WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Transkrypt

1 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII Zużycie i trwałość ostrza Technologie Materiałów Konstrukcyjnych i Wielofunkcyjnych Ć2: Rodzaje zużycia Objawy zużycia Wskaźniki zużycia Zależność Taylora Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski doc. dr. inż. Zbigniew Zarański

2 Proces zużywania się ostrza ZUŻYCIE OSTRZA naciski jednostkowe, które zwłaszcza w początkowym okresie skrawania są bardzo wysokie jest funkcją wielu zjawisk towarzyszących procesowi skrawania, rośnie z upływem czasu i ściśle wiąże się z trudnymi warunkami pracy ostrza skrawającego odnawianie się powierzchni trących, co prowadzi do czystego metalicznego kontaktu wysoka temperatura na powierzchniach trących mogącą dochodzić do temperatury topnienia metalu utrudnione doprowadzenie czynnika smarującego (chłodziwa) do strefy tarcia, w związku z czym w najkorzystniejszym przypadku można uzyskać tylko tarcie graniczne 2

3 Procesy zużywania się ostrza Istnieje wiele hipotez co do istoty zużywania się ostrza, na podstawie których można wyodrębnić szereg równolegle występujących procesów w mechanizmie zużycia: ścieranie mechaniczne zużycie zmęczeniowe zużycie zmęczeniowo - cieplne zużycie adhezyjne zużycie cieplne zużycie dyfuzyjne zużycie chemiczne - utlenianie 3 deformacje plastyczne narzędzia

4 Rodzaje zużycia ŚCIERANIE MECHANICZNE Wywołane jest zmianami nacisków i temperatury na powierzchnię ostrza oraz odkształceniami plastycznymi tej powierzchni Jego charakterystyczną cechą jest oddzielanie dużych cząstek materiału w postaci łuszczenia się powierzchni. Zmienne obciążenie powodowane jest zarówno samym tworzeniem wióra, uderzeniami krawędzi skrawającej, nierównomiernymi naddatkami, jak i drganiami układu obrabiarka przedmiot. ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE Występuje w postaci odkształceń plastycznych oraz ścinania wierzchołków nierówności powierzchni trących się. Zachodzi w formie ściernego oddziaływania narzędzia z twardymi składnikami struktury materiału obrabianego, (węgliki metali stopowych, cementyt i inne) i produktami procesu zużycia. 4

5 Rodzaje zużycia ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWO - CIEPLNE Spowodowane jest pojedynczymi skurczami powierzchni ostrza na skutek zmian temperatury. Zmiany te wynikają z okresowego kontaktu ostrza z materiałem obrabianym, nierównomiernym dopływem chłodziwa, a przede wszystkim na skutek okresowego tworzenia się i zanikania narostu. ZUŻYCIE ADHEZYJNE Zachodzi wówczas, gdy występuje metaliczny kontakt czystych chemicznie powierzchni ostrza i wióra (głównie materiałów plastycznych o dużej odporności na utlenianie), przy znacznych oporach skrawania. Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie cząstek obu powierzchni do siebie, wzrost sił międzycząsteczkowych, aż do wystąpienia zwarć adhezyjnych. Ciągły ruch wióra powoduje wyrywanie połączonych cząstek wióra i ostrza z podłoża (gdy siły adhezji są większe od sił wiążących atomy w sieci krystalicznej) lub ścięcie połączenia adhezyjnego. 5

6 Rodzaje zużycia ZUŻYCIE CIEPLNE Polega na wyrywaniu całych grup cząsteczek z obszarów, w których pod wpływem znacznych nacisków i temperatury dochodzi do zgrzania wióra i ostrza. Jest to możliwe wskutek spadku twardości materiału ostrza oraz wzrostu jego podatności na odkształcenia plastyczne. ZUŻYCIE DYFUZYJNE Jest skutkiem zmiany składu chemicznego materiału narzędzia, spowodowanej dyfuzją jego atomów i przedmiotu obrabianego. Dyfundujące w materiał ostrza atomy powodują zmiany jego składu chemicznego, a co za tym idzie, zmianę właściwości mechanicznych i wzrost intensywności zużycia. 6

7 Rodzaje zużycia ZUŻYCIE CHEMICZNE - UTLENIANIE Ulega mu większość metali, w tym żelazo zawarte w stalach szybkotnących, a także (chociaż w mniejszej mierze) kobalt i wolfram, będące głównymi składnikami węglików spiekanych. Powstałe w jego wyniku tlenki są z reguły porowate i miękkie, a więc są łatwo unoszone przez wiór. Występuje ono na granicy kontaktu wióra z materiałem ostrza, czyli tam gdzie temperatura jest jeszcze bardzo wysoka, a już jest dostęp powietrza. Powoduje zużycie wrębowe, czyli powstawanie charakterystycznych wąskich wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia, prostopadłych do krawędzi skrawającej. DEFORMACJE PLASTYCZNE NARZĘDZIA Są skutkiem wysokiej temperatury towarzyszącej dużym prędkościom skrawania i dużym naciskom występującym przy szybkich posuwach. Proces ten występuje przede wszystkim na powierzchni przyłożenia. 7

8 Objawy zużycia ostrza starcie na powierzchni przyłożenia krater na powierzchni natarcia zużycie wrębowe na powierzchni natarcia i przyłożenia 8

9 Starcie na powierzchni przyłożenia Powoduje ono spadek jakości obrobionej powierzchni lub niedokładność wymiarową detalu. Odpowiedzialnym za to jest zbyt wysoka wartość prędkości skrawania lub zbyt niska odporność na ścieranie tego narzędzia. Rozwiązanie Zmniejszyć prędkość skrawania. Zastosować gatunek o większej odporności na ścieranie. Wybrać gatunek z pokryciem Al 2 O 3. Dla materiałów mających skłonność do utwardzania się podczas obróbki należy stosować mniejszy kąt przystawienia lub gatunek bardziej odporny na ścieranie. 9

10 Krater na powierzchni natarcia Nadmierne zużycie w formie krateru powoduje złą jakość obrabianej powierzchni i zwiększa ryzyko złamania płytki. Za przyczyną jego pojawienia uważane jest zużycie dyfuzyjne z powodu zbyt wysokich temperatur na powierzchni natarcia oraz zbyt duże naciski na powierzchni natarcia. Rozwiązanie Najpierw zmniejszyć prędkość skrawania, aby obniżyć temperaturę, następnie obniżyć posuw. Wybrać gatunek z pokryciem Al 2 O 3. Zastosować dodatnią geometrię płytki. 10

11 Zużycie wrębowe Jest przykładem zużycia chemiczno-utleniającego. Powoduje powstawanie charakterystycznych wąskich wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia, prostopadłych do krawędzi skrawającej. 11

12 Deformacja plastyczna narzędzia Obniżenie krawędzi lub wyniesienie powierzchni przyłożenia prowadzi do złego łamania i odprowadzania wiórów oraz niskiej jakości powierzchni obrobionej. Występuje też ryzyko złamania płytki. Jego przyczyną jest zbyt duża temperatura skrawania w połączeniu z dużymi naciskami. Rozwiązanie: Wybrać twardszy gatunek o większej odporności na odkształcenie plastyczne. Obniżyć krawędź - zmniejszyć posuw. Podnieść powierzchnię przyłożenia - zmniejszyć prędkość. 12

13 Dyskretne formy zużycia ostrza PĘKNIĘCIA OSTRZA Występują z reguły przy obróbce przerywanej (np. frezowanie), gdy ostrze narażone jest na wielokrotne i częste uderzenia mechaniczne i cieplne. Zmęczenie mechaniczne powoduje powstawanie pęknięć równoległych do krawędzi, zaś cieplne - prostopadłych do niej. Z biegiem czasu pęknięcia obu typów powiększają się, a ich połączenie prowadzi do wyłamania najpierw segmentu, a chwilę później znacznego fragmentu ostrza. Przyczyna: obróbką przerywana nierównomiernym doprowadzaniem chłodziwa Rozwiązanie Wybrać gatunek o lepszej udarności. Chłodziwo powinno być podawane obficie, albo wcale. 13

14 Dyskretne formy zużycia ostrza WYKRUSZENIA KRAWĘDZI - CHIPPING Powstają w wyniku miejscowego przekroczenia wytrzymałości doraźnej ostrza. Powodują niekorzystne zmiany (znaczny ujemny kąt natarcia) geometrii fragmentu ostrza - wzrost jego obciążenia, a więc zwiększoną podatność na zużycie. W krótkim czasie może to prowadzić do zupełnej destrukcji ostrza przez jego wyłamanie. Przyczyna Zbyt kruchy gatunek płytki. Niewłaściwa geometria płytki. Narost na ostrzu. Rozwiązanie Wybrać płytkę o większej udarności. Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi skrawania. Wybrać płytkę o dodatniej geometrii. Zmniejszyć prędkość skrawania oraz dopływ chłodziwa. 14

15 Dyskretne formy zużycia ostrza WYŁAMANIE OSTRZA Może mieć podobne przyczyny, co wykruszanie, lecz jest znacznie większe i oznacza natychmiastową utratę własności skrawnych ostrza. Występuje często przy nadmiernym zużyciu. Jego pojawienie świadczy o źle dobranych warunkach skrawania. Przyczyna Zbyt kruchy materiał płytki. Niewłaściwa geometria płytki (za duży kąt przyłożenia). Za mały rozmiar płytki. Rozwiązanie Wybrać płytkę o większej ciągliwości. Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi skrawania. Wybrać płytkę o dodatniej geometrii. Zmniejszyć posuw i głębokość skrawania. 15

16 Wpływ parametrów skrawania na zużycie ostrza 16

17 Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza NA POWIERZCHNI NATARCIA Geometryczne miary zużycia ostrza Głębokość żłobka KT Szerokość żłobka KB Położenie żłobka KF Położenie środka żłobka KM NA POWIERZCHNI PRZYŁOŻENIA Szerokość starcia w strefie środkowej VB B Maksymalna szerokość starcia w strefie środkowej VB Bmax Szerokość starcia w rejonie naroża VB C Szerokość wrębu VB N 17

18 Pośrednie wskaźniki zużycia są to zmiany wielkości fizycznych spowodowane zużyciem ostrza, na podstawie, których można ocenić to zużycie wzrost poboru mocy przez obrabiarkę wymiary przedmiotu nie mieszczą się w wymaganych tolerancjach niska jakość powierzchni (duża chropowatość) powstawanie zadziorów na detalu wydzielająca się nadmierna ilość ciepła złe warunki łamania i odprowadzania wiórów duży hałas podczas obróbki tendencja do drgań układu OUPN 18

19 Krzywa zużycia ostrza VB B 0.3 c3 c2 c1 c3 > c2 > c1 c = const a p = const f n = const T 3 T 2 A. Strefa docierania ostrza - przedział wstępnego zużywania narzędzia, o parabolicznym przyroście zużycia w czasie, B. Strefa liniowego zużycia ostrza - przedział stabilnego, liniowego zużywania narzędzia w czasie, C. Strefa przyspieszonego zużycia ostrza intensywne zużywanie ostrza, o parabolicznym przyroście zużycia w czasie, prowadzące do jego całkowitego zniszczenia. 19

20 Kryteria stępienia ostrza Okresem trwałości ostrza T nazywa się czas pracy ostrza t [min] od stanu początkowego (ostrze ostre) do momentu wystąpienia zużycia granicznego (narzędzie stępione) przy niezmienionych warunkach obróbki (stałe parametry: v c, a p, f n ). KRYTERIA STĘPIENIA OSTRZA technologiczne ekonomiczne wytrzymałościowe Kryterium technologicznym - jt. takie zużycie (na powierzchni przyłożenia lub natarcia), do osiągnięcia którego narzędzie pracuje stabilnie, a powierzchnia obrobiona odpowiada wymaganiom dokładności wymiarowej, kształtowej oraz chropowatości. Kryterium ekonomicznym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym uzyskuje się najlepsze wykorzystanie regenerowanego narzędzia (największa liczba ostrzeń). Kryterium wytrzymałościowym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym następuje utrata własności skrawnych na skutek spalenia lub wyłamania części ostrza Okresem żywotności narzędzia nazywa się sumę okresów trwałości ostrza do całkowitego wyeksploatowania narzędzia. 20

21 Trwałość a parametrami obróbki C T v T s c m min 1 s v oraz C T, s - stałe zależne od materiału wyrobu i materiału narzędzia W układzie logarytmicznym funkcja Taylora jest linią prostą. c C T v m 1 C s T Cv m min W praktyce dla toczenia: trwałość ostrza T v s c a C T x T y T p f m 1 s min C v C T prędkość okresowa s x v x s T v c T y v m a y s T C v x v y f v p m min 21

22 Zużycie narzędzia skrawającego Ze względu na znaczne koszty, nie wykonuje się badań trwałości narzędzia dla konkretnych parametrów obróbki lecz tylko badania wskaźnikowe dla wyznaczenia stałych i wykładników przedstawionych wzorów, które dają wyniki przybliżone. Procesy zużywania prowadzą do utraty zdolności skrawania, czyli do momentu stępienia ostrza. Wyróżniamy następujące kryteria zużycia narzędzia: Technologiczne - wg którego narzędzie uważa się za stępione, gdy przy jego pomocy nie można już wykonać przedmiotu z żądaną gładkością powierzchni i dokładnością (a niecelowe jest korygowanie położenia narzędzia), Fizykalne - wg których narzędzie uważa się za stępione, gdy wchodzi w zakres trzeciej, przyśpieszonej fazy zużycia, Ekonomiczne - zakładające, że należy dopuszczać taką wielkość zużycia aby osiągnąć np. najmniejsze koszty w całym okresie żywotności narzędzia. 22

23 Metody badania zużycia W celu porównania różnych materiałów narzędziowych oraz określenia zależność trwałości ostrza od warunków skrawania, badania te należy prowadzić w ściśle określonych warunkach (PN-83/M-58350). Norma określa zarówno metodykę badań, warunki obróbki, jak i wskaźniki stępienia. 23

24 Znormalizowane próby trwałości narzędzi Próby te prowadzi się w celu określenia zależności empirycznej wzoru Taylora: T - trwałość narzędzia C T - stała uwzględniająca wpływ głównie czynników materiałowych s - wykładnik potęgowy (3-6 dla węglików spiekanych, 8-10 dla stali szybkotnących, 1,5-3 dla spieków ceramicznych) V c - prędkość skrawania Trwałość narzędzia wyznacza punkt przecięcia każdej z tych krzywych z linią poziomą, odpowiadającą wskaźnikowi stępienia. Opracowanie wyników polega na: naniesieniu na siatkę logarytmiczną punktów (log Ti, log Vci) wyznaczonych w badaniach, wyznaczeniu współczynników zależności T = f (Vc) W układzie dwulogarytmicznym funkcja T = f (Vc) jest linią prostą. 24

25 Przyśpieszone próby trwałości narzędzi Próby prowadzone w warunkach znormalizowanych są niezwykle pracochłonne i kosztowne. Dlatego opracowano zestawy prób przyśpieszonego badania trwałości narzędzi. Należą do nich: metoda toczenia promieniowego, metoda toczenia stożka, metoda toczenia cylindrycznego ze stale wzrastającą prędkością skrawania, metoda toczenia cylindrycznego ze stopniowo wzrastającą prędkością skrawania. We wszystkich tych metodach stosowany jest wskaźnik katastroficznego zużycia ostrza. Pozwalają one na szybsze wyznaczenie zależności, przy dużo mniejszym zużyciu materiału obrabianego. Wyniki badań są niestety obarczone większym błędem niż w przypadku konwencjonalnej metody określania trwałości. 25

26 Przykład 1. W wyniku przeprowadzonych prób skrawania stali C55 z następującymi parametrami: v c = 132,7 m/min; f = 0,44 mm/obr; a p = 0,87 mm uzyskano cztery różne trwałości ostrza: 58.5 min; 60.5 min; 56.5 min; min. Wartość średnia trwałości m wynosi: Wariancja trwałości: 2 1 D ( T) (58,5 58,67) 4 58,5 60,5 56,5 59,17 m 4 58,67 min (60,5 58,67) (56,5 58,67) (59,17 58,67) 2, 084 Odchylenie standardowe: Przedział 3 sigmowy: D 2 ( T) 1,45 min 3 4,35 min Trwałość ostrza dla parametrów prób: T 58,67 4,35 min 26

27 Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania Taylor stwierdził, że opadające części wykresu T-Vc w układzie podwójnie logarytmicznym można przedstawić w postaci prostej: gdzie: y = log T x = log V c c = log C T czyli: co po zdelogarytmowaniu daje: 27

28 Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania Stała C T odpowiada (tylko matematycznie!) trwałości ostrza przy V c = 1 i jest wówczas bardzo duża. Zależność T - V c przecina poziomą oś w punkcie (T = 1, V c = C v ), czyli C v jest (tylko matematycznie) prędkością skrawania odpowiadającą okresowi trwałości T = 1. Zachodzi zatem: Równanie Taylora możemy wówczas wyrazić w postaci: Zależność T-V c wyznacza się dla co najmniej 4 5 prędkościach skrawania. Należy przy tym zadbać o to, by uzyskiwane okresy trwałości ostrza leżały w racjonalnym zakresie parametrów. Zależność Taylora można też wyznaczyć wykreślnie, co jest często wystarczające do celów praktycznych. 28

29 Przykład 2. Obróbka stali C45 nożem CSRNR z płytką SNUN z węglika spiekanego S30S, z posuwem f n = 0.33 mm/obr i głębokością skrawania a p = 2.5 mm uzyskano następujące wyniki prób dla kryterium stępienia KT k = 0.25 mm: Wyniki pomiarów naniesiono na skalę logarytmiczną. Przez punkty przeprowadzono prostą (metodą wzrokową). W miejscu przecięcia z osią odciętych (T = 1 min) określono stałą C v =270 oraz współczynnik kierunkowy prostej k = -a/b = -6,96. Natomiast stałe Taylora wyznaczone statystycznie dla tych danych mają wartości (dla ufności na poziomie 95%): Jak widać, wyniki otrzymane metodą wykreślną mieszczą się w obliczonych przedziałach ufności. 29

30 Istota optymalizacji Ogólnie można stwierdzić, że: stała Cv zależy od materiału obrabianego i warunków skrawania, wykładnik k zależy od materiału ostrza oraz kryterium stępienia i wynosi: dla narzędzi ze stali szybkotnących, -2-6 dla węglików spiekanych, dla narzędzi ceramicznych. Wartości te wskazują na wrażliwość trwałości na zmiany prędkości skrawania dla różnych materiałów narzędziowych. Największa jest ona dla stali szybkotnących - tu zmiana prędkości skrawania rzędu 10% powoduje dwukrotną zmianę trwałości ostrza. gdzie: y = log T x = log V c N - liczba prób kˆ x x N - oszacowana wartość k, y y N - średnia wartość x - średnia wartość y 30

31 Dziękuję za uwagę!