Szerszáminnováció

A szerszáminnováció körébe azok a tudatosan végrehajtott és bevezetett fejlesztések tartoznak, amelyek a szerszám konstrukcióját, élgeometriáját és anyagát érintik. A szerszáminnováció területeiről az 1. ábra ad áttekintést.

1. ábra. A szerszáminnováció főbb területei

A szerszáminnováció konstrukciót érintő részéről az 1. ábra ad felvilágosítást. Csak felsorolásszerűen néhány elem: egy szármaró készülhet tömör (monolit) kivitelben, a jelentős méretű ilyen szerszámok azonban kivétel nélkül szerelt kivitelűek (lapkákat tartalmaznak). A monolit porkohászati gyorsacél vagy keményfém szármaró - szerszám pontossága és egyenletes minősége miatt - legtöbbször köszörült hornyú. A befogórész fejlesztések döntő hányada a nagysebességű megmunkálással (high speed machining, HSM) kapcsolatos. A szerszámrendszereket a korszerű CNC-gépek felszerszámozására használják. A 2. ábra olyan homlokmarót szemléltet, amelybe több, különböző alakú lapka fogható be, tehát a lapkaalak a feladattól függően változtatható.

2. ábra. CHAMELEON™ homlokmaró

A 2005. év után jelentek meg azok a többcélú szerszámok, amelyekkel nagyfokú műveletkoncentrációt (fúrás, furatbővítés, oldalazás, külső felület megmunkálás) lehetett végrehajtani. A 3. ábra ilyen szerszámot mutat, amelyet többfunkciós szerszámgép-főorsókba lehet rögzíteni.

3. ábra. Többfunkciós megmunkálógépekbe fogható többcélú szerszám

A konstrukciós elvek közül a egységesítés, illetve a moduláris felépítés tipikus példája látható a 4. ábrán.

4. ábra. A CoroTurn SL moduláris szerszámrendszer

A szerszáminnováció másik része a korszerű élgeometriák megjelenésével. (speciális élkiképzés, felhasználás-optimalizált élszögek, testreszabott forgácsmanipuláció). Néhány vonatkozó fejlesztési eredményt - természetesen a teljesség igénye nélkül - az 5. ábra mutat.

5. ábra. Néhány élgeometriai fejlesztési irány

A forgácsmanipulációt (forgácstörés, forgácsterelés, forgácsosztás) megvalósító néhány megoldás a 6. ábrán látható.

6. ábra. Forgácstörős esztergalapka (balra), forgácsterelős beszúrólapka (középen), forgácsosztós marólapka (jobbra)

A szerszáminnováció harmadik eleme legújabb fejlesztésű szerszámanyagok (például a mikro- és nanoszemcsés keményfémek, porkohászati gyorsacélok stb.) alkalmazása, valamint a különféle funkciókat betöltő, PVD (fizikai rétegfelvitel) vagy CVD (kémiai réterdelvitel) bevonati rétegek felvitele a fejlett szerszámanyagokra. A forgácsolóanyagokra érvényes fejlesztéseket a 7. ábra foglalja össze.

7. ábra. Az élanyagfejlesztések néhány területe

A szerszámokon alkalmazott, hagyományosnak nevezhető PVD-bevonatok manapság nagyon elterjedtek az iparban. Az egyrétegű, egyfázisú kemény rétegekkel (TiC, TiN, CrN, vagy az Al2O3) bevont szerszámok néhány alkalmazásnál három-ötszörös (vagy még ennél is nagyobb) éltartamnövekedést értek le a natúr (bevonat nélküli) eszközökhöz képest. Az ezt követő fejlesztések egyrészt a három összetevős (például a TiAlN vagy TiCN) bevonatok megjelenését eredményezte, másrészt – teljesen új koncepció eredményeként – a többrétegű és az ún. gradiens (szabályosan változó összetételű) rétegszerkezeteknek az iparban történő elterjedésével járt. A többrétegű és a gradiens szerkezető bevonatokat mikroszkópi felvételeit a 8. ábra szemlélteti.

Az új elemeket (is) tartalmazó negyedik generációs bevonat-kombinációk (TiAlCN, TiAlN, AlTiN stb.) továbbfejlesztett rétegképzési folyamatokkal vihetők fel, és az alábbi előnyökkel jellemezhetők: kisebb a bevonati réteg érdessége, nagyobb adhéziós (tapadási) és bevonati szilárdság. A bevonati rétegek egyre nagyobb szerepet játszanak a nagyteljesítményű szerszámok piacán, mert olyan előnyös fizikai tulajdonságokkal jellemezhetők, mint például az extrém keménység és hőszilárdság, továbbá a nagymértékű oxidációs ellenállással együtt járó csekély hővezető-képesség. Néhány alapbevonat fizikai jellemzőjét az 1. táblázatban foglaltuk össze.

1. táblázat

A felhasználók nagyobb termelékenységre való törekvése azt eredményezte, hogy a régi, „mindenre alkalmas”, aranyszínű TiN-bevonatokat fokozatosan szürkeszínű, lényegesen nagyobb teljesítőképességű változatra (például titánalumínium-nitridre) cserélték le. A TiAlN-bevonat nem kizárólag kopásállóságával tűnik ki, hanem azzal a kedvező jellemzőjével is, hogy a kopásnak magas hőmérsékleten is ellenáll. Az 1. táblázatban bemutatott adatokból kiderül, hogy a legnagyobb hőmérsékletet az AlTiN viseli el, ennek a legnagyobb ugyanis a forgács és a szerszám között létrehozandó hőszigetelő hatása. Következésképp a száraz körülmények közötti forgácsolásra csak azok a bevonatok alkalmasak, amelyek a kopásállóságot és a hőszigetelést egyszerre garantálják. Az évek óta folyó tesztvizsgálatok eredményeiről röviden csak annyit, hogy:

• bár a hagyományos, TiAlCN-bevonat keménysége és abrazív kopással szembeni ellenállóképessége (például az „alapbevonatnak” számító titánnitridhez képest) jelentősen megnövekedett, korlátozott hőstabilitása miatt azonban csak szerény védelmet képes nyújtani a szerszámnak,

•   A fejlettebb AlTiN-bevonat alkalmazása (amelyben az alumínium sztöchiometriai túlsúlyban van a titánnal szemben) azért is kedvezőbb, mert a bevonat nagyobb hőmérsékletet képes elviselni; ráadásul a réteg nagyobb oxidációs ellenállást fejt ki a maró használata közben, így tehát jobban megvédi a szerszámot. A bevonat kedvező hatása különösen a hagyományosan alkalmazott beállításokat meghaladó, kifejezetten nagy sebességeknél tűnt ki. Megfelelő porkohászati gyorsacél alapanyagon (HSS-PM) alkalmazva konkurenciát jelenthet még a monolit keményfémnek is.

A hagyományos bevonatok az elmúlt években komoly versenytársakat kaptak a nagyteljesítményű szerszámok piacán. A legújabb fejlesztésű, nanokompozit szerkezetű bevonatokat ugyanis a következő tulajdonságok jellemezik: nagy alap- és melegkeménység, fokozott oxidációs ellenállás és nagyon csekély hővezető-képesség.  A szuperkemény, Ti-, Al- és Si-elemeket tartalmazó nanokompozit bevonatok két különböző fázisból állnak: a kb. 3 nm méretű, AlTiN-nanokristályokat (nc) ágyazó anyagként amorf (a), Si3N4-mátrix fogja közre. Az így felépülő nc-AlTiN/a-Si3N4-bevonatok tulajdonságai közül kiemelendő, hogy a szerkezet extrém keménységű (eléri a 40-50 GPa értéket), amelyet nagyon magas (még akár 1 100°C) hőmérsékleten is képes megőrizni. Egy szabadalom tárgyát képező, háromrétegű bevonat-rendszer felépítése a 9. ábrán látható.

9. ábra. A Platit AG. háromrétegű, nanoszerkezetű bevonatrendszere

Az ilyen típusú bevonat nagy mikrokeménysége, kiváló oxidációállósága és rendkívüli melegkeménysége lehetővé teszi a környezetbarát (hűtő-kenőfolyadék nélküli, szárazon végzett) forgácsolási technológiát is.