka pro studenty a dále budou ještě

vyhodnocovány a hledány další

spojitosti s

dosaženými výsledky.

46/48

Chtěl bych poděkovat všem spoluředitelům, kteří

se s

ochotou ujali nabízeného problému a svým profesionálním přístupem napomohli dosáhnout cenných zkušeností

a ověření

některých teoretických

poznatků.

Rovněž

bych chtěl poděkovat vedení

fakulty strojní

ZČU v

Plzni za finanční

prostředky, které

dovolily věnovat pozornost aktuální

oblasti

a možnosti realizovat analýzy a testy, které

jsou sice ve středu zájmu, avšak jsou na hranici aplikovaného a základního výzkumu. V

neposlední

řadě

bych chtěl poděkovat vedení

všech čtyř

kateder fakulty strojní a pracovišti NTC –

ZČU v

Plzni a rovněž i předsedům příslušných

oborových rad, za jejich podporu a technické

vybavení, které

poskytli pro řešení

problému.

Poděkování

47/48

Takto dopadne exploatovaná

břitová

destička při teplotě

800°C!

Documents

Na po - ateam.zcu.cz · Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Katedra KMM, KTO, KKS, KKE, NTC. Interní grant Fakulty strojní, ZČU v Plzni pro rok 2007. Teplotní