Työkalun valmistusmateriaalin valinnalla voidaan vaikuttaa sekä työkalun kestävyyteen että työstön tehokkuuteen ja lopputuloksen laatuun. Pikateräs ja täyskovametalli ovat jo konepajoilla tuttuja materiaaleja, mutta niiden lisäksi tarjolla on muitakin vaihtoehtoja, joilla voidaan selättää erityisesti vaikeasti työstettäviin materiaaleihin liittyviä haasteita.
Tässä artikkelissa kerromme, mitä eroja eri työkalumateriaaleilla on ja mitä etuja niitä hyödyntämällä työstöprosesseissa voidaan saada.
Pikateräs on aikoinaan saanut nimensä siitä, että sillä pystyttiin työstämään metallia nopeammin kuin sitä edeltävillä materiaaleilla. Nykypäivänä pikateräksestä valmistetut työkalut eivät pärjää nopeudessa esimerkiksi kovametallista valmistettuihin työkaluihin – nimestään huolimatta.
Pikateräksellä on toki hyötyjä tietyissä prosesseissa: esimerkiksi prototyyppisissä töissä tai pienissä sarjoissa pikateräksen edullisuus suhteessa kovametalliin voi olla etu.
Pikateräslaatuja on monia erilaisia ja yksi niistä on kobolttityökaluteräs. Verrattuna muihin HSS-laatuihin se on kovempi ja materiaalin lämmönkestävyys on parempi, jolloin sillä voidaan toteuttaa suurempia leikkuunopeuksia kuin perinteisillä pikaterästyökaluilla. Kobolttiterät ovat kestävämpiä kulumista ja kuumuutta vastaan, mutta niiden pieni miinus on lisääntyneen kovuuden aiheuttama hauraus – esimerkiksi kobolttiseostettuja poria käytettäessä on kiinnitettävä tarkemmin huomioita kohdistamiseen ja vältettävä taipumisen riskiä. Pikateräs- ja kobolttiseostetut porat soveltuvat paremmin pehmeämpien materiaalien työstöön.
Yleisesti ottaen pikateräksen haasteena on kuitenkin huonompi kulutuksenkestävyys, ennustettavuus ja tuottavuus verrattuna täyskovametalliin, minkä takia sen käyttö on vähentynyt työkaluissa.
Volframikarbidin eli täyskovametallin edut ovat kiistattomat: esimerkiksi porauksessa sen käyttöikä on huomattavasti pidempi kuin vastaavan pikateräksisen poran ja materiaalinpoisto noin 10–20 kertaa suurempi porausta kohden. Sillä saavutetaan parempi reikien laatu ja suoruus. Lisäksi täyskovametallityökalujen etuna on läpijäähdytys, joka parantaa muun muassa lastunhallintaa ja ehkäisee kuumenemisen aiheuttamia ongelmia, työstettäessä erityisesti huonosti lämpöä johtavia materiaaleja.
Täyskovametalli mahdollistaa sen, että työstöprosessissa työkaluista ja työstökeskuksista saadaan irti niiden paras potentiaali ja työstön tehokkuus sekä laatu paranevat merkittävästi pikateräkseen verrattuna. Erityisesti kovien ja kuluttavien materiaalien, kuten teräksen, työstämisessä täyskovametalli tarjoaa selkeitä hyötyjä sen kestävyyden vuoksi.
Täyskovametallin etu on myös sen monipuolisuus: siitä voidaan valmistaa yleiskäyttöön sopivia työkaluja sekä materiaalikohtaisia työkaluja, joilla varmistetaan paras suorituskyky tietyn materiaalin työstöön.
Toki täyskovametallista valmistetuilla työkaluilla on omat haasteensa, kuten niiden hinta suhteessa vastaaviin pikateräksisiin. Kuitenkin, jos hinta suhteutetaan täyskovametallin kestävyyteen, nopeuteen ja saavutettavaan laatuun, ei hintaero enää olekaan ratkaiseva tekijä.
Täyskovametalli on huomattavasti kovempaa kuin pikateräs tai kobolttiteräs. Lisääntynyt kovuus tuo mukanaan myös murtumishaurauden. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi poratessa, säteittäisten leikkuuvoimien vaikutuksesta terä ei taivu, vaan voi murtua. Murtuilu on ehkäistävissä hyvällä kohdistuksella tai esimerkiksi porattaessa läpi risteävien reikien, syöttönopeuden pienellä alentamisella, niin että poraus on vakaata.
Täyskovametallin ohella on muitakin työkalumateriaaleja, jotka todella laittavat kovan kovaa vastaan, erityisesti vaikeiden materiaalien työstössä.
Komposiittimateriaali cermetissä yhdistyvät keraamiset ja metalliset hiukkaset. Cermetistä valmistetut terät ovat erittäin hyvin kulutusta ja korkeita lämpötiloja kestäviä. Niiden edut tulevat esille erityisesti tahmeiden materiaalien, kuten ruostumattomien terästen, työstön viimeistelyvaiheessa.
Cermet on materiaalina “itseteroittuva”, mikä mahdollistaa kestävyyden pidempäänkin kestävässä viimeistelyssä, sekä tarkkuuden ja hyvän pinnanlaadun.
Keraami voi koostua eri aineiden yhdistelmistä, jolloin myös sen ominaisuudet eroavat toisistaan. Keraamityökaluja hyödynnetään useimmiten suurnopeussorvauksessa ja se on terämateriaalina hyvin kulutusta kestävä.
Kennametalin piinitridikeraamiset KYK-sarjan teräpalat on suunniteltu erityisesti valuraudan suurten nopeuksien jatkuvaan tai hakkaavaan sorvaukseen. Tässä keraamilaadussa on erinomainen murtumissitkeys, kestävyys kulumista vastaan sekä korkeiden lämpötilojen kesto.
Myös kuumalujien superseosten ja titaanin työstämisessä kannattaa hyödyntää keraamisia laatuja: Kennametalin KenCut™ HT täyskeraaminen varsijyrsin lisää tuottavuutta mahdollistamalla suuremman leikkuunopeuden ja parantaa jopa viisinkertaisesti työkalun kestoa täyskovametalliin verrattuna.
Kuutioboorinitridi eli CBN ja monikiteinen kuutioboorinitridi eli PCBN lukeutuvat äärimmäisen koviin työkalumateriaaleihin. Se on sitkeä aine, joka kestää hyvin myös lämpöshokkeja.
Erityisesti CBN soveltuu karkaistujen terästen (kovuus yli 45 HRc) tarkkuutta vaativaan viimeistelyvaiheen sorvaukseen. Terämateriaalin edut tulevat esille nimenomaan kovien materiaalien työstössä, joihin monien muiden terämateriaalien suorituskyky ei riitä. Jos karkaistun teräksen kovuus on alle 45 HRC, ei CBN ole paras vaihtoehto, sillä pehmeämmän teräksen sisältämä runsas ferriitti vähentää CBN-työkalujen kulumiskestävyyttä.
Kuumalujien superseoksien ja titaanin työstöön CBN-terämateriaalit tarjoavat täysin uuden tason tehokkuutta leikkuunopeuksissa ja materiaalin poistossa.
Monikiteinen timantti eli PCD on komposiittimateriaali, joka koostuu metallisidosaineen kanssa yhteen sintratuista timanttihiukkasista. Materiaali on erittäin kova ja kulutusta kestävä, mikä tarkoittaa, että siitä valmistetut työkalut leikkaavat hyvin ja kestävät pitkään myös hankaavia materiaaleja työstettäessä.
PCD-työkaluja käytetään ei-rautametallien kuten alumiinin, komposiittien ja värimetallien työstöön. Vaikeasti työstettävien komposiittimateriaalien käsittelyssä niiden hyödyt ovat huomattavat: PCD-työkalut ovat noin 10 kertaa tuottavampia kuin täyskovametalliset.
PCD mahdollistaa myös todella terävät työkalujen leikkuureunat, joilla saadaan aikaan korkeatasoinen pinnanlaatu ja mittatarkkuus.
Työkalumateriaaleista ei voine puhua ilman, että esille nostetaan myös erilaiset pinnoitteet. Pinnoitteilla voidaan merkittävästi vaikuttaa työkalujen ominaisuuksiin ja parantaa niiden suorituskykyä pinnoittamattomiin työkaluihin verrattuna. Oikean pinnoitteen valinta riippuu työkappaleen materiaalista ja käyttökohteesta.
Titaaninitridipinnoitteita (TiN) käytetään yleisiin jyrsintätöihin pehmeämmissä materiaaleissa. Pinnoite vähentää kitkaa ja lisää lastun virtausta. Lämmönkestävyyden ja kovuuden ansiosta työkalun työstönopeus on noin 20–30 % korkeampi kuin pinnoittamattomien.
Titaanikarbonitridi (TiCN) on kovempi kuin titaaninitridi (TiN) alhaisissa leikkauslämpötiloissa. Sillä on hyvä kulumiskestävyys, ja se soveltuu erittäin hyvin terästen, ruostumattomien terästen ja värimetallien työstämiseen. TiCN:llä pinnoitettuja työkaluja tulisi käyttää jopa 50 % suuremmilla nopeuksilla kuin pinnoittamattomia. Jos prosessilämpötilat nousevat liian korkeiksi, kovuus laskee merkittävästi.
Titaanialumiininitridi (TiAlN) -pinnoitteet ovat korkean suorituskyvyn pinnoitteita, joita käytetään kaikentyyppisille materiaaleille. Sillä on suunnilleen sama kovuus kuin titaanikarbonitridi (TiCN), mutta se säilyttää kovuuden paljon korkeammissa leikkauslämpötiloissa. Tämä tekee TiAlN:sta erittäin tehokkaan työstettäessä korkean lämpötilan metalliseoksia suurilla nopeuksilla ja jyrsittäessä ilman jäähdytysnestettä.
Alumiinititaaninitridi (AlTiN) -pinnoitteet ovat kovempia kuin titaanialumiinionitridi (TiAlN) ja ne tarjoavat paremman hankaus- ja lämmönkestävyyden. Pinnoite pidentää työkalun käyttöikää ja vähentää vaihtosyklejä. Pinnoitetta käytetään yleisesti lentokone- ja ilmailumateriaalien, nikkeliseosten, ruostumattomien terästen, titaaniseosten, valuraudan ja hiiliterästen koneistukseen.
Alumiinikrominitridi (AlCrN) -pinnoitteet kestävät erittäin korkeita lämpötiloja ja kulutusta. Pinnoitteessa on kromia titaanin sijasta, mikä tarjoaa paremman suorituskyvyn kuin titaanialumiininitridi (TiAlN). Pinnoitetta voidaan käyttää ruostumattoman teräksen, titaanin, valuraudan, työkaluterästen ja muiden vaikeiden materiaalien työstämiseen erilaisissa koneistusprosesseissa.
