BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY FREZÓW DO ROWKÓW WPUSTOWYCH

Transkrypt

1 Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I P O Z N AŃSKIEJ Nr 6 Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 2007 MICHAŁ WIECZOROWSKI, ANNA MATUSIAK-SZARANIEC, KAZIMIERZ WIECZOROWSKI BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY FREZÓW DO ROWKÓW WPUSTOWYCH W artykule przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych wykonanych z węglika spiekanego pokrytych twardymi warstewkami. Badania zużycia prowadzono w dwóch rodzajach operacji, tzn. przy frezowaniu rowków nieprzelotowych oraz przy frezowaniu rowków z wejściem na czole wałka. Badania prowadzono na materiale utwardzonym w granicach HRC. Dla obu przypadków badań określono charakter zużycia ostrzy na czole i na powierzchni walcowej frezu. W artykule przedstawiono wykresy zużycia ostrzy frezu z węglika spiekanego pokrytego TiN, TiAlN oraz TiAlCN. W pracy podano dla porównania wyniki badań frezu palcowego z węglika spiekanego o zmodyfikowanej konstrukcji. Słowa kluczowe: rowek wpustowy, frez palcowy, zużycie ostrzy 1. WSTĘP Znaczna większość maszyn oraz urządzeń produkcyjnych i usługowych składa się z korpusu stanowiącego element zewnętrzny zespalający wszystkie zespoły i części funkcjonalne w jedną całość. W grupie zespołów umieszczonych wewnątrz korpusu na uwagę zasługują specyficzne mechanizmy napędowe. Mechanizmy te składają się z wałków i osi ułożyskowanych (osadzonych) w ścianach korpusów. Wałki z naciętym uzębieniem stanowią podstawowy element mechanizmów napędowych przekładni zębatych. Na wałkach uzębionych osadzane są koła zębate. Połączenie koła zębatego z wałkiem następuje poprzez klin wpust lub wielowypust. Współczesne maszyny i urządzenia wymagają od przekładni zębatych przenoszenia dużych momentów obrotowych przy równocześnie dużej liczbie obrotów oraz przy możliwie najmniejszych gabarytach przekładni z zachowaniem odpowiedniej cichobieżności. Zapewnienie wspomnianych warunków wytrzymałościowych i eksploatacyjnych elementów przekładni sprawia, że zarówno na koła zębate, a jak i na wałki uzębione stosowane są specjalne stale do ulepszania cieplnego lub do obróbki cieplno-chemicznej. Istotnym czynnikiem decydującym o stosowaniu tych stali jest oprócz wymagań

2 166 M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski wytrzymałościowych, ukształtowanie określonej charakterystyki warstwy wierzchniej. Wałki z materiałów tego typu po odkuciu i obróbce wstępnej obrabia się cieplnie lub cieplno-chemicznie najczęściej do twardości HRC. W zakładach wytwórczych stosuje się też inne zalecane twardości wałków, mianowicie HRC. Wałki, na których ukształtowane jest uzębienie mają twardość niekiedy nawet do HRC. W praktyce występuje pewna niewielka grupa wałków ze wspomnianych stali, w których po obróbce cieplnej wykonywane jest tylko szlifowanie dokładne poszczególnych czopów. W przeważającej większości wałków występują na powierzchniach walcowych rowki wpustowe, wielowypusty, gwinty drobnozwojne, otwory prostopadłe do osi wałka oraz ostatecznie kształtowane jest uzębienie. 2. WYKONYWANIE ROWKÓW WPUSTOWYCH FREZEM PALCOWYM Najczęstsze połączenia wałka z kołem zębatym to znormalizowane połączenie wg PN/91/ typu A rowek nieprzelotowy lub typu C rowek z wejściem od powierzchni czołowej wałka. Na rysunku 1 pokazano dwa sposoby wykonywania rowków wpustowych frezem palcowym [1,8,11]. Rowki nieprzelotowe typu A frezuje się na specjalnej frezarce pracującej ruchem wahadłowym (rys. 1 A). Frez przemieszcza się w rowku ruchem postępowo zwrotnym, a przy każdym nawrocie zagłębia się o niewielką wartość głębokość h Di. Wartość zagłębienia zależna jest od ukształtowania ostrzy na czole frezu palcowego i wynosi zazwyczaj (0,025 0,08) mm. Obróbka w tym systemie odbywa się automatycznie, aż do osiągnięcia pełnej głębokości rowka h D. Frezowanie rowków może odbywać się również na frezarce pionowej frezem palcowym. W rozwiązaniu konstrukcyjnym, gdy rowek ma wejście od czoła wałka (rys. 1B), frez ustawiony jest na pełną głębokość rowka h D. W tym położeniu frez przemieszcza się aż do skrajnego położenia posuwem f z wykonując rowek. Niekiedy przy wykonywaniu rowków nieprzelotowych na końcach rowka wierci się jeden lub dwa otwory wiertłem o średnicy d 1 mniejszej od szerokości rowka, i o głębokości b 1 większej od głębokości rowka (rys. 1C). W tym przypadku frez, zagłębiając się w wykonany otwór wiertłem powiększa go nieznacznie i po osiągnięciu pełnej głębokości rowka przemieszcza się do drugiego skrajnego położenia posuwem wzdłużnym f z. Przedstawione sposoby wytwarzania rowków wpustowych determinują określony sposób zużycia frezów palcowych kształtujących omawiane rowki.

3 Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych 167 Rys. 1. Sposoby kształtowania rowków frezem palcowym: A frezowanie rowka nieprzelotowego metodą wahadłową, B frezowanie rowka z wejściem od czoła wałka na pełną głębokość, C frezowanie rowka nieprzelotowego ze wstępnie wykonanym jednym lub dwoma otworami na pełną głębokość, 1 frez palcowy, 2 wiertło, h D głębokość rowka, h Di grubość warstwy skrawanej w jednym przejściu, D e8 średnica frezu, d 1 średnica wiertła, b 1 głębokość wiercenia Fig. 1. Splineway shaping with slotting mill: A milling of the closed splineway with oscillatory method, B milling of the splineway open at the shaft head, full depth, C closed splineway milling with previously drilled full-depth hole (or two holes), 1 slotting mill, 2 drill, h D splineway depth, h Di removed layer thickness, D e8 mill diameter, d 1 drill diameter, b 1 depth of drilling 3. ZUŻYCIE OSTRZY FREZÓW PALCOWYCH Ja wynika z przedstawionych badań w niniejszej pracy, oraz z analizy charakteru obciążenia frezów palcowych, od lat zwracano uwagę na konieczność zwiększenia ich odporności na zużycie [2, 3, 6, 13]. W tym aspekcie opracowano specjalne pokrycia, bardziej odporne na obciążenia ostrzy frezów palcowych kształtujących rowki wpustowe i jednocześnie zapewniające wysoką dokładność wykonywanych rowków [4, 5]. Zastosowane pokrycia sprawdzano urządzeniem udostępnionym przez firmę ITA s.c. Zaawansowane Systemy Narzędziowe i Pomiarowe. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezów palcowych wykonanych z węglików spiekanych pokrytych trzema rodzajami twardych warstewek. W planowaniu badań zużycia frezów wykorzystywano statystyczne metody planowania doświadczeń. Badania zużycia frezów palcowych prowadzono przy wykonywaniu rowków wpustowych zamkniętych na

4 168 M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski frezarce pracującej systemem wahadłowym (model 629A3).W każdym kolejnym przejściu frez zagłębiał się automatycznie o wartość h Di = 0,025 mm; zużycie ostrzy przebiegało w sposób następujący: 1) pokrycie ostrzy ulegało starciu najpierw przy powierzchni czołowej frezu oraz na promieniu przejścia pomiędzy powierzchnią walcową i czołową, 2) w miarę zagłębiania się frezu w rowek wpustowy zużycie oddalało się od powierzchni czołowej; powiększanie to trwało tak długo, aż frez osiągnął pełną głębokość rowka VBL (rys. 2), 3) jednocześnie od czoła frezu warstewka pokrycia uległa całkowitemu starciu, w procesie uczestniczył węglik spiekany stanowiący materiał podkładowy, 4) ostrza na powierzchni czołowej frezu uległy nieznacznemu starciu (0,6 mm), 5) najbardziej uszkodzone zostały ostrza na promieniu przejściowym, punkt P (rys. 3) pomiędzy walcową a czołową częścią frezu. Rys. 2. Maksymalna szerokość pasma zużycia ostrzy frezu palcowego, dla ostrzy pokrytych TiN i TiAlN oraz TiAlNC. A zarys zużytego ostrza, B kształt rowka wpustowego typ A wg PN. Warunki badań: stal 45HNMF ulepszana cieplnie do twardości HRC, prędkość skrawania v C = 168 m/min, posuw f z = 0,035 mm/ostrze, średnica frezu D e8 = 8 mm, kąt linii śrubowej ostrzy 55 Przy doborze warunków badań korzystano z zaleceń podanych w pracach [9, 14] Fig. 2. The maximal latitude of wear values of the slotting mill cutting edges covered with TiN, TiAlN and Ti AlCN: A profile of worn out cutting edge, B shape of the splineway type A according to Polish Standard (PN). Conditions of experiment: steel 45HNMF, quenched and tempered up to the hardness HRC, cutting speed v c 168 m/min, feeding f z 0,035 mm per blade, mill diameter 8 mm, angle of blades helical line 55. The conditions of investigations are based on recommendations given in literature [9, 14]

5 Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych 169 W niektórych narożach ostrzy można było stwierdzić ubytek całych fragmentów ostrza na skutek wykruszeń. Problem ten związany jest z minimalną grubością warstwy skrawanej h D w punkcie P, [10] którą pokazano na rys. 3. Oceniając zużycie ostrzy na powierzchni walcowej frezu można stwierdzić, że krawędzie ostrza frezu ułożone na powierzchni walcowej po zużyciu ukształtowane są na powierzchni stożkowej pod kątem α (rys. 2A). Największy ubytek średnicy frezu DVB występuje od czoła, a najmniejszy w okolicy, która odpowiada powierzchni zewnętrznej rowka. Analizując otrzymane wyniki zużycia frezu, można stwierdzić, że frez stracił swój wymiar od czoła a rowek ma powierzchnie skośne. Rys. 3. Przekrój warstwy skrawanej ostrzami frezu położonymi na przejściu między powierzchnią walcową i czołową. P punkt o minimalnej grubości warstwy skrawanej w trakcie zagłębiania frezu powierzchnią czołową, K kierunki przemieszczania frezu, 0 1, 0 2 kolejne położenia środka promienia zaokrąglenia krawędzi przejściowej Fig. 3. Cross-section of the layer cut with cutting edges placed between the head and cylindrical surfaces, P point with minimal thickness of the layer to be cut during frontal movement of the mill, K directions of the mill movement, 0 1, 0 2 subsequent positions of the radius center of transitory edge Z przebiegu krzywych zużycia można stwierdzić, że największą trwałość wykazują ostrza pokryte TiAlCN, a najmniejszą ostrza z pokryciem TiN. Ponadto rowki wykonane frezami z pokryciem TiAlCN kształtowały powierzchnię

6 170 M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski boczną o mniejszej wartości Ra. Rozkład chropowatości na bocznych powierzchniach rowka odpowiada w przybliżeniu zużyciu ostrza. U podstawy rowka chropowatość jest większa o około 50%, jak na wierzchołku. Przy wierzchołku R a = 0,76 0,98 µm, u podstawy R a = 1,25 1,63 µm. Rys. 4. Maksymalna szerokość pasma zużycia frezu przy kształtowaniu rowka wpustowego typ C wg PN. A zarys zużytego ostrza, B kształt rowka wpustowego typ C wg PN. Warunki badań: stal 45HNMF ulepszana cieplnie do twardości HRC, prędkość skrawania v C = 88 m/min, posuw na ostrze f z = 0,025 mm/ ostrze. Rowki frezowano na frezarce pionowej frezem palcowym o średnicy 8 mm i kącie pochylenia linii śrubowej 55. Uwaga! Na frezarce pionowej nie można było uzyskać większej prędkości skrawania Fig. 4. The maximal latitude of wear value of the mill during the splineway forming type C according Polish Standard (PN). A profile of worn out cutting edge, B shape of the splineway type C. Acknowledgement: the vertical milling machine was not able to achieve higher cutting speeds. Conditions of experiment: steel 45HNMF, quenched and tempered up to the hardness HRC, cutting speed v c 88 m/min, feed per edge, f z 0,025 mm per blade, mill diameter 8 mm, angle of edges helical line 55 Na rysunku 4 przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezu skrawającego na pełną głębokość rowka h D = 5 mm. Frez palcowy rozpoczyna pracę od czoła wałka. Podobnie jak w badaniach prowadzonych dla rowków wpustowych nieprzelotowych, wykorzystano te same twarde pokrycia. Z porównania obu wy-

7 Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych 171 kresów zużycia wynika, że proces zużywania ostrza jest bardziej intensywny. Po 24 min pracy ostrza są tak zużyte, że zostają przekroczone wymiary tolerowane rowka. Obraz zużycia jest prawie na całej wysokości VBL równomierny, (rys 4A). Frez traci wymiar średnicy DVB prawie jednakowo na całej wysokości VBL. Największe zużycie wykazują frezy palcowe pokryte TiN a najmniejsze frezy pokryte TiAlCN. Różnica w wartości zużycia VB pomiędzy warstewką TiN (VB Bmax = 0,054 mm) i warstewką TiAlCN (VB = 0,029 mm) wynosi prawie 50%. Na rysunku 5 pokazano przekrój warstwy skrawanej przejściową krawędzią skrawającą (P punkt krytyczny, który rozdziela warstwę przewidzianą do zeskrawania na dwie części). Część warstwy powyżej punktu P przekształcona zostaje w wiór i druga część, która zostaje odkształcona na powierzchni materiału obrabianego tzn. dna rowka. Rys. 5. Przekrój warstwy skrawanej ostrzami frezu położonymi na krawędzi przejściowej łączącej część walcową frezu z częścią czołową. P punkt krytyczny o minimalnej grubości warstwy skrawanej. K kierunek przemieszczania frezu, R promień krawędzi przejściowej. 0 1, 0 2 kolejne położenia środków promienia krawędzi przejściowej Fig. 5. Cross-section of the layer cut with cutting edges placed between the head and cylindrical surfaces. P critical point, K directions of the mill movement, R radius of the transitory edge, 0 1, 0 2 subsequent positions of the radius center of transitory edge Na rysunku 6 przedstawiono zdjęcie zużytych w trakcie badań ostrzy frezów palcowych. Strzałkami oznaczono miejsca największego uszkodzenia ostrzy frezu w strefie przejścia powierzchni walcowej w powierzchnię czołową (początek krawędzi przejściowej). Miejsca te odpowiadają wynikom przeprowadzo-

8 172 M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski nych rozważań teoretycznych dotyczących punktu krytycznego na krawędzi przejściowej. Rys. 6. Przykłady zużytych frezów palcowych w procesie frezowania rowka wpustowego typu C. Warunki badań jak podane przy rysunku 4 (materiał 45HNMF, twardość 42 44HRC, v C = 88 m/min, f Z = 0,025 mm/ostrze D e8 = 8 mm) Fig. 6. Example of the worn out slotting mills after machining of the splineway type C. The conditions of experiment were the same as in case of Fig. 4 (steel 45HNMF, Cutting speed v c 168 m/min, feed per edges f z = 0,035 mm per edges, D e8 mill diameter) Na rysunku 7 pokazano zdjęcie ostrza frezu ze strefy krawędzi przejściowej. Strzałką zaznaczono znaczy uszczerbek krawędzi przejściowej w punkcie P. Prawie na wszystkich ostrzach frezów występowały bardzo duże różnice pomiędzy zużyciem ostrza na powierzchni walcowej i czołowej a wartością zużycia na krawędzi przejściowej. Miejsca te odpowiadają wynikom przeprowadzonych rozważań teoretycznych dotyczących punktu krytycznego na krawędzi przejściowej [10].

9 Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych 173 Rys. 7. Zużycie frezu palcowego na krawędzi przejściowej widoczny punkt P (rys. 3) Fig. 7. Wear of the slotting mill, on the transitional edge it is seen the point P (Fig. 3) 4. WNIOSKI Przedstawione wyniki badań pozwalają na jednoznaczne stwierdzenie korzystnych efektów otrzymanych przez zastosowanie twardych pokryć. Przeprowadzone dla porównania badania frezów z węglików niepokrytych dodatkowo potwierdzają korzystne efekty otrzymane przez zastosowanie twardych pokryć. Bezpośrednie porównanie frezów z węglików niepokrytych ze względu na inną konstrukcję frezów palcowych jest niemożliwe. Porównanie wykresów zużycia podanych na rys. 2 i 4 pomimo stosowania różnych prędkości skrawania pozwala na korzystna ocenę wykonywania rowków metodą wahadłową. Przy frezowaniu rowka na pełną głębokość, przy prędkości skrawania mniejszej o prawie 50%, otrzymano większe wartości zużycia. Istotnym problemem jest tzw. punkt krytyczny P, w którym ostrze zostaje wykruszone wyszczerbione. Punkt ten występuje w obu metodach kształtowania rowków, jednak jest położony w innych miejscach krawędzi przejściowej. Konieczne byłoby rozważenie innej konstrukcji krawędzi przejściowej, która po-

10 174 M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski zwoliłaby na zwiększenie trwałości frezu. Z uwagi na stożkowe zużywanie frezu w procesie kształtowania rowka wpustowego metodą wahadłową można wyprofilować krawędź skrawającą położoną na powierzchni walcowej, aby w wyniku zużycia nie powstawała stożkowatość. Analiza przedstawionych wyników badań umożliwia stwierdzenie, że podobnie będzie przebiegało zużycie ostrzy frezu średnicach o większych niż 8 mm. Hipoteza ta wymaga jednak potwierdzenia w praktyce. Konieczne byłyby badania zużycia frezów o mniejszych średnicach (poniżej 8 mm). Autorzy prezentowanych badań przeprowadzili doświadczenia z frezowaniem rowków nieprzelotowych i przelotowych frezami palcowymi wykonanymi z węglików spiekanych. Bezpośrednie porównanie frezów pokrywanych z frezami niepokrywanymi jest niemożliwe. Frezy palcowe niepokrywane miały inną konstrukcję oraz inną geometrię ostrza. Można jednak stwierdzić, że frezy niepokrywane wykazywały zużycie około dwukrotnie większe od frezów pokrywanych TiN zarówno przy obróbce rowków nieprzelotowych, jak i z wejściem od czoła. W badaniach podkreślono konieczność zwrócenia uwagi na istniejącą stałą tendencję do zwiększania liczby obrotów wrzecion frezarek. Dla przykładu frezarka do rowków pracujących metodą wahadłową produkowana pod koniec lat osiemdziesiątych miała największą liczbę obrotów (n = /min), podczas gdy wg katalogu producenta obecnie liczba ta wynosi /min i należy sądzić, że w przyszłości będzie jeszcze większa. Na zakończenie autorzy niniejszej pracy pragną podziękować wspomnianej już firmie ITA s.c. Zaawansowane Systemy Narzędziowe i Pomiarowe za udostępnienie zespołu frezów do badań. oraz kierownictwu Fabryki Pojazdów Szynowych H. Cegielski za udostępnienie obrabiarek do badań. LITERATURA [1] Kiepuszewski B., Technologia budowy maszyn, Warszawa, PWT [2] Kolev N.S., Wieczorowski K., Legutko S., Tomkowiak P., Kędzierski T., Badania trwałości i zużycia płytek z węglików spiekanych pokrywanych techniką PVD, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Mechanika nr 48. [3] Kupczyk M., Influence of coatings thickness upon tool life and wear, w: 3 th Int. Conf. on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen. [4] Kupczyk M., Application of multiphase coatings on tools, Florence, Techna [5] Kupczyk M., Wieczorowski K., Tribological properties of compound layers obtained by PVD method, w: Euro Metal Working 94, Univ. of Udine [6] Kupczyk M., Wieczorowski K., Tool life of cutting tool edges coated with mononitrides and composite coatings, Postępy technologii maszyn i urządzeń, ZN PAN, 1999, nr. 3. [7] Pająk E., Wieczorowski K., Podstawy optymalizacji operacji technologicznych w przykładach, Warszawa Poznań, PWN [8] Poradnik Inżyniera. Obróbka skrawaniem t III, Warszawa, WNT [9] Przybylski L., Strategia doboru warunków obróbki współczesnymi narzędziami, Kraków, Wyd. Politechniki Krakowskiej, 2000.

11 Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych 175 [10] Storch B., Zjawiska przykrawędziowe i monitorowanie chropowatości powierzchni po obróbce jednoostrzowej, Koszalin, Wyd. Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, [11] Tymowski J., Technologia budowy maszyn, Warszawa, WNT [12] Wieczorowski K., Kupczyk M., Wieczorowski M., Measurement of coating adhesion to cutting edges by the scratch method, ZN Uniwersytet w Charkowie, Charków [13] Wieczorowski K., Legutko S., Technika cienkich warstw w zastosowaniu do narzędzi skrawających, Mechanik, 1993, nr 8-9. [14] Żebrowski H., Techniki wytwarzania. Obróbka skrawaniem, ścierna, erozyjna, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Recenzent: dr hab. inż. Maciej Kupczyk, prof. nadzw. INVESTIGATIONS ON WEAR OF THE MILING CUTTERS EDGES FOR SPLINEWAY S u m m a r y In the paper, the results of investigations on the milling cutters edges for splineway with and without hard surface layers. The wear examinations were divided into two groups: a) milling of the closed splineway and b) milling of the splineway opened on one side. The investigations were performed with material hardened up to HRC. In both cases, the characteristics of the wear on the edges and the front of the milling cutter. In the paper, the graphs of the wear of milling cutters blades made out of sintered carbids covered with TiN and TiAlCN, as well as without coating are presented. Key words: splineway, slotting mill, cutting edge wear dr inż. Michał WIECZOROWSKI Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061) , michal.wieczorowski@put.poznan.pl mgr inż. Anna MATUSIAK-SZARANIEC Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061) , anna@szaraniec.org prof. dr inż. dr h.c. Kazimierz WIECZOROWSKI Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061)