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 29 HUBERT LATO, WITOLD ROZWADOWSKI, ROBERT POLASIK TOCZENIE SKO NE STALI OSTRZEM SPECJALNYM Z DWIEMA KRAW DZIAMI SKRAWAJ CYMI W artykule porównano rezultaty toczenia ostrzem tzw. skojarzonym i ostrzem tradycyjnym. Ostrze skojarzone ma dwie kraw dzie skrawaj ce i dwie odr bne powierzchnie natarcia, po których podczas skrawania sp ywaj dwa ró ne wióry, przy czym powierzchnia obrobiona kszta towana by a skrawaniem sko nym. Przy sta ej pr dko ci skrawania v c = 75 m/min, na sucho i z ciecz obróbkow, toczono próbki ze stali C45 mocowane w przyrz dzie tokarskim. Dla posuwów,19,,45 i,75 mm/obr mierzono parametry chropowato ci obrobionej powierzchni oraz sk adowe si y ca kowitej. Parametr Ra powierzchni obrobionej ostrzami skojarzonymi zawiera si w przedziale,2,54 m, za ostrzami tradycyjnymi w przedziale 1,16 14, m. Z pozosta ych czynników wyra ne ró nice wyst powa y tylko w warto ciach si y posuwowej, na korzy skrawania ostrzem skojarzonym. S owa kluczowe: sko ne skrawanie, chropowato powierzchni, sk adowe si y ca kowitej 1. WPROWADZENIE Istota omawianego skrawania polega na tym, e do konwencjonalnych ostrzy wprowadza si cz jednokraw dziow nie wi ksz ni cz odpowiadaj ca kraw dzi skrawaj cej o promieniu r, pozosta a cz ostrza jest taka jak obecnie powszechnie stosowana [1]. Dwie niezale ne powierzchnie natarcia s konieczne, aby zapewni niezb dn warto k ta ostrza n, a to z kolei powinno zapewni niezb dn wytrzyma o ostrza. Omawiane ostrza mog si przyczyni do zwi kszenia wydajno ci obróbki wyko czeniowej dzi ki stosowaniu wi kszych posuwów przy zachowaniu tej samej chropowato ci. Wznios z rys. 1 zapewnia rozgraniczenie obszaru powstawania dwóch wiórów oraz skrawania quasi-ortogonalnego od sko nego. Na skrawanie sko ne pozostaje niewielki Prof. dr hab. in. Wydzia Mechaniczny Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego Dr in. w Bydgoszczy. Praca naukowa finansowana przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wy szego ze rodków na nauk w latach 27-29 jako projekt badawczy w asny nr N 53 9 32/1572.
32 H. Lato, W. Rozwadowski, R. Polasik naddatek a pii, uzale niony od rednicy obrobionej i k ta s, co przedstawiono na rys. 2. Z rysunku 2 wynika, e gdy ma e s naddatki na skrawanie sko ne i ma e rednice, to wznios mie ci si w zakresie warto ci, które nie powinny wywo- ywa znacznego wzrostu sk adowej odporowej si y ca kowitej. Przy wi kszych rednicach i naddatkach na cz wyko czeniow ostrza wznios wzrasta do znacznych warto ci. Rys. 1. Przyk ady ostrzy skojarzonych przeznaczonych do sko nego skrawania [1]: a kraw d skrawaj ca cz ci jednokraw dziowej ostrza, b kraw d skrawaj ca cz ci tradycyjnej ostrza, c powierzchnia natarcia ostrza jednokraw dziowego, d powierzchnia natarcia ostrza tradycyjnego Fig. 1. Associate tool point examples for oblique cutting [1]: a cutting edge of rectilinear tool point part, b cutting edge of traditional tool point part, c rectilinear tool point rake face, d traditional tool point rake face, mm mm 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 d, mm d, mm 1 11 12 13 14 15 16 a pii, mm 1.,9,8,7,6,5,4,3,25,2.15,1 Rys. 2. Zale no naddatku a pii na wyko czeniowe sko ne skrawanie od wzniosu i rednicy obrobionej d dla s = 45 Fig. 2. Height vs. machined diameter d and finishing oblique cutting allowance a pii for s = 45,5
Toczenie sko ne stali ostrzem specjalnym z dwiema kraw dziami skrawaj cymi 33 2. CEL I ZAKRES BADA Celem prezentowanych bada by a weryfikacja zalet sko nego skrawania [1 9] ostrzami skojarzonymi podczas toczenia powierzchni zewn trznych na sucho i z u yciem p ynu obróbkowego. W celach porównawczych ostrzami konwencjonalnymi skrawano stal C45. Porównywano parametry chropowato ci obrobionej powierzchni i sk adowe si y ca kowitej wyst puj ce podczas toczenia ostrzami z w glików spiekanych o dwóch odmianach kszta tu. G ównym parametrem zmiennym by posuw. Okre lano nast puj ce parametry chropowato ci obrobionej powierzchni: Ra, Rz, Rt, Rk, Rp, Rq, Pt, Rpk*, Rpk, Rvk, Rvk* oraz sk adowe si y ca kowitej: F c, F p, F f, a ponadto obserwowano i archiwizowano powstaj ce wióry. Stosowano ostrza skojarzone z dwiema powierzchniami natarcia i ostrza handlowe o r =,8 mm. Ostrzami handlowymi by y p ytki TNMM 1648 S3S. Wszystkie badane ostrza mocowano w tej samej oprawce typ PTTNR produkcji PAFANA. Ostrza skojarzone do sko nego skrawania kszta towano we w asnym zakresie na ostrzarce do narz dzi firmy Aghaton z u yciem ciernic z nasypem diamentowym (rys. 1). Toczenie badano na tokarce uniwersalnej TUD-5 (produkcji polskiej) w dobrym stanie technicznym, o sterowaniu konwencjonalnym. Do pomiaru parametrów chropowato ci obrobionej powierzchni i rejestracji profilogramów wykorzystano profilografometr T2 fimy Hommelwerke (2D). Sk adowe si y ca kowitej mierzono za pomoc si omierza typ 9257B firmy Kistler. Próbki materia u obrabianego mia y wymiary 25 25 1, dogodne do bada stanu powierzchni obrobionej. Mocowano je w przyrz dzie, aby zapewni potrzebn rednic toczenia. Dla zmniejszenia uderzenia podczas wej cia ostrza w materia obrabiany próbki fazowano pod k tem 2 do stycznej do powierzchni obrobionej. Na skrawanie ostrzami skojarzonymi znacz cy wp yw wywiera zarówno sposób ostrzenia, jak i ustawienie skraju kraw dzi skrawaj cej do skrawania quasi- -ortogonalnego ponad o przedmiotu obrabianego. S dwa zasadnicze sposoby ustawienia ostrzy do sko nego skrawania: zachowanie okre lonego wzniosu naro a ostrza ponad wzniosem osi k ów tokarki z jednoczesnym zapewnieniem równoleg o ci rzutu kraw dzi do sko nego skrawania na p aszczyzn P r do osi obrotu powierzchni toczonej; wtedy rn = ; przyj cie wzniosu =, aby naro e ostrza by o (tradycyjnie) w osi k ów tokarki, a w a ciwe ustawienie uzyska przez wprowadzenie ujemnego pomocniczego k ta przystawienia rn. W badaniach stosowano drugi sposób ustawienia ostrzy, a wi c wznios =, mm. Pozosta e wielko ci sta e to: rednica toczenia d = 11 mm, n = 227 obr/min (v c = 78 m/min), a p = 1, mm. Geometria ostrza do sko nego
34 H. Lato, W. Rozwadowski, R. Polasik skrawania w uk adzie technologicznym p ytki by a nast puj ca: s = 45, p = 4, rt = 7. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Przyk ady profilogramów powierzchni obrobionych pokazano na rys. 3, a w tablicach 1 i 2 zestawiono wyniki pomiarów parametrów chropowato ci powierzchni obrobionej badanymi ostrzami. Dla zobrazowania ró nic pomi dzy skrawaniem ostrzami skojarzonymi i handlowymi oraz toczeniem na sucho i z p ynem obróbkowym niektóre wyniki z tablicy 1 i 2 przedstawiono na rys. 4 8. Rys. 3. Profilogramy powierzchni obrobionych Fig. 3. Machined surface profilograms
Toczenie sko ne stali ostrzem specjalnym z dwiema kraw dziami skrawaj cymi 35 Tablica 1 Warto ci parametrów chropowato ci powierzchni toczonej na sucho w zale no ci od posuwu f [mm/obr] Feedrate in mm per rev. influence on roughness parameters values of dry machined surface Nr pr. f Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk Rvk* Ostrze skojarzone 113,19,21 1,49 2,12,75,94,27 3,53,6,32,25,85 114,47,2 1,37 1,8,75,87,25 4,79,51,28,3,65 115,75,42 2,44 4,48 1,17 3,16,59 11,3 2,47 1,7,62,96 P ytka handlowa TNMM1648 116,19 1,16 6,21 8,14 4,1 4,32 1,41 1,95 2,7 1,3 1,5 2,36 117,47 6,3 29,2 3,7 8,3 21,6 7,6 39,2 21,2 17,6 1,5 2, 118,75 13,8 62,1 67,4 15,3 51,7 17,1 1,3 56,4 44,8,2,3 Ostrze skojarzone, obróbka na sucho Warto Warto ci parametrów, m um 15 1 5 Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk Rvk* Parametry chropowato ci f=,19 f=,47 f=,75 Ostrze skojarzone, obróbka z ch odzeniem Warto ci Warto parametrów, um m 8 6 4 2 Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk Rvk* f=,19 f=,47 f=,75 Parametry chropowato ci Rys. 4. Wp yw posuwu f ostrza skojarzonego ( p = 4, r p = 7 ) na chropowato powierzchni Fig. 4. Machining feedrate f influence on roughness parameters, using monolithic associative tool points for oblique cutting ( p = 4, r p = 7 )
36 H. Lato, W. Rozwadowski, R. Polasik Tablica 2 Warto ci parametrów chropowato ci powierzchni toczonej z ciecz obróbkow w zale no ci od posuwu f [mm/obr] Feedrate in mm per rev. influence on roughness parameters values of surface machined with coolant Nr pr. f Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk Rvk* Ostrze skojarzone 119,19,21 1,54 2,4,74,93,27 4,14,59,31,26,77 12,47,24 1,72 2,27,87 1,8,31 4,41,6,3,41,91 121,75,54 3,29 4,28 1,76 2,58,71 6,42 1,71 1,7,52,93 P ytka handlowa TNMM1648 122,19 1,64 8,2 9,53 5,34 5,52 1,99 13,41 3,28 2,2 1,8 1,36 123,47 8,6 34,5 35,3 14,7 23,8 1,1 48,3 21,7 17,6,1,1 124,75 14, 62,5 69,7 17,5 54, 17,2 16,5 59,4 42,1,, P ytka TNMM 1648, obróbka na sucho Warto ci Warto parametrów, m um 12 1 8 6 4 2 Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk f=,19 f=,47 f=,75 Parametry chropowato ci P ytka TNMM1648, obróbka z ch odzeniem Warto Warto ci parametrów, parametrów, m um 15 1 5 Ra Rz Rt Rk Rp Rq Pt Rpk* Rpk Rvk Rvk* Parametry chropowato ci f=,19 f=,47 f=,75 Rys. 5. Wp yw posuwu f p ytki TNMM 1648 na parametry chropowato ci powierzchni Fig. 5. Machining feedrate f influence on roughness parameters, for TNMM 1648 conventional insert
Toczenie sko ne stali ostrzem specjalnym z dwiema kraw dziami skrawaj cymi 37 Parametr Rz Parametr Ra 16 7 Warto Warto ci parametrów, parametru, um m 14 12 1 8 6 4 2,19,47,75 Posuw f, mm/obr A B C D Warto parametrów, m Warto ci parametru, um 6 5 4 3 2 1,19,47,75 Posuw f, mm/obr A B C D Rys. 6. Wp yw posuwu f na parametr Ra; A ostrze skojarzone, obróbka na sucho; B ostrze skojarzone, obróbka z ch odzeniem; C p ytka TNMM1648, obróbka na sucho; D p ytka TNMM1648, obróbka z ch odzeniem Fig. 6. Feedrate f influence on Ra roughness parameter values: A monolithic associative tool points for oblique cutting, dry machining; B monolithic associative tool points for oblique cutting, with coolant; C TNMM1648 insert, dry machining; D TNMM1648 insert, with coolant Rys. 7. Wp yw posuwu f na parametr Rz; A ostrze skojarzone, obróbka na sucho; B ostrze skojarzone, obróbka z ch odzeniem; C p ytka TNMM1648, obróbka na sucho; D p ytka TNMM1648, obróbka z ch odzeniem Fig. 7. Feedrate f influence on Rz roughness parameter values: A monolithic associative tool points for oblique cutting, dry machining; B monolithic associative tool points for oblique cutting, with coolant; C TNMM1648 insert, dry machining; D TNMM1648 insert, with coolant Parametr Rt Rys. 8. Wp yw posuwu f na parametr Rt; A ostrze skojarzone, obróbka na sucho; B ostrze skojarzone, obróbka z ch odzeniem; C p ytka TNMM1648, obróbka na sucho; D p ytka TNMM1648, obróbka z ch odzeniem Fig. 8. Feedrate f influence on Rt roughness parameter values: A monolithic associative tool points for oblique cutting, dry machining; B monolithic associative tool points for oblique cutting, with coolant; C TNMM1648 insert, dry machining; D TNMM1648 insert, with coolant Warto parametrów, m Warto ci parametru, um 8 7 6 5 4 3 2 1,19,47,75 Posuw f, mm/obr A B C D Warto ci wszystkich prezentowanych parametrów chropowato ci powierzchni s znacznie mniejsze podczas skojarzonego skrawania sko nego ni podczas skrawania tradycyjnego, co jest podstawow zalet tego sposobu toczenia.
38 H. Lato, W. Rozwadowski, R. Polasik Wyniki pomiarów sk adowych si y skrawania zestawiono w tablicach 3 i 4. S to warto ci maksymalne sk adowych podczas kszta towania powierzchni obrobionej. Tablica 3 Sk adowe si y ca kowitej [N] podczas toczenia na sucho stali C45 ostrzem skojarzonym do sko nego skrawania: warto ci bezwzgl dne oraz w stosunku do toczenia ostrzem handlowym Components of C45 steel total cutting force in N. Machining conditions: monolithic associative tool points for oblique cutting, dry machining: absolute values, in relation to commercial turning tool Sk adowe si y ca kowitej (warto ci bezwzgl dne),19 f,47,75 Stosunek sk adowych si y ca kowitej w toczeniu ostrzem skojarzonym do tych sk adowych w toczeniu ostrzem tradycyjnym,19 f,47,75 rednia F cs 693 1176 1664 F cs /F c 1,16,93,96 1,2 F ps 356 566 817 F ps /F p 1,12,88,86,95 F fs 32 325 212 F fs /F f 1,19,63,46,76 F s 842 1345 1866 F s /F 1,15,89,7,91 Tablica 4 Sk adowe si y ca kowitej [N] podczas toczenia z ciecz stali C45 ostrzem skojarzonym do sko nego skrawania: warto ci bezwzgl dne oraz w stosunku do toczenia ostrzem handlowym Components of C45 steel total cutting force in N. Machining conditions: monolithic associative tool points for oblique cutting, with coolant: absolute values, in relation to commercial turning tool Sk adowe si y ca kowitej (warto ci bezwzgl dne),19 f,47,75 Stosunek sk adowych si y ca kowitej w toczeniu ostrzem skojarzonym do tych sk adowych w toczeniu ostrzem tradycyjnym,19 f,47,75 rednia F cs 634 118 1581 F cs /F c,98,83,85,89 F ps 337 512 795 F ps /F p,95,72,83,83 F fs 33 29 288 F fs /F f,99,55,5,68 F s 779 1255 1793 F s /F,91,84,92,91 Z tablic 3 i 4 wynika, e w wi kszo ci przypadków sko ne skojarzone skrawanie odbywa si z mniejszymi sk adowymi si y skrawania ni skrawanie ostrzami handlowymi. Wyj tek stanowi skrawanie na sucho ze stosunkowo ma- ym posuwem (,19). Dotyczy to tak e sk adowej F p wzrost jej warto ci podczas sko nego skrawania ostrzami jednokraw dziowymi by g ównym przeciwwskazaniem w szerszym stosowaniu tego skrawania. Prawdopodobnie w ostrzach skojarzonych jest to efekt skrawania tylko ostrzami o prostoliniowych kraw dziach skrawaj cych, podczas gdy ostrza handlowe maj krzywoli-
Toczenie sko ne stali ostrzem specjalnym z dwiema kraw dziami skrawaj cymi 39 niow kraw d skrawaj c. Sko ne skrawanie ograniczono tu do niezb dnego zakresu wymaganego do ukszta towania powierzchni obrobionej. P yn obróbkowy atwiej wnika do strefy skrawania podczas skrawania ostrzem skojarzonym. Jego oddzia ywanie przy stosowanej pr dko ci skrawania v c = 75 m/min by o niewielkie, ale pojawi a si tendencja do niewielkiego zmniejszenia si y ca kowitej i jej sk adowych, gdy stosowano ostrza skojarzone. Dla przyj tych warunków bada okre lono warto ci sk adowych si y skrawania: ostrze handlowe podczas skrawania na sucho: F p,51f c i F f,37f c, skrawania z ciecz obróbkow : F p,53f c i F f,39f c, ostrze skojarzone podczas skrawania sko nego na sucho: F p,5f c i F f,29f c, skrawania z ciecz obróbkow : F p,5f c i F f,3f c. Warto ci te wskazuj na ogóln zamienno stosowania badanych ostrzy. Wyra ne ró nice na korzy ostrzy skojarzonych wyst puj w warto ciach sk adowej posuwowej F f, co wynika z oddzia ywania sko nej powierzchni natarcia cz ci jednokraw dziowej ostrza. 4. PODSUMOWANIE Otrzymane wyniki i przeprowadzone analizy wykazuj, e podczas skrawania stali C45 w przyj tych warunkach stosowanie ostrzy skojarzonych z w glików spiekanych nie powoduje wzrostu si skrawania w stosunku do dotychczasowego toczenia wyko czeniowego, a jednocze nie w ca ym zakresie posuwów otrzymuje si znacznie mniejsz chropowato powierzchni. Poniewa istnieje mo liwo stosowania wi kszych posuwów, mo na zwi kszy wydajno toczenia wyko czeniowego. Badane ostrza umo liwiaj stosowanie k tów przystawienia takich jak w ostrzach tradycyjnych, co znacznie rozszerza mo liwo ci technologiczne sko nego skrawania. LITERATURA [1] Grzesik W., Podstawy skrawania materia ów metalowych, Warszawa, WNT 1998. [2] Grzesik W., Wp yw warunków toczenia no ami z prostoliniow kraw dzi na kszta towanie w asno ci warstwy wierzchniej, praca doktorska, Politechnika Wroc awska, Instytut Technologii Budowy Maszyn 1981. [3] Kawalec M., Obróbka na twardo materia ów metalowych, w: Konferencja Innowacyjne technologie w budowie maszyn, targi Innowacje Technologie Maszyny Polska, salon Mach Tool 25, Mi dzynarodowe Targi Pozna skie, Pozna 25, materia y na CD. [4] Lato H., Zastosowanie ostrzy o prostoliniowych kraw dziach do obróbki powierzchni kszta towych, Zeszyty Naukowe ATR w Bydgoszczy, 1978, z. nr 51, Mechanika nr 19, s. 17.
4 H. Lato, W. Rozwadowski, R. Polasik [5] Lato H., No e tokarskie o prostoliniowej kraw dzi bez naro y do toczenia dok adnego, w: III Ogólnokrajowa konferencja narz dziowa Rozwój narz dzi skrawaj cych i pomiarowych, Warszawa 198, s. 144 149. [6] Lato H., No e tokarskie o prostoliniowej kraw dzi bez naro y do toczenia dok adnego, Mechanik, 198, nr 12, s. 661 662. [7] Lato H., Miko ajczyk T., Badanie wp ywu k ta pochylenia kraw dzi skrawaj cej s na minimaln grubo warstwy skrawanej, Archiwum Technologii Budowy Maszyn, 199, z. 8, s. 417 423. [8] Lato H., Szczepaniak Z., Badanie mo liwo ci obni enia minimalnej grubo ci warstwy skrawanej podczas sko nego skrawania z du ymi k tami s, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 1993, nr 11, s. 199 25. [9] Wen D. H., Zheng L., Li Z. Z., Hu R. S., On the prediction of chip flow angle in non-free oblique cutting, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 24, vol. 218. [1] Zg oszenia patentowe: P-38548 PL, P-384231 PL. Praca wp yn a do Redakcji 16.3.29 Rezenzent: prof. dr hab. in. Mieczys aw Kawalec STEEL TURNING, USING ORIGINAL MONOLITHIC ASSOCIATIVE TOOL POINTS FOR OBLIQUE CUTTING S u m m a r y Turning results of traditional and oblique cutting tools were shown and compared in this paper. Oblique cutting tool points with two different major cutting edges and two separated rake faces connected them with different chip flow during machining was presented. Surface was finished by oblique-part of the tool. Turning conditions were: cutting speed v c = 75 m per min., with and without (dry) cooling, material of cutting part C45 steel, feedrate range from,19 to,75 mm per rev. Measured parameters: Ra roughness parameter and total cutting force components. Ra roughness parameter values, using monolithic associative tool points for oblique cutting machining were in range from,2 to,54 m and in range from 1,16 to 14, m using traditional, market inserts. Of all other factors only feedrate force component had different values depending on tool with the benefit of monolithic associative tool points for oblique cutting. Key words: oblique cutting, surface roughness, cutting force components