OBRÓBKA SKRAWANIEM ZUŻYCIE I TRWAŁOŚĆ OSTRZA. Ćwiczenie nr 5 PO LI TE CHN IK A WARS ZAWSK A INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA

Transkrypt

1 OBRÓBKA SKRAWANIEM Ćwiczenie nr 5 ZUŻYCIE I TRWAŁOŚĆ OSTRZA PO LI TE CHN IK A WARS ZAWSK A INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA ZAKŁAD AUTOMATYZACJI, OBRABIAREK I OBRÓBKI SKRAWANIEM

2 1 CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest opanowanie metodyki prowadzenia badań zużycia ostrza, oraz pomiarów zużycia powierzchni przyłożenia i natarcia na przykładzie noża tokarskiego. 2 PODSTAWY TEORETYCZNE W czasie skrawania, w wyniku wzajemnego oddziaływania narzędzia i materiału obrabianego mamy do czynienia z ciągłym procesem zużywania się ostrza narzędzia. Zużycie narzędzia skrawającego, a szczególnie jego ostrzy polega na zmianach geometrii wskutek ubytku materiału oraz zmianach, właściwości fizykochemicznych wskutek przemian chemicznych w warstwie wierzchniej materiału, wywołanych głównie oddziaływaniem wysokiej temperatury. W procesach zużycia narzędzia-dominującą rolę odgrywają zużycie adhezyjne i dyfuzyjne. Występują również inne ważne rodzaje zużycia: ścierne, zmęczeniowe, chemiczne. Zużywanie się narzędzia powoduje jego stępienie, czyli utratę możliwości dalszego skrawania tym narzędziem. Z uwagi na specyficzne i trudne warunki skrawania (duże naciski jednostkowe i wysoka temperatura w strefie skrawania) przebiegi zużywania się ostrza mają charakter złożony. W zależności od zjawisk dominujących w tym procesie, wyróżnia się zużycie [1]: * mechaniczne - ścierne i wytrzymałościowe, * adhezyjne, * dyfuzyjne, * cieplne, * chemiczne. W zależności od własności materiału ostrza i materiału obrabianego, nacisków i temperatury skrawania różne rodzaje zużycia mogą występować równocześnie z różnym nasileniem. Na rys. 1 przedstawiono podział i odmiany zużycia ostrzy z krótką charakterystyką zjawisk decydujących o kinematyce zużycia [3]

3 rys. 1 Podział i odmiany zużycia ostrza [3] 2.1 Wskaźniki (miary) zużycia ostrza Prawidłowy przebieg procesu skrawania jest niemożliwy bez oceny stopnia zużycia narzędzia. Wskaźnikiem (miarą) zużycia ostrza jest określona wielkość mierzalna lub zjawisko charakteryzujące zużycie ostrza. Zużywaniu się ostrza towarzyszy szereg zjawisk które mogą służyć za kryterium warunkujące uznanie ostrza za stępione (niezdatne do pracy). Istotny jest tutaj wybór kryterium takiej oceny. Za podstawę oceny zużycia narzędzia mogą być przyjęte kryteria: fizyczne - wskaźnikami zużycia są zmiany wartości: temperatury w strefie kontaktu, sił i momentów skrawania, amplituda i częstotliwość drgań ostrza, emisja akustyczna itp., ekonomiczne - wskaźniki zużycia są wyznaczane na podstawie kosztów własnych obróbki, czyli dla największej wydajności określonej np. liczbą wykonanych przedmiotów przez ostrze. geometryczne - wskaźnikami zużycia są zmiany geometryczne ostrza, technologiczne - wskaźnikami zużycia są zmiany chropowatości powierzchni (najczęściej podczas obróbki wykańczającej), wymiarów przedmiotu obrabianego, Kryteria fizyczne określania stopnia zużycia narzędzia wymagają specjalistycznej aparatury, a wyniki pomiarów stanowią raczej względny sposób oceny zużycia narzędzia. Kryteria technologiczne pozwalają na szybką ocenę raczej przydatności narzędzia do dalszej pracy niż stopnia jego zużycia. Kryteria te służą głównie do oceny zmian w zadanych wymiarach i kształcie obrobionego, przedmiotu. Za najdokładniejsze, a przede wszystkim bezpośrednie pomiary zużycia narzędzia. to pomia

4 ry według kryteriów geometrycznych. Pomimo pracochłonności i uciążliwości pomiary te pozwalają na najbardziej precyzyjną ocenę przydatności narzędzia do dalszej pracy. W oparciu o te kryteria w obróbce zautomatyzowanej stosuje się dwie metody diagnozowania zużycia (stanu) ostrza oparte na pośrednich i bezpośrednich wskaźnikach zużycia (Tabela 1). Tabela 1 Metody diagnozowania zużycia (stanu) ostrza w obróbce zautomatyzowanej Metody diagnozowania zużycia ostrza oparte na pośrednich wskaźnikach zużycia oparte na bezpośrednich wskaźnikach zużycia Siły skrawania i wielkości pochodne Emisja akustyczna 1) Zmiana chropowatości lub wymiarów przedmiotu obrabianego Temperatura skrawania i siła termoelektryczna Drgania i hałas Ultradźwięki 1) Metody optyczne Metody dotykowe Metody indukcyjne Metody elektrooporowe Metody radiometryczne. 1) Metoda emisji akustycznej i metoda ultradźwięków należy do zakresu biernych zastosowań ultradźwięków. Metoda EA jest metodą pasywną to znaczy rejestrujemy sygnały wytworzone przez sam ośrodek. Drugą metodą z zakresu biernych zastosowań ultradźwięków jest metoda aktywna - do ośrodka jest generowana fala, której zmiany wprowadzone przez ośrodek rejestrujemy, ponad szumem własnym ośrodka Kryteria geometryczne Wskaźniki zużycia ostrza określające zmiany geometrii ostrza zastały znormalizowane (rys. 2 wg. 8) i tak: zużycie powierzchni przyłożenia zostało określone poprzez: szerokość pasma zużycia naroża VB C, średnią szerokość pasma zużycia VB B, największą szerokość pasa zużycia VB Bmax, średnią szerokość pasma zużycia VB A w strefie kontaktu krawędzi skrawającej z materiałem obrabianym, szerokość zużycia wrębowego (wyżłobienia) VB N, zużycie powierzchni natarcia zostało określone poprzez: - 4 -

5 największa głębokość rowka zużycia KT, odległość pomiędzy pierwotną główną krawędzią skrawającą a największą głębokością rowka zużycia KM, odległość pomiędzy pierwotną główną krawędzią skrawającą a najbardziej odległą krawędzią rowka zużycia KB, współczynnik rowka określony ilorazem KT/KM. rys. 2 Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza Zużycie wrębowe jest to specjalny rodzaj zużycia występujący poza strefą kontaktu ostrza i materiału obrabianego wzdłuż głównej krawędzi skrawającej i w mniejszym stopniu wzdłuż pomocni

6 czej krawędzi skrawającej. Jest związane z oddziaływaniem chemicznym i utwardzeniem powierzchni przedmiotu. Występuje zarówno na powierzchni przyłożenia i natarcia. Inne wskaźniki określające geometryczne zużycie ostrza [6, 8]: cofnięcie naroża ostrza (zużycie promieniowe) KN - określone odległością od płaszczyzny bocznej P f, przechodzącej w jego położeniu pierwotnym. Jest to wielkość skorelowana ze zmianą średnicy obrobionej i stosowana w nadzorze w metodzie pneumatyczne, odkształcenie naroża - odkształcenie plastyczne (w przypadku węglików spiekanych) lub odpuszczenie (stale szybkotnące), wyszczerbienia, wykruszenia, wyłamania, pęknięcia, uszkodzenie katastroficzne - gwałtowne uszkodzenie ostrza pod wpływem obciążenia i/ lub wzrastającej temperatury. Ponadto w celu dokonania pomiaru zużycia narzędzia norma dzieli główną krawędź skrawającą na cztery strefy, przy czym trzy strefy (A, B, C) leżą na odcinku kontaktu ostrza z materiałem obrabianym (na czynnej krawędzi skrawającej): Strefę A - obejmującą 1 / 4 długości krawędzi b, najbardziej oddalonej od naroża. Strefę B - obejmująca pozostałą prostoliniową część krawędzi skrawającej pomiędzy strefami A i C. Strefę C - obejmującą krzywoliniową część krawędzi skrawającej przy narożu. Strefę N - rozciągającą się poza odcinkiem kontaktu materiału obrabianego z ostrzem na długości 1-2 mm, wzdłuż krawędzi skrawającej. Występuje tam zużycie wrębowe. Zwyczajowo stosuje łączy się strefę N z strefą A, i zużycie wrębowe mieszczą się na końcu strefy A Kryteria stępienia ostrza Stępieniem ostrza nazywamy umowną utratę własności skrawnych. Ostrzem stępionym nazywamy takie ostrza w którym zużycie osiągnęło granicę zużycia dopuszczalnego. Stępienie ostrza jest pojęciem względnym, zależnym od sposobu obróbki, warunków obróbki oraz wymagań stawianym powierzchni obrobionej. Kryteria stępienia ostrza są to założone umownie wartości wskaźników (miar) zużycia lub wystąpienie określonego zjawiska, powodujące utratę własności skrawnych ostrza w danych warunkach skrawania. Przyjęte kryterium stępienia ostrza determinuje okres trwałości ostrza a co zatem idzie koszt i wydajność obróbki W tab. 2 przedstawiono uprzywilejowane kryteria stępienia ostrza zalecane przez PN-ISO 3685 dla toczenia stali węglowych i niskostopowych oraz żeliwa, narzę

7 dziami o charakterystykach zbliżonej do podanych przez PN-ISO W warunkach odbiegających od podanych przez normę, można i należy przyjąć inne wskaźniki stępienia ostrza lub nawet inne kryteria zużycia. W tych przypadkach należy opierać się na danych doświadczalnych lub katalogowych podanych przez producenta narzędzi. Tabela 2 Kryteria stępienia zalecane dla toczenia stali węglowej i niskowęglowej oraz żeliwa. [8] Materiał Wskaźnik zużycia ostrza VB B VB Bmax VB N KT KT/KM Inne mm mm mm mm Stal zużycie nie ustala się szybkotnąca katastroficzne gwałtowne Węgliki spiekane 0.3 1) 0.6 2) f 3) 0.1 pogorszenie powierzchni obrobionej 4) zużycie katastroficzne Spieki ceramiczne nie ustala się zużycie katastroficzne 1) Uprzywilejowane kryterium stępienia, stosowane przy równomiernym zużyciu powierzchni przyłożenia w strefie B. 2) Uprzywilejowane kryterium stępienia, stosowane przy nierównomiernym zużyciu powierzchni przyłożenia w strefie B. 3) Posuw f jest wyrażony w mm/obr 4) Gdy gwałtowne pogorszenie jakości powierzchni (wzrost chropowatości) następuje wcześniej niż osiągnięte zostają wartości określone innymi wskaźnikami stępienia. 2.2 Badanie przebiegu zużycia ostrza w funkcji czasu skrawania Metodyka badań zużycia ostrza Przy analizowaniu wpływu parametrów skrawania na przebieg zużycia ostrza, najczęściej rozpatruję się zmianę wybranego wskaźnika zużycia w funkcji czasu skrawania (przy ustalonych warunkach skrawania). Przebiegi zużycia w funkcji czasu, zależnie od przyjętego wskaźnika zużycia i warunków skrawania mają jeden z typowych kształtów (rys. 3 [1]). Krzywe postaci przedstawionej na rys. 3 a. charakteryzują się dużą intensywnością zużycia w początkowy okresie pracy (odcinek OA - docieranie ostrza). Tego typu krzywe są najczęściej spotykanym przebiegiem zużycia określonego średnią szerokością pasma zużycia powierzchni przyłożenia - VB B, oraz szerokością pasma zużycia głównej powierzchni przyłożenia w strefie naroża -VB C

8 rys. 3 Typowe kształty przebiegów zużycia Jednakże trzeba podkreślić, że w zależności od warunków obróbki i parametrów skrawania przebiegi zużycia dla różnych wskaźników mogą posiadać postać zbliżoną do typowych krzywych. Jeżeli badanie zużycia ostrza przeprowadza się w celach porównawczych z innym materiałem narzędziowym (badania skrawności) bądź w celu porównania różnych materiałów obrabianych (badania skrawalności) - warunki badań precyzuje norma PN-ISO Znormalizowana metodyka badań doświadczalnych daje możliwość porównania wyników różnych badań, prowadzonych przez różne organizacje. Daje przy ujednoliconych kryteriach, możliwość obiektywnej oceny wyników doświadczeń prowadzonych przez różnych badaczy. Badanie zużycia prowadzi się podczas tocze- Drugą grupę przebiegów zużycia stanowią krzywe (rys. 3 b.) dla których odcinek OA praktycznie zanika, natomiast intensywność zużycia nieustannie wzrasta. Grupę pośrednią stanowią krzywe zużycia (rys. 3 c) charakteryzujące się praktycznie prostoliniowym przebiegiem zużycia w początkowym okresie pracy ostrza. Krzywe tej grupy są charakterystyczne dla przebiegu zużycia określonego maksymalną głębokością rowka zużycia na głównej powierzchni natarcia - KT. Dla płytek z wykonanym na powierzchni natarcia łamaczem wióra żłobkowym, zużycie określone maksymalną głębokością rowka zużycia {KT} na głównej powierzchni natarcia, przebiega według krzywej z rys. 3 d. a) b) c) d) - 8 -

9 nia wzdłużnego wałków, wykonując podczas przerw w skrawaniu pomiarów wybranych wskaźników zużycia. Wyniki zapisywane są w protokóle badań Pomiar zużycia ostrza. Cząstki przywierające do powierzchni przyłożenia bezpośrednio pod pasmem zużycia mogą stworzyć pozory większej szerokości pasma starcia. Podobne znaczenie mają wtrącenia w najgłębszym miejscu żłobka. Luźne cząstki materiału powinny być starannie usunięte. Odczynniki trawiące nie powinny być stosowane, z wyjątkiem końcowego badania [8]. Pomiar zużycia powierzchni przyłożenia. Pomiaru wskaźników geometrycznych określających zużycie powierzchni przyłożenia można przeprowadzić na mikroskopie warsztatowym. Wskaźniki te są definiowane w płaszczyźnie P S (rys. 2), należy więc tak ustawić nóż do pomiaru, aby płaszczyzna ta była równoległa do płaszczyzny stołu pomiarowego mikroskopu. Pomiarów zużycia powierzchni przyłożenia w ćwiczeniu dokonujemy na mikroskopie warsztatowym z 30x powiększeniem z rozdzielczością odczytu 0.01 mm. Oprawkę wraz z płytką należy ustawić w specjalnej pryzmie która zapewnia równoległość płaszczyzny P S do płaszczyzny stołu pomiarowego mikroskopu. Natomiast pryzmę ustawimy tak - dosuwając ją do listwy (wyposażenie normalne mikroskopu) zamocowanej na stoliku - aby krawędź skrawająca płytki była równoległa do kierunku przesuwu wzdłużnego mikroskopu. Pomiaru należy dokonać prostopadle do głównej krawędzi skrawającej i od pierwotnego położenia głównej krawędzi ostrza. W tym celu, po wprowadzeniu naroża od strony głównej powierzchni przyłożenia w pole widzenia, należy zgrać poziomą nić pajęczą okularu nastawionego na zero z niezużytą częścią widocznej krawędzi skrawającej (rys. 4). Położenie to stanowi bazę dla wszystkich wskaźników zużycia obserwowanych w okularze -czyli: 1. największej szerokości pasma zużycia na powierzchni przyłożenia VB Bmax, w przypadku gdy powierzchnia przyłożenia jest nierównomiernie starta, wyskrobana, wykruszona lub głęboko porowkowana w strefie B, 2. średniej szerokości pasma zużycia na powierzchni przyłożenia VB B, w przypadku gdy powierzchnia przyłożenia jest równomiernie starta w strefie B, 3. średniej szerokości pasma zużycia naroża VB C w strefie C, 4. szerokość zużycia wrębowego (wyżłobienia) VB N w strefie N

10 rys. 4 Pomiar zużycia powierzchni przyłożenia Pomiar zużycia powierzchni natarcia. Zużycie powierzchni natarcia możemy zmierzyć przy pomocy mikroskopu podwójnego Schmaltza z obiektywem 7x dla którego wartość działki elementarnej wynosi 1.79 m (współczynnik przeliczeniowy = 1.79). Największą głębokość rowka zużycia KT należy mierzyć jako maksymalną odległość między dnem krateru, a pierwotną powierzchnią natarcia w strefie B. Po wprowadzeniu naroża w pole widzenia ustawiamy nić pajęczą okularu na dolną granicę przekroju świetlnego (poz. 1 na rys. 5). Położenie to należy zanotować i stanowi ono bazę dla pomiaru KT. Następnie przesuwając stolik mikroskopu znajdujemy maksymalną głębokość krateru i ustawiamy nić pajęczą na górnej granicy przekroju świetlnego (poz. 2 na rys. 5). Wartość KT obliczamy ze wzoru: (a - b) = KT [mm] rys. 5 Pomiar zużycia powierzchni natarcia 3 WYKONANIE ĆWICZENIA

11 3.1 Stanowisko Aparatura: tokarka TUD 100, siłomierz tokarski f. KSTTLER, tor pomiarowy emisji akustycznej, profilometr Hommel Tester T1000, mikroskop warsztatowy, mikroskop podwójny Schmaltza, płytki skrawające z różnych materiałów narzędziowych, płytki skrawające o różnym stopniu zużycia, pomoce warsztatowe. 3.2 Wykonanie ćwiczenia Ćwiczenie składa się z części pokazowej i badawczej. W części pokazowej ćwiczenia przewiduje się: przypomnienie budowy i obsługi aparatury badawczej przewidzianej w ćwiczeniu, próby toczenia płytkami o dwóch stopniach zużycia i rejestracja sił skrawania, sygnału emisji akustycznej i chropowatości powierzchni przy pomocy profilometru Hommel Tester T1000, omówienie kompletów płytek skrawających o różnym stopniu zużycia, omówienie wyników przebiegów zużycia wybranych ostrzy w funkcji czasu skrawania. W części badawczej ćwiczenia przewiduje się: pomiar zużycia wybranych przez prowadzącego kompletów (pięciu) płytek dla dwóch wybranych materiałów ostrza i pomiary zamieścić w protokóle Pomiar zużycia płytek wykorzystanych w pokazach 3.3 Opracowanie wyników Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i podanych danych należy wykonać: wykresy przebiegu wybranych wskaźników zużycia w funkcji czasu skrawania dla dwóch materiałów ostrza, zamieścić wnioski wynikające z porównania przebiegów zużycia dotyczące kształtu i form zużycia

12 LITERATURA: [1] Dmochowski J.: Podstawy skrawania. Warszawa. PWN [2] Jawahir I.S., i inni: A New Parametric Approach for the Assessment of Comprehensive Tool Wear in Coated Grooved Tools. Annals of the CIRP Vol. 44/1/1995. [3] Gawlik J.: Prognozowanie stanu zużycia ostrzy narzędzi w procesie skrawania. Politechnika Krakowska, Monografia 66, Kraków [4] Lauscher J.: Drehen mit Siliciumnitrid-Schneidkeramik. Dissertation [5] Meldner B., Darlewski J.: Narzędzia skrawające w zautomatyzowanej produkcji. WNT [6] Poradnik Inżyniera - Obróbka skrawaniem tom 1. Warszawa WNT [7] Reżuszczije instrumenty osnoszczonnyje sverchtvjordymi i keramiczeskimi materiałami i ich primienie. Spravocznik. Maszinostrojenije Moskva [8] PN-ISO Badanie trwałości noży tokarskich punktowych