K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 ZBIGNIEW NOWAKOWSKI *, KRZYSZTOF LIMAK ** PORÓWNANIE W A CIWO CI STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH NARZ DZIA JEDNOSTOPNIOWEGO I NARZ DZIA ZESPOLONEGO W artykule podj to prób porównania narz dzi jednostopniowego i zespolonego (modu owego) pod wzgl dem ich w a ciwo ci fizycznych (sztywno statyczna, t umienie drga ), a tak e chropowato ci powierzchni po obróbce tymi narz dziami. Badania prowadzono, tocz c w szerokim zakresie g boko ci skrawania stal 55 w stanie mi kkim z u yciem standardowego sk adanego no a tokarskiego oraz no a z adapterem systemu BTS. S owa kluczowe: skrawanie, system narz dziowy, narz dzie zespolone, sztywno, t umienie 1. WPROWADZENIE Jedn z wa niejszych tendencji w obróbce skrawaniem jest d enie do coraz lepszego wykorzystania narz dzi skrawaj cych [6]. Aby zredukowa czas przestoju obrabiarki, zapewni jej najwi ksz wydajno i pe ne wykorzystanie, stosuje si szybkowymienne modu owe systemy narz dziowe, uwa ane obecnie za podstawowe wyposa enie tokarek z g owicami rewolwerowymi. Czasoch onna wymiana p ytek skrawaj cych bezpo rednio na obrabiarce jest zast powana bardzo szybk wymian narz dzi systemu, co skraca czas wymiany narz dzia. Czas przestoju maszyny zostaje zredukowany równie dlatego, e pomiar narz dzia systemu odbywa si poza obrabiark [14]. Podstawowa zasada konstrukcji tokarskich systemów narz dziowych jest oparta na koncepcji rozdzielenia cz ci skrawaj cej od chwytowej. Narz dzie modu owe (inaczej zespolone) w systemie tokarskim sk ada si z lekkiego i szybkowymiennego narz dzia systemu oraz adaptera zamocowanego bezpo rednio w g owicy rewolwerowej b d imaku. Narz dzie systemu czy si z adapterem za pomoc charakterystycznego dla danego systemu z cza. Ze wzgl du na to, e obecnie narz dzia systemu mierzone s poza obrabiark, od z czy systemu wymaga si du ej powta- * Dr in. ** Mgr in. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Pozna skiej.
144 Z. Nowakowski, K. limak rzalno ci przemocowa i sztywno ci (zarówno statycznej, jak i dynamicznej). St d g ównymi korzy ciami ekonomicznymi, które uzyskujemy, stosuj c modu owe systemy narz dziowe (w porównaniu z narz dziami konwencjonalnymi), s : korzystniejsze zarz dzanie gospodark narz dziow, redukcja przestojów maszyn oraz wi ksza produktywno. W chwili obecnej na rynku narz dziowym istnieje ponad pi dziesi t rozwi za konstrukcyjnych z czy systemowych [14], a w literaturze mo na znale prace opisuj ce po czenia narz dzi modu owych (ich w a ciwo ci fizyczne i cechy eksploatacyjne) [1 3, 6 14]. 2. CEL, ZAKRES I METODYKA BADA Celem bada by o okre lenie wp ywu po cze stykowych z cza wybranego narz dzia modu owego na jego w a ciwo ci fizyczne oraz efekty technologiczne obróbki. W tym celu porównano dwa narz dzia: standardowy sk adany nó tokarski oraz nó systemu BTS wraz z odpowiednim adapterem. W badaniach toczono próbk wykonan ze stali 55 w stanie mi kkim, stosuj c dwa narz dzia tokarskie o tej samej geometrii: standardowy nó z p ytk skrawaj c (rys. 1a) oraz narz dzie modu owe (nó z adapterem systemu BTS) firmy Sandvik-Coromant (rys. 1b). Na rysunku 2 przedstawiono z cze systemu BTS. Ze wzgl du na budow adaptera BTS przyj to wysi g dla obu narz dzi l = 47 mm. Przekrój poprzeczny korpusu obu narz dzi wynosi 25 32 mm. a) b) Rys. 1. Stanowisko i narz dzia wykorzystane w badaniach: a) sk adany nó tokarski, b) narz dzie modu owe (adapter i nó systemu BTS) Fig. 1. Stand and tools used in research: a) indexable insert turning tool, b) modular tool (adapter and tool of BTS system) Badania wykonano na tokarce TUR560E. Podczas toczenia stosowano p ytki skrawaj ce CNMG 120408 z w glika spiekanego NC 3020 (firmy Korloy) po-
Porównanie w a ciwo ci statycznych i dynamicznych narz dzia 145 Narz dzie systemu BTS Adapter Rys. 2. Z cze systemu narz dziowego BTS Fig. 2. Coupling of BTS tooling system wlekanego TiCN-TiC-Al 2 O 3. Badania prowadzono przy sta ej pr dko ci skrawania v c = 202 m/min i sta ym posuwie f = 0,105 mm/obr. G boko skrawania a p zmieniano w zakresie 0,2 1,6 mm. Parametry struktury geometrycznej powierzchni (SGP) mierzono bezpo rednio na obrabiarce za pomoc profilografometru Hommel Tester T500 wspó pracuj cego z systemem TurboData Win. Dla ka dej powierzchni wykonano sze pomiarów w ró nych miejscach na obwodzie toczonej próbki. Pomiar prowadzono na odcinku pomiarowym l n = 4,8 mm i odcinku elementarnym l r = l w = 0,8 mm. Za wska niki oceny chropowato ci powierzchni przyj to parametry: Ra, Rz, RSm (wed ug PN-EN ISO 4287). Rozproszenie wyników pomiarów przedstawiono, podaj c 95-procentowy przedzia ufno ci. a) b) Rys. 3. Pomiar sztywno ci narz dzi: a) w kierunku Z, b) w kierunku Y Fig. 3. Tools stiffness measurement: a) in Z direction, b) in Y direction Do zadawania obci enia podczas badania sztywno ci narz dzi u yto tensometrycznego si omierza K1505 firmy Megatron wspó pracuj cego z cyfrowym mostkiem tensometrycznym LMT-2K. Warto ci obci enia mie ci y si w zakresie od 0 do 1300 N. Narz dzia obci ano w kierunku Z (F f ) oraz Y (F c ) (uk ad przyj ty zgodnie z norm PN-92/M01002/04). Sztywno w kierunku Z mierzono na tokarce TUR560E (rys. 3a), a w kierunku Y na frezarce wspornikowej FND-32F firmy AVIA (rys. 3b). W celu wyeliminowania wp ywu przesuni k towych imaka przy obci aniu narz dzia czujnik inkrementalny zamocowano bezpo rednio na imaku no owym (rys. 3a). Odkszta cenie narz dzia mierzono za pomoc inkrementalnego czujnika MT12B firmy Heidenhain. Dla ka dego narz dzia wykonano pi powtórze pomiarów.
146 Z. Nowakowski, K. limak Cz stotliwo drga w asnych oraz t umienie narz dzi badano z u yciem m otka udarowego firmy Brüel&Kjaer typ 8206-002 pod czonego do wzmacniacza Endevco typ 4416B. Odpowied narz dzia na wymuszenie impulsowe rejestrowano za pomoc jednosk adowego piezoelektrycznego czujnika drga 4508C firmy Brüel&Kjaer pod- czonego do wzmacniacza Nexus 2692/OS4 tej e firmy. Sygna y ze wzmacniaczy poddano dyskretyzacji, a nast pnie obróbce za pomoc systemu Matlab. 3. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Jednym z wielu czynników maj cych istotny wp yw na kszta towanie mikronierówno ci powierzchni obrobionej oraz amplitud drga w trakcie obróbki jest sztywno statyczna uk adu OUPN, w którym istotn rol odgrywa narz dzie i jego po czenie z odpowiednimi elementami obrabiarki. St d w badaniach wyznaczono charakterystyki statyczne porównywanych narz dzi, odpowiednio, w kierunku Y i Z. Na rysunku 4a i b przedstawiono charakterystyki ugi cia w funkcji obci enia y = = f(f) dla standardowego sk adanego no a tokarskiego (jednostopniowego) i narz dzia modu owego. Dla obu badanych narz dzi najwi ksze przemieszczenie uzyskano w kierunku Z, w którym szeroko korpusu narz dzia jest o 7 mm wi ksza (32 mm) od jego wysoko ci (25 mm). Bior c to pod uwag, mo na stwierdzi, e decyduj cy wp yw na warto ugi cia narz dzia ma liczba i rodzaj po cze stykowych w uk adzie narz dzie uchwyt. Mniejszy wp yw maj przekrój poprzeczny i osiowy moment bezw adno ci pola przekroju I z korpusu narz dzia w badanym kierunku. a) b) 70 y z = 0,048 F 60 R 2 = 0,9887 60 50 y y = 0,0278 F R 2 = 0,9993 Ugi cie yi [ m] 50 40 30 20 y y = 0,0227 F R 2 = 0,993 Ugi cie yi [ m] 40 30 20 y z = 0,0346 F R 2 = 0,9922 10 Kierunek Y Kierunek Z 0 0 500 1000 1500 Obci enie F [N] 10 Kierunek Y Kierunek Z 0 0 500 1000 1500 Obci enie F [N] Rys. 4. Charakterystyki ugi cia narz dzi w funkcji obci enia przy o onego w kierunkach Y i Z: a) narz dzie modu owe, b) narz dzie jednostopniowe Fig. 4. Characteristic of tools deflection in function of load applicated in Y and Z directions: a) modular tool, b) conventional tool
Porównanie w a ciwo ci statycznych i dynamicznych narz dzia 147 Na rysunku 5 porównano sztywno statyczn narz dzi jednostopniowego i modu owego w kierunkach Y i Z. Przekrój poprzeczny korpusów no y, jak równie sposób i si a po czenia z imakiem tokarki by y identyczne dla obu badanych narz dzi. St d ró nice w sztywno ci badanych narz dzi wynikaj g ównie z wyst puj cego w narz dziu modu owym z cza (dodatkowych po cze stykowych). W kierunku Y wi ksz sztywno wykazuje narz dzie modu owe, natomiast w kierunku Z narz dzie jednostopniowe (rys. 5). Relacja ta wynika z niesymetrycznej konstrukcji z cza BTS. Wi ksz sztywno z cza BTS w kierunku Y uzyskano dzi ki zastosowaniu dwóch dodatkowych powierzchni oporowych. Poziome usytuowanie tych powierzchni wp ywa na zwi kszenie sztywno ci tylko w kierunku Y. Za o enie takie jest logiczne, gdy z regu y wi ksze obci enie no a wyst puje w a nie w tym kierunku. Nasuwa si przy tym wniosek, e przy odpowiedniej konstrukcji z cza mo liwe jest uzyskanie wi kszej sztywno ci narz dzia modu owego w porównaniu z narz dziem jednostopniowym. Sztywno jy, jz [N/ m] 60 50 40 30 20 10 Narz dzie modu owe Narz dzie jednostopniowe Wysi g narz dzia l = 47 mm 0 Kierunek Y Kierunek Z Rys. 5. Porównanie sztywno ci statycznej narz dzi jednostopniowego i modu owego w kierunkach Y i Z Fig. 5. Comparison of statical stiffness of conventional and modular tools in Y and Z direction Na rysunku 6 przedstawiono przebieg odpowiedzi narz dzi na wymuszenie impulsowe w funkcji czasu. Czas t umienia impulsu w narz dziu modu owym wynosi oko o 0,008 s (rys. 6b), natomiast w narz dziu jednostopniowym jest prawie trzykrotnie d u szy i wynosi oko o 0,023 s (rys. 6a). Z danych tych wynika, e narz dzie modu owe ma znacznie lepsze w a ciwo ci t umi ce ni narz dzie jednostopniowe. Wyniki te s zbie ne z doniesieniami literaturowymi [1 3, 9 11, 14] stwierdzono w nich korzystny wp yw po cze stykowych w narz dziach modu owych na w a ciwo ci t umi ce narz dzia.
148 Z. Nowakowski, K. limak a) b) Rys. 6. Odpowied na wymuszenie impulsowe w funkcji czasu: a) narz dzie jednostopniowe, b) narz dzie modu owe Fig. 6. Response to impulse input function in function of time: a) conventional tool, b) modular tool Z kolei na rysunku 7 przedstawiono przebieg odpowiedzi narz dzi na wymuszenie impulsowe w funkcji cz stotliwo ci. Cz stotliwo drga w asnych narz dzia jednostopniowego ( 2450 Hz) jest wy sza ni modu owego ( 1933 Hz). Wy sza cz stotliwo drga w asnych narz dzia wp ywa na jego mniejsz podatno na wymuszenie impulsowe. Na rysunku 8 przedstawiono wp yw g boko ci skrawania na warto redni parametru Ra chropowato ci powierzchni po toczeniu stali 55 narz dziami jednostopniowym i modu owym. Z analizy rednich warto ci parametru Ra wynika, e w badanym zakresie g boko ci skrawania chropowato powierzchni po toczeniu narz dziem modu owym jest mniejsza. Jednak na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, e na poziomie istotno ci = 0,05 nie ma znacz cych ró nic w chropowato ci powierzchni skrawanej badanymi narz dziami. Podobne rezultaty uzyskano, analizuj c parametr Rz chropowato ci powierzchni (rys. 9). W swoich badaniach Yeo i Rahman [14] stwierdzili, e w zakresie g boko ci skrawania a p = 0,6 1,4 mm chropowato Ra powierzchni jest o oko o 20 30% mniejsza po toczeniu narz dziem modu owym, co bezpo rednio koresponduje z wynikami t umienia uzyskanymi w badaniach w asnych (rys. 6), przy czym autorzy pracy [14] nie podaj adnej miary rozproszenia wyników pomiarów. Szukaj c przyczyn ró nic w chropowato ci powierzchni uzyskanej w badaniach w asnych i badaniach zamieszczonych w pracy [14], zauwa ono, e prowadzono je na
Porównanie w a ciwo ci statycznych i dynamicznych narz dzia 149 ró nych obrabiarkach. Prawdopodobnie ten czynnik mia decyduj cy wp yw na uzyskane wyniki chropowato ci. Mo na wi c stwierdzi, e o efektach technologicznych procesu skrawania (np. o chropowato ci powierzchni) decyduj nie tylko w a ciwo ci statyczne i dynamiczne narz dzia, lecz tak e ca ego uk adu OUPN. a) f=2450 Hz b) f=1933 Hz Rys. 7. Odpowied na wymuszenie impulsowe w funkcji cz stotliwo ci: a) narz dzie jednostopniowe, b) narz dzie modu owe Fig. 7. Response to impulse input function in function of frequency: a) conventional tool, b) modular tool Parametr chropowato ci Ra [ m] 2,00 1,50 1,00 Narz dzie modu owe Narz dzie jednostopniowe G boko skrawania a p [mm] I - przedzia ufno ci Materia obrabiany: stal 55 (stan mi kki) 0,50 Parametry skrawania: Materia ostrza: f = 0,105 mm/obr w glik spiekany NC3020 v c = 202 m/min z pow ok TiCN-TiC-Al 2 O 3 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Rys. 8. Wp yw g boko ci skrawania na parametr Ra chropowato ci powierzchni Fig. 8. Depth of cut influence on Ra parameter of surface roughness
150 Z. Nowakowski, K. limak 8,00 Parametr chropowato ci Rz [ m] 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Materia obrabiany: stal 55 (stan mi kki) Materia ostrza: w glik spiekany NC3020 z pow ok TiCN-TiC-Al 2 O 3 Parametry skrawania: f = 0,105 mm/obr v c = 202 m/min 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 G boko skrawania a p [mm] I - przedzia ufno ci Narz dzie modu owe Narz dzie jednostopniowe Rys. 9. Wp yw g boko ci skrawania na parametr Rz chropowato ci powierzchni Fig. 9. Depth of cut influence on Rz parameter of surface roughness 4. PODSUMOWANIE Na podstawie bada w asnych i analizy literatury sformu owano nast puj ce wnioski ko cowe: 1) mo liwe jest zaprojektowanie narz dzia modu owego (odpowiedniego z cza), którego sztywno b dzie wi ksza ni sztywno narz dzia jednostopniowego, 2) niesymetryczna konstrukcja z cza BTS pozwala uzyska wi ksz sztywno narz dzia w kierunku z regu y wi kszego obci enia narz dzia, 3) wypadkowe przemieszczenie ostrza w funkcji obci enia narz dzia wynika w wi kszym stopniu z mikroprzemieszcze na po czeniach stykowych ni z momentu bezw adno ci pola przekroju I z w danym kierunku, 4) powierzchnie stykowe z cza narz dzia modu owego wp ywaj bardzo korzystnie na jego w a ciwo ci t umi ce, 5) na chropowato powierzchni w procesie skrawania wp ywaj nie tylko w a ciwo ci statyczne i dynamiczne narz dzia, lecz tak e ca ego uk adu OUPN. LITERATURA [1] Agapiou J., Rivin E. I., Xie C., Toolholder/spindle interfaces for CNC machine tools, Annals of the CIRP, 1995, vol. 44/1, s. 383 386. [2] Hijink J. A. W., Wolf A. C. H., Measurements on the dynamic behavior of modular milling tools, Annals of The CIRP, 1992, vol. 41/1, s. 113 116. [3] Ito Y., Tsutsumi M., Determination of mathematical models in structural analysis of machine tools 2nd report: determination of mathematical models for normal static stiffness of joints, Bulletin of the JSME, 1981, vol. 24, no. 198, s. 2234 2239.
Porównanie w a ciwo ci statycznych i dynamicznych narz dzia 151 [4] Kawalec M., Chajda J., Wyznaczanie sztywno ci statycznej tokarki i jej g ównych elementów, Mechanik, 1967, nr 5, s. 253 255. [5] Kawalec M., Jankowiak M., Twardowski P., Wp yw sztywno ci statycznej i stanu dynamicznego obrabiarek na proces kszta towania mikronierówno ci powierzchni obrobionej podczas toczenia dok adnego, w: Materia y Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo- -Technicznej Jako w budowie obrabiarek i technologii maszyn, Kraków 1995, s. 5 10. [6] Lyle. C. L., A quick-change tooling concept for turning, SME Technical Paper no. MR87- -432, 1987. [7] Mauri E., Endo H., Hashimoto M., Kato S., Tsuji A., Joining characteristics of a tapered coupling joint, JSME International Journal, Series C, 1997, vol. 40, no. 4, s. 759 767. [8] Nowakowski Z., limak K., Kroczak P., Do wiadczalne podstawy efektywnego stosowania nowoczesnych materia ów i narz dzi w obróbce skrawaniem. Zadanie 3: Wybrane w a ciwo- ci fizyczne narz dzi jednolitych i modu owych oraz efekty technologiczne w procesie toczenia, Materia y z bada statutowych 22-491/08/DS (praca niepublikowana). [9] Rivin E. I., Tooling structure: Interface between cutting edge and machine tool, Annals of the CIRP, 2000, vol. 49/2, s. 591 634. [10] Rivin E. I., Trends in tooling for CNC machine tools: machine system stiffness, Stiffness and damping in mechanical design, CRC Press, Taylor & Francis Group 1991 (reprinted from ASME Manufacturing Review, vol. 4, 1991). [11] Stephenson D. A., Agapiou J. S., Metal cutting theory and practice second edition, CRC Press, Taylor & Francis Group 2006. [12] Tsutsumi M., Ohya M., Aoyama T., Shimuzu S., Hachiga S., Deformation and interface distribution of 1/10 tapered joints AT high rotation speed, International Journal of Japan Society for Precision Engineering, 1996, vol. 30, no. 1, s. 23 28. [13] Wang J. H., Horng S. B., Investigation of toolholder system with a taper angle 7:24, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1994, vol. 34, no. 8, s. 1163 1176. [14] Yeo S. H., Rahman M., Performance evaluation of shank-type tooling and modular tooling for lathes, Journal of Materials Processing Technology, 1996, vol. 62, s. 355 340. Praca wp yn a do Redakcji: 16.03.2009 Recenzent: dr hab. in. Grzegorz Szwengier COMPARISON OF STATICAL AND DYNAMICAL PROPERTIES OF SINGLE-STAGE AND MODULAR TOOLS S u m m a r y In this work there was made an attempt of comparison of single-stage and modular tools in relation to their physical properties (statical stiffness, damping) as well as roughness after machining. Research were carried out in the wide range of depth of cut for steel 55 turned in soft condition with using of conventional indexable insert turning tool and tool with adapter of BTS system. Key words: machining, tooling system, modular tool, stiffness, damping