WPŁYW STANU POŁĄCZENIA NARZĘDZIA Z WRZECIONEM OBRABIARKI NA STRUKTURĘ GEOMETRYCZNĄ POWIERZCHNI OBROBIONEJ

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 4 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 28 ZBIGNIEW NOWAKOWSKI *, KRZYSZTOF ŚLIMAK ** WPŁYW STANU POŁĄCZENIA NARZĘDZIA Z WRZECIONEM OBRABIARKI NA STRUKTURĘ GEOMETRYCZNĄ POWIERZCHNI OBROBIONEJ W artykule podjęto próbę oceny wpływu stanu połączenia obrabiarka narzędzie skrawające na dokładność i strukturę geometryczną powierzchni obrobionej po frezowaniu stali w stanie miękkim i zahartowanym. W badaniach zastosowano dwa systemy połączeń: stożek 7:24 SK4 oraz 5 firmy D Andrea. Efektywność rozpatrywanych złączy porównano w funkcji zmiennego obciążenia narzędzia wynikającego ze zmiany głębokości skrawania. Słowa kluczowe: skrawanie, połączenie obrabiarka narzędzie, złącze 7:24,, SGP 1. WPROWADZENIE Rozwojowi nowoczesnych technik obróbki skrawaniem towarzyszą coraz większe wymagania dotyczące przedmiotu obrabianego i narzędzia. O dokładności wymiarowo-kształtowej i strukturze geometrycznej powierzchni przedmiotu obrabianego oraz trwałości narzędzia decyduje wiele czynników określanych ogólnie warunkami obróbki. Jednym z takich czynników, ciągle przez wielu użytkowników pomijanym, jest stan połączenia narzędzia skrawającego z obrabiarką [1, 2, 5, 1]. Przez pojęcie stanu połączenia rozumiany jest zespół cech konstrukcyjnych i fizycznych złącza, takich jak sztywność, tłumienie, rozłożenie mas elementów konstrukcyjnych złącza, powtarzalność pozycjonowania itd. Efektywność połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki jest coraz częściej podejmowanym problemem badawczym [2, 3, 11 13]. W pracy [2] porównano dwa różne złącza pod względem uzyskanej w procesie frezowania chropowatości powierzchni obrobionej. Z badań wynika (rys. 1), że w pewnym zakresie warunków skrawania stan połączenia narzędzie skrawające obrabiarka wpływa istotnie na chropowatość powierzchni po obróbce. * Dr inż. ** Mgr inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.

2 128 Z. Nowakowski, K. Ślimak Parametr chropowatości Rz [μm] Chwyt stożkowy 7:24 BT4 stal S48C Chwyt stożkowy HSK A5 v c = 6 m/min n = 7639 obr/min d = 25 mm Rys. 1. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na chropowatość Rz powierzchni [2] Fig. 1. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface roughness Rz [2] Dążenie do poprawy efektywności połączenia narzędzia skrawającego z obrabiarką zaowocowało różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi złączy [4]. Niektóre z nich są znormalizowane, a co za tym idzie, często stosowane przez ogół użytkowników, natomiast inne są oryginalnymi rozwiązaniami poszczególnych producentów narzędzi skrawających. Dotychczas najbardziej rozpowszechnionym połączeniem narzędzia z wrzecionem obrabiarki jest stożek o zbieżności 7:24. Jest to złącze jednopowierzchniowe, które w zakresie dużych obciążeń i obróbki HSM wykazuje szereg wad [4, 5]. Standardem obecnie projektowanych połączeń są złącza dwupowierzchniowe. 2. CEL, ZAKRES I METODYKA BADAŃ Celem badań było porównanie dwóch złączy obrabiarka narzędzie o różnej konstrukcji pod względem uzyskanej w efekcie frezowania chropowatości powierzchni obrobionej i zarysu powierzchni w przekroju wzdłużnym. W badaniach zastosowano próbki wykonane ze stali węglowej konstrukcyjnej 45 w stanie miękkim oraz ze stali stopowej łożyskowej ŁH15 w stanie zahartowanym (6±1 HRC). Badania prowadzono podczas symetrycznego frezowania czołowego płyty bez użycia chłodziwa. Próby frezowania powtarzano trzykrotnie, stosując każdorazowo nowe krawędzie skrawające. Do frezowania użyto dwóch rodzajów głowic frezarskich:

3 Wpływ stanu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki 129 czteroostrzową o średnicy d f = 4 mm (frezowanie stali w stanie miękkim), jednoostrzową o średnicy d f = 87 mm (frezowanie stali zahartowanej). Stal w stanie miękkim frezowano płytkami skrawającymi RPET 124MO z węglika spiekanego 13E (firmy Kennametal) z powłoką TiN-Al 2 O 3 -TiCN-TiN. Stal zahartowaną frezowano płytkami skrawającymi RNGN 124 T12 z ceramiki wzmocnionej wiskersami Al 2 O 3 +SiC KY43 (firmy Kennametal). Badania prowadzono na frezarce wspornikowej FND-32F firmy AVIA. W tablicy 1 przedstawiono zakres parametrów skrawania stosowanych w badaniach. Zakres parametrów skrawania stosowanych w badaniach Range of cutting parameters, which were used in research Tablica 1 Rodzaj badań Czynniki określane Parametry skrawania Frezowanie stali w stanie miękkim parametry chropowatości: Ra, Rz v c = 113 m/min n = 9 obr/min f z =,55 mm/ostrze a p = 1 6 mm Frezowanie stali zahartowanej parametry chropowatości: Ra, Rz odchyłka zarysu w przekroju wzdłużnym Δw v c = 153, 36 m/min n = 56, 112 obr/min f z =,15 mm/ostrze a p =,1,6 mm Parametry struktury geometrycznej powierzchni (SGP) mierzono bezpośrednio na obrabiarce za pomocą profilografometru Hommel Tester T1. Dla każdej frezowanej powierzchni wykonano po sześć powtórzeń pomiarów wzdłuż osi symetrii frezowanej płyty. Długość odcinka pomiarowego l n = 4,8 mm, a odcinka elementarnego l r = l w =,8 mm. Za wskaźniki oceny chropowatości powierzchni przyjęto parametry Ra, Rz (wg PN-87/M-4256/2). Rozproszenie wyników pomiarów przedstawiono, podając 95-procentowy przedział ufności. Odchyłki zarysu w przekroju wzdłużnym Δw mierzono za pomocą czujnika inkrementalnego MT12B firmy Heidenhain o rozdzielczości,5 μm. Dla każdej frezowanej powierzchni wykonano dwa powtórzenia pomiarów wzdłuż osi symetrii frezowanej płyty. Do mocowania wykorzystywanych w badaniach głowic frezarskich wytypowano dwa trzpienie (rys. 2) o różnym sposobie połączenia z wrzecionem obrabiarki (stożek 7:24 SK4 oraz złącze walcowo-stożkowe MHD5 firmy D Andrea). Stożek o zbieżności 7:24 jest złączem jednopowierzchniowym (powierzchnia stożka odpowiada za pozycjonowanie promieniowe i osiowe) niesamohamownym. Za mocowanie odpowiada układ osiowo usytuowanych sprężyn talerzowych wrzeciona frezarki ściskanych podczas przemocowań siłownikiem hydraulicznym.

4 13 Z. Nowakowski, K. Ślimak a) Powierzchnia pozycjonowania b) Powierzchnia promieniowego i osiowego pozycjonowania osiowego Śruba rzymska Powierzchnie pozycjonowania promieniowego Rys. 2. Trzpienie frezarskie stosowane w badaniach: a) trzpień ze stożkiem 7:24 SK4, b) trzpień ze złączem MHD5 firmy D Andrea Fig. 2. Milling arbors used in research: a) arbor with 7:24 SK4 taper, b) arbor with MHD5 coupling of D Andrea company System MHD firmy D Andrea jest oparty na złączu walcowo-stożkowym dwupowierzchniowym. Za pozycjonowanie promieniowe odpowiada powierzchnia walcowa oraz stożek powierzchni czołowej. Za pozycjonowanie osiowe odpowiada stożek powierzchni czołowej. Do mocowania złącza stosuje się promieniową śrubę rzymską dokręcaną ręcznie. Mocowanie we wrzecionie frezarki narzędzia zespolonego ze złączem MHD umożliwia specjalny adapter. Adapter jest pozycjonowany na średnicy zewnętrznej wrzeciona i przymocowany czterema śrubami do jego czoła. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Jednym z czynników wpływających na zmianę sztywności dynamicznej połączenia narzędzia z obrabiarką i tym samym na chropowatość powierzchni obrobionej jest głębokość skrawania [6, 8, 9]. Dlatego badania prowadzono w możliwie szerokim zakresie głębokości skrawania, wpływając tym samym na zmianę obciążenia narzędzia. Na rysunku 3 przedstawiono zmiany chropowatości Ra powierzchni po frezowaniu stali miękkiej dla dwóch różnych systemów połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki stożka 7:24 i złącza walcowo-stożkowego MHD. Wzrost głębokości skrawania powoduje monotoniczny przyrost chropowatości powierzchni obrobionej. Dla jednego z badanych złączy (złącza walcowo-stożkowego) w zakresie a p > 5 mm następuje znaczny przyrost chropowatości Ra powierzchni. Podobną zależność zauważono przy ocenie powierzchni na podstawie parametru Rz (rys. 4). Przyczyny tak znacznego przyrostu chropowatości powierzchni należy upatrywać prawdopodobnie w zmianie sztywności dynamicznej narzędzia, która może wynikać z częściowej utraty styku w połączeniu narzędzia z wrzecionem obrabiarki.

5 Wpływ stanu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki 131 Parametr chropowatości Ra [μm] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Narzędzie: stal 45 głowica frezarska 4-ostrzowa z płytkami RPET124MO - d f =4 mm v c =113 m/min węglik spiekany 13E f z =,55 mm/ostrze I - przedział ufności, α=,5 złącze SK Rys. 3. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na chropowatość Ra powierzchni po frezowaniu stali w stanie miękkim Fig. 3. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface roughness Ra after steel milling in soft condition Parametr chropowatości Rz [μm] stal 45 v c =113 m/min f z =,55 mm/ostrze I - przedział ufności, α=,5 Narzędzie: głowica frezarska 4-ostrzowa z płytkami RPET124MO - d f =4 mm węglik spiekany 13E złącze SK Rys. 4. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na chropowatość Rz powierzchni po frezowaniu stali w stanie miękkim Fig. 4. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface roughness Rz after steel milling in soft condition Złącze MHD zbudowane jest z trzpienia walcowo-stożkowego o dwóch powierzchniach pozycjonowania. Z badań publikowanych w literaturze [1] wynika, że dla każdego krótkiego złącza dwupowierzchniowego istnieje pewna graniczna wartość obciążenia promieniowego, po którego przekroczeniu następuje

6 132 Z. Nowakowski, K. Ślimak utrata styku na powierzchni czołowej złącza. Wiadomo natomiast, że powierzchnia czołowa złącza w istotny sposób decyduje o sztywności narzędzia [1, 2, 5, 1, 13]. W celu zapewnienia dużej sztywności połączenia współcześnie projektowane i stosowane krótkie złącza wymagają odpowiednio dużej siły osiowej wciągającej (mocującej) trzpień we wrzeciono obrabiarki. Należy w tym momencie zauważyć, że zastosowana do mocowania w złączu MHD promieniowa śruba rzymska cechuje się mniejszą siłą mocowania niż śruba osiowa stosowana do mocowania w złączu stożkowym 7:24. Parametr chropowatości Ra [μm] 1,9,8,7,6,5 stal ŁH15 6±1HRC v c =36 m/min f z =,15 mm/ostrze,4 złącze SK4,3 Narzędzie:,2 głowica frezarska 1-ostrzowa z płytkami RNGN124T12 d f =87 mm,1 ceramika Al 2 O 3 +SiCW KY43,,1,2,3,4,5,6,7 I - przedział ufności, α=,5 Rys. 5. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na chropowatość Ra powierzchni po frezowaniu zahartowanej stali Fig. 5. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface roughness Ra after hardened steel milling Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono porównanie chropowatości Ra i Rz powierzchni po frezowaniu zahartowanej stali dla dwóch badanych rodzajów połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki. W badanym zakresie wzrost głębokości skrawania powoduje monotoniczny przyrost chropowatości powierzchni obrobionej. Dla żadnego z badanych złączy nie zauważono objawów znacznego przyrostu chropowatości powierzchni obrobionej, przy czym należy zaznaczyć, że maksymalna głębokość skrawania podczas frezowania zahartowanej stali (a p =,6 mm) była dziesięciokrotnie mniejsza niż głębokość podczas frezowania stali miękkiej (a p = 6 mm).

7 Wpływ stanu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki 133 Parametr chropowatości Rz [μm] 4,5 4 3,5 3 2,5 I - przedział ufności, α=,5 złącze SK4 2 1,5 stal ŁH15 6±1HRC Narzędzie: 1 v c =36 m/min głowica frezarska 1-ostrzowa,5 f z =,15 mm/ostrze z płytkami RNGN124T12 d f =87 mm ceramika Al 2 O 3 +SiCW KY43,,1,2,3,4,5,6,7 Rys. 6. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na chropowatość Rz powierzchni po frezowaniu zahartowanej stali Fig. 6. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface roughness Rz after hardened steel milling Wysokość zarysu Z [μm] Narzędzie: głowica frezarska 1-ostrzowa d f =87 mm z płytkami RNGN124T12 ceramika Al 2 O 3 +SiCW KY złącze SK Droga frezowania l f [mm] stal ŁH15 6±1HRC v c =36 m/min; a p =,1 mm f z =,15 mm/ostrze Rys. 7. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na zarys powierzchni w przekroju wzdłużnym w funkcji drogi frezowania Fig. 7. Influence of tool with machine tool spindle interface method on surface profile in longitudinal section of milling lenght function Jednym z parametrów powierzchni analizowanych po frezowaniu dokładnym jest płaskość powierzchni określana często za pomocą odchyłki zarysu w przekroju równoległym i prostopadłym do kierunku posuwu. Dlatego badane połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki porównano również pod względem wpływu na odchyłkę zarysu Δw w przekroju wzdłużnym (w kierunku równoległym do posuwu). Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy przebieg odchyłki

8 134 Z. Nowakowski, K. Ślimak zarysu Δw w przekroju wzdłużnym w funkcji drogi frezowania dla dwóch badanych rodzajów połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki. Z wykresu wynika, że narzędzie zamocowane za pomocą złącza stożkowego 7:24 (SK4) powoduje większą zmianę wysokości zarysu Z po frezowaniu. Odchyłka zarysu Δw [μm] stal ŁH15 6±1HRC v c =153 m/min f z =,15 mm/ostrze złącze SK4 Narzędzie: głowica frezarska 1-ostrzowa d f =87 mm z płytkami RNGN124T12 ceramika Al 2 O 3 +SiCW KY43,,1,2,3,4,5,6,7 Rys. 8. Wpływ sposobu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki na przebieg odchyłki zarysu Δw w przekroju wzdłużnym w funkcji głębokości skrawania Fig. 8. Influence of tool with machine tool spindle interface method on contour deviation Δw progress in longitudinal section of depth of cut function Na rysunku 8 przedstawiono przebieg odchyłki zarysu Δw w przekroju wzdłużnym w funkcji głębokości skrawania. W całym zakresie stosowanych w badaniach głębokości skrawania narzędzie zamocowane z użyciem złącza walcowo-stożkowego (MHD) wykazało mniejszą odchyłkę zarysu Δw. Można więc przypuszczać, że kontakt czołowy z wrzecionem obrabiarki złącza wpływa istotnie na odchyłkę zarysu Δw. 4. PODSUMOWANIE 1. Przeprowadzone badania potwierdziły wpływ połączenia narzędzia skrawającego z obrabiarką na dokładność kształtową i chropowatość powierzchni frezowanej. 2. Stosowanie krótkiego złącza walcowo-czołowego z ręcznym mocowaniem przy dużych głębokościach skrawania (a p > 5 mm) powoduje znaczny przyrost chropowatości powierzchni obrobionej. 3. Zastosowany w złączu MHD kontakt na powierzchni czołowej z wrzecionem obrabiarki wpłynął na zmniejszenie odchyłki zarysu Δw.

9 Wpływ stanu połączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki 135 LITERATURA [1] Agapiou J., Rivin E.I., Xie C., Toolholder/spindle interfaces for CNC machine tools, Annals of the CIRP, 1995, vol. 44, 1, s [2] Aoyama T., Inasaki I., Performances of HSK tool interfaces under high rotational speed, Annals of the CIRP, 21, vol. 5, 1, s [3] Cichosz P., Ocena narzędzi zespolonych serii Modulhard Andrea ze złączem systemu MHD firmy D Andrea, Mechanik, 2, nr 1, s [4] Kozłowski M.M., Nowy kształt złącza obrabiarka narzędzie, Mechanik, 1995, nr 4, s [5] Rivin E.I., Tooling structure: Interface between cutting edge and machine tool, Annals of the CIRP, 2, vol. 49, 2, s [6] Smith S., Snyder J., A Cutting performance based template for spindle dynamics, Annals of the CIRP, 21 5, 1, s [7] Ślimak K., Wybrane zagadnienia konstrukcji złączy systemów narzędziowych ze szczególnym uwzględnieniem złączy obrabiarka narzędzie, praca dyplomowa magisterska, Politechnika Poznańska, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, promotor Z. Nowakowski, Poznań 25 (maszynopis). [8] Tlusty J., Smith S., Winfough W.R., Techniques for the use of long slender end mills in high-speed milling, Annals of the CIRP, 1996, 45, 1, s [9] Tomków J., Wibrostabilność obrabiarek, Warszawa, WNT [1] Tsutsumi M., Kuwada T., Shimizu S., Aoyama T, Hachiga S., Static and dynamic stiffness of 1/1 tapered joints for automatic changing, International Journal of Japan Society for Precision Engineering, 1995, vol. 29, no. 4, s [11] Weck M., Hennes N., Krell M., Spindle and toolsystems with high damping, Annals of the CIRP, 1999, vol. 48, 1, s [12] Weck M., Lembke D., Schnittstellenlösungen und Werkzeugsysteme, Industrie Anzeiger, 1988, 7, s [13] Weck M., Schubert I., New interface machine/tool: Hollow Shank, Annals of the CIRP, 1994, vol. 43, 1, s Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Grzegorz Szwengier INFLUENCE OF TOOL WITH MACHINE TOOL SPINDLE INTERFACE CONDITION ON GEOMETRICAL STRUCTURE OF MACHINED SURFACE S u m m a r y In this elaboration there was made an attempt of estimate of cutting tool-machine tool interface condition influence on accuracy and geometrical structure of machined surface after steel milling in soft and hardened condition. In this research there were used two coupling systems: taper 7:24-SK4 and MHD5 coupling of D Andrea. Comparison of considered couplings efficiency were carried out in variable loading function of cutting tool which resulted from depth of cut changing. Key words: machining, tool-machine tool interface, 7:24 coupling, MHD coupling, geometrical surface structure