6. BADANIE TRWAŁOŚCI NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH 6.1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się studentów z metodami badań trwałości narzędzi skrawających. Uwaga: W opracowaniu sprawozdania wykorzystywane będą wyniki pomiarów z ćwiczenia 5. Studenci zobowiązani są do posiadania tych wyników podczas wykonywania niniejszego ćwiczenia. 6.2 Wprowadzenie Różnorodność warunków obróbki (materiał obrabiany i narzędziowy, parametry kinematyczne, zastosowana ciecz obróbkowa, geometria narzędzia, itp.) powoduje, że ekonomicznie nieuzasadnione jest badanie trwałości narzędzia dla każdych konkretnych parametrów obróbki (np. w celu doboru najlepszego w tych warunkach materiału narzędziowego). Celowe więc jest badanie wskaźnikowe (tańsze) dla wyznaczenia stałych i wykładników do wzorów statystyczno-empirycznych, które dają przybliżone wyniki. Procesy zużycia omówione szczegółowo w ćwiczeniu 5 prowadzą do utraty zdolności skrawnych ostrza. Aby określić moment utraty zdolności skrawnych należy określić kryterium stępienia ostrza. Przez kryterium stępienia ostrza rozumie się ogólne cechy lub zaistniałe w procesie skrawania zmiany wyrażone wskaźnikami stępienia. Wyróżnia się trzy grupy kryteriów zużycia: - fizykalne - wg których narzędzie uważa się za stępione, gdy wchodzi w zakres trzeciej, przyśpieszonej fazy zużycia (rys. 5.4),
6. Badanie trwałości narzędzi skrawających 65 - 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), - ekonomiczne - zakładające, że należy dopuszczać taką wielkość zużycia aby osiągnąć np. najmniejsze koszty w całym okresie żywotności narzędzia. Aby umożliwić dokładne porównywanie różnych materiałów narzędziowych oraz określić zależność trwałości ostrza od warunków skrawania, należy prowadzić próby w ściśle określonych, powtarzalnych warunkach obróbki, sprecyzowanych w PN-83/M-58350. Norma ta określa zarówno metodykę badań, zalecane warunki obróbki (patrz tab. 5.2, ćwiczenie 5) jak i wskaźniki stępienia (tab. 6.1), przy pomocy których wyrażana jest wielkość zużycia ostrza, określona jako kryterialna w próbach porównawczych. Tabela 6.1. Wskaźniki stępienia wg PN Wskaźniki stępienia Materiał ostrza VB B VB B max VB N KT KT KM KE 3) R a 3) Inne Stal szybkotnąca Węgliki spiekane 0,3 0,6 1) Na osnowie tlenków glinu mm mm mm mm - mm m 1,0 (0.06 nie ustala się 0,3)f 2 ) 0,1 0,4IT nie ustala się 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5 zużycie katastroficzne gwałtowne pogorszenie jakości powierzchni obrobionej 4 ), zużycie katastroficzne 5) zużycie katastroficzne 5) 1 Uprzywilejowany wskaźnik stępienia, stosowany przy nierównomiernym zużyciu powierzchni przyłożenia w przypadku, gdy dominuje nad innymi wskaźnikami. 2 Przy posuwach wzorcowych f = 0,25; 0,4; 0,63 mm/obr można przyjąć KT równe odpowiednio 0.14; 0,18; 0,25 mm. 3 Przede wszystkim przy toczeniu bardzo dokładnym. 4 Przy wysokiej temperaturze ostrza, wywołanej dużymi posuwami i szybkością skrawania, gdy gwałtowne pogorszenie jakości powierzchni (wzrost chropowatości) następuje wcześniej niż osiągnięte zostaną wartości określone innymi wskaźnikami stępienia. 5 W ciężkich warunkach skrawania.
66 Laboratorium Obróbki Skrawaniem Do uprzywilejowanych wskaźników stępienia ostrza należy VB B = 0,3 mm i VB B max = 0,6 mm dla wszystkich materiałów ostrzy, zużycie katastroficzne dla stali szybkotnących i ceramiki oraz głębokość rowka KT dla węglików spiekanych. Wskaźniki stępienia ostrza przedstawione w tabl. 6.1 zostały przyjęte umownie dla celów porównawczych i nie muszą odpowiadać rzeczywistemu wskaźnikowi stępienia ostrza przyjętemu w warunkach produkcyjnych. Nie uwzględniają one np. różnic w dopuszczalnym zużyciu w zależności od rodzaju obróbki (zgrubna/wykańczająca), materiału obrabianego (większe dopuszczalne zużycie dla żeliwa niż dla stali), itd. 6.2.1 Znormalizowane próby trwałości narzędzi Próby trwałościowe wykonywane w warunkach porównywalnych prowadzi się między innymi w celu określenia zależności empirycznej, np. w postaci (wzór Taylora): T = C T s v c (6.1) gdzie: T - trwałość narzędzia C T - stała uwzględniająca wpływ pozostałych czynników, zależna głównie od materiału obrabianego s - wykładnik potęgowy charakterystyczny głównie dla materiału narzędziowego (36 dla węglików spiekanych, 810 dla stali szybkotnących, 1,53 dla spieków ceramicznych) v c - prędkość skrawania Trwałość narzędzia należy wyznaczyć na podstawie pomiarów wskaźników zużycia, przeprowadzonych tak często, aby na wykresie krzywej wskaźnik zużycia - czas skrawania występowało co najmniej 5 punktów pomiarowych dla każdej próby (rys. 6.1). Trwałość narzędzia wyznacza punkt przecięcia każdej z tych krzywych z linią poziomą, odpowiadającą wskaźnikowi stępienia. Opracowanie wyników pomiarów polega na: - naniesieniu na siatkę logarytmiczną punktów (log T i, log v ci ) wyznaczonych w badaniach (rys. 6.2), - wyznaczeniu współczynników zależności T = f (v c ); przyjmuje się, że postać tej funkcji jest opisana wzorem (6.1). W układzie podwójnie logarytmicznym T = f (v c ) jest linią prostą, której współczynniki można wyznaczyć np. metodą najmniejszych kwadratów.
Trwałość Wskaźnik zużycia 6. Badanie trwałości narzędzi skrawających 67 VB B Vc Vc 1 2 Vc 3 V c >V c >V >V 1 2 c 3 c 4 Vc 4 0,3 T 1 T 2 T 3 T 4 Czas skrawania t Rys. 6.1. Wyznaczanie trwałości narzędzia dla założonego wskaźnika stępienia log T log T = log C - s log v T c log C T log T i s = tg 1 log Vi log vc Prędkość skrawania Rys. 6.2. Zależność T = f (v c) - skala logarytmiczna
D Dst 68 Laboratorium Obróbki Skrawaniem 6.2.2 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. Metody te pozwalają na szybsze wyznaczenie zależności (6.1), przy dużo mniejszym zużyciu materiału obrabianego. Wyniki badań są niestety obarczone większym błędem niż w przypadku konwencjonalnej metody określania trwałości. Metoda toczenia promieniowego Poniżej opisano jedną z metod przyśpieszonych badań trwałości, tzw metodę toczenia promieniowego, której zasadę przedstawiono na rys. 6.3. Zakładając stałą prędkość ubytku masy materiału narzędzia w czasie skrawania, można napisać: dm = m T c dt (6.2) gdzie: m c - całkowita masa materiału narzędzia starta w czasie próby m c = T m T c 1 dt m dt (6.3) 0 T c 0 T fdo r T m c dt 1.4) 0 T Wstawiając równanie Taylora do równania (6.4) otrzymuje się: 1 C T T s v dt = 1 (6.5) 0 c Rys. 6.3. Badanie trwałości narzędzia metodą toczenia promieniowego. Prędkość skrawania w dowolnej chwili t, dla toczenia promieniowego, jest określona wzorem:
6. Badanie trwałości narzędzi skrawających 69 Stąd: v c = n D 0 + 2 f r n t 1000 dv c = 2 f r n2 1000 dt i dt = dv 2 1000 2 f r n Wstawiając (6.7) do (6.5) i zmieniając granice całkowania otrzymuje się: v 1000 1 st s 2 f r n 2 v c dv = 1 C T v 0 Całkując (6.8) otrzymuje się: s+1 s+1 2 f r n 2 C v cst - vc0 = T s + 1 1000 (6.6) (6.7) (6.8) (6.9) Zakładając, że v c 0 << v cst i s > 5 można przyjąć, że v s+1 c 0 jest pomijalnie małe i w związku z tym otrzymuje się: 2 f r s + 1 n 2 1 C s + 1 v T cst 1000 D Uwzględniając, że v st n cst i przekształcając (6.10) otrzymuje się: 1000 D st = 2 f r s + 1 C T 1000 s 1 s 1 1 - s s n s + 1 (6.10) (6.11) Zakładając, że dla danego materiału obrabianego i materiału narzędzia wartości s i C T są stałe oraz przyjmując, że f r będzie stałe we wszystkich próbach, równanie (6.11) można zapisać w postaci: gdzie: D st = A 1 A 1 = 2 f r s + 1 C T 1000 s 1 s 1 s B = 1- s s+1 n B (6.12)
70 Laboratorium Obróbki Skrawaniem Wykonując kilka pomiarów toczenia promieniowego dla różnych wartości n (pozostałe parametry skrawania stałe), można określić, metodą najmniejszych kwadratów, współczynniki A i B równania: lg D st = A + B lg n (6.13) gdzie: A = lg A 1 a na ich podstawie ustalić wartości C T i s. Dla dwóch prób można określić: 2 lg n 1 n2 s = lg D st1 n 1 1 D st2 n2 s+1 1000 v c C = st1 T 2 f n s +1 r 1 2 (6.14) (6.15) Należy jednak zwrócić uwagę, że wartość współczynników wyznaczonych na podstawie dwóch prób będą obarczone dużym błędem. 6.3 Przebieg ćwiczenia Zadanie 1 Określić zależność T = f (v c ) metodą toczenia wzdłużnego: przeprowadzić (w miarę potrzeb) próby trwałości, uzupełniające próby prowadzone w ćwiczeniu 5; należy zachować takie same wartości a p i f oraz inne warunki skrawania, natomiast dobrać prędkość skrawania tak aby nie pokrywała się z poprzednimi próbami; z uwagi na to, że próby wykonane w ćwiczeniu 5, zadanie 1, przeprowadzone zostały w warunkach znormalizowa-nych postępowanie to jest uzasadnione, wykorzystując wyniki przeprowadzonych pomiarów oraz wyniki pomiarów innych grup studenckich zarejestrowane w komputerze, określić parametry zależności T= f (v c ).
6. Badanie trwałości narzędzi skrawających 71.Zadanie 2 Określić zależność T = f (v c ) metodą toczenia promieniowego: przeprowadzić co najmniej dwie próby toczenia promieniowego z różnymi prędkościami obrotowymi wrzeciona z ustalonymi pozostałymi warunkami obróbki; próby należy prowadzić aż do katastroficznego zużycia narzędzia, pomierzyć średnice D st, przy których nastąpiło stępienie narzędzia, wyznaczyć zależność T = f (v c ). Aby przeprowadzić obliczenia z pomocą komputera należy uruchomić program c:\obrskr\cwicz6.exe i postępować wg instrukcji pojawiających się na ekranie.
72 Laboratorium Obróbki Skrawaniem INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN ZAKŁAD OBRÓBKI SKRAWANIEM I NARZĘDZI LABORATORIUM OBRÓBKI SKRAWANIEM ĆWICZENIE 6 BADANIE TRWAŁOŚCI NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH GRUPA NR: DATA: ODRABIAJĄCY ĆWICZENIE: PROWADZĄCY:... 1.... 5.... 2.... 6.... 3.... 7.... 4.... 8.... ZADANIE 1. WYZNACZANIE T=F(v c ) METODĄ TOCZENIA WZDŁUŻNEGO Wyniki pomiarów t Próba [min] 1 VB B [mm] 2 VB B [mm] 3 VB B [mm] 4 VB B [mm] 5 VB B [mm] VB B [mm] t[min]
6. Badanie trwałości narzędzi skrawających 73 100 50 T [min] 10 5 1 1 2 3 4 5 10 20 50 v c [m/min] ZADANIE 2. WYZNACZANIE T= f (v c ) METODĄ TOCZENIA PROMIENIOWEGO: Nr próby 1 2 3 Warunki badań Materiał obrabiany Materiał ostrza o [] [] r [] s [] r [] a p [mm] f r [mm/obr] n [obr/min] D st [mm] Wyniki pomiarów WYNIKI OBLICZEŃ: C T = s = WNIOSKI: