DOI: 10.17814/mehnik.2015.8-9.425 Dr hb. inż. Jnusz CIELOSZYK, dr inż. Krzyszto CHMIELEWSKI, (Zhodnioomorski Uniwersytet Tehnologizny): MODEL ZUŻYCIA PŁYTEK OBROTOWYCH NOŻY Z OSTRZEM SAMOOBROTOWYM SPRT W OBRÓBCE MATERIAŁÓW UTWARDZONYCH Streszzenie Zrezentowno wyniki bdń zużyi i trwłośi nrzędzi tyu SPRT (sel-roelled rotry tools) zstosownego do obróbki uleszonej ielnie stli X20Cr13 o twrdośi 40 42 HRC i stli 100 Cr6 (d. ŁH15) o twrdośi 50 52 HRC. N odstwie bdń zużyi ostrzy łytek skrwjąyh obrotowyh wykonnyh według lnu qusi D-otymlnego orowno zleżnośi regresyjne oisująe zużyie łytek w unkji zsu skrwni. Do oisu zleżnośi zużyi ostrzy n owierzhni rzyłożeni w unkji zsu rzyjęto model mtemtyzny wykłdnizy, którego wsółzynniki wyznzono doświdzlnie bądź metodmi regresji nieliniowej z wykorzystniem orogrmowni STATISTICA. N odstwie nlizy wyznzonyh ojedynzyh modeli zużyi, które dobrze odzwieriedlły rzebiegi zużyi, rzyjęto ogólną ostć modelu. Jest on zgodny z dnymi doświdzlnymi w tkim stoniu, że możn go wykorzystć do rognozowni wrtośi zużyi ostrzy łytek obrotowyh w unkji zsu. Model ndje się do oblizni trwłośi ostrzy łytek obrotowyh dl różnyh wrtośi kryteriów stęieni. Wyniki bdń mogą być wżnym źródłem inormji dl tehnologów zinteresownyh niekonwenjonlnymi nrzędzimi RT (rotry tools). Słow kluzowe: nrzędzi SPRT, trwłość, zużyie, model THE WEAR MODEL OF ROTARY INSERTS OF KNIVES WITH SELF-PROPELLED ROTARY BLADE (SPRT) IN MACHINING OF HARDENED MATERIALS Abstrt The study resents the results o wer nd endurne tests o SPRT (sel-roelled rotry tool) used or mhining o thermlly imroved X20Cr13 steel with hrdness o 40 42 HRC nd 100 Cr6 (ormerly ŁH15) steel with hrdness o 50 52 HRC. On the bsis o wer tests o rotry utting insert bldes, mde ording to the qusi D-otiml design, regression orreltions desribing the wer o inserts s untion o utting time were develoed. To desribe the orreltion o blde wer on the ontt sure s untion o time, mthemtil exonentil model ws ssumed; the oeiients thereo were determined exerimentlly or through non-liner regression methods using the STATISTICA sotwre. On the bsis o nlysis o the determined individul wer models, whih hd releted well the ourses o wer, generl orm o the model ws ssumed. It onorms with the exerimentl dt to n extent tht it n be used to redit wer vlues o rotry insert bldes s untion o time. The model is suitble or lultions o endurne o rotry insert bldes or vrious dulling riteri vlues. The test results my be n imortnt soure o inormtion or tehnologists interested in unonventionl RT (rotry tools). Keywords: sel-roelled rotry tools, endurne, wer, model 177
MODEL ZUŻYCIA NOŻY Z OSTRZEM SAMOOBROTOWYM W OBRÓBCE MATERIAŁU UTWARDZONEGO Jnusz CIELOSZYK 1, Krzyszto CHMIELEWSKI 2 1. WSTĘP Zużyie i trwłość są jednym z njwżniejszyh zynników deydująyh o wyborze i eektywnym zstosowniu nrzędzi w dowolnym roesie obróbki. Otymlny dobór rmetrów obróbki może być zrelizowny tylko dzięki znjomość zużyi i trwłośi nrzędzi określonego njleiej dekwtnymi modelmi mtemtyznymi. Zgdnieni te stją się tym brdziej istotne i trudne w relizji (odobnie jk dl ) b) Rys. 1. Nóż SPRT w imku nrzędziowy tokrki (), widok strey skrwni (b) klsyznyh sosobów skrwni), gdy dotyzą jeszze mniej oznnej, niekonwenjonlnej metody tozeni nrzędzimi z ostrzmi obrotowymi (RT Rotry Tools) [1,2]. Ostrze tkiego nrzędzi (rys.1) whodzi do ry kolejnymi rgmentmi łego obwodu łytki zdeterminownymi rzez rzyjętą głębokość skrwni i osuw, w sosób iągły i brdziej stbilny niż n rzykłd kolejne ostrz rezu w roesie rezowni zy rezotozeni (rys.1b). Wyniki r doświdzlnyh dotyząyh nrzędzi RT row- 1 Instytut Tehnologii Mehniznej, Wydził Inżynierii Mehniznej i Mehtroniki, Zhodnioomorski Uniwersytet Tehnologizny, Al. Pistów 19, 70-310 Szzein 178
dzonyh w krju i n świeie [2,3,4,5,6] wskzują n otrzebę ori tkih bdń n klsyznyh geometryznyh kryterih zużyi i trwłośi nrzędzi rejestrownyh n owierzhni ntri (krter) i rzyłożeni ostrz (strie), rzy zym zużyie owierzhni rzyłożeni wydje się zęśiej stosownym i rzydtniejszym w nlizh orównwzyh wyników zzerniętyh z różnyh r [3,4,5,6]. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE W rmh rowdzonyh bdń wykonno róby zużyi i trwłośi ostrzy obrotowyh dl nrzędzi tokrskih (SPRT Sel-roelled Rotry Tools) irmy Mitsubishi tyu RRSDR/3232P12 z łytką okrągłą RDGH120400-M4 TF15 o średniy φ=12,7 mm, kąie ohyleni osi obrotu do łszzyzny odstwowej P r λ=57,8, kątmi ntri γ =γ = -24. Trzonek noż ustwiony był rostodle do owierzhni obrbinej, ierwszy unkt styku krwędzi ostrz z mteriłem obrbinym n wysokośi osi tozonego włk (rys.1). Mterił bdnyh ostrzy to węglik siekny tyu TF15 z gruy zstosowń ISO S20. Obróbe oddno zewnętrzne owierzhnie wlowe włków o średnih od 100 do 130 mm wykonnyh ze stli nierdzewnej X20Cr13 uleszonej ielnie do twrdośi 40 42 HRC. Minimlne średnie obrbinyh włków, moownie nrzędzi i obrbirkę rzyjęto dl zhowni wymgnej dużej sztywnośi ukłdu OUPN. Obróbkę rzerowdzono n tokre sterownej numeryznie TUR50CNC ze sterowniem Sinumerik 810T, z bezstoniową zminą rędkośi obrotowej wrzeion. W elu usrwnieni rzebiegu doświdzeń rzygotowny zostł rogrm sterująy wykorzystująy tehnikę rogrmowni rmetryznego. Zkres zmiennośi rmetrów skrwni określono n odstwie bdń wstęnyh skrwni owierzhni zołowyh i wlowyh z rmetrmi skrwni: v =100 215 m/min, = 0,15 0,40 mm/obr, = 0,1 0,5 mm. Ostteznie obszr rzyjętyh do bdń rmetrów dl tozeni owierzhni wlowej zostł ogrnizony orzez usunięie kombinji rmetrów skrwni leżąyh w obliżu skojrzeń njwiększyh wrtośi rmetrów v mx, mx, mx. W owstłym w ten sosób nieregulrnym obszrze rmetrów tehnologiznyh wygenerowno ln bdń qusi D otymlny zkłdją, że trwłość nrzędzi w unkji rmetrów skrwni będzie oisn trdyyjną zleżnośią: T = C T v s u e (1) gdzie: C T stł uwzględniją wrunki obróbki, s, u, e wykłdniki uwzględnijąe odowiednio wływ rędkośi skrwni v, osuwu, głębokośi skrwni. 179
Orowny, z wykorzystniem roedury generowni lnów doświdzeń otymlnyh kietu orogrmowni STATISTICA, ln bdń rzedstwiono w tbeli 1. Do obserwji stnu ostrz skrwjąego orz omirów wskźników zużyi wykorzystywno mikrosko wrszttowy orz orwkę ustljąą ołożenie łytki skrwjąej. Obserwj dotyzył krwędzi skrwjąej, owierzhni ntri Tbel 1. Pln qusi D-otymlny w bdnih trwłośi Punktu v [m/min] [mm/obr] [mm] lnu 1 2 3 4 5 6 215 100 100 215 100 100 0,15 0,40 0,15 0,25 0,15 0,40 0,50 0,50 0,50 0,10 0,10 0,10 i owierzhni rzyłożeni ostrz. Dl wybrnyh rób skrwni szzegóły strey zużyi ostrz oenino również z omoą mikroskou elektronowego. Pomirów zużyi n owierzhni rzyłożeni dokonywno w ztereh miejsh równomiernie rozłożonyh n obwodzie łytki skrwjąej. Jko wynik omiru zużyi odwno średnią z zrejestrownyh wrtośi VB B. N wykresh (rys. 2) okzno w osti unktów wyniki omirów średnih wrtośi stri n owierzhni rzyłożeni VB B tworząyh obrz rzebiegu zużyi ostrz łytki obrotowej w zsie skrwni z rmetrmi v =215 m/min, r =0,15 mm/obr, = 0,5 mm (unkt nr 1 lnu, wg tb.1) orz v =100 m/min, r =0,40 mm/obr, =0,1 mm (unkt nr 6 lnu, wg tb. 1). ) b) Rys. 2. Zużyie VB B ostrz dl rmetrów skrwni, ) v = 215 m/m, r =0,15 mm/obr, =0,5 mm b) v =100 m/min, r =0,40 mm/obr, =0,1 mm 2.1. MODEL ZUŻYCIA OSTRZY PŁYTEK OBROTOWYCH NOŻA SPRT N odstwie bdń zużyi ostrz łytek skrwjąyh obrotowyh wykonnyh wg lnu qusi D-otymlnego rzedstwionego w tbeli 1 orowno zleżnośi 180
regresyjne oisująe zużyie ostrz w unkji zsu skrwni. Ostrz łytek skrwjąyh obrotowyh zużywją się głównie n owierzhni rzyłożeni. Zużyie w osti stri VB jest dość równomierne n obwodzie łytki (rys.3). Dltego rzyjęto, że jest to wrtość VB B nie VB Bmx N owierzhni ntri tworzy się łytki żłobek n krwędzi skrwjąej szereg drobnyh wyszzerbień (rys.4). ) b) ) b) ) VB B ) d) VB B d) Rys. 3. Powierzhni rzyłożeni: ) łytki nowej, b) hrkterystyzne zużyie w obliżu krwędzi skrwjąej, ) obrz stereometryzny strey zużyi owierzhni rzyłożeni (ow. x50), d) (ow. x150), (v =100 m/min, =0,15 mm/obr, =0,1 mm): Rys.4. Powierzhni ntri: ) łytki nowej, b) obrz z hrkterystyznym zużyiem w obliżu krwędzi skrwjąej, ) obrz stereometryzny strey zużyi owierzhni ntri (ow. x50), d) (ow. x150) (v =100 m/min, = 0,15 mm/obr, =0,1 mm): Do oisu zleżnośi zużyi ostrz n owierzhni rzyłożeni VB B w unkji zsu rzyjęto model mtemtyzny wykłdnizy o osti: m VB B = t (2) gdzie: VB B zużyie śierne owierzhni rzyłożeni, t zs skrwni,, m wsółzynniki modelu. 181
Wsółzynniki modelu orz ozostłe sttystyki oblizono metodmi nlizy regresji nieliniowej wykorzystują kiet orogrmowni STATISTICA. Szzegółowe wyniki oblizonyh modeli dl rzykłdowego unktu lnu bdń zmieszzono w tbeli 2. N rysunku 2 rzedstwiono wykresy (w osti linii) wyznzonyh modeli zużyi n tle dnyh doświdzlnyh w oszzególnyh unkth lnu bdń. Tbel 2. Przykłdowe wyniki estymji wsółzynników modelu zużyi ostrz łytki dl rmetrów skrwni: v =215 m/min, =0,15 mm/obr, =0,5 mm Udził zmiennośi objśnionej R2 =0,97190873, R=0,98585431, Poziom unośi: 0,95 Wsółzynnik Oen Błąd Wrt. t oziom Doln. u Górn. U 0,067245 0,007457 9,01812 0,000000 0,051352 0,083139 m 0,701065 0,060224 11,64094 0,000000 0,572701 0,829430 Wyestymowne wsółzynniki i m są istotne sttystyznie, oziom rwdoodobieństw wystąieni sttystyki testowej t dl obu wsółzynników jest znznie mniejszy od rzyjętego oziomu istotnośi α=0,05. Zleżność jest dobrze dosown do dnyh doświdzlnyh, udził zmiennośi objśnionej jest wysoki i wynosi R2 =0,97190873. Wyestymown zleżność m ostć: ˆ 0,701065 VB B = 0,067245 t (3) Wyznzone modele zużyi oisują rzebieg zużyi ostrz obrotowego n owierzhni rzyłożeni VB B dl oszzególnyh zestwów rmetrów skrwni. Mogą one ztem służyć do rognozowni zużyi i trwłośi ostrz jedynie dl tyh wrtośi rmetrów skrwni dl któryh zostły określone (są to tzw. zleżnośi wrunkowe). Aby rognozowć zużyie ostrz dl innyh rmetrów skrwni nleży wyznzyć model ogólny oisująy zużyie ostrz obrotowego w unkji zsu i rmetrów skrwni: VB = B (v,,, t) (4) N odstwie nlizy wyznzonyh ojedynzyh modeli zużyi, biorą od uwgę, że dobrze odzwieriedlją one rzebieg zużyi, rzyjęto ogólną ostć modelu zużyi ostrz: M VB = C t (5) Gdzie wsółzynniki C i M są unkjmi rmetrów skrwni: B 182
C = (v,, ) (6) M = (v,, ) (7) N odstwie nlizy zmiennośi wsółzynników w modelh ojedynzyh (rzykłdowy model wzór 5) określono ostie jkośiowe wzorów 6 i 7 jko: C 3 2 = 1 ( v ) + b1 ( v ) + 1 ( v ) + d1 (8) M 2 s l k = v (9) W oriu o wyniki wszystkih bdń doświdzlnyh zużyi wykonnyh według lnu z tbeli 1 wyestymowno model ogólny zużyi w osti równni regresji: VB ˆ B = ( 0,00080 ( v 0,019117 v + 0,087004) t ) 3 + 0,002525 ( v 0,880703 0,386298 0,389307 2 ) 0,021766 ( v ) + (10) Udził zmiennośi objśnionej rzez wyestymowną zleżność wynosi R2 =0,90812, o świdzy o dobrym jej dosowniu do dnyh doświdzlnyh. N rysunku 5 rzedstwiono rzykłdowe rzebiegi wyestymownej unkji modelu ) b) Rys. 5. Model ogólny zużyi VB B ostrz łytki dl rmetrów skrwni, ) v =100 m/min, =0,15 mm/obr, =0,5 mm b) v =100 m/min, =0,15 mm/obr, =0,1 mm 183
ogólnego zużyi n tle dnyh doświdzlnyh zużyi owierzhni rzyłożeni VB B w oszzególnyh unkth lnu Tbel 3. Rzezywist trwłość ostrz łytek obrotowyh dl różnyh wrtośi kryterium stęieni Nr unktu lnu Trwłość rzezywist [min] VB B =0,15 VB B =0,20 VB B =0,25 VB B =0,30 1 2,50 4,50 6,70 7,88 2 28,0 48,0 76,14 92,33 3 50,4 104,0 155,9 217,1 4 26,5 39,0 55,49 65,56 5 48,4 264,7 835,0 920,58 6 91,7 225,4 481,9 512,3 Tbel 4. Prognozown trwłość ostrz łytek obrotowyh dl różnyh wrtośi kryterium stęieni n odstwie modelu ogólnego Nr unktu lnu Trwłość rognozown [min] VB B =0,15 VB B =0,20 VB B =0,25 VB B =0,30 1 3,37 4,84 6,41 8,06 2 27,31 43,80 63,42 85,95 3 45,25 92,09 159,79 250,68 4 21,69 37,83 58,24 82,85 5 70,27 265,56 744,74 1729,5 6 97,94 243,36 493,0 877,70 ln T = ln C + s ln v + u ln + eln T bdń. Z rzedstwionyh n rys. 5 wykresów i zgromdzonyh dnyh wynik, że w zkresie wrtośi zużyi VB B od 0,1 do 0,25 mm dosownie modelu ogólnego zużyi owierzhni rzyłożeni ostrzy łytek obrotowyh do dnyh doświdzlnyh jest dobre. Njwiększ różni między wrtośimi zobserwownymi i rognozownymi VB B (oblizonymi z wyznzonej zleżnośi (tb.3)) w oszzególnyh rzydkh nie rzekrz 10%. Stąd możn wnioskowć, że roonowny model jest zgodny z dnymi doświdzlnymi w stoniu wystrzjąym, by możn go wykorzystywć do rognozowni wrtośi zużyi ostrz łytek obrotowyh w unkji zsu. Może być również wykorzystny do oblizeni trwłośi ostrz łytek obrotowyh dl różnyh wrtośi zużyi owierzhni rzyłożeni VB B (różne kryteri stęieni, tbel 4). Wsółzynniki zleżnośi n trwłość nrzędzi (1) oblizono wykorzystują roedurę estymji regresji liniowej rogrmu STATISTICA. W tym elu rzeksztłono zleżność (1) do osti liniowej: Z nlizy sttystyznej wynik, że wyestymown zleżność jest istotn sttystyznie orz wszystkie wsółzynniki są istotne. Stoień dosowni zleżnośi do dnyh doświdzlnyh jest brdzo dobry, wsółzynnik determinji R 2 = 0,98396680. Po odstwieniu oblizonyh wsółzynników do zleżnośi (1) uzyskno nstęująą ostć zleżnośi oisująej trwłość ostrz łytek obrotowyh noż SPRT w unkji tehnologiznyh rmetrów skrwni: (11) 184
Tˆ v 3,60083 0,46667 1,29138 = 314527513,417 (12) Z zleżnośi (12) wynik, że njwiększy wływ n trwłość ostrz obrotowego wywier rędkość skrwni, mniejszy wływ m głębokość skrwni, brdzo mły (n grniy nieistotnośi) osuw. 3. WNIOSKI Pre rowdzone w temtye zużyi i trwłośi nrzędzi RT wydją się niezwykle wżnym uzuełnieniem brkująyh inormji w obszrze oznwzym i utylitrnym. W dostęnyh zleenih wrunków obróbki łytkmi okrągłymi nie m żdnyh dnyh n temt trwłośi ih krwędzi skrwjąyh w wrunkh ry nrzędzimi RT. W rzydku obróbki z zroonownymi w lnie bdń rmetrmi jest możliwość uzyskni okresów trwłośi ostrz gwrntująego iągłą obróbkę nwet długih włków n łej długośi. Oeniją eektywność stosowni ostrzy okrągłyh w nrzędzih RT i konwenjonlnyh, nleży uwzględnić kt, że ostrze okrągłe nrzędzi konwenjonlnego dje możliwość kilkukrotnego rzestwini kątowego wkłdki, o zewni uzysknie żywotnośi ostrz równej sumie trwłośi w kolejnyh ołożenih. W rzydku bdnyh nrzędzi trwłość ostrz T jest równowżn z jego żywotnośią. W dlszyh rh obok modeli zużyi i trwłośi o odobnym hrkterze jk dl nrzędzi klsyznyh, wżnym wydje się orownie relji ozwljąyh n rktyzne rzeliznie trwłośi klsyznego ostrz (rgmentu obwodu łytki) n trwłośi łego obwodu łytki wykorzystywnej w zsie ry nrzędzi RT. LITERATURA [1] Chmielewski K., Cieloszyk J., Zsd M., Nrzędzi z obrotowymi łytkmi skrwjąymi możliwośi tehnologizne i eekty stosowni, Konerenj nukowo-tehnizn TPP 2006, Komisji Budowy Mszyn PAN, Politehnik Poznńsk, Poznń 2006, s. 85-92. [2] Chmielewski K., Cieloszyk J., Wływ średniy łytki n trwłość nrzędzi z obrotowymi ostrzmi skrwjąymi, Obróbk skrwniem -interkj roes-obrbirk od redkją Pwł Twrdowskiego, Wydwnitwo Politehniki Poznńskiej, Poznń 2013 s. 340-347. [3] Lei S. W., Liu: High-seed mhining o titnium lloys using the driven rotry tool, Interntionl Journl o Mhine Tools & Mnuture, Vol.42, 2002,. 653-661. [4] Ezugwu E.O., Oljire K.A. nd Wng Z.M.: Wer evlution o sel-roelled rotry tool when mhining titnium IMI 318 lloy, Pro. o the Institution o Meh. Eng. Vol. 216, 2002,.891-897. [5] Kishwy H. A., Gerber A. G.: Chrteristis o Het Trnser During Mhining With Rotry Tools, Journl o Mnuturing Siene nd Engineering, Vol. 126, 2004,. 404-407. [6] Kishwy H. A., Beze C.E., MIntosh G.G.: Tool erormne nd ttinble sure qulity durning the mhining o erose lloys using sel-roelled rotry tools. Journl o Mterils roessing tehnology, Vol.152, 2004,. 266-271. 185