Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym Piotr CAŁUSIŃSKI Częstochowa ZESPÓŁ WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW MAJĄCY KLUCZOWE ZNACZENIE DLA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO OBRÓBKI MECHANICZNEJ Article presents new method of increase of production capacity at processing of element of steel construction method machining cut. It presents possible solutions of the production parameters of cut. WPROWADZENIE Dla zapewnienia odpowiednich warunków obróbki mechanicznej elementów konstrukcji metalowych metodą wiórową konieczne jest ustabilizowanie procesu dla zapewnienia optymalnych warunków prowadzenia prac technologicznych. Ważne więc jest określenie wymaganych parametrów obróbczych, tj. między innymi prędkości skrawania, posuwu narzędzia, głębokości warstwy usuwanej. Parametry te, jak wiadomo, mają znaczący wpływ na produktywność danego procesu. Dlatego wciąż prowadzone są badania dotyczące określenia zakresu optymalnych parametrów w celu uzyskania jak największej produktywności. Producenci narzędzi skrawających dla każdego swojego nowego produktu przeprowadzają szereg badań służących określeniu zasadności ekonomiczno-technologicznej wprowadzenia nowego rozwiązania. W zakresie prowadzonych badań ustala się również zalecane parametry pracy tychże narzędzi w zależności od grup materiałowych. Dodatkowo opracowywane są tabele i programy doboru parametrów obróbczych w celu zoptymalizowania procesu technologicznego obróbki mechanicznej. Ale pomimo tych prac ustalenie odpowiednich wartości dla danego procesu technologicznego wymaga doświadczenia i wyczucia technologii. Okazuje się, iż pomimo obróbki na obrabiarce tego samego gatunku materiału z wykorzystaniem tych samych narzędzi proces wymaga korekt. W dużej mierze jest to spowodowane zespołem czynników związanych z materiałem obrabianym i obrabiającym, zwanych skrawalnością. 1. DEFINICJA POJĘCIA SKRAWALNOŚĆ Ogólnie i jakościowo skrawalnością nazywamy podatność materiału w danych warunkach obróbki na zmiany objętości, kształtu i wymiarów przez zeskrawanie określonej warstwy materiału [1]. Skrawalnością zatem nazywa się zdolność
46 P. Całusiński kształtowania materiału wsadowego na drodze obróbki wiórowej przy zastosowaniu odpowiednich procesów technologicznych. Skrawalność zależy od wielu czynników: własności materiału obrabianego, własności ostrza obrabiającego materiał, technologii i parametrów obróbki (rys. 1). Rys. 1. Czynniki wpływające na skrawalność [2] 2. SKRAWALNOŚĆ JAKO CECHA OPISUJĄCA MATERIAŁ I KRYTERIA OCENY Na skrawalność materiału ma wpływ między innymi struktura materiału oraz właściwości mechaniczne, takie jak: twardość, wytrzymałość, udarność itd. Najlepsza skrawalność występuje najczęściej w materiałach, odznaczających się gorszymi własnościami mechanicznymi. Materiały wykazujące dobrą skrawalność charakteryzują się niską wytrzymałością na rozciąganie oraz dużą kruchością. Rys. 2. Czynniki wpływające na proces obróbki wiórowej [4]
Zespół własności materiałów mający kluczowe znaczenie dla procesu technologicznego 47 Kryteriów oceny skrawalności jest bardzo wiele i zalicza się do nich np.: opór skrawania, trwałość ostrza, gładkość obrabianej powierzchni, postać wióra po obróbce itd. Lecz najczęściej głównym kryterium oceny skrawalności danego materiału jest trwałość ostrza skrawającego narzędzia określona jako funkcja prędkości skrawania przy ustalonych parametrach skrawania. W praktyce firmy produkcyjne według swoich potrzeb i możliwości określają własne kryteria, których osiągnięcie jest wymagane dla wykonywanych elementów konstrukcyjnych. Podział kryteriów skrawalności jest więc umowny. O wyniku procesu technologicznego decyduje szereg czynników, powstających z wzajemnego oddziaływania obrabianego przedmiotu, narzędzia i obrabiarki oraz procesu tworzenia wióra (rys. 2). 3. WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO STOPÓW ŻELAZA NA SKRAWALNOŚĆ Na skrawalność duży wpływ ma skład chemiczny materiału, dla stali w szczególności ilość węgla. Stale niestopowe - stale jakościowe o zawartości węgla C <0,8% są określane jako podeutektoidalne, a istotnymi składnikami struktury są perlit, czyli mieszanka ferrytu i cementytu, oraz ferryt. Perlit jest strukturą charakteryzującą się dużą twardością, zaś ferryt jest łatwo odkształcalny i posiada niewielką twardość. Przy skrawaniu ferryt stwarza duże trudności wskutek: dużej skłonności do sklejania się z narzędziem, tworzenia narostów na ostrzach, wytwarzania niepożądanych wiórów wstęgowych i skłębionych, złej jakości powierzchni, tworzenia zadziorów na obrabianych przedmiotach. Perlit natomiast powoduje przy skrawaniu trudności wynikające z: silnego zużycia ściernego narzędzia, dużych sił skrawania. Z doświadczeń wynika, iż optymalną skrawalność wykazują stopy węglowe o zawartości około 0,25% C. Oprócz węgla na własności stali mają duży wpływ również (omówione poniżej) pierwiastki stopowe: Chrom, wolfram i molibden poprawiają hartowność stali i tym samym wpływają, w przypadku stali do nawęglania i ulepszania cieplnego, na skrawalność przez zmianę struktury i wytrzymałości. W przypadku stali o wyższej zawartości węgla lub pierwiastków stopowych pierwiastki te tworzą szczególnie twarde i złożone węgliki stopowe, które mogą pogarszać skrawalność. Nikiel również wpływa na wytrzymałość stali i powoduje zwiększenie odporności na obciążenia dynamiczne. Generalnie prowadzi to do pogorszenia skrawalności, szczególnie w przypadku austenitycznych stali niklowych, zwłaszcza o wysokiej zawartości Ni. Krzem tworzy, np. w połączeniu z aluminium, twarde wtrącenia tlenków krzemu - krzemiany. Może to powodować zwiększone zużycie narzędzi. Dodatek fosforu do stopu powoduje powstawanie krótkich wiórów. Przy zawartościach do 0,1% fosfor wywiera korzystny wpływ na skrawalność. Przy zwiększonej zawartości P uzyskuje się lepszą jakość powierzchni, ale następuje zwiększone zużycie narzędzi.
48 P. Całusiński Tytan i wanad mogą już przy małej zawartości spowodować znaczny wzrost wytrzymałości. Ze względu na znaczne zmniejszenie ziarna następuje pogorszenie warunków w zakresie sił skrawania i tworzenia się wiórów. Siarka rozpuszcza się w żelazie tylko w niewielkim stopniu, jednak w zależności od składników stopu tworzy w stali stabilne siarczki. Siarczki manganu MnS są pożądane, ponieważ mają korzystny wpływ na skrawalność, zapewniają krótkie wióry, zmniejszają tworzenie się narostów na ostrzach, można uzyskać lepszą jakość powierzchni obrabianych przedmiotów. Mangan poprawia hartowność i zwiększa wytrzymałość stali. Ze względu na duże powinowactwo do siarki, mangan tworzy z siarką siarczki. Zawartość manganu do 1,5%, dzięki korzystnemu kształtowaniu się wiórów, polepsza skrawalność stali o niskiej zawartości węgla. Przy wyższej zawartości węgla wpływa jednak niekorzystnie na skrawalność, ze względu na większe zużycie narzędzi. Ołów posiada względnie niską temperaturę topnienia i występuje w żelazie w postaci wtrąceń submikroskopowych. Przy skrawaniu, pomiędzy narzędziem a materiałem obrabianego przedmiotu tworzy się ochronna warstwa ołowiu, co zmniejsza zużycie narzędzi i jednostkowe siły skrawania. Powstają krótkie wióry [4]. 4. SKRAWALNOŚĆ A STRUKTURA KRYSTALICZNA MATERIAŁU OBRABIANEGO Wpływ obróbki cieplnej na skrawalność jest wyjątkowo duży, gdyż w wyniku zmiany struktury krystalograficznej zmieniają się znacząco właściwości materiału. Przez odpowiednią obróbkę cieplną można w taki sposób wpływać na strukturę, aby oprócz zmiany właściwości mechanicznych można było również dostosować skrawalność do istniejących wymagań (tab. 1). Tabela 1. Skrawalność w zależności od obróbki cieplnej [4] Metoda obróbki cieplnej Wpływ na strukturę Skrawalność Wyżarzanie normalizujące Wyżarzanie przegrzewające (gruboziarniste) Wyżarzanie zmiękczające Hartowanie Równomierna i drobnoziarnista struktura uzyskana przez przekrystalizowanie Struktura gruboziarnista, ograniczenia wskutek pogorszenia właściwości wytrzymałościowych Perlit o dużej zawartości ferrytu i cementytu globularnego (miękki, łatwo odkształcalny) Martenzyt W zależności od zawartości węgla w stali (por. rozdział 2.1.2.1): ferryt - tworzenie niekorzystnych wiórów, niewielkie zużycie perlit - korzystniejsze tworzenie wiórów, większe zużycie Względnie małe zużycie narzędzi, dobre tworzenie wiórów, dobra jakość powierzchni Niewielkie zużycie narzędzi, pogorszenie kworzenia się wiórów wraz ze wzrostem zawartości ferrytu w strukturze Duże, ścierne zużycie narzędzi przy zastosowaniu konwencjonalnych materiałów na narzędzia skrawające, korzystne tworzenie wiórów
Zespół własności materiałów mający kluczowe znaczenie dla procesu technologicznego 49 5. METODY BADANIA I OCENA SKRAWALNOŚCI Skrawalność jako cecha materiału w obróbce jest istotna w procesie technologicznym i ma znaczenie dla produktywności tegoż procesu. Dlatego opracowano wiele metod określania skrawalności. Do najbardziej rozpowszechnionych i najczęściej stosowanych należy zaliczyć: metodę klasyczną badania zależności V = f(t), metodę przyspieszonego badania zależności V = f(t), metodę dwunarzędziową - pomiar temperatury, metodę toczenia poprzecznego - promieniowego, metodę oceny podobieństwa w oparciu o podstawowe badania procesu powstawania wióra, metodę powiercania wzdłużnego ze stałą siłą posuwową. Rys. 3. Przebieg zużywania się ostrza [3] Z wymienionych metod klasyczne badanie zależności V = f(t), czyli skrawalności, jest stosowane najczęściej. W metodzie tej przeprowadza się próby toczenia wzdłużnego i wyznacza zależności V = f(t). Badanie okresów trwałości ostrza może być dokonywane nawet w warunkach normalnej produkcji z zachowaniem systematyki badania dla danego narzędzia. Testy te prowadzi się przy założonym kryterium stępienia oraz ustalonych pozostałych warunkach obróbki. Dla prawidłowego przeprowadzenia testów należy przyjąć przynajmniej pięć różnych wartości szybkości skrawania z zastrzeżeniem, by wartości szybkości skrawania dobierać tak, aby najmniejszy okres trwałości ostrza wynosił co najmniej 10 minut. Okresy trwałości odpowiadające różnym szybkościom skrawania wyznacza się z wykresu charakteryzującego przebieg zużywania się ostrza. W celu otrzymania większej dokładności wyników, szczególnie przy skrawaniu ostrzami z węglików spiekanych, badanie przebiegów zużycia przeprowadza się dwukrotnie [3]. PODSUMOWANIE Podczas planowania, projektowania i wdrażania nowych wyrobów występuje zawsze sprzeczność interesów technologa, dla którego niskie wskaźniki wytrzyma-
50 P. Całusiński łościowe są udogodnieniem, pozwalającym na podwyższenie parametrów obróbki z jednoczesnym uzyskaniem jak największej produktywności, i projektant-odbiorca wymagający, aby wyrób finalny odznaczał się wysokimi parametrami użytkowymi. Dlatego pogodzenie obu stron wymaga określenia optymalnego rozwiązania umożliwiającego wybór materiału i technologii jego obróbki. Ze względu na to cały czas prowadzi się badania nad doskonaleniem procesów technologicznych oraz opracowuje się nowe materiały konstrukcyjne i narzędziowe. Badania te są kosztowne i czasochłonne, wymagają posiadania odpowiedniego zaplecza technicznego. Aby uniknąć tak wysokich kosztów, firmy produkcyjne w większości przypadków korzystają z danych opracowanych przez firmy narzędziowe, adaptując i modyfikując te informacje w celu optymalizacji technologii produkcji wykonywanej przez siebie. Firmy narzędziowe, opracowując dane o skrawalności, starają się w maksymalny sposób o ich upraszczanie dla szybszego wykorzystania w warunkach produkcyjnych. Wprowadzając coraz to nowe rozwiązania ich przekazywania użytkownikom, wykorzystują najnowsze osiągnięcia techniki. Opracowywane są komputerowe bazy danych, ułatwiające dobór odpowiednich narzędzi i parametrów obróbki tymi narzędziami. W ten prosty sposób, korzystając z już opracowanych danych, firmy mogą szybko znaleźć odpowiednie dla danego materiału narzędzie i określić niezbędne parametry technologiczne, zapewniające optymalną wartość dla parametrów skrawalności wybranego materiału. LITERATURA [1] Kaczmarek J., Podstawy obróbki wiórowej ściernej i erozyjnej, Wyd. 1, WNT, Warszawa 1970. [2] Dmochowski J., Obróbka skrawaniem. Poradnik inżyniera. [3] Obróbka skrawaniem i narzędzia skrawające, Praca zbiorowa pod red. W. Olszaka, K. Marchelki, Wyd. 1, Wyd. PS, Szczecin 1972. [4] Materiały firmy Pershmann.