MODELOWANIE PROCESU TOCZENIA MATERIAŁÓW TRUDNOSKRAWALNYCH MODELLING OF DIFFICULT-TO-CUT MATERIALS TURNING PROCESS

Podobne dokumenty
PODSTAWY SKRAWANIA MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

DIGITALIZACJA GEOMETRII WKŁADEK OSTRZOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI MES PROCESU OBRÓBKI SKRAWANIEM

WPŁYW TEMPERATURY I SIŁY SKRAWANIA NA POSTAĆ WIÓRA PRZY TOCZENIU WZDŁUŻNYM STOPÓW INCONEL 625 I INCONEL WPROWADZENIE

MIKRONIERÓWNOŚĆ POWIERZCHNI OBROBIONEJ STOPU INCONEL 718 PO PROCESIE TOCZENIA

BADANIA TOCZENIA SPIEKANYCH PROSZKOWO MATERIAŁÓW Z ZASTOSOWANIEM OPROGRAMOWANIA PRODUCTION MODULE

SKUTECZNOŚĆ DOPROWADZENIA CIECZY OBRÓBKOWEJ POD CIŚNIENIEM W PROCESIE ŁAMANIA WIÓRA PRZY TOCZENIU WZDŁUŻNYM STOPU Ti6Al4V.

ANALIZA SKŁADOWYCH SIŁY SKRAWANIA I NAPRĘŻEŃ W WARSTWIE WIERZCHNIEJ METODĄ ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH W OBRÓBCE STOPU TYTANU Ti6Al4V.

OCENA WARUNKÓW TRIBOLOGICZNYCH PODCZAS SKRAWANIA STOPU INCONEL 718 PŁYTKĄ Z WĘGLIKA SPIEKANEGO. Streszczenie

Poprawa produktywności i niezawodności toczenia stopu Inconel 718 studium przypadku

BADANIA WPŁYWU ZASTOSOWANIA MINIMALNEGO SMAROWANIA MQL NA SIŁY SKRAWANIA I POSTAĆ WIÓRA W OBRÓBCE KOMPOZYTÓW ALUMINIOWYCH NARZĘDZIAMI POWLEKANYMI

Temat: NAROST NA OSTRZU NARZĘDZIA

BADANIA WPŁYWU GŁĘBOKOŚCI SKRAWANIA NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI STOPU INCONEL 718 PODCZAS TOCZENIA WYKOŃCZENIOWEGO

Rajmund Rytlewski, dr inż.

Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym r Nałęczów

Dr hab. inż. Jan BUREK, prof. PRz; dr inż. Łukasz ŻYŁKA; mgr inż. Marcin PŁODZIEŃ; mgr inż. Michał GDULA (Politechnika Rzeszowska):

OBRÓBKA SKRAWANIEM DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA DO FREZOWANIA. Ćwiczenie nr 6

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

ZAAWANSOWANA METODA SYMULACYJNA ZWIĘKSZENIA EFEKTYWNOŚCI OBRÓBKI STOPU NIKLU STUDIUM PRZYPADKU

5. ZUŻYCIE NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH. 5.1 Cel ćwiczenia. 5.2 Wprowadzenie

CZAS WYKONANIA BUDOWLANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCJI STALOWYCH OBRABIANYCH METODĄ SKRAWANIA A PARAMETRY SKRAWANIA

Tematy prac dyplomowych inżynierskich kierunek MiBM

Tematy prac dyplomowych magisterskich kierunek MiBM

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

L a b o r a t o r i u m ( h a l a 2 0 Z O S )

QM MILL & QM MAX nowa generacja japońskich głowic high feed.

KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI. Obróbka skrawaniem i narzędzia

KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI

OCENA MORFOLOGII POWIERZCHNI STOPU INCONEL 718 PO TOCZENIU WZDŁUŻNYM

ANALIZA SKŁADOWYCH SIŁY SKRAWANIA PODCZAS TOCZENIA WYKOŃCZENIOWEGO STOPU TYTANU NA OSNOWIE FAZY MIĘDZYMETALICZNEJ TiAl(γ) Streszczenie

3. TEMPERATURA W PROCESIE SZLIFOWANIA. 3.1 Cel ćwiczenia. 3.2 Wprowadzenie

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

ANALIZA WPŁYWU WARTOŚCI KĄTA NATARCIA I POSUWU NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI OBROBIONEJ ORAZ WARTOŚCI SKŁADOWYCH CAŁKOWITEJ SIŁY SKRAWANIA

(GRADE 23) NA SIŁY SKRAWANIA ORAZ CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI OBROBIONEJ

ANALIZA WSPÓŁCZYNNIKA SPĘCZANIA WIÓRA W ASPEKCIE TOCZENIA STOPU TI-6AL-4V Z PODWYŻSZONYMI PRĘDKOŚCIAMI SKRAWANIA

TOOLS NEWS B228P. Seria frezów trzpieniowych CERAMIC END MILL. Ultrawysoka wydajność obróbki stopów żaroodpornych na bazie niklu

IDENTYFIKACJA OBCIĄŻEŃ NARZĘDZIA PODCZAS FAZOWANIA STOPU LOTNICZEGO AMS6265. Streszczenie

2.1.M.07: Wpływ warunków zużycia na własności powierzchni materiałów inżynierskich

7. OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW SKRAWANIA. 7.1 Cel ćwiczenia. 7.2 Wprowadzenie

Obróbka Skrawaniem -

KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI. Obróbka skrawaniem i narzędzia

WÓJCIK Ryszard 1 KĘPCZAK Norbert 2

Ceramiczne materiały narzędziowe. Inteligentna i produktywna obróbka superstopów

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

MODYFIKACJA WARUNKÓW TARCIA W STREFIE SKRAWANIA JAKO CZYNNIK WPŁYWAJĄCY NA PROCES OBRÓBKI

Spis treści Przedmowa

ANALIZA ZA POMOCĄ MES WPŁYWU ZUŻYCIA OSTRZA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA

ANALIZA PORÓWNAWCZA METOD FREZOWANIA HSM, HPC ORAZ FREZOWANIA KONWENCJONALNEGO WYSOKOKRZEMOWYCH STOPÓW ALUMINIUM

KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI

PORÓWNANIE DYNAMICZNYCH WSPÓŁCZYNNIKÓW SIŁ SKRAWANIA ZMIERZONYCH W CZASIE WYSTĘPOWANIA DRGAŃ SAMOWZBUDNYCH DLA OSTREJ I ZUŻYTEJ KRAWĘDZI SKRAWAJĄCEJ

POWSTAWANIE I USUWANIE ZADZIORÓW W OBRÓBCE SKRAWANIEM BURR FORMATION AND REMOVAL IN MACHINING PROCESS

ANALIZA SKŁADOWYCH SIŁ SKRAWANIA ORAZ CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI PODCZAS TOCZENIA WĘGLIKÓW SPIEKANYCH NARZĘDZIAMI Z OSTRZAMI DIAMENTOWYMI

Dobór parametrów dla frezowania

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 3

MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA

BADANIA PORÓWNAWCZE WYBRANYCH WSKAŹNIKÓW SKRAWALNOŚCI W PROCESIE FREZOWANIA STOPÓW NIKLU INCONEL 625 I INCONEL 718. Streszczenie

QM - MAX. Wysokowydajne frezy do obróbki kopiowej i kształtowej DIJET INDUSTRIAL CO., LTD

Jarosław FLISIAK Jerzy JÓZWIK Maciej WŁODARCZYK. 1. Wstęp

ZASTOSOWANIE CO2 JAKO CHŁODZIWA W PROCESIE TOCZENIA

Spis treści. Przedmowa 11

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

passion passion for precision for precision Wiertło Supradrill U

QUADWORX CZTERY KRAWĘDZIE DLA WIĘKSZEJ WYDAJNOŚCI

Double Mill DM4. DM4: multifunkcjonalny system narzędzi frezarskich oferuje 4 efektywne ostrza tnące na nowoczesnej dwustronnej płytce wieloostrzowej

Budowa i zastosowanie narzędzi frezarskich do obróbki CNC.

Karta (sylabus) przedmiotu

WPŁYW ORIENTACJI OSI FREZU TOROIDALNEGO NA SKŁADOWE SIŁY SKRAWANIA W PIĘCIOOSIOWEJ OBRÓBCE ŁOPATKI TURBINY ZE STOPU INCONEL 718.

WPŁYW PRZEMIESZCZENIA NISZCZĄCEGO NA WYNIKI SYMULACJI NUMERYCZNEJ MES

NADZOROWANIE PROCESU WYSOKOWYDAJNEGO FREZOWANIA STOPÓW ALUMINIUM Z ZASTOSOWANIEM UKŁADU STEROWANIA ADAPTACYJNEGO. Streszczenie

-Special. Ceny wraz z dopłatą surowcową Prices without any addition new! Ø 32 Strona/Page 4,5. Black Panther DN 630 +

M800 SEKT12T3. Stable face milling under high-load conditions. Stabilna obróbka przy wysokich posuwach FACE MILLING CUTTERS

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

2. ANALIZA NUMERYCZNA PROCESU

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

PRÓBA WYKONANIA OSTRZY DŁUTAKA MODUŁOWEGO METODĄ WYCINANIA ELEKTROEROZYJNEGO

M210 SNKX1205 SNKX1607. Stable face milling under high-load conditions Stabilna obróbka przy wysokich posuwach FACE MILLING CUTTERS

Techniki Wytwarzania -

1. Właściwy dobór taśmy

Karta (sylabus) przedmiotu

Numeryczne modelowanie rozpływu ciepła w strefie skrawania dla stali C45

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

ANALIZA WPŁYWU WARUNKÓW TOCZENIA WZDŁUŻNEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI I POSTAĆ WIÓRÓW STOPU MAGNEZU AM 60. Streszczenie

ANALIZA ODKSZTAŁCENIA CIENKIEJ ŚCIANKI W SYSTEMIE NX W OBRÓBCE HPC ANALYSIS OF DEFORMATION OF THIN-WALL IN NX IN HPC MACHINING

Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia. Techniki i narzędzia do obróbki ubytkowej Rodzaj przedmiotu: Język polski

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Szlifowanie powierzchni ceramicznych płytek skrawających do realizacji obróbki w przemyśle motoryzacyjnym

BADANIA PORÓWNAWCZE CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI WYBRANYCH STOPÓW MAGNEZU PO FREZOWANIU NARZĘDZIEM PEŁNOWĘGIKOWYM ORAZ PKD

WPŁYW MINIMALNEGO SMAROWANIA NA MOMENT SKRAWANIA I CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI W PROCESIE WIERCENIA STOPU ALUMINIUM. Streszczenie

T E ND ENCJE W T E CHNI K ACH K S Z T AŁTUJ ĄCY CH

L a b o r a t o r i u m ( h a l a 2 0 Z O S )

POMIAR SKŁADOWYCH SIŁ SKRAWANIA I CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI PODCZAS PRECYZYJNEGO TOCZENIA CZYSTEGO TYTANU 1. WPROWADZENIE

Obróbka skrawaniem Machining Processes

M210 SNKX1205. Stable face milling under high-load conditions Stabilna obróbka przy wysokich posuwach FACE MILLING CUTTERS FREZY DO OBRÓBKI PŁASZCZYZN

WIELOOSTRZOWE UZĘBIENIE O ZMIENNEJ GEOMETRII SZLIFOWANE W 5 PŁASZCZYZNACH NA PARĘ ZĘBÓW Z MONOLITU SPECJALNEJ STALI SZYBKOTNĄCEJ

Moduł 2/3 Projekt procesu technologicznego obróbki przedmiotu typu bryła obrotowa

METODYKA WYZNACZANIA TEMPERATURY W STREFIE SKRAWANIA PODCZAS TOCZENIA I FREZOWANIA STOPU Ti6Al4V. Streszczenie

Narzędzia do toczenia poprzecznego

Zużycie ostrzy frezów podczas obróbki wysokokrzemowego, odlewniczego stopu aluminium AlSi21CuNi

OCENA WPŁYWU OSTRZY O GEOMETRII WYGŁADZAJĄCEJ NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI STALI X17CrNi16-2 PO TOCZENIU. Streszczenie

Wybrane zagadnienia technologii obróbki skrawaniem materiałów lotniczych

Transkrypt:

WOJCIECH ZĘBALA MODELOWANIE PROCESU TOCZENIA MATERIAŁÓW TRUDNOSKRAWALNYCH MODELLING OF DIFFICULT-TO-CUT MATERIALS TURNING PROCESS Streszczenie W artykule przedstawiono zagadnienie modelowania procesu toczenia materiałów trudnoskrawalnych metodą MES na przykładzie wybranych stopów niklu: Inconel 718 oraz 625. W badaniach modelowych zastosowano geometrię płytki skrawającej o dwóch różnych kształtach powierzchni natarcia (zwijaczach wióra): VCMT 160404-SM oraz WNMG 080404-23. Wyniki symulacji komputerowej zweryfikowano eksperymentalnie, dokonując pomiarów składowych siły skrawania oraz maksymalnej temperatury w strefie tworzenia wióra. Słowa kluczowe: modelowanie, materiały trudnoskrawalne, toczenie Abstract Paper presents the problem of turning process modelling by MES metod of difficult-to-cut materials, basing on the example of chosen nickel alloys: Inconel 718 and 625. The geometry of inserts of two different rake face shapes (chipbreakers): VCMT 160404-SM and WNMG 080404-23, was used in the modelling. Simulation results were experimentally verified by measurements of cutting forces and maximum temperature in a chip creation zone. Keywords: modelling, difficult-to-cut materials, turning Dr hab. inż. Wojciech Zębala, prof. PK, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

136 1. Wstęp Dynamiczny rozwój techniki obserwowany w ostatnich latach jest silnie związany z potrzebą powstawania nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych o założonych właściwościach mechanicznych, fizycznych i chemicznych. Praktyczne wykorzystanie tych materiałów ściśle wiąże się z potrzebą opracowywania nowych technologii ich wytwarzania oraz ulepszania technologii już istniejących [1, 3, 7, 11, 15]. Poszukuje się optymalnych czynników, które pozwalają na zwiększenie wydajności i uzyskanie produktu o jak najwyższej jakości przy jednoczesnym obniżeniu kosztów wytwarzania. Z tego też względu stawia się coraz większe wymagania materiałom stosowanym na narzędzia. Współcześnie jedną z najważniejszych technologii kształtowania części jest obróbka skrawaniem. Postęp w tym obszarze mierzony jest przede wszystkim wzrostem możliwości zwiększenia dokładności i jakości powierzchni obrobionych, otrzymywanych przez zastosowanie różnych rodzajów obróbki, np. toczenia, frezowania czy szlifowania. Wraz z wytwarzaniem nowych wyrobów z trudnoskrawalnych materiałów, takich jak: stopy tytanu, stopy niklu, stale nierdzewne, ceramika specjalna itp., zachodzi potrzeba poszukiwania coraz to efektywniejszych dróg obróbki ubytkowej. W wielu przypadkach skutecznym środkiem polepszenia skrawalności materiału okazuje się zastosowanie hybrydowego procesu obróbkowego lub obróbki kompletnej [11, 13, 16, 17]. Materiały trudnoskrawalne obejmują znaczący zakres w technologii wytwarzania części maszyn, szczególnie w takich branżach przemysłowych, jak: przemysł lotniczy, motoryzacyjny, narzędziowy czy przemysł wytwarzający formy odlewnicze. Zwiększają się wymogi dotyczące zmniejszenia wagi elementów maszyn z jednoczesnym zwiększeniem ich wytrzymałości. Prowadzi to do rozwoju technologii wytwarzania materiałów o dużej twardości (do 70 HRC), odporności chemicznej i termicznej (np. odporność na zużycie, utlenianie, korozję) [13, 18]. Materiały konstrukcyjne zaliczamy do trudnoskrawalnych ze względu na następujące właściwości: 1. Duża wytrzymałość mechaniczna materiału, która jest utrzymywana w wysokich temperaturach, prowadzi do powstawania bardzo dużych sił skrawania. 2. Słaba przewodność cieplna utrudnia swobodny rozpływ ciepła i jego odprowadzanie ze strefy skrawania, co powoduje generowanie wysokiej temperatury na ostrzu narzędzia zawłaszcza w pobliżu krawędzi skrawającej. 3. Składniki stopowe występujące w strukturze materiału są materiałem ściernym, przyspieszającym zużycie powierzchni ostrza. 4. Utwardzanie się materiału podczas obróbki (superstopy). 5. Duże siły skrawania i szybkie zużycie ostrza skrawającego powodują, że obrabiane części posiadające stosunkowo cienkie ścianki mają tendencję do deformacji (np. łopatki wirnika sprężarki wykonywane ze stopu tytanu czy niklu). Istotnym ograniczeniem w przypadku obróbki materiałów trudnoskrawalnych jest zbyt mała trwałość narzędzi skrawających, między innymi w wyniku wyższych temperatur skrawania w stosunku do tych, jakie występują w przypadku obróbki materiałów o dobrej skrawalności [5, 8, 13]. Dlatego bardzo ważnym elementem rozwoju technologii obróbki materiałów trudnoskrawalnych jest odpowiedni rozwój i zastosowanie modelowania procesu skrawania w celu określenia prawdopodobnego rozkładu pola temperatury i pól naprężeń oraz od-

137 kształceń w całej strefie tworzenia się wióra. Lokalizacja miejsc o maksymalnych wartościach temperatury i naprężenia pozwala na predykcję zachowania narzędzia w czasie obróbki, a tym samych na bardziej korzystny dobór parametrów skrawania. Budowa modeli symulacyjnych obróbki skrawaniem pozwala na szybką wizualizację realizacji procesu w szerokim zakresie parametrów obróbki. Umiejętność modelowania przy minimalnej liczbie testów eksperymentalnych pozwala na znaczne obniżenie kosztów cyklu projektowania określonego procesu technologicznego, ze względu na znaczne obniżenie kosztów materiałowych i oprzyrządowania. Główne korzyści wynikające ze stosowania modeli symulacyjnych w dziedzinie optymalizacji parametrów skrawania materiałów trudnoskrawalnych to: 1. Optymalizacja procesu obróbki bez wykonywania drogich testów skrawnych. 2. Możliwość modelowania procesu skrawania w warunkach nietypowych (np. przy zastosowaniu wyższych prędkości skrawania). 3. Prognozowanie i obniżenie wartości naprężeń własnych w warstwie wierzchniej przedmiotów obrabianych. 4. Zmniejszenie odkształceń obrabianych części (prognozowanie wartości siły skrawania oraz naprężeń wewnątrz p.o.). 5. Możliwość modelowania geometrii ostrza skrawającego oraz identyfikacji rodzaju wióra i kierunku jego spływu. 6. Możliwość określania właściwego zapotrzebowania mocy obrabiarki. 7. Prognozowanie zużycia ostrza. W artykule opisano problem modelowania obróbki stopów niklu jako przykładu materiału trudnoskrawalnego. Większość tego typu materiałów zawiera od 10 do 20% chromu, do 8% aluminium i tytanu (łącznie), od 5 do 15% kobaltu oraz niewielkie ilości boru, cyrkonu, magnezu i węgla. Innymi dodatkami są jeszcze molibden, niob i wolfram. Wśród dostępnych na rynku superstopów stop Inconel 718 oraz 625 są jednymi z dominujących. Około 45% odkuwek i 25% odlewów jest wykonywana z tych materiałów [4, 5]. Stopy na osnowie niklu należą do grupy materiałów żarowytrzymałych. Dzięki swoim właściwościom mechanicznym w wysokich temperaturach są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym, między innymi na: korpusy turbin, komory spalania, łopatki, zawory wydechowe itp. Rysunek1 przedstawia obszar zastosowania stopów niklu w tzw. strefie gorącej silnika odrzutowego. Rys. 1. Schemat silnika lotniczego z przykładowymi elementami wykonanymi ze stopu niklu [10] Fig. 1. Aero engine scheme with example elements made of nickel alloy [10]

138 Bardzo duży nacisk kładzie się na jakość powierzchni elementów wykonanych ze stopów niklu, gdyż podczas obróbki skrawaniem powstające ciepło zmienia mikrostrukturę stopu i powoduje powstawanie naprężeń, co przekłada się na trwałość, odporność na zmęczenie, wydajność i funkcjonalność obrabianego przedmiotu [2, 6, 9]. Analiza literatury opisującej zjawiska zachodzące podczas skrawania wskazuje, że ze wzrostem prędkości skrawania przy jednakowej wydajności objętościowej procesu maleje siła skrawania. Efekt ten wiąże się z wpływem prędkości odkształcania warstwy skrawanej na plastyczność materiału obrabianego i zjawiska narostowe na ostrzu narzędzia. Również temperatura w strefie obróbki jest bezpośrednio związana z prędkością skrawania i przeważnie zwiększa się z jej wzrostem [6, 8, 12]. Podczas obróbki z małymi prędkościami skrawania przeważającym mechanizmem zużycia na powierzchni przyłożenia ostrza jest zużycie ścierne. Ze wzrostem prędkości ustępuje ono miejsca zużyciu adhezyjnemu, natomiast przy dużych prędkościach skrawania dominuje zużycie dyfuzyjne [6, 8]. W badaniach modelowych, opisanych w tym artykule procesu toczenia stopów niklu (Inconel 718 oraz Inconel 625) oraz weryfikacji eksperymentalnej wyników symulacji komputerowej zastosowano geometrię płytki wieloostrzowej o dwóch różnych kształtach powierzchni natarcia (zwijaczach wióra): VCMT 160404-SM oraz WNMG 080404-23. 2. Symulacja Symulację komputerową procesu toczenia stopów niklu (Inconel 718, Inconel 625) przeprowadzono, opierając się na pakiecie programowym, bazującym na numerycznym modelu procesu powstawania wióra (równania Lagrange a) [14]. Model materiałowy uwzględniający m.in. prędkość odkształcenia zbudowany jest na podstawie krzywych: umocnienia materiału w wyniku odkształcenia plastycznego, obniżenia twardości w miarę wzrostu temperatury, równań opisujących przekazywanie ciepła. Model geometryczny (symulacyjny) strefy skrawania przedstawiono schematycznie na rys. 2. Ostrze narzędzia przesuwa się zgodnie z zaznaczonym wektorem prędkości skrawania v c. Przyjęto w tym przypadku skrawanie swobodne. Rys. 2. Przejście od mechanicznego do symulacyjnego modelu strefy skrawania Fig. 2. Passage from the mechanical to the simulation model of the cutting process

139 Symulację procesu skrawania przeprowadzono od momentu zetknięcia ostrza z materiałem obrabianym i kontynuowano aż do uzyskania stanu ustalonego (ustalone pole naprężeń i temperatury). Dyskretyzacji podlegał materiał obrabiany i ostrze skrawające. W czasie procesu skrawania materiał obrabiany płynie dookoła krawędzi skrawającej, rozdzielając się na dwa strumienie: częściowo wzdłuż powierzchni natarcia, tworząc wiór, a częściowo pod ostrze (trąc o powierzchnię przyłożenia), tworząc warstwę wierzchnią (powierzchnię obrobioną). W otoczeniu krawędzi skrawającej, czyli w obszarze zaburzenia płynięcia materiału, elementy siatki zostają czasowo bardzo zniekształcone i obliczenia tracą dokładność. Zastosowany algorytm w obliczeniach numerycznych częściowo niweluje te odkształcenia, aktualizując kształt siatki elementów skończonych przez usuwanie dużych odkształconych elementów, przywracając w ich miejsce elementy o prawidłowym kształcie. Zestaw równań mechanicznych określa stan naprężeń, odkształcenia i warunki bezwładnościowe, w chwili gdy stykają się ze sobą narzędzie skrawające i materiał obrabiany. Równowagę ruchu liniowego opisują siły bezwładnościowe i siły wewnętrzne, zależne od aktualnego stanu naprężenia, będące w równowadze ze skończonymi obciążeniami granicznymi, co może być interpretowane jako: Siły bezwładności + siły wewnętrzne = siły zewnętrzne + siły masowe ρ v u dv + v σ dv = v σ n dω+ v ρb dv (1) i i i, j ij i ij j i i B B B B Generowanie i przepływ energii opisuje się za pomocą równań termodynamiki. Poniżej przedstawiono podstawowe równania umożliwiające obliczenia temperatury i ilości ciepła w poszczególnych węzłach siatki elementów. C T = n 1 T +Δ + n ttn CTn+ 1+ KTn+ 1 = Qn+ 1 (2) ab = cρna NbdV0 ab ij a, i b, j Bt B0 Q = sn dv + hn ds a a a Bt Bτq K = DN N dv (3) (4) gdzie: T szereg węzłowych temperatur, C macierz pojemności cieplnej, K macierz przewodności cieplnej. W strefie skrawania mamy do czynienia z głównymi źródłami ciepła występującymi w obszarach odkształceń plastycznych i tarcia ślizgowego wzdłuż powierzchni natarcia i przyłożenia ostrza narzędzia. Podstawowym elementem siatki modelu strefy skrawania jest trójkąt z trzema środkowymi punktami węzłowymi. W czasie adaptacji siatki tworzone są dodatkowe punkty wewnętrzne (rys. 3a). W miejscach szczególnie interesujących, takich jak: obszar zapoczątkowania procesu dekohezji, warstwa wierzchnia przedmiotu tuż po przejściu ostrza skrawającego czy otoczenie krawędzi skrawającej, następuje zagęszczenie siatki elementów, co zwiększa dokładność obliczeń (rys. 3b).

140 a) b) Rys. 3. Budowa siatki elementów skończonych: a) podstawowy element siatki modelu z zaznaczonymi punktami węzłowymi, b) dogęszczenie elementów w otoczeniu krawędzi skrawającej Fig. 3. FE net construction: a) the main net element of the model with marked node points, b) concentration of elements in vicinity of the cutting edge Na rysunku 4 przedstawiono widok płytki WNMG o symbolu zwijacza 23. Profil rowka wiórowego w zależności od usytuowania płaszczyzny przekroju w stosunku do wierzchołka ostrza zmienia się. Kilka przykładowych profili powstałych w odległościach od krawędzi skrawającej: 0,5 mm, 1 mm oraz 2,5 mm przedstawiono na rys. 5. a) b) Rys. 4. Płytka o symbolu zwijacza 23 : a) widok całej płytki, b) widok fragmentu ostrza Fig. 4. Insert with chipbreaker 23 : a) view of the whole insert, b) view of the edge fragment Do badań modelowych przyjęto przekrój zwijacza wiórów o wymiarach uśrednionych, z zakresu odległości od wierzchołka ostrza 1 2 mm (rys. 6). Na rysunku 7 przedstawiono widok płytki VCMT o symbolu zwijacza SM. W tym przypadku profil rowka wiórowego również jest zmienny w zależności od usytuowania płaszczyzny przekroju w stosunku do wierzchołka ostrza. Kilka przykładowych profili powstałych w odległościach od krawędzi skrawającej: 0,3 mm, 1 mm oraz prostopadle do wierzchołka ostrza, przedstawiono na rys. 8. Do badań modelowych przyjęto w tym przypadku przekrój zwijacza wiórów o wymiarach uśrednionych z zakresu odległości od wierzchołka ostrza 0,5 2 mm (rys. 9). Parametry skrawania zastosowane do badań modelowych przedstawiono w tabeli 1. Na rysunkach 10 14 przedstawiono przykładowe modele strefy skrawania (przypadek 1, 2, 4, 5), wyznaczone metodą MES dla obróbki stopów niklu (Inconel 718 oraz 625) płytką z węglików spiekanych o kształcie zwijacza wiórów o symbolu 23 oraz SM.

a) b) 141 c) d) Rys. 5. Geometria powierzchni natarcia płytki o symbolu zwijacza 23 pokazana w przekroju w kilku przykładowych odległościach od wierzchołka ostrza: a) 0,5 mm; b) 1 mm; c) 2,5 mm; d) prostopadle do wierzchołka ostrza Fig. 5. Geometry of the rake face of insert with 23 chipbreaker, shown in the cross section in a couple of distances from the tool nose; a) 0,5 mm; b) 1 mm; c) 2,5 mm; d) perpendicular to the tool nose Rys. 6. Model geometrii powierzchni natarcia ostrza o symbolu zwijacza wiórów 23 Fig. 6. Model of the rake face geometry with chipbreaker symbol 23 a) b) Rys. 7. Płytka o symbolu zwijacza SM : a) widok całej płytki, b) widok fragmentu ostrza Fig. 7. Insert with chipbreaker SM : a) view of the whole insert, b) view of the edge fragment

142 a) b) c) Rys. 8. Geometria powierzchni natarcia płytki o symbolu zwijacza SM pokazana w przekroju w kilku przykładowych odległościach od wierzchołka ostrza: a) 0,3 mm; b) 1 mm; c) prostopadle do wierzchołka ostrza Fig. 8. Geometry of the rake face of insert with SM chipbreaker, shown in the cross section in a couple of distances from the tool nose; a) 0,5 mm; b) 0,3 mm; c) 1 mm; d) perpendicular to the tool nose Rys. 9. Model geometrii powierzchni natarcia ostrza o symbolu zwijacza wiórów SM Fig. 9. Model of the rake face geometry with chipbreaker symbol SM Parametry skrawania zastosowane do badań modelowych Przypadek f v Zwijacz Materiał obrabiany c modelowy mm/obr m/min 1 75 Inconel 718 2 23 0,211 50 3 75 4 0,153 Inconel 625 5 SM 0,077 65 6 0,249 Tabela 1 a p mm 2 1,5 0,5

143 Rys. 10. Model strefy skrawania (przypadek 1) wyznaczony metodą MES dla toczenia stopu Inconel 718 płytką ze zwijaczem wióra o symbolu 23. Parametry skrawania: f = 0,211 mm/obr., v c = 75 m/min oraz a p = 2 mm. Na rysunkach przedstawiono kolejno: 1) model z naniesioną siatką MES, 2) rozkład odkształceń plastycznych, 3) 4) rozkłady temperatury Fig. 10. Model of cutting zone (case 1), determined by FEM method for turning of alloy Inconel 718 by insert with chipbreaker 23. Cutting parameters: f = 0,211 mm/rev, v c = 75 m/min and a p = 2 mm. Figures present: 1) MES model, 2) plastic strain distribution, 3), 4) temperature distributions Rys. 11. Model strefy skrawania (przypadek 2) wyznaczony metodą MES dla toczenia stopu Inconel 718 płytką ze zwijaczem wióra o symbolu 23. Parametry skrawania: f = 0,211 mm/obr., v c = 50 m/min oraz a p = 2 mm. Na rysunkach przedstawiono kolejno: a) model z naniesioną siatką MES, b) rozkład odkształceń plastycznych, c), d) rozkłady temperatury Fig. 11. Model of cutting zone (case 2), determined by FEM method for turning of alloy Inconel 718 by insert with chipbreaker 23. Cutting parameters: f = 0,211 mm/rev, v c =50 m/min and a p = 2 mm. Figures present: a) MES model, b) plastic strain distribution, c), d) temperature distributions

144 Rys. 12. Model strefy skrawania (przypadek 4) wyznaczony metodą MES dla toczenia stopu Inconel 625 płytką ze zwijaczem wióra o symbolu SM. Parametry skrawania: f = 0,153 mm/obr., v c = 65 m/min oraz a p = 1,5 mm. Na rysunkach przedstawiono kolejno: a) model z naniesioną siatką MES, b) rozkład odkształceń plastycznych, c), d) rozkłady temperatury Fig. 12. Model of cutting zone (case 4), determined by FEM method for turning of Inconel 625 by insert with chipbreaker SM. Cutting parameters: f = 0,153 mm/rev, v c = 65 m/min and a p = 1,5 mm. Figures present: a) MES model, b) plastic strain distribution, c), d) temperature distributions Rys. 13. Model strefy skrawania (przypadek 5) wyznaczony metodą MES dla toczenia stopu Inconel 625 płytką ze zwijaczem wióra o symbolu SM. Parametry skrawania: f = 0,077 mm/obr., v c = 65 m/min oraz a p = 0,5 mm. Na rysunkach przedstawiono kolejno: a) model z naniesioną siatką MES, b) rozkład odkształceń plastycznych, c), d) rozkłady temperatury Fig. 13. Model of cutting zone (case 5), determined by FEM method for turning of Inconel 625 by insert with chipbreaker SM. Cutting parameters: f = 0,077 mm/rev, v c = 65 m/min, a p = 0,5 mm. Figures present: a) MES model, b) plastic strain distribution, c), d) temperature distributions

3. Badania eksperymentalne 145 W celu weryfikacji badań modelowych przeprowadzono pomiary składowych siły skrawania i maksymalnej temperatury w strefie tworzenia wióra za pomocą siłomierza piezoelektrycznego i kamery termowizyjnej (rys. 14). Przykładowe wyniki pomiarów (przebiegi składowych głównej siły skrawania, rozkładu temperatury w strefie skrawania wzdłuż zaznaczonej linii A-B oraz fotografie powstałych wiórów) przedstawiono na rys. 15 18. Rys. 14. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 kamera termowizyjna, 2 tokarka, 3 przedmiot, 4 siłomierz, 5, 7 komputer, 6 wzmacniacz ładunku Fig. 14. Scheme of measurement site: 1 thermovision camera, 2 lathe, 3 workpiece, 4 dynamometer, 5, 7 computer, 6 charge amplifier Rys. 15. Wyniki badań dla przypadku 1: f = 0,211 mm/obr., v c = 75 m/min oraz a p = 2 mm Fig. 15. Results of researches for case 1: f = 0,211 mm/rev, v c = 75 m/min and a p = 2 mm

146 Rys. 16. Wyniki badań dla przypadku 2: f = 0,211 mm/obr., v c = 50 m/min oraz a p = 2 mm Fig. 16. Results of researches for case 2: f = 0,211 mm/rev, v c = 50 m/min and a p = 2 mm Rys. 17. Wyniki badań dla przypadku 4: f = 0,153 mm/obr., v c = 65 m/min oraz a p = 1,5 mm Fig. 17. Results of researches for case 4: f = 0,153 mm/rev, v c = 65 m/min and a p = 1,5 mm Rys. 18. Wyniki badań dla przypadku 5: f = 0,077 mm/obr., v c = 65 m/min oraz a p = 0,5 mm Fig. 18. Results of researches for case 5: f = 0,077 mm/rev, v c = 65 m/min and a p = 0,5 mm

4. Wnioski 147 Badania, zarówno eksperymentalne, jak i modelowe, wykazały istotny wpływ parametrów skrawania na wartości składowych całkowitej siły skrawania oraz maksymalnej temperatury w otoczeniu krawędzi skrawającej. Różnica względna pomiędzy wynikami uzyskanymi z symulacji komputerowej i pomiarów mieściła się w zakresach: 3,2 14% dla składowej głównej siły skrawania F c (z wyjątkiem przypadku 5, gdzie ta różnica wynosiła ok. 50%), 1,2 18% dla składowej posuwowej siły skrawania F f oraz 2,8 15,2% w przypadku maksymalnej temperatury skrawania (rys. 19), co wskazuje na dobrą zgodność modelu z rzeczywistym procesem toczenia. a) b) Rys. 19. Porównanie wartości rzeczywistych z wartościami uzyskanymi z symulacji komputerowej dla: a) składowych całkowitej siły skrawania, b) maksymalnej temperatury skrawania T max Fig. 19. Comparison of the real values with values achieved from the simulation for: a) cutting force components, b) maximum cutting temperature T max

148 Literatura [1] Andrae P., High-efficiency machining, Manufacturing Engineering, 2004. [2] Axinte D., Gindy N., Fox K., Unaune I., Process monitoring to assist the workpiece surface quality in machining, Machine Tools and Manufacture, nr 44/2004, 1091-1108. [3] Byrn G., Dornfeld D., Denkena B., Advancing Cutting Technology, Annals of the CIRP, nr 52/2/2003. [4] Choudhoury I.A., El-Baradic M.A., Machinability of nickel-base super alloys: a general review, Materials Processing Technology, nr 77/1998, 278-284. [5] Ezugwu E.O., Key improvements in the machining of difficult-to-cut aerospace superalloys, Machine Tools & Manufacture, nr 45/2005, 1353-1367. [6] E z u g w u E.O., Wang Z.M., Machado A.R., The machinability of the nickel-based alloys. A review, Materials Processing Technology, nr 89/1999, 1-16. [7] Grzesik W., Kierunki rozwoju obróbki skrawaniem, Inżynieria Maszyn, R. 6, z. 2/2001. [8] Jawaid A., Koksal S., Sharif S., Cutting performance and wear characteristics of PVD coated and uncoated carbide tools in face milling Inconel 718 aerospace alloy, Materials Processing Technology, nr 116/2001, 2-9. [9] Konig W., Gerschwiler K., Machining nickel-based superalloys, Manuf. Eng. t. 122, nr 3/1999, 102, 104, 106, 108. [10] MTU Aero Engine Materials, http://www.mtu.de/de/. [11] N a r u t a k i N., Y a m a n e Y., Machining of difficult-to-cut materials, Int. J. of Japan Soc. Prec. Eng., t. 27, nr 4, 1993, 307-310. [12] N g E.G., A s p i n w a l l D.K., B r a z i l D., M o n a g h a m J., Modelling of temperature and forces when orthogonally machining hardened steel, Machine Tools and Manufacture, nr 39/1999, 885-903. [13] SANDVIK Coromant Application Guide, Aerospace Engine, 2004. [14] User s Manual of AdvantEdge v5.6 machining simulation software, Minneapolis, MN, 2010. [15] Oczoś K., Postęp w obróbce skrawaniem. II. Obróbka na sucho i ze zminimalizowanym smarowaniem, Mechanik, z. 5 6/1998, 307. [16] Oczoś K., Postęp w obróbce skrawaniem. I. Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining), Mechanik, z. 3/1998, 109-124. [17] Oczoś K., Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów. Cz. I. Obróbka skrawaniem, Mechanik, z. 8 9/2002, 537. [18] Oczoś K., Postęp w obróbce skrawaniem. III. Obróbka materiałów twardych i utwardzonych, Mechanik, z. 7/1998, 419-426.