1. Klasyfikacja narzędzi. Mechanizmy zużycia i Wymagania stawiane narzędziom

1. Klasyfikacja narzędzi. Mechanizmy zużycia i Wymagania stawiane narzędziom

Rozwój materiałów narzędziowych Historia rozwoju narzędzi sięga czasów starożytnych Znaleziono je w piramidach egipskich mają ok.5 tys. lat Starożytni Grecy, Rzymianie, Fenicjanie, Asyryjczycy wyrabiali: młoty, kowadła, siekiery, pługi, sierpy, noże do obróbki bloków skalnych, Powolny rozwój narzędzi następował aż do XIX wieku

XIX wiek rozwój produkcji węglowych stali narzędziowych Ok. 1860 roku początek stosowania stopowych stali narzędziowych Do 1939 roku poprawę właściwości uzyskiwano przez zwiększanie ilości pierwiastków stopowych bez badań naukowych nad mechanizmem ich działania Od 1937 roku systematyczne badania naukowe dla określenia roli pierwiastków stopowych w stalach narzędziowych Lata 1939-45 i lata powojenne największy postęp w rozwoju nauki o stalach narzędziowych (rola pierwiastków i ograniczenie ich zawartości) Do czasów obecnych- nowe gatunki stali narzędziowych, ich unifikacja, wprowadzenie węglików spiekanych i ceramiki narzędziowej oraz pokryć ochronnych dla poprawy właściwości

Klasyfikacja narzędzi Narzędzia skrawające przy łatwych warunkach pracy (małe szybkości skrawania) Narzędzia skrawające przy trudnych warunkach pracy (duże szybkości skrawania) Narzędzia pomiarowe Matryce i tłoczniki

Wymagania stawiane stalom przeznaczonym na narzędzia skrawające Trwałość ostrza (krawędzi tnącej) narzędzia W narzędziach skrawających w odróżnieniu od zużywających się części maszyn (wały)na zużycie narażona jest bardzo wąska cienka warstewka metalu obciążona znacznymi naciskami jednostkowymi. Aby ta warstewka była odporna na ścieranie, powinna mieć dużą twardość, zazwyczaj powyżej 60HRC

Najważniejszymi rodzajami materiałów na narzędzia skrawające są: Stale szybkotnące Węgliki spiekane Ceramika narzędziowa Materiały supertwarde- regularny azotek boru, diament syntetyczny

Trzy kierunki rozwoju narzędzi skrawających: I kierunek opracowanie nowych gatunków oraz optymalizacja: składu chemicznego istniejących gatunków; obróbki cieplnej; obróbki cieplno-chemicznej; cienkich warstw przeciwzużyciowych II kierunek optymalizacja i unifikacja konstrukcji dotyczy materiału narzędzia i jego cech konstrukcyjnych: zwiększenie uniwersalności narzędzi, uproszczenie gospodarki narzędziowej; narzędzia specjalne do konkretnych, trudnych przypadków obróbki III kierunek wzrost niezawodności pracy narzędzi związana z automatyzacją i robotyzacją obróbki

Deficyt wolframu i kobaltu wymusza obniżanie ich zawartości w stalach narzędziowych Wzrost wydajności i trwałości narzędzi dzięki warstwom przeciwzużyciowym które powodują kilkukrotny wzrost trwałości Metody pokrywania narzędzi: CVD (Chemical Vapour Deposition) chemiczne osadzanie z fazy gazowej PVD (Physical Vapour Deposition) fizyczne osadzanie z fazy gazowej

Oddziaływanie ostrza narzędzia na materiał: 1 strefa ścinania, 2 powierzchnia przylegania narzędzia i wióra (powierzchnia natarcia), 3 strefa wtórnego odkształcenia plastycznego wióra, 4 strefa oddziaływania powierzchni przyłożenia narzędzia (powierzchnia przyłożenia) w obrabianym materiale, 5 strefa oddziaływania ostrza narzędzia Obrabiany materiał ściera podczas skrawania powierzchnię przyłożenia noża, wiór zaś Ściera powierzchnię natarcia zsuwając się po niej.

Temperatura nagrzewania się narzędzia zależy od warunków skrawania. Im wydajniej pracuje narzędzie tj, im większa jest ilość (objętość) wiórów oddzielonych narzędziem w jednostce czasu, tym większy jest opór skrawania I wyższa temperatura nagrzania się ostrza

Rodzaje podstawowych mechanizmów zużycia narzędzi skrawających a) zużycie ścierne, b) zużycie adhezyjne, c) zużycie dyfuzyjne, d) zużycie w wyniku powierzchniowego odkształcenia plastycznego, e) zużycie w wyniku odkształcenia plastycznego krawędzi skrawającej pod działaniem naprężeń normalnych, f) zużycie przez wykruszanie w wyniku poślizgu

Zużycie ścierne i adhezyjne a) Zużycie ścierne - ścieranie twardymi cząstkami występującymi w obrabianym materiale powoduje pojawienie się rowków lub wyżłobień na powierzchniach natarcia lub przyłożenia narzędzia. b) Zużycie adhezyjne - fragment wióra adhezyjnie sczepia się z powierzchnią narzędzia i następnie odłamuje się wraz ze sczepionym z nim materiałem narzędzia, powodując ubytki narzędzia

Zużycie dyfuzyjne W wyniku wzajemnego przenikania atomów materiału ostrza do materiału skrawanego i odwrotnie, zwłaszcza w strefie styku metalicznego, występuje zużycie dyfuzyjne ostrza, bardzo gwałtowne w momencie zetknięcia obu materiałów i malejące z upływem czasu

Zużycie chemiczno-ścierne W przypadku stosowania cieczy chłodząco smarujących materiał ostrza tworzy z otaczającym go ośrodkiem powierzchniowe związki chemiczne, słabo związane z podłożem i łatwo ulegające ścieraniu, co decyduje o zużyciu chemiczno ściernym ostrza

Zużycie przez odkształcenie plastyczne (mechaniczno-ścierne) Przy dużej prędkości skrawania o zużyciu narzędzia decyduje odkształcenie plastyczne. Objawem zużycia jest wówczas zagłębienie na powierzchni natarcia na odcinku nagrzanym do najwyższej temperatury, utworzone w wyniku powierzchniowego odkształcenia plastycznego narzędzia. W wyniku działania naprężeń normalnych krawędź skrawająca ulega odkształceniu plastycznemu, co wpływa na zwiększenie sił skrawania i sprzyja przez to przyspieszeniu zużycia narzędzia

Typowe zużycie narzędzia skrawającego na przykładzie noża tokarskiego Zużycie ścierne Zużycie ścierne i adhezyjne Dyfuzja, zużycie ścierne

Skrawnośd i okres trwałości ostrza Postępujące wraz z czasem skrawania zużycie ostrza doprowadza do utraty zdolności skrawania z wymaganą jakością i wydajnością obróbki. Zdolnością skrawania, zwaną również skrawnością, nazywa się zdolność materiału narzędziowego do przeciwstawiania się postępującemu zużyciu ostrza warunkach pracy narzędzia. Z kolei czas pracy ostrza, czyli łączny czas skrawania w nie zmienionych warunkach aż do chwili umownego stępienia ostrza jest nazywany okresem trwałości ostrza T (w min) Spośród parametrów skrawania: prędkości skrawania ʋ, posuwu f, głębokości skrawania a, największy wpływ na okres trwałości ostrza ma prędkość skrawania. Posuw droga przebyta przez narzędzie skrawające w ciągu jednego cyklu ruchu głównego, np. obrotu, skoku. W zależności od kierunku przesuwania się narzędzia względem obrabianego przedmiotu posuw może być wzdłużny lub poprzeczny.

Okres trwałości ostrza

Skrawalnośd podatnośd materiału obrabianego na obróbkę skrawaniem Przewodność cieplna Wtrącenia Skład chemiczny Utwardzenie Właściwości mechaniczne Stan materiału Struktura

Wymagania: a) twardości twardość narzędzia powinna przewyższać twardość materiału obrabianego od 20 do 30 HRC, b) odporności na wysoką temperaturę podczas obróbki z dużymi prędkościami skrawania wytwarza się duża ilość ciepła. Ciepło to wpływa negatywnie na narzędzie przyspieszając jego zużycie (ścieranie, stopniowa utrata własności skrawających na skutek odpuszczania się) c) wytrzymałości tę cechą powinny odznaczać się wszystkie narzędzia, rodzaj wymaganej wytrzymałości zależy od warunków pracy narzędzia: przeciągacz na rozciąganie, wiertło, gwintownik na skręcanie, nóż tokarski na zginanie, narzędzia pracujące z uderzeniami na udarność. d) odporności na ścieranie - zależy ona od: twardości materiału narzędziowego, struktury stali, temperatury skrawania, rodzaju występującego tarcia podczas skrawania, rodzaju materiału obrabianego, rodzaju użytych smarów, odporność stali na ścieranie wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla. e) zachowania się stali podczas hartowania obejmuje takie cechy jak: szybkość chłodzenia podczas hartowania konieczna do uzyskania wymaganej twardości głębokość hartowania zależy od rodzaju narzędzia i warunków pracy np. narzynki, gwintowniki - duża twardość powierzchni roboczych i możliwie duża ciągliwość rdzenia, wielkość odkształceń podczas hartowania zalezy od szybkości chłodzenia (olej, powietrze zapewniają mniejsze odkształcenia) odporność na przegrzanie, f) struktury stali -struktura powinna być drobnoziarnista,

Procesy zużycia narzędzi do pracy na gorąco Robocze powierzchnie narzędzi do przeróbki plastycznej na gorąco oraz do odlewania w formach metalowych są narażone podczas pracy na: - Nagrzania do wysokiej temperatury oraz cykliczne zmiany tej temperatury, (zmęczenie cieplne) - Cykliczne duże obciążenia mechaniczne, często dynamiczne rozkładające się na dość duże powierzchnie (zmęczenie mechaniczne) - Intensywne ścieranie w podwyższonej temperaturze - Korozyjne oddziaływanie obrabianego materiału i środków chłodząco smarujących (cieplno korozyjne)

Ciepło przekazywane przez kształtowany materiał nie jest odprowadzane całkowicie przez ośrodek chłodzący i powoduje podczas pracy nagrzewanie całej masy narzędzia do temperatur powyżej 250 C. Maksymalna temperatura powierzchni narzędzi stykających się przez krótki czas z nagrzanym materiałem oraz intensywnie chłodzonych, np. matryc, stempli wykrojników wynosi 500-600 C a rdzenia 350-400 C. Natomiast w przypadku form do odlewania pod ciśnieniem, części pras do wyciskania metali na gorąco i innych narzędzi stykających się z nagrzanym metalem przez dłuższą część cyklu pracy i stąd przejmujących więcej ciepła, temperatura powierzchni roboczej osiąga nawet 700-850 C a rdzenia 600 C. Podczas styku z gorącym metalem części robocze narzędzi są ponadto na ogół intensywnie ścierane, a także podlegają korozyjnemu oddziaływaniu obrabianego materiału.

Cykliczne zmiany temperatury powodują powstawanie zmiennych naprężeń cieplnych związanych z gradientem temperatury oraz niejednorodnością własności fizykomechanicznych faz w stali W wyniku zmęczenia cieplnego po pewnym czasie na powierzchni roboczej narzędzi powstaje charakterystyczna siatka pęknięć pogłębiających się podczas dalszych cykli pracy, a w efekcie tego następuje wykruszanie się cząstek materiału z powierzchni i przyspieszone zużycie narzędzi

ZMĘCZENIE CIEPLNO MECHANICZNE W wyniku cykli cieplnych następuje zmniejszenie własności wytrzymałościowych związane z postępującą koagulacją węglików, rekrystalizacją osnowy i obecnością mikropęknięć w stali

ZMĘCZENIE CIEPLNO KOROZYJNE Korozyjne oddziaływanie kształtowanego metalu na materiał narzędzia zachodzi podczas eksploatacji form do odlewania pod ciśnieniem. Wysoka temperatura oraz ciśnienie intensyfikują procesy dyfuzyjne, przez co w warstwie wierzchniej narzędzi zwiększa się stężenie pierwiastków wchodzących w skład kształtowanego stopu. Na powierzchni stali, stykającej się w czasie prasowania na gorąco lub odlewania ze stopami miedzi, tworzy się warstwa roztworu miedzi w żelazie, która w czasie dalszych cykli pracy ulega pękaniu i wykruszaniu z powierzchni narzędzia. Natomiast na powierzchni stali poddanej działaniu ciekłych stopów aluminium tworzy się warstwa faz międzymetalicznych Al3Fe, Al5Fe2, Al3Fe2, cząstki której po osiągnięciu grubości powyżej 20 mm odrywają się od stali w kolejnych cyklach pracy.

Miejsca dominujących rodzajów zużycia wykroju matrycy kuźniczej; a ścieranie, b zmęczenie cieplne, c zmęczenie mechaniczne, d odkształcenie plastyczne

Wymagania: Wytrzymałość w granicach 850-1000MPa w temperaturach pracy, z czym wiąże się duża odporność na odpuszczanie Duża ciągliwość, czyli odporność na pękanie w warunkach obciążeń dynamicznych, Odporność na zmęczenie cieplne Odporność na ścieranie w podwyższonych temperaturach Odporność na utlenianie i korozyjne oddziaływanie gorącego obrabianego materiału