Zużywanie się ostrzy narzędzi skrawających na przykładzie noży strugarek z uwzględnienie kryteriów oceny ich zużycia.

Transkrypt

1 Zużywanie się ostrzy narzędzi skrawających na przykładzie noży strugarek z uwzględnienie kryteriów oceny ich zużycia. Przyczyny zużywania się narzędzi pod kątem wzajemnego oddziaływania materiału obrabianego i narzędzia oraz charakterystyka skutków zużywania się narzędzi. Adam Gilewicz Centrum Technologii Próżniowo-Plazmowych Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii I Techniki Próżniowej 1/25

2 Materiały stosowane na narzędzia do obróbki drewna - Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (NCV1,NC11,NC11LV) - HSS (SW7M, SW18,SK10V) - WC (K10,K20,K30,B25,P10) - Polikrystaliczny diament PCD (wg De Beers DP 002 drobnokrystaliczny, DP 010 średnioziarnisty, - Stellity DP 025 gruboziarnisty) - Ceramika narzędziowa (tlenkowa CA, tlenkowo-węglikowa CM, ceramika azotkowa CN, Sialon, regularny azotek boru BN) Centrum Technologii Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii Próżniowo-Plazmowych I Techniki Próżniowej 2/25

3 Narzędzia stosowane do obróbki drewna (rys. i foto. ze stron www producentów narzędzi do obróbki drewna) Frezy trzpieniowe Frezy na płytki wymienne Frezy spiralne Frezy diamentowe Płytki węglikowe Piły tarczowe i podcinaki Głowice i noże HSS Wiertła Noże do strugarek Centrum Technologii Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii Próżniowo-Plazmowych I Techniki Próżniowej 3/25

4 Zużycie ostrza są to zaistniałe podczas pracy narzędzia zmiany geometryczne (wg B.Porankiewicza 2003 [3].) Zużywanie (odnosi się do procesu) wearing process ( Padilla i in Proces iznosa Cukanov i Amalickij 1966) Zużycie ( jest skutkiem procesu) Wear rate (Boehme i Munz 1987) Iznos Cukanov i Amalickij 1966) Tępienie (odnosi się do procesu) dulling process (Boehme i Munz 1987) Schneidenabstumpfung Stępienie Dulling rate, dullnes, bluntness Jak również starcie ostrza, cofnięcie ostrza Cutting edge recession Schneidezurucksetzung (Boehme i Munz 1987,Stuhmeier1989) 4/25

5 Przyczyny zużywania się narzędzi do drewna Mechanizmy zużycia narzędzi skrawających [1]: (najczęściej wymieniane) Zużycie: mechaniczne: abrazja pęknięcie odpuszczenie Przyczyny zużycia narzędzi skrawających naprężenia tarcie temperatura zmęczenie materiału woda obecność żywicy chemiczne: korozja chemiczna korozja elektro-chemiczna adhezja (żywicy) 5

6 Formy zużycia ostrza noża strugarskiego 1 mm Początkowe docieranie Wyłamanie i pęknięcia [1]. zużycia ścierne ostrza Wykruszenia [1] 6/25

7 Skutki zużywania się narzędzi skutki technologiczne wzrost: - Sił - Zapotrzebowania na energię - Temperatury - Wibracji - Hałasu skutki jakościowe obniżenie: - Tolerancji wymiarowych - Jakości na powierzchni i narożach otrzymywanych wyrobów Skutki technologiczne zużywania się narzędzi są istotne głównie w procesie produkcji. Natomiast skutki jakościowe zużywania się narzędzi rzutują głównie na efekty ich sprzedaży. Modyfikacja materiałowa narzędzi ma zapewnić poprawę w obu obszarach[1].

8 zużycie ostrza G B C F E D A - zużycie adhezyjne, B - zużycie mechaniczne, C - ścieranie mechaniczne, D - zużycie cieplne, E- zużycie przez utlenianie, F- zużycie dyfuzyjne, G- wysokotemperaturowa deformacja plastyczna [2]. A Prędkość skrawania (temperatura w strefie skrawania) Kryterium stępienia Geometryczne Technologiczne Fizyczne Ekonomioczne Wg B.Porankiewicza 2003 [3]. 8/25

9 Zagadnienia energetyczne w procesie skrawania P - siła skrawania P = k A [N] A = bg pole przekroju wióra b - szerokość wióra g- grubość k opór właściwy skrawania [MPa] k = 12 k = 22 k =53 P 0 siła odporu P 0 = c P (c = 0,11,3 dla ostrego noża c= - 0,3-0,5 ) W siła wypadkowa k = 12 k = 22 k =53 (Wg K. Duchnowski 1997[5].) F 1 - grupa oporów wióra i ich wypadkowa F 2 - grupa oporów ścinania i ich wypadkowa F 3 - grupa oporów reakcji zgniatanego drewna i ich wypadkowa (siła odporu) (Wg K. Duchnowski 1997 [5].) 9/25

10 Położenia skrawania przy pracy nożem elementarnym prostym (Wg K. Duchnowski 1997 [5].) 10/25

11 Położenie narzędzia względem obrabianego materiału (wg B.Porankiewicza 2003[3]) Typowe wady powstające przy struganiu drewna ( wg K.Duchnowski 1997 [5]) = - odchyłka płaskości (nie większa niż 0,2mm do 1m dł.) - odchyłka prostopadłości 1 - chropowatość Rz=200-32m - długość fal 1mm np.: dla potrzeby p.meblarskiego gł. Fali 5m - przypalenia - wybłyszczenia - mszystość (mechatość, włochatość) - wyrwy i odłupy (w głąb materiału 0,15mm dla d.twardego i 0,4mm dla miękkiego 11/25

12 Kąty charakterystyczne noży (Zalecane dla typowych warunków strugania ) Możliwość uzyskania najmniejszego kąta natarcia i największego kąta ostrz ( wg K.Duchnowski 1997[5].) 70m Możliwe do uzyskania kąty dla różnych materiałów ostrza [1]. Noż strugarski f-my Kanefusa 12/25

13 Emisja ciepła w trakcie obróbki metali i drewna [1]. 13/25

14 Wybrane wielkości fizyczne twardych powłok stosowanych przy modyfikacji powierzchni narzędzi [6]. Materiał Temperatura topnienia lub rozkładu [ K ] Twardość HV Gęstość [g/cm 3 ] Współczynnik Sprężystości Wzdłużnej E [GPa] Współczynnik rozszerzalności cieplnej [10-6 K -1 ] Przewodność cieplna właściwa [Wm -1 K -1 ] Temperatura max. Pracy [ K] Współczynnik tarcia suchego względem stali Twarde powłoki TiN , , ,4-0,7 CrN , ,3 11, ,4-0,9 Cr2N ,51 9,4 21,8 TiC , , ,15-0,4 TiCN , ,25-0,5 TiAlN ,3-0,6 Materiały podłoża Stal SW7M , ,37-0,5 Węglik sp. WC +6Co , , ,32 14/25

15 Parametry mikrogeometrii stępienia ostrza po skrawaniu drewna gdzie A - powierzchnia przyłożenia A - powierzchnia natarcia VB - skrócenie wzdłuż powierzchni przyłożenia O w W=VB w zużycie wzdłuż dwusiecznej kąta ostrza O s 4 = SV - skrócenie do stycznej do ostrza oraz prostopadłej do powierzchni natarcia 4 S = VB R - zużycie ostrza pow. natarcia O s S = VB s - skrócenie wzdłuż pow. natarcia O F 1 = VB F - skrócenie do stycznej do ostrza oraz prostopadłej do pow. przyłożenia - początkowy kształt ostrza P f P R - płaszczyzna boczna (pracy) - płaszczyzna podstawowa (czołowa) - płaszczyzna tylna P P Zużycie ostrza w zależności od skrawanego materiału i materiału ostrza [4]. Parametry stereometrii ostrza przyjęto zgodnie z PN-ISO /25

16 Podstawowe parametry zużycia ostrza strugarskiego. A część pracująca ostrza SV nóż krawędź ostrza noża S - pole zużycia ostrza noża S powierzchnią zużycia ostrza [mm 2 ], Nóż SV śr. skrócenie do stycznej do ostrza płaszczyzny prostopadłej do powierzchni natarcia [m], A VB R starcie powierzchni natarcia [m] SV VB R A VB stępienie ostrza w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni natarcia stycznej do ostrza [m]. NÓŻ Z MODYFIKOWANĄ POWIERZCHNIĄ NATARCIA VB TWARDĄ POWŁOKĄ 16/25

17 krawędź początkowa ostrza 0,00-0,02 SV śr. SV śr. żużycie noża [mm] Wyznaczanie skrócenie do stycznej do ostrza płaszczyzny prostopadłej do powierzchni natarcia SV szerokość skrawania Łopatka głowicy profilografu -0,04-0,06-0,08-0,10 profil zużycia ostrza noża bez powłoki po 6000m skrawania profil zużycia ostrza noża z modyfikowaną powierzchnią natarcia twardą powłoką po 6000m skrawania Nóż -0, długość noża [mm] A 17/25

18 zużycie ostrza [m] Wyznaczanie skrócenie wzdłuż pow. natarcia VB s (w płaszczyźnie bocznej P f -pracy) 10 5 początkowy wymiar ostrza VB R SV 0 grubość twardej powłoki 2,5m profil zużycia ostrza z twardą powłoką po 6000m skrawania VB s VB S = VB R + SV - skrócenie wzdłuż pow. natarcia ,0 profil zużytego ostrza bez powłoki po 6000m skrawania -0,8-0,6-0,4-0,2 0 SV śr. - skrócenie do stycznej do ostrza płaszczyzny prostopadłej do powierzchni natarcia [m] VB R - starcie powierzchni natarcia odległość od krawędzi ostrza noża [mm] 18/25

19 Widok ostrzy noży po 6000m skrawania sosny Bez powłoki CrN/CrCN 1:5 tygrys CrN/CrCN 1:2 19/25

20 Możliwości nowego mikroskopu optycznego Bez powłoki 20/25

21 S pole zużycia ostrza [mm 2 ] Pole zużycia S ostrza noża w funkcji drogi skrawania noży o różnej architekturze twardych powłok wielowarstwowych typu CrN/CrCN X800 1,1 1,0 0,9 0,8 nóż bez powłoki CrN/Cr 2 N (1:1) CrN/CrCN (5:1) CrN/CrCN (1:1) CrN/CrCN (2:1) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, droga skrawania [m] 21/25

22 Wyznaczanie stępienia VB Noż bez twardej powłoki (niepokryty) stępienie ostrza VB 69m powłoka typu CrN/Cr 2 N =7 (1:1) stępienie ostrza VB 44m Powłoka typu CrCN/CrN =7 (1:1) stępienie ostrza VB 29m 22/25

23 Obrabiarki na których będą przeprowadzane testy eksploatacyjne Laboratoryjne Dolnowrzecionowa frezarka GOMAD typ DFDA. Przemysłowe Obrabiarka 6 - głowicowa typu Hydromat 23, f-my Weing. a) widok ogólny obrabiarki - z prawej strony pokazano sposób rozmieszczenia głowic b) widok dolnej głowicy nr 5 wraz z rolkami podająco-dociskowymi 23/25

24 Przebieg testów Diagnostyka noży przed modyfikacją powierzchni twardymi powłokami Ocena materiałowa noży ( np.;twardość HRC) Ocena stanu ostrza po ostrzeniu (zadziory, grady, przypalenia, wyszczerbienia) Stan mikrogeometrii ostrza (promień początkowy, prostolinijność krawędzi ostrza) Ocena parametrów chropowatości R a i R z powierzchni natarcia A i przyłożenia A Dokumentacja fotograficzna z wykorzystaniem mikroskopu optycznego Po nałożeniu powłok Typowa ocena stanu powłok tj. adhezja i HV Pomiary mikrogeometrii ostrza Testy laboratoryjne Testy przemysłowe Pomiary mikrogeometrii ostrza Wyznaczenie zużycia po każdym etapie skrawania np.co 1000m VB S,VB R, VB, SV Pomiary mikrogeometrii ostrza np.: po dopuszczalnym stępieni VB D Wyznaczenie zużycia i określenie trwałości ostrza Wyznaczenie zużycia i określenie trwałości ostrza Analiza wyników i weryfikacja technologii. Przekazanie wyników do zespołów ekspertowych do optymalizacji hybrydowych technologii modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna 24/25

25 stan wyjœciowy ostrza (geometria) stan wyjściowy ostrza (geometria) stan wyjściowy ostrza (geometria) stan wyjściowy ostrza (geometria) Stan wyjściowy ostrza (krawędź) geometria a co z twardością? 1,0 0,50 0,8 nóż włoski nr1 0,45 0,40 0,6 0,35 0,30 Gopol noż nr 3 0,4 0,25 0,20 0,2 0,15 0,10 0,0 0,05 0,00 40m -0,2-0,05-0,10-0,4-0, długość noża -0, długość noża w mm 0,20 0,15 0,10 noż włoski 2 0,4 noż nr 3 0,05 0,00 0,2-0,05-0,10 80m 0,0 60m -0,15-0, długość noża -0, długość noża 25/25

26 Literatura i materiały wykorzystane 1. Beer P.; Materiałowe modyfikacje narzędzi do obróbki drewna i tworzyw drewnopochodnych.analiza materiałowych modyfikacji narzędzi stalowych i z węglików spiekanych do obróbki drewna i tworzyw drewnopochodnych. Mat. seminaryjne wykład wygłoszony w Instytucie Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych - Politechnika Koszalińska ramach Programu INTERREG III. 2. König W.; Horizons in manufacturing technology. University of Michigan; Michigan Porankiewicz B. ;Tępienie się ostrzy i jakość przedmiotu obrabianego w skrawaniu płyt wiórowych. Rozprawy Naukowe Nr 341,Wyd. Akademia Rolnicza 2003 Poznań 4. Staniszewski J., Porankiewicz B.; Kryteria i metody oceny stopnia stępienia ostrzy narzędzi skrawających do obróbki drewna, Wyd. Akademia Rolnicza 1978 Poznań 5. Duchnowski K.; Maszynowa obróbka, narzędzia i podstawowe obrabiarki stolarskie WSziP W-wa Wysiecki M.; Nowoczesne materiały narzędziowe, WNT, W-wa 1997 Środowiskowe Laboratorium Techniki Próżniowej 26/25

27 Dziękuję za uwagę 27/25