Moment skrawania w procesie gwintowania PA6 a wybór medium obróbkowego DR HAB. INŻ. Ryszard Wójcik, PROF. PŁ, DR INŻ. Hieronim Korzeniewski,

Transkrypt

1 fot. Thikstock Momet skrawaia w procesie gwitowaia PA6 a wybór medium obróbkowego DR HAB. INŻ. Ryszard Wójcik, PROF. PŁ, DR INŻ. Hieroim Korzeiewski, INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ Wyzaczeie mometu obciążającego arzędzie do aciaia gwitu wewętrzego staowi podstawę do sprawdzeia jego wytrzymałości i wpływa a kostrukcję części skrawającej. Stopy metali lekkich, w których główym składikiem jest alumiium, zalazły szerokie zastosowaie w przemyśle loticzym i samochodowym (1, 2, 3). Stopy alumiium są bowiem kilkukrotie lżejsze od stali, zaś różice w wytrzymałości są iewielkie. Wyzaczeie mometu obciążającego arzędzie do aciaia gwitu wewętrzego staowi podstawę do sprawdzeia jego wytrzymałości i wpływa a kostrukcję części skrawającej. Spotykae w literaturze (4) wzory były wyzaczae doświadczalie lub częściowo oparte a rozważaiach teoretyczych, a częściowo a daych doświadczalych, które odoszą się do obróbki stali. Zależości ujmują wpływ wymiarów gwitu wewętrzego, liczbę ostrzy gwitowika i długości części skrawającej (5). Pozwoliło to a zauważeie rozbieżości w obliczeiach mometów skrawaia przy gwitowaiu otworów w stali, wyikających z dużej liczby zmieych. Niektóre z istotych czyików zostały we wzorach pomiięte lub ich wpływ był iedostateczie zbaday (4-7). Aalogicze rozbieżości w oceie mometu skrawaia dotyczą gwitowaia stopów alumiium. Dodatkowymi problemami przy gwitowaiu stopów alumiium (8) są adhezja materiału obrabiaego i arzędzia oraz iekorzysta postać wiórów (9). Jeżeli chcemy osiągąć pożąday skutek, który zapobiegie tworzeiu się arostu a ostrzu i zapewi efektywe skrawaie, ależy właściwie dobrać medium obróbkowe. Medium po- 80 S T Y C Z E Ń- L U T Y 2014

2 wio być dostosowae do właściwości stopu, parametrów obróbki oraz uwzględiać miimalizację kosztów i ochroę środowiska (10-12). Cel i waruki badań Celem badań był pomiar i porówaie mometów skrawaia przy gwitowaiu otworów w stopie alumiium gwitowikiem dla astępujących mediów chłodząco-smarujących: emulsja EMULGOL ES-12, mgła olejowa MQL BIOCUT 3000, powietrze pod ciśieiem 0,6 MPa, powietrze ochłodzoe do temperatury -20 C. Na uwagę zasługuje iformacja zawarta w pracy (10), że gwitowaie stopów alumiium a sucho jest praktyczie iemożliwe. Badaia przeprowadzoo a frezarce CNC firmy HASS MINI MILL sterowaej w 3 osiach. Na stole obrabiarki zaistalowao czteroskładowy siłomierz piezoelektryczy 9273 ze wzmaciaczem 5011 firmy Kistler. Komputer za pomocą karty przetworików aalogowo-cyfrowych umożliwia akwizycję daych pomiarowych z siłomierza. Emulsję olejową EMULGOL ES-12 podawao do strefy gwitowaia pełym strumieiem o przepływie 20 l/mi, (15% woda emulsja a bazie oleju mieralego z dodatkami uszlachetiającymi, podwyższającymi smarość). Smarowaie mgłą olejową z miimalym wydatkiem ok. 40 ml/godz. cieczy BIOCUT 3000 realizowao przy użyciu jedokaałowego urządzeia firmy MicroJet. Powietrze o ciśieiu 0,6 MPa było podawae do strefy skrawaia dodatkową dyszą po odfiltrowaiu wody zawartej w powietrzu, atomiast zmrożoe powietrze o temperaturze -20 C, po jego wstępym rozprężeiu, w specjalej turbiie. Procetowy skład chemiczy materiału obrabiaego PA6 był zgody z PN/H w postaci płaskowika o wymiarach zgodych z EN AW-1050 A. Gwitowaie otworów wykoao gwitowikiem maszyowym FANAR M8 ISO2/6H GAL C38 o /31,5 HSSE, zamocowaym w uchwycie osadzoym we wrzecioie obrabiarki. Zgodie z zaleceiami produceta arzędzi (13) przyjęto prędkość skrawaia przy gwitowaiu alumiium 10 m/mi. Metodyka badań Porówując własości stopów alumiium oraz stali iskowęglowej, ustaloo, że przy porówywalej wytrzymałości a rozciągaie iloraz modułów sprężystości osiąga wartość zbliżoą do 1/3, a iloraz współczyików przewodości cieplej wyosi około 3/1. Wartości powyższe mogą sugerować tedecję do adhezji stopów alumiium do materiału arzędzia i powstawaia alepka a ostrzach, przy jedoczesym dobrym odprowadzeiu ciepła przez stopy alumiium ze strefy skrawaia. Populara tedecja do prowadzeia obróbki skrawaiem a sucho i z miimalą ilością cieczy (14, 15), w kofrotacji z przywołaymi powyższej różicami we własościach wymieioych wyżej materiałów kostrukcyjych, asuęła astępującą hipotezę badawczą: maksymaly momet skrawaia przy gwitowaiu otworów o średicach < 10 mm w storeklama xovit.pl S T Y C Z E Ń- L U T Y

3 a) b) 5 6 c) Rys. 1. Staowisko do pomiaru mometu skrawaia przy gwitowaiu otworów: a) tor pomiarowy z akwizycją daych, b) widok a siłomierz oraz doprowadzeia medium w strefę skrawaia, c) gwitowik pach alumiium osiągać będzie iższe wartości w przypadku stosowaia medium o przewadze własości smarujących ad chłodzącymi. Na rys. 1 pokazao staowisko badawcze, a którym przeprowadzoo pomiary mometu skrawaia przy gwitowaiu otworów M8x1 w próbkach ze stopu PA6 dla wybraych rodzajów medium doprowadzaego do strefy skrawaia dyszą D1 lub D2 z dozowika MQL. Na stole frezarki CNC Mii Mill zajduje się siłomierz 1, a którym zamotowao imadło 2 do mocowaia próbek płaskich 3. W próbkach wywiercoo otwory pod gwit M8 wiertłem o średicy 6,8 mm. Następie dla każdego rodzaju medium acięto gwitowikiem 4 gwity w serii otworów. Do akwizycji wyików pomiarów mometu skrawaia użyto komputera. Podgląd sygału z siłomierza po wzmocieiu we wzmaciaczu 5 umożliwiał moitor 6. Gwitowaie wykoao przy prędkości obrotowej wrzecioa = 400 obr./mi. Aaliza wyików badań Przykładowe przebiegi zmia mometów skrawaia dla różych mediów chłodząco-smarujących pokazao a rys. 2. Maksymale wartości mometu porówywao po zagłębieiu się arzędzia w materiał a głębokość większą od długości akroju. Największe wartości osiągał momet skrawaia w przypadku stosowaia jako medium zmrożoego do temperatury -20 C powietrza, atomiast ajiższe przy stosowaiu EMULGO- LU ES-12. Ocey istotości wpływu użytego medium chłodząco-smarującego a wartość maksymalą mometu skrawaia dokoao a podstawie testu o rówości średich w dwóch aalizowaych populacjach ormalych. W porówywaych próbkach z populacji o rozkładzie ormalym z iezaymi parametrami wyzaczoo odpowiedio wartości średie oraz wariacje. Poieważ odchyleia średie są iezae, zatem przyjęto statystykę: V X Y 2 2 S 1 S 2 m gdzie: X, Y odpowiedio wartości średie maksymalego mometu skrawaia z próbek statystyczych o liczości oraz m porówywaych mediów chłodząco-smarujących, atomiast: S S i1 1 i 1 X i X 2 ; Y j Y 2 m gdzie: S 1, S 2 to odpowiedie estymatory dla iezaych odchyleń średich 1 i 2 aalizowaych próbek. Rozkład tej statystyki zależy od stosuku , ale moża obliczyć takie wartości krytycze V (c, v 1, v 2, a), gdzie: S 2 1 c S 2 1 S 2 2 m ; v = 1; v = m Aby w przybliżeiu była spełioa zależość P {V V (c, v 1, v 2, a)} = a, dla wartości c obliczoej z zależości (3) i przyjętego poziomu istotości wyzacza się wartości krytycze z odpowiediej tabeli (18). Obliczoe średie wartości mometów skrawaia oraz wariacji dla użytych w badaiach mediów chłodząco-smarujących zamieszczoo w tab. 2. Odosząc średie wartości mometów skrawaia do przypadku EMULGOL ES12 o przepływie 20 l/mi, ustaloo, że użycie powietrza ochłodzoego do -20 C wywołuje momet o 100% większy. Natomiast dla powietrza o ciśieiu 0,6 MPa wzrasta o 37%, zaś dla miimalej ilości BIOCUT ml/h z MQL przyrost mometu osiąga 33%. Dla zamieszczoych w tab. 2 wyików porówywaych ze sobą dwóch populacji o rozkładach ormalych dokoao ocey statystyczej, czy wyiki te przeczą hipotezie a poziomie istotości, że średie w obu populacjach są jedakowe. Hipoteza alter- 82 S T Y C Z E Ń- L U T Y 2014

4 Cu Mg M Si Fe Zr + Ti Z Cr INNE 3,50-4 0,40-1 0,40-1 0,2-0,8 Tab. 1. Skład chemiczy stopu alumiium POWIETRZE -20 C 0,7 EMULGOL ES-12 0,25 0,25 BIOCUT ,10 0,20 POWIETRZE 0,6 MPa Wartość średia 28,27 14,19 18,85 19,47 Wariacja 5,08 4,29 3,72 8,34 Liczość próbki Iloraz C 0,72 0,182 Wartość V k (=0,05) 1,71 1,73 Statystyka V 13,86 0,51 Tab. 2. Obliczoe wartości średie i wariacje dla użytych mediów chłodząco-smarujących atywa: średie w porówywaych ze sobą populacjach są róże. W przypadku ocey statystyczej a poziomie istotości = 0,05 porówywaych ze sobą wartości średich mometów skrawaia powstających przy aciaiu gwitów M8 w stopie alumiium M8 dla mediów: EMULGOL ES-12 o przepływie 20 l/mi lub powietrza o temperaturze -20 C, zaobserwowaa wartość statystyki V =13,86 > V k =1,71, zatem obowiązuje hipoteza alteratywa średie w porówywalych ze sobą populacjach są róże; EMULGOL ES-12 o przepływie 20 l/mi lub BIOCUT 3000 przy dawkowaiu z MQL 40 ml/godz. zaobserwowaa wartość statystyki V = 4,66 > V k =1,69, zatem średie w porówywalych ze sobą populacjach są róże; BIOCUT 3000 przy dawkowaiu z MQL 40 ml/godz. lub powietrza pod ciśieiem 0,6 MPa zaobserwowaa wartość statystyki V =0,51 < V k =1,73, zatem obowiązuje hipoteza, że średie w obu populacjach ormalych są jedakowe. Aalizując wykresy z rys. 1, moża zauważyć, że dla każdego z mediów chłodząco-smarujących występują zmiay mometu skrawaia wraz ze wzrostem liczby aciętych zwojów. Zmiay amplitud mometu skrawającego przy gwitowaiu M8 pokazao a rys. 2. Praktyczie bicie gwitowika wywołuje zmiay cyklicze mometu skrawaia przy aciaiu gwitu M8 w stopie alumiium PA6. Proporcjoaly przyrost amplitudy mometu skrawaia przy zagłębiaiu się gwitowika w materiał obrabiay jest prawdopodobie zakłócoy przez iejedorodość przerobioego plastyczie stopu, który ie był podday obróbce termiczej przed badaiami (rys. 2). Przypuszcza się, że a przyrost amplitudy mometu wpływa jedyie bicie promieiowe gwitowika podczas obróbki, zaś iezależe od użytego medium chłodząco-smarującego. reklama S T Y C Z E Ń- L U T Y

5 Wioski Wioski z przeprowadzoego badaia moża przedstawić w kilku puktach: 1. Maksymaly momet skrawaia przy gwitowaiu otworów o średicach < 10 mm w stopach alumiium osiąga iższe wartości w przypadku stosowaia medium o przewadze własości smarujących ad chłodzącymi. 2. Momet skrawaia przy aciaiu gwitów wewętrzych M8 osiągał ajiższe wartości w przypadku użycia jako medium chłodząco-smarujące EMULGOL ES12 przy przepływie około 20 l/mi oraz ajwyższe dla powietrza ochłodzoego do temperatury -20 C. 3. W przypadku użycia jako medium powietrza sprężoego do ciśieia 0,6 MPa lub miimalej ilości cieczy BIOCUT w ilości 40 ml/godz. praktyczie ie występują zaczące różice w wartościach mometu skrawaia przy aciaiu gwitu M8 w stopie alumiium PA6. 4. Zauważoo cyklicze zmiay mometu skrawaia wywołae przede wszystkim biciem promieiowym arzędzia, które ie zależą od użytego medium chłodząco-smarującego. 5. Proporcjoaly przyrost amplitudy zmia mometu skrawającego związay jest z liczbą zwojów aciętego gwitu i zakłócay jest prawdopodobie iejedorodością przerobioego plastyczie stopu alumiium PA6. 6. Ustaleie zależości mometu skrawaia przy gwitowaiu dla iych stopów alumiium i dostępych a ryku mediów chłodząco-smarujących (16, 17) oraz ustaleia optymalej ilości cieczy dla systemu MQL wymaga dodatkowych badań. 7. Nie zaleca się stosowaia dla stopów alumiium powietrza ochłodzoego do -20 C przy aciaiu gwitów wewętrzych gwitowikami, gdyż astępuje zaciskaie się materiału obrabiaego a arzędziu a skutek występujących różic we współczyikach rozszerzalości cieplej przedmiotu i arzędzia. Powietrze ochodzoe -20 C MQL - BIOCUT 40 ml/h EMULGOL ES12-20 l/mi powietrze o ciieiu 0,6 MPa Rys. 2. Przebiegi zmieości mometu skrawaia przy gwitowaiu otworów M8 dla użytych mediów Powietrze ochodzoe -20 C MQL - BIOCUT 40 ml/h EMULGOL ES12-20 l/mi powietrze o ciieiu 0,6 MPa Rys. 3. Zmiay amplitud mometu skrawaia dla użytego medium przy gwitowaiu M8 w stopach PA6 Piśmieictwo 1. Liker U., Deiters M.: Quasi-Trockebearbeitug vo Alumiiumbauteile. Maschie Markt, 1996, r 43, s Schmidt J., Dyck M.: Mit Wissestrasfer die Fertigug Trockelege. Werkstatt ud Betrieb, 2003, r 1/2, s Kawaka W.: Wirtschaftliche Betrachtug der Trokkezerspaug. VDI-Z, 1997, r 11/12, s Białek M., Kupść O.: Gwitowiki i gwitowaie. WNT, Warszawa Kustetter S.: Narzędzia skrawające do metali. WNT, Warszawa Grzesik W.: Podstawy skrawaia materiałów metalowych. WNT, Warszawa Cichosz P.: Narzędzia skrawające. WNT, Warszawa Skrawaie alumiium. Maszyy, Techologie, Materiały Techika Zagraicza, 2008, r 6, s Schulz H., Kalhofer E.: Alumiium-Ketlegieruge trocke bearbeite. Werkstatt ud Betrieb, 1996, r 7/8, s Hofer H., Hampp T., Kaufeld M.: Alumiium-Ketlegieruge trocke oder bei MMS zerspae. Werkstatt ud Betrieb, 1998, r 3, s , Heie H.J.: Dry machiig a promisig optio. America Machie, 1997, r 8, s. 92, Itoigawa F. i i.: Effect ad mechaisms i miimal quatity lubricatio machiig of a alumium alloy. Wear, 2006, r 3, s Narzędzia do gwitów. Katalog wyrobów firmy FANAR SA, Wydaie 2/ Oczoś K.E.: Postęp w obróbce skrawaiem II. Obróbka a sucho i ze zmiimalizowaym smarowaiem. Mechaik, 1998, r 5/6, s Kult Miimalmegekühlschmierug? Nome est ome. Maschie ud Werkzug, 2001, r 10, s Suda i i.: A sythetic ester as a optimal cuttig fluid for miimal quatity lubricatio machiig. Aals of the CIRP, 2002 r 1, s Karpińska-Pawlak E.: Miimale smarowaie w procesach obróbki skrawaiem. Tematycze zestawieie dokumetacyje r. IOS, Kraków Zieliński R., Zieliński W.: Podręcze tablice statystycze. WNT, Warszawa S T Y C Z E Ń- L U T Y 2014