Řezné materiály pro obrábění kovů

TL;DR: Stručné shrnutí řezných materiálů pro obrábění kovů

Řezné materiály jsou klíčové pro výrobu břitů obráběcích nástrojů. Musí být tvrdé, odolné proti opotřebení, žárupevné a houževnaté, aby zvládaly vysoké teploty, tlaky a rázy při obrábění. Životnost nástroje ovlivňuje teplota řezu, řezná rychlost, tlak, chlazení, vibrace a tvrdost obrobku.

Rozdělujeme je na uhlíkové, slitinové a rychlořezné oceli, slinuté karbidy (vyráběné práškovou metalurgií, s kategoriemi P, M, K, N, S), řeznou keramiku (tvrdá, odolná proti otěru, ale křehká), diamanty (nejtvrdší, pro jemné obrábění měkkých materiálů) a cermety (kombinace keramiky a kovu s vysokou tvrdostí a odolností).

Výběr závisí na materiálu obrobku, požadované životnosti, řezné rychlosti a typu obrábění (souvislý vs. přerušovaný řez).

Řezné materiály pro obrábění kovů: Klíč k efektivní výrobě

Jste studentem strojírenství a snažíte se proniknout do tajů obrábění kovů? Pak jsou řezné materiály pro obrábění kovů základním kamenem, který musíte pochopit. Tyto materiály určují, jak efektivně, přesně a rychle dokážeme kovové součásti tvarovat. V tomto komplexním rozboru se podíváme na jejich vlastnosti, typy a jak je správně vybírat, což vám pomůže nejen u zkoušek, ale i v praxi.

Co jsou řezné materiály a proč jsou důležité?

Řezné materiály jsou speciální látky používané k výrobě břitů obráběcích nástrojů. Jejich hlavním úkolem je efektivně odebírat materiál z obrobku.

Při obrábění jsou vystaveny extrémním podmínkám, proto musí splňovat specifické požadavky. Musí odolávat vysokým teplotám, obrovským tlakům, intenzivnímu tření a nečekaným rázům.

Cílem je dosáhnout dlouhé životnosti nástroje, vysoké přesnosti obrobeného povrchu a možnosti používat vysoké řezné rychlosti, což vede k vyšší produktivitě.

Klíčové vlastnosti řezných materiálů

Aby řezný materiál splnil své poslání, musí mít tyto základní vlastnosti:

• Vysoká tvrdost: A to i za zvýšených teplot, aby si nástroj udržel ostrost břitu.
• Odolnost proti opotřebení: Zajišťuje dlouhou životnost nástroje a stabilitu procesu.
• Žárupevnost a žáruvzdornost: Schopnost udržet si pevnost a tvrdost i při vysokých teplotách v místě řezu.
• Houževnatost: Odolnost proti lomu, aby nástroj vydržel rázy a nepředvídatelné zatížení.
• Chemická stabilita: Neměl by reagovat s materiálem obrobku ani s chladivem.

Co ovlivňuje životnost nástroje?

Trvanlivost nástroje, tedy doba od nasazení do optimálního opotřebení, je ovlivněna mnoha faktory. Jejich znalost je klíčová pro maximalizaci efektivity obrábění:

• Teplota v místě řezu: Vysoká teplota vede k rychlému opotřebení nástroje.
• Řezná rychlost: Vyšší rychlost generuje více tepla a zkracuje životnost nástroje.
• Tlak a síla při obrábění: Příliš vysoké síly mohou způsobit lámání břitu nebo vznik trhlinek.
• Mazání a chlazení: Správné chladicí a mazací kapaliny efektivně odvádějí teplo a výrazně prodlužují životnost.
• Vibrace a rázy: Vznikají zejména při přerušovaném řezu a mohou vést k poškození nástroje.
• Tvrdost a abrazivita obrobku: Čím tvrdší nebo abrazivnější je obráběný materiál, tím rychleji se nástroj otupí.

Přehled hlavních skupin řezných materiálů: Charakteristika a použití

Řezné materiály dělíme do několika hlavních skupin, z nichž každá má své specifické vlastnosti a uplatnění. Prohlédněte si jejich charakteristiku pro vaši maturitu i praxi.

Uhlíkové oceli: Historie a základ

Jsou to nejstarší řezné materiály. Používají se pro velmi malé řezné rychlosti, kde teploty nepřesahují 150℃.

Především se s nimi setkáme u ručních nástrojů, jako jsou pilníky nebo dláta. V ocelářství je označujeme třídami 19 0xx až 19 2xx.

Slitinové oceli: Vylepšené vlastnosti

Jedná se o vylepšenou skupinu oproti uhlíkovým ocelím. Jsou to nástrojové oceli legované různými prvky, například chromem (Cr), manganem (Mn), molybdenem (Mo), wolframem (W) nebo křemíkem (Si), aby získaly požadované vlastnosti.

Tyto oceli jsou označovány třídami 19 3xx až 19 7xx.

Rychlořezné oceli (HSS): Nejrozšířenější volba

Rychlořezné oceli, často označované jako HSS (High-Speed Steel), jsou nejpoužívanější skupinou ve strojírenství pro výrobu nástrojů na obrábění kovů.

Dokáží snést teploty až do 650℃ a jsou označovány třídou 19 8xx. Jejich cenová dostupnost a široké použití z nich činí velmi populární volbu, zvláště u levnějších dílů.

Slinuté karbidy: Pevnost z prášků

Slinuté karbidy nejsou slitiny, ale směsi dvou a více fází. Vyrábí se práškovou metalurgií z karbidů těžkých kovů, jako je karbid wolframu (WC), karbid titanu (TiC) a karbid tantalu (TaC), s nízko tavitelným slinovadlem, nejčastěji kobaltem (Co).

Prášková metalurgie je proces výroby kovových součástí z prášku bez nutnosti tavení celého kovu. Prášek se lisuje a poté zahřátím spojí (speče). Vzhledem k jejich extrémní tvrdosti je jejich tvarová a rozměrová úprava omezená, provádí se broušením nebo elektrojiskrovým obráběním. Jejich vlastnosti lze ovlivňovat množstvím jednotlivých složek při výrobě.

Rozdělení slinutých karbidů podle ISO klasifikace:

• P (modře): Vhodné pro obrábění většiny ocelí.
• M (žlutě): Používá se pro slitiny hliníku a mědi.
• K (červeně): Ideální pro litiny.
• N (zeleně): Určené pro neželezné kovy.
• S (speciální): Pro žáruvzdorné litiny.

Slinuté karbidy se často používají pro výrobu řezných destiček, které se následně pájením upevňují na tělo řezného nástroje.

Řezná keramika: Tvrdost a odolnost

Řezná keramika se vyrábí stejně jako slinuté karbidy – práškovou metalurgií. Výchozí surovinou je korund, který je levný a snadno dostupný. Jsou extrémně tvrdé, ale mají malou pevnost v ohybu, což je činí nevhodnými pro obrábění přerušovaným řezem a pro hrubování.

Oproti slinutým karbidům mají výhodu ve větší odolnosti proti otěru a nižší pořizovací ceně. Málo vedou teplo, což je výhodné pro stabilitu břitu. Po otupení se již nebrousí.

Rozdělení řezné keramiky dle chemického složení:

• Čistá keramika
• Směsová keramika
• Vyztužená keramika
• Neoxidická keramika

Diamanty: Absolutní špička v tvrdosti

Diamant je čistý uhlík se stopami příměsí, které ovlivňují jeho fyzikální vlastnosti a zabarvení. Je to nejtvrdší známý řezný materiál, který nelze nahradit slinutými karbidy ani řeznou keramikou.

V průmyslu se používají dva typy diamantů:

• Přírodní diamant
• Umělý diamant: Je levnější, má lepší mechanické vlastnosti a je proto více používaný.

Diamanty se používají pro jednobřité nástroje k jemnému obrábění nepřerušovaným řezem, zejména pro obrábění měkkých materiálů.

Cermety: Kombinace nejlepšího

Cermety jsou řezné materiály, které chytře kombinují vlastnosti keramiky a kovů. Jedná se o kompozitní materiály složené z keramických částic (případně nitridu titanu) a kovového pojiva.

Stejně jako slinuté karbidy a keramika se vyrábějí práškovou metalurgií. Vyznačují se velmi vysokou tvrdostí i při vyšších teplotách, výbornou odolností proti opotřebení a malým součinitelem tření. Mají také dobrou chemickou odolnost.

Cermety se využívají především tam, kde je potřeba dosáhnout vysoké přesnosti a kvality povrchu.

Výhody Cermetů:

• Vysoká odolnost proti opotřebení
• Nízké tření
• Stabilní řez i bez povlaků

Nevýhody Cermetů:

• Nižší houževnatost
• Citlivost na rázy a vibrace
• Menší univerzálnost oproti jiným materiálům

Jak vybrat správný řezný materiál pro obrábění kovů?

Volba řezného materiálu je kritická pro úspěch obráběcího procesu. Neexistuje univerzální řešení, ale spíše optimalizace na základě několika klíčových kritérií:

• Materiál obrobku: To je nejdůležitější faktor. Pro různé materiály (oceli, litiny, neželezné kovy, žáruvzdorné slitiny) jsou vhodné specifické řezné materiály (např. slinuté karbidy typ P pro oceli, K pro litiny).
• Požadovaná životnost nástroje: Pro delší životnost volíme materiály s vysokou odolností proti opotřebení a žárupevností.
• Řezné rychlosti: Pro vysoké řezné rychlosti potřebujeme materiály, které si udrží tvrdost i při vysokých teplotách (např. keramika, cermety, diamanty).
• Typ obrábění: Pro přerušovaný řez (např. frézování) jsou vhodnější houževnatější materiály, které lépe odolávají rázům. Pro souvislý řez (např. soustružení) lze využít i křehčí, ale tvrdší materiály.

Často kladené otázky (FAQ) k řezným materiálům

Proč jsou rychlořezné oceli tak oblíbené ve strojírenství?

Rychlořezné oceli (HSS) jsou oblíbené pro svou dobrou rovnováhu mezi tvrdostí, houževnatostí a cenou. Dokáží snést teploty až do 650℃ a jsou velmi univerzální pro obrábění různých kovů. Jejich široké použití a dostupnost z nich činí standard v mnoha aplikacích.

Jaký je hlavní rozdíl mezi slinutými karbidy a řeznou keramikou?

Hlavní rozdíl spočívá v jejich složení a některých vlastnostech. Slinuté karbidy jsou směsi karbidů těžkých kovů s kovovým pojivem (např. kobaltem), jsou velmi tvrdé a houževnatější. Řezná keramika je založena na korundu, je extrémně tvrdá a odolná proti otěru, ale křehčí a má menší pevnost v ohybu, což ji činí nevhodnou pro přerušovaný řez. Keramika také méně vede teplo a po otupení se nebrousí.

Proč se diamanty používají jen pro jemné obrábění měkkých materiálů?

Diamanty jsou nejtvrdší řezný materiál, ale jsou velmi křehké a citlivé na rázy a vibrace. Proto se nehodí pro hrubování nebo přerušovaný řez. Jsou ideální pro velmi přesné, jemné obrábění a obrábění měkkých, nekovových materiálů nebo slitin, kde je vyžadována extrémně vysoká kvalita povrchu a rozměrová přesnost. Navíc jsou velmi drahé.

Co znamená "prášková metalurgie" a proč se používá u některých řezných materiálů?

Prášková metalurgie je výrobní proces, při kterém se kovové součásti vyrábějí z jemných prášků, které se nejprve lisují do požadovaného tvaru a poté se zahříváním (spékáním) spojí. Používá se u materiálů jako slinuté karbidy, řezná keramika a cermety, protože umožňuje dosáhnout unikátních vlastností, jako je extrémní tvrdost a žárupevnost, které by nebylo možné získat klasickým tavením a odléváním. Umožňuje také přesné řízení složení a struktury materiálu.

Jaký vliv má chlazení a mazání na životnost řezného nástroje?

Chlazení a mazání mají zásadní vliv na životnost nástroje. Chladicí kapaliny odvádějí teplo z místa řezu, což snižuje teplotu břitu a zpomaluje jeho opotřebení. Mazací složky snižují tření mezi nástrojem a obrobkem, čímž snižují generování tepla a opotřebení. Správné chlazení a mazání tak prodlužují trvanlivost nástroje, umožňují vyšší řezné rychlosti a zlepšují kvalitu obrobeného povrchu.