BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY FREZÓW DO ROWKÓW

BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY FREZÓW DO ROWKÓW

ZESZYTY
Nr 6
NAUKOWE
P OLI TECHNI KI
P OZNAŃSKIEJ
Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją
2007
MICHAŁ WIECZOROWSKI, ANNA MATUSIAK-SZARANIEC,
KAZIMIERZ WIECZOROWSKI
BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY FREZÓW DO ROWKÓW
WPUSTOWYCH
W artykule przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych wykonanych z węglika spiekanego pokrytych twardymi warstewkami. Badania zużycia prowadzono
w dwóch rodzajach operacji, tzn. przy frezowaniu rowków nieprzelotowych oraz przy frezowaniu
rowków z wejściem na czole wałka. Badania prowadzono na materiale utwardzonym w granicach
42÷44 HRC. Dla obu przypadków badań określono charakter zużycia ostrzy na czole i na powierzchni walcowej frezu. W artykule przedstawiono wykresy zużycia ostrzy frezu z węglika
spiekanego pokrytego TiN, TiAlN oraz TiAlCN. W pracy podano dla porównania wyniki badań
frezu palcowego z węglika spiekanego o zmodyfikowanej konstrukcji.
Słowa kluczowe: rowek wpustowy, frez palcowy, zużycie ostrzy
1. WSTĘP
Znaczna większość maszyn oraz urządzeń produkcyjnych i usługowych składa się z korpusu stanowiącego element zewnętrzny zespalający wszystkie zespoły i części funkcjonalne w jedną całość. W grupie zespołów umieszczonych wewnątrz korpusu na uwagę zasługują specyficzne mechanizmy napędowe. Mechanizmy te składają się z wałków i osi ułożyskowanych (osadzonych) w ścianach korpusów. Wałki z naciętym uzębieniem stanowią podstawowy element
mechanizmów napędowych – przekładni zębatych. Na wałkach uzębionych osadzane są koła zębate. Połączenie koła zębatego z wałkiem następuje poprzez klin
– wpust lub wielowypust. Współczesne maszyny i urządzenia wymagają od
przekładni zębatych przenoszenia dużych momentów obrotowych przy równocześnie dużej liczbie obrotów oraz przy możliwie najmniejszych gabarytach
przekładni z zachowaniem odpowiedniej cichobieżności. Zapewnienie wspomnianych warunków wytrzymałościowych i eksploatacyjnych elementów przekładni sprawia, że zarówno na koła zębate, a jak i na wałki uzębione stosowane
są specjalne stale do ulepszania cieplnego lub do obróbki cieplno-chemicznej.
Istotnym czynnikiem decydującym o stosowaniu tych stali jest oprócz wymagań
166
M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski
wytrzymałościowych, ukształtowanie określonej charakterystyki warstwy
wierzchniej. Wałki z materiałów tego typu po odkuciu i obróbce wstępnej obrabia się cieplnie lub cieplno-chemicznie najczęściej do twardości 40÷44 HRC. W
zakładach wytwórczych stosuje się też inne zalecane twardości wałków, mianowicie 34÷37 HRC. Wałki, na których ukształtowane jest uzębienie mają twardość niekiedy nawet do 52÷56 HRC.
W praktyce występuje pewna niewielka grupa wałków ze wspomnianych stali, w których po obróbce cieplnej wykonywane jest tylko szlifowanie dokładne
poszczególnych czopów. W przeważającej większości wałków występują na
powierzchniach walcowych rowki wpustowe, wielowypusty, gwinty drobnozwojne, otwory prostopadłe do osi wałka oraz ostatecznie kształtowane jest uzębienie.
2. WYKONYWANIE ROWKÓW WPUSTOWYCH FREZEM PALCOWYM
Najczęstsze połączenia wałka z kołem zębatym to znormalizowane połączenie wg PN/91/859092 typu A – rowek nieprzelotowy lub typu C – rowek z wejściem od powierzchni czołowej wałka.
Na rysunku 1 pokazano dwa sposoby wykonywania rowków wpustowych
frezem palcowym [1,8,11]. Rowki nieprzelotowe typu A frezuje się na specjalnej frezarce pracującej ruchem wahadłowym (rys. 1 A). Frez przemieszcza się w
rowku ruchem postępowo zwrotnym, a przy każdym nawrocie zagłębia się o
niewielką wartość – głębokość hDi. Wartość zagłębienia zależna jest od ukształtowania ostrzy na czole frezu palcowego i wynosi zazwyczaj (0,025÷0,08) mm.
Obróbka w tym systemie odbywa się automatycznie, aż do osiągnięcia pełnej
głębokości rowka hD.
Frezowanie rowków może odbywać się również na frezarce pionowej frezem
palcowym. W rozwiązaniu konstrukcyjnym, gdy rowek ma wejście od czoła
wałka (rys. 1B), frez ustawiony jest na „pełną” głębokość rowka hD. W tym położeniu frez przemieszcza się aż do skrajnego położenia posuwem fz wykonując
rowek. Niekiedy przy wykonywaniu rowków nieprzelotowych na końcach rowka wierci się jeden lub dwa otwory wiertłem o średnicy d1 mniejszej od szerokości rowka, i o głębokości b1 większej od głębokości rowka (rys. 1C). W tym
przypadku frez, zagłębiając się w wykonany otwór wiertłem powiększa go nieznacznie i po osiągnięciu pełnej głębokości rowka przemieszcza się do drugiego
skrajnego położenia posuwem wzdłużnym fz . Przedstawione sposoby wytwarzania rowków wpustowych determinują określony sposób zużycia frezów palcowych kształtujących omawiane rowki.
Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych
167
Rys. 1. Sposoby kształtowania rowków frezem palcowym: A – frezowanie rowka nieprzelotowego
metodą wahadłową, B – frezowanie rowka z wejściem od czoła wałka na pełną głębokość, C –
frezowanie rowka nieprzelotowego ze wstępnie wykonanym jednym lub dwoma otworami na
pełną głębokość, 1 – frez palcowy, 2 – wiertło, hD – głębokość rowka, hDi – grubość warstwy
skrawanej w jednym przejściu, De8 – średnica frezu, d1 – średnica wiertła, b1 – głębokość wiercenia
Fig. 1. Splineway shaping with slotting mill: A – milling of the closed splineway with oscillatory
method, B – milling of the splineway open at the shaft head, full depth, C – closed splineway
milling with previously drilled full-depth hole (or two holes), 1 – slotting mill, 2 – drill, hD splineway depth, hDi – removed layer thickness, De8 – mill diameter, d1 – drill diameter, b1 – depth of
drilling
3. ZUŻYCIE OSTRZY FREZÓW PALCOWYCH
Ja wynika z przedstawionych badań w niniejszej pracy, oraz z analizy charakteru obciążenia frezów palcowych, od lat zwracano uwagę na konieczność
zwiększenia ich odporności na zużycie [2, 3, 6, 13]. W tym aspekcie opracowano specjalne pokrycia, bardziej odporne na obciążenia ostrzy frezów palcowych
kształtujących rowki wpustowe i jednocześnie zapewniające wysoką dokładność
wykonywanych rowków [4, 5]. Zastosowane pokrycia sprawdzano urządzeniem
udostępnionym przez firmę ITA s.c. Zaawansowane Systemy Narzędziowe i
Pomiarowe. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezów
palcowych wykonanych z węglików spiekanych pokrytych trzema rodzajami
twardych warstewek. W planowaniu badań zużycia frezów wykorzystywano
statystyczne metody planowania doświadczeń. Badania zużycia frezów palcowych prowadzono przy wykonywaniu rowków wpustowych zamkniętych na
168
M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski
frezarce pracującej systemem wahadłowym (model 629A3).W każdym kolejnym przejściu frez zagłębiał się automatycznie o wartość hDi = 0,025 mm; zużycie ostrzy przebiegało w sposób następujący:
1) pokrycie ostrzy ulegało starciu najpierw przy powierzchni czołowej frezu oraz na
promieniu przejścia pomiędzy powierzchnią walcową i czołową,
2) w miarę zagłębiania się frezu w rowek wpustowy zużycie oddalało się od powierzchni czołowej; powiększanie to trwało tak długo, aż frez osiągnął pełną głębokość rowka VBL (rys. 2),
3) jednocześnie od czoła frezu warstewka pokrycia uległa całkowitemu starciu, w
procesie uczestniczył węglik spiekany stanowiący materiał podkładowy,
4) ostrza na powierzchni czołowej frezu uległy nieznacznemu starciu (0,6 mm),
5) najbardziej uszkodzone zostały ostrza na promieniu przejściowym, punkt P (rys.
3) pomiędzy walcową a czołową częścią frezu.
Rys. 2. Maksymalna szerokość pasma zużycia ostrzy frezu palcowego, dla ostrzy pokrytych TiN i
TiAlN oraz TiAlNC. A – zarys zużytego ostrza, B – kształt rowka wpustowego typ A wg PN.
Warunki badań: stal 45HNMF ulepszana cieplnie do twardości 40 ÷ 44 HRC, prędkość skrawania
vC = 168 m/min, posuw fz = 0,035 mm/ostrze, średnica frezu De8 = 8 mm, kąt linii śrubowej ostrzy
– 55° Przy doborze warunków badań korzystano z zaleceń podanych w pracach [9, 14]
Fig. 2. The maximal latitude of wear values of the slotting mill cutting edges covered with TiN,
TiAlN and Ti AlCN: A – profile of worn out cutting edge, B – shape of the splineway type A
according to Polish Standard (PN). Conditions of experiment: steel 45HNMF, quenched and tempered up to the hardness 40 ÷ 44 HRC, cutting speed vc – 168 m/min, feeding fz – 0,035 mm per
blade, mill diameter – 8 mm, angle of blades helical line – 55°. The conditions of investigations
are based on recommendations given in literature [9, 14]
Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych
169
W niektórych narożach ostrzy można było stwierdzić ubytek całych fragmentów ostrza na skutek wykruszeń. Problem ten związany jest z minimalną grubością warstwy skrawanej hD w punkcie P, [10] którą pokazano na rys. 3. Oceniając zużycie ostrzy na powierzchni walcowej frezu można stwierdzić, że krawędzie ostrza frezu ułożone na powierzchni walcowej po zużyciu ukształtowane są
na powierzchni stożkowej pod kątem α (rys. 2A). Największy ubytek średnicy
frezu DVB występuje od czoła, a najmniejszy w okolicy, która odpowiada powierzchni zewnętrznej rowka. Analizując otrzymane wyniki zużycia frezu, można stwierdzić, że frez stracił swój wymiar od czoła a rowek ma powierzchnie
skośne.
Rys. 3. Przekrój warstwy skrawanej ostrzami frezu położonymi na przejściu między powierzchnią
walcową i czołową. P – punkt o minimalnej grubości warstwy skrawanej w trakcie zagłębiania
frezu powierzchnią czołową, K – kierunki przemieszczania frezu, 01, 02 – kolejne położenia środka
promienia zaokrąglenia krawędzi przejściowej
Fig. 3. Cross-section of the layer cut with cutting edges placed between the head and cylindrical
surfaces, P – point with minimal thickness of the layer to be cut during frontal movement of the
mill, K – directions of the mill movement, 01, 02 – subsequent positions of the radius center of
transitory edge
Z przebiegu krzywych zużycia można stwierdzić, że największą trwałość
wykazują ostrza pokryte TiAlCN, a najmniejszą ostrza z pokryciem TiN. Ponadto rowki wykonane frezami z pokryciem TiAlCN kształtowały powierzchnię
170
M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski
boczną o mniejszej wartości Ra. Rozkład chropowatości na bocznych powierzchniach rowka odpowiada w przybliżeniu zużyciu ostrza. U podstawy
rowka chropowatość jest większa o około 50%, jak na wierzchołku. Przy wierzchołku Ra = 0,76÷0,98 µm, u podstawy Ra = 1,25÷1,63 µm.
Rys. 4. Maksymalna szerokość pasma zużycia frezu przy kształtowaniu rowka wpustowego typ C
wg PN. A – zarys zużytego ostrza, B – kształt rowka wpustowego typ C wg PN. Warunki badań:
stal 45HNMF ulepszana cieplnie do twardości 42 ÷ 44 HRC, prędkość skrawania vC = 88 m/min,
posuw na ostrze fz = 0,025 mm/ ostrze. Rowki frezowano na frezarce pionowej frezem palcowym o
średnicy 8 mm i kącie pochylenia linii śrubowej 55°. Uwaga! Na frezarce pionowej nie można
było uzyskać większej prędkości skrawania
Fig. 4. The maximal latitude of wear value of the mill during the splineway forming type C according Polish Standard (PN). A – profile of worn out cutting edge, B – shape of the splineway
type C. Acknowledgement: the vertical milling machine was not able to achieve higher cutting
speeds. Conditions of experiment: steel 45HNMF, quenched and tempered up to the hardness
42 ÷ 44 HRC, cutting speed vc – 88 m/min, feed per edge, fz – 0,025 mm per blade, mill diameter –
8 mm, angle of edges helical line – 55°
Na rysunku 4 przedstawiono wyniki badań zużycia ostrzy frezu skrawającego
na pełną głębokość rowka hD = 5 mm. Frez palcowy rozpoczyna pracę od czoła
wałka. Podobnie jak w badaniach prowadzonych dla rowków wpustowych nieprzelotowych, wykorzystano te same twarde pokrycia. Z porównania obu wy-
Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych
171
kresów zużycia wynika, że proces zużywania ostrza jest bardziej intensywny. Po
24 min pracy ostrza są tak zużyte, że zostają przekroczone wymiary tolerowane
rowka. Obraz zużycia jest prawie na całej wysokości VBL równomierny, (rys
4A). Frez traci wymiar średnicy DVB prawie jednakowo na całej wysokości
VBL. Największe zużycie wykazują frezy palcowe pokryte TiN a najmniejsze –
frezy pokryte TiAlCN. Różnica w wartości zużycia VB pomiędzy warstewką
TiN (VBBmax = 0,054 mm) i warstewką TiAlCN (VB = 0,029 mm) wynosi prawie 50%.
Na rysunku 5 pokazano przekrój warstwy skrawanej przejściową krawędzią
skrawającą (P – punkt krytyczny, który rozdziela warstwę przewidzianą do zeskrawania na dwie części). Część warstwy powyżej punktu P przekształcona
zostaje w wiór i druga część, która zostaje odkształcona na powierzchni materiału obrabianego – tzn. dna rowka.
Rys. 5. Przekrój warstwy skrawanej ostrzami frezu położonymi na krawędzi przejściowej łączącej
część walcową frezu z częścią czołową. P – punkt krytyczny o minimalnej grubości warstwy
skrawanej. K kierunek przemieszczania frezu, R – promień krawędzi przejściowej.
01, 02 – kolejne położenia środków promienia krawędzi przejściowej
Fig. 5. Cross-section of the layer cut with cutting edges placed between the head and cylindrical
surfaces. P – critical point, K – directions of the mill movement, R – radius of the transitory edge,
01, 02 – subsequent positions of the radius center of transitory edge
Na rysunku 6 przedstawiono zdjęcie zużytych w trakcie badań ostrzy frezów
palcowych. Strzałkami oznaczono miejsca największego uszkodzenia ostrzy
frezu w strefie przejścia powierzchni walcowej w powierzchnię czołową (początek krawędzi przejściowej). Miejsca te odpowiadają wynikom przeprowadzo-
172
M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski
nych rozważań teoretycznych dotyczących punktu krytycznego na krawędzi
przejściowej.
Rys. 6. Przykłady zużytych frezów palcowych w procesie frezowania rowka wpustowego typu C.
Warunki badań jak podane przy rysunku 4 (materiał 45HNMF, twardość 42 ÷ 44HRC,
vC = 88 m/min, fZ = 0,025 mm/ostrze De8 = 8 mm)
Fig. 6. Example of the worn out slotting mills after machining of the splineway type C. The conditions of experiment were the same as in case of Fig. 4 (steel 45HNMF, Cutting speed vc – 168
m/min, feed per edges fz = 0,035 mm per edges, De8 – mill diameter)
Na rysunku 7 pokazano zdjęcie ostrza frezu ze strefy krawędzi przejściowej. Strzałką zaznaczono znaczy uszczerbek krawędzi przejściowej w punkcie
P. Prawie na wszystkich ostrzach frezów występowały bardzo duże różnice pomiędzy zużyciem ostrza na powierzchni walcowej i czołowej a wartością zużycia na krawędzi przejściowej. Miejsca te odpowiadają wynikom przeprowadzonych rozważań teoretycznych dotyczących punktu krytycznego na krawędzi
przejściowej [10].
Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych
173
Rys. 7. Zużycie frezu palcowego na krawędzi przejściowej – widoczny punkt P (rys. 3)
Fig. 7. Wear of the slotting mill, on the transitional edge it is seen the point P (Fig. 3)
4. WNIOSKI
Przedstawione wyniki badań pozwalają na jednoznaczne stwierdzenie korzystnych efektów otrzymanych przez zastosowanie twardych pokryć. Przeprowadzone dla porównania badania frezów z węglików niepokrytych dodatkowo
potwierdzają korzystne efekty otrzymane przez zastosowanie twardych pokryć.
Bezpośrednie porównanie frezów z węglików niepokrytych ze względu na inną
konstrukcję frezów palcowych jest niemożliwe.
Porównanie wykresów zużycia podanych na rys. 2 i 4 pomimo stosowania
różnych prędkości skrawania pozwala na korzystna ocenę wykonywania rowków metodą wahadłową. Przy frezowaniu rowka na pełną głębokość, przy prędkości skrawania mniejszej o prawie 50%, otrzymano większe wartości zużycia.
Istotnym problemem jest tzw. punkt krytyczny P, w którym ostrze zostaje wykruszone – wyszczerbione. Punkt ten występuje w obu metodach kształtowania
rowków, jednak jest położony w innych miejscach krawędzi przejściowej. Konieczne byłoby rozważenie innej konstrukcji krawędzi przejściowej, która po-
174
M. Wieczorowski, A. Matusiak-Szaraniec, K. Wieczorowski
zwoliłaby na zwiększenie trwałości frezu. Z uwagi na „stożkowe zużywanie”
frezu w procesie kształtowania rowka wpustowego metodą wahadłową można
wyprofilować krawędź skrawającą położoną na powierzchni walcowej, aby w
wyniku zużycia nie powstawała „stożkowatość”.
Analiza przedstawionych wyników badań umożliwia stwierdzenie, że podobnie będzie przebiegało zużycie ostrzy frezu średnicach o większych niż 8 mm.
Hipoteza ta wymaga jednak potwierdzenia w praktyce. Konieczne byłyby badania zużycia frezów o mniejszych średnicach (poniżej 8 mm).
Autorzy prezentowanych badań przeprowadzili doświadczenia z frezowaniem rowków nieprzelotowych i przelotowych frezami palcowymi wykonanymi
z węglików spiekanych. Bezpośrednie porównanie frezów pokrywanych z frezami niepokrywanymi jest niemożliwe. Frezy palcowe niepokrywane miały inną
konstrukcję oraz inną geometrię ostrza. Można jednak stwierdzić, że frezy niepokrywane wykazywały zużycie około dwukrotnie większe od frezów pokrywanych TiN zarówno przy obróbce rowków nieprzelotowych, jak i z wejściem od
czoła. W badaniach podkreślono konieczność zwrócenia uwagi na istniejącą
stałą tendencję do zwiększania liczby obrotów wrzecion frezarek. Dla przykładu
frezarka do rowków pracujących metodą wahadłową produkowana pod koniec
lat osiemdziesiątych miała największą liczbę obrotów (n = 3400 1/min), podczas
gdy wg katalogu producenta obecnie liczba ta wynosi 8000 1/min i należy sądzić, że w przyszłości będzie jeszcze większa.
Na zakończenie autorzy niniejszej pracy pragną podziękować wspomnianej
już firmie ITA s.c. Zaawansowane Systemy Narzędziowe i Pomiarowe za udostępnienie zespołu frezów do badań. oraz kierownictwu Fabryki Pojazdów Szynowych H. Cegielski za udostępnienie obrabiarek do badań.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Kiepuszewski B., Technologia budowy maszyn, Warszawa, PWT 1960.
Kolev N.S., Wieczorowski K., Legutko S., Tomkowiak P., Kędzierski T., Badania trwałości i zużycia płytek z węglików spiekanych pokrywanych techniką PVD, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Mechanika nr 48.
Kupczyk M., Influence of coatings thickness upon tool life and wear, w: 3th Int. Conf. on
Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen.
Kupczyk M., Application of multiphase coatings on tools, Florence, Techna 1994.
Kupczyk M., Wieczorowski K., Tribological properties of compound layers obtained by
PVD method, w: Euro Metal Working’ 94, Univ. of Udine 1994.
Kupczyk M., Wieczorowski K., Tool life of cutting tool edges coated with mononitrides
and composite coatings, Postępy technologii maszyn i urządzeń, ZN PAN, 1999, nr. 3.
Pająk E., Wieczorowski K., Podstawy optymalizacji operacji technologicznych w przykładach, Warszawa–Poznań, PWN 1982.
Poradnik Inżyniera. Obróbka skrawaniem t III, Warszawa, WNT 1994.
Przybylski L., Strategia doboru warunków obróbki współczesnymi narzędziami, Kraków,
Wyd. Politechniki Krakowskiej, 2000.
Badania zużycia ostrzy frezów do rowków wpustowych
175
[10] Storch B., Zjawiska przykrawędziowe i monitorowanie chropowatości powierzchni po
obróbce jednoostrzowej, Koszalin, Wyd. Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, 2006.
[11] Tymowski J., Technologia budowy maszyn, Warszawa, WNT 1989.
[12] Wieczorowski K., Kupczyk M., Wieczorowski M., Measurement of coating adhesion to
cutting edges by the scratch method, ZN Uniwersytet w Charkowie, Charków 1999.
[13] Wieczorowski K., Legutko S., Technika cienkich warstw w zastosowaniu do narzędzi
skrawających, Mechanik, 1993, nr 8-9.
[14] Żebrowski H., Techniki wytwarzania. Obróbka skrawaniem, ścierna, erozyjna, Wrocław,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2004.
Recenzent: dr hab. inż. Maciej Kupczyk, prof. nadzw.
INVESTIGATIONS ON WEAR OF THE MILING CUTTERS EDGES FOR
SPLINEWAY
S u m m a r y
In the paper, the results of investigations on the milling cutters edges for splineway with and
without hard surface layers. The wear examinations were divided into two groups: a) milling of the
closed splineway and b) milling of the splineway opened on one side. The investigations were
performed with material hardened up to 40-44 HRC. In both cases, the characteristics of the wear
on the edges and the front of the milling cutter. In the paper, the graphs of the wear of milling
cutters blades made out of sintered carbids covered with TiN and TiAlCN, as well as without
coating are presented.
Key words: splineway, slotting mill, cutting edge wear
dr inż. Michał WIECZOROWSKI
Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań,
tel. (061) 665 35 69,e-mail: [email protected]
mgr inż. Anna MATUSIAK-SZARANIEC
Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań,
tel. (061) 665 25 77, e-mail: [email protected]
prof. dr inż. dr h.c. Kazimierz WIECZOROWSKI
Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań,
tel. (061) 665 22 51