zespół własności materiałów mający kluczowe znaczenie dla

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Piotr CAŁUSIŃSKI
Częstochowa
ZESPÓŁ WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW MAJĄCY KLUCZOWE
ZNACZENIE DLA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO
OBRÓBKI MECHANICZNEJ
Article presents new method of increase of production capacity at processing
of element of steel construction method machining cut. It presents possible solutions
of the production parameters of cut.
WPROWADZENIE
Dla zapewnienia odpowiednich warunków obróbki mechanicznej elementów
konstrukcji metalowych metodą wiórową konieczne jest ustabilizowanie procesu
dla zapewnienia optymalnych warunków prowadzenia prac technologicznych.
Ważne więc jest określenie wymaganych parametrów obróbczych, tj. między innymi
prędkości skrawania, posuwu narzędzia, głębokości warstwy usuwanej. Parametry
te, jak wiadomo, mają znaczący wpływ na produktywność danego procesu. Dlatego
wciąż prowadzone są badania dotyczące określenia zakresu optymalnych parametrów w celu uzyskania jak największej produktywności. Producenci narzędzi skrawających dla każdego swojego nowego produktu przeprowadzają szereg badań służących określeniu zasadności ekonomiczno-technologicznej wprowadzenia nowego
rozwiązania. W zakresie prowadzonych badań ustala się również zalecane parametry pracy tychże narzędzi w zależności od grup materiałowych. Dodatkowo opracowywane są tabele i programy doboru parametrów obróbczych w celu zoptymalizowania procesu technologicznego obróbki mechanicznej. Ale pomimo tych prac
ustalenie odpowiednich wartości dla danego procesu technologicznego wymaga
doświadczenia i wyczucia technologii. Okazuje się, iż pomimo obróbki na obrabiarce tego samego gatunku materiału z wykorzystaniem tych samych narzędzi
proces wymaga korekt. W dużej mierze jest to spowodowane zespołem czynników
związanych z materiałem obrabianym i obrabiającym, zwanych skrawalnością.
1. DEFINICJA POJĘCIA SKRAWALNOŚĆ
„Ogólnie i jakościowo skrawalnością nazywamy podatność materiału w danych
warunkach obróbki na zmiany objętości, kształtu i wymiarów przez zeskrawanie
określonej warstwy materiału” [1]. Skrawalnością zatem nazywa się zdolność
46
P. Całusiński
kształtowania materiału wsadowego na drodze obróbki wiórowej przy zastosowaniu odpowiednich procesów technologicznych. Skrawalność zależy od wielu czynników: własności materiału obrabianego, własności ostrza obrabiającego materiał,
technologii i parametrów obróbki (rys. 1).
Rys. 1. Czynniki wpływające na skrawalność [2]
2. SKRAWALNOŚĆ JAKO CECHA OPISUJĄCA MATERIAŁ
I KRYTERIA OCENY
Na skrawalność materiału ma wpływ między innymi struktura materiału oraz
właściwości mechaniczne, takie jak: twardość, wytrzymałość, udarność itd. Najlepsza skrawalność występuje najczęściej w materiałach, odznaczających się gorszymi własnościami mechanicznymi. Materiały wykazujące dobrą skrawalność
charakteryzują się niską wytrzymałością na rozciąganie oraz dużą kruchością.
Rys. 2. Czynniki wpływające na proces obróbki wiórowej [4]
Zespół własności materiałów mający kluczowe znaczenie dla procesu technologicznego …
47
Kryteriów oceny skrawalności jest bardzo wiele i zalicza się do nich np.: opór
skrawania, trwałość ostrza, gładkość obrabianej powierzchni, postać wióra po obróbce itd. Lecz najczęściej głównym kryterium oceny skrawalności danego materiału
jest trwałość ostrza skrawającego narzędzia określona jako funkcja prędkości skrawania przy ustalonych parametrach skrawania.
W praktyce firmy produkcyjne według swoich potrzeb i możliwości określają
własne kryteria, których osiągnięcie jest wymagane dla wykonywanych elementów
konstrukcyjnych. Podział kryteriów skrawalności jest więc umowny. O wyniku
procesu technologicznego decyduje szereg czynników, powstających z wzajemnego oddziaływania obrabianego przedmiotu, narzędzia i obrabiarki oraz procesu
tworzenia wióra (rys. 2).
3. WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO STOPÓW ŻELAZA NA SKRAWALNOŚĆ
Na skrawalność duży wpływ ma skład chemiczny materiału, dla stali w szczególności ilość węgla. Stale niestopowe - stale jakościowe o zawartości węgla C <0,8%
są określane jako podeutektoidalne, a istotnymi składnikami struktury są perlit, czyli
mieszanka ferrytu i cementytu, oraz ferryt. Perlit jest strukturą charakteryzującą się
dużą twardością, zaś ferryt jest łatwo odkształcalny i posiada niewielką twardość.
Przy skrawaniu ferryt stwarza duże trudności wskutek: dużej skłonności do sklejania się z narzędziem, tworzenia narostów na ostrzach, wytwarzania niepożądanych
wiórów wstęgowych i skłębionych, złej jakości powierzchni, tworzenia zadziorów
na obrabianych przedmiotach. Perlit natomiast powoduje przy skrawaniu trudności
wynikające z: silnego zużycia ściernego narzędzia, dużych sił skrawania. Z doświadczeń wynika, iż optymalną skrawalność wykazują stopy węglowe o zawartości około
0,25% C.
Oprócz węgla na własności stali mają duży wpływ również (omówione poniżej)
pierwiastki stopowe:
Chrom, wolfram i molibden poprawiają hartowność stali i tym samym wpływają, w przypadku stali do nawęglania i ulepszania cieplnego, na skrawalność przez
zmianę struktury i wytrzymałości. W przypadku stali o wyższej zawartości węgla
lub pierwiastków stopowych pierwiastki te tworzą szczególnie twarde i złożone
węgliki stopowe, które mogą pogarszać skrawalność.
Nikiel również wpływa na wytrzymałość stali i powoduje zwiększenie odporności na obciążenia dynamiczne. Generalnie prowadzi to do pogorszenia skrawalności, szczególnie w przypadku austenitycznych stali niklowych, zwłaszcza o wysokiej zawartości Ni.
Krzem tworzy, np. w połączeniu z aluminium, twarde wtrącenia tlenków krzemu - krzemiany. Może to powodować zwiększone zużycie narzędzi.
Dodatek fosforu do stopu powoduje powstawanie krótkich wiórów. Przy zawartościach do 0,1% fosfor wywiera korzystny wpływ na skrawalność. Przy zwiększonej zawartości P uzyskuje się lepszą jakość powierzchni, ale następuje zwiększone
zużycie narzędzi.
48
P. Całusiński
Tytan i wanad mogą już przy małej zawartości spowodować znaczny wzrost
wytrzymałości. Ze względu na znaczne zmniejszenie ziarna następuje pogorszenie
warunków w zakresie sił skrawania i tworzenia się wiórów.
Siarka rozpuszcza się w żelazie tylko w niewielkim stopniu, jednak w zależności od składników stopu tworzy w stali stabilne siarczki. Siarczki manganu MnS
są pożądane, ponieważ mają korzystny wpływ na skrawalność, zapewniają krótkie
wióry, zmniejszają tworzenie się narostów na ostrzach, można uzyskać lepszą
jakość powierzchni obrabianych przedmiotów.
Mangan poprawia hartowność i zwiększa wytrzymałość stali. Ze względu na
duże powinowactwo do siarki, mangan tworzy z siarką siarczki. Zawartość manganu do 1,5%, dzięki korzystnemu kształtowaniu się wiórów, polepsza skrawalność
stali o niskiej zawartości węgla. Przy wyższej zawartości węgla wpływa jednak
niekorzystnie na skrawalność, ze względu na większe zużycie narzędzi.
Ołów posiada względnie niską temperaturę topnienia i występuje w żelazie w postaci wtrąceń submikroskopowych. Przy skrawaniu, pomiędzy narzędziem a materiałem obrabianego przedmiotu tworzy się ochronna warstwa ołowiu, co zmniejsza
zużycie narzędzi i jednostkowe siły skrawania. Powstają krótkie wióry [4].
4. SKRAWALNOŚĆ A STRUKTURA KRYSTALICZNA
MATERIAŁU OBRABIANEGO
Wpływ obróbki cieplnej na skrawalność jest wyjątkowo duży, gdyż w wyniku
zmiany struktury krystalograficznej zmieniają się znacząco właściwości materiału.
Przez odpowiednią obróbkę cieplną można w taki sposób wpływać na strukturę,
aby oprócz zmiany właściwości mechanicznych można było również dostosować
skrawalność do istniejących wymagań (tab. 1).
Tabela 1. Skrawalność w zależności od obróbki cieplnej [4]
Metoda obróbki cieplnej
Wyżarzanie normalizujące
Wpływ na strukturę
Równomierna i drobnoziarnista
struktura uzyskana przez
przekrystalizowanie
Struktura gruboziarnista,
Wyżarzanie przegrzewające ograniczenia wskutek
(gruboziarniste)
pogorszenia właściwości
wytrzymałościowych
Wyżarzanie zmiękczające
Hartowanie
Skrawalność
W zależności od zawartości węgla
w stali (por. rozdział 2.1.2.1):
ferryt - tworzenie niekorzystnych
wiórów, niewielkie zużycie
perlit - korzystniejsze tworzenie
wiórów, większe zużycie
Względnie małe zużycie narzędzi,
dobre tworzenie wiórów, dobra
jakość powierzchni
Niewielkie zużycie narzędzi,
Perlit o dużej zawartości ferrytu
pogorszenie kworzenia się wiórów
i cementytu globularnego
wraz ze wzrostem zawartości
(miękki, łatwo odkształcalny)
ferrytu w strukturze
Duże, ścierne zużycie narzędzi przy
zastosowaniu konwencjonalnych
Martenzyt
materiałów na narzędzia skrawające,
korzystne tworzenie wiórów
Zespół własności materiałów mający kluczowe znaczenie dla procesu technologicznego …
49
5. METODY BADANIA I OCENA SKRAWALNOŚCI
Skrawalność jako cecha materiału w obróbce jest istotna w procesie technologicznym i ma znaczenie dla produktywności tegoż procesu. Dlatego opracowano wiele
metod określania skrawalności. Do najbardziej rozpowszechnionych i najczęściej
stosowanych należy zaliczyć: metodę klasyczną badania zależności V = f(T), metodę przyspieszonego badania zależności V = f(T), metodę dwunarzędziową - pomiar temperatury, metodę toczenia poprzecznego - promieniowego, metodę oceny
podobieństwa w oparciu o podstawowe badania procesu powstawania wióra, metodę powiercania wzdłużnego ze stałą siłą posuwową.
Rys. 3. Przebieg zużywania się ostrza [3]
Z wymienionych metod klasyczne badanie zależności V = f(T), czyli skrawalności, jest stosowane najczęściej. W metodzie tej przeprowadza się próby toczenia
wzdłużnego i wyznacza zależności V = f(T). Badanie okresów trwałości ostrza
może być dokonywane nawet w warunkach normalnej produkcji z zachowaniem
systematyki badania dla danego narzędzia. Testy te prowadzi się przy założonym
kryterium stępienia oraz ustalonych pozostałych warunkach obróbki. Dla prawidłowego przeprowadzenia testów należy przyjąć przynajmniej pięć różnych wartości
szybkości skrawania z zastrzeżeniem, by wartości szybkości skrawania dobierać
tak, aby najmniejszy okres trwałości ostrza wynosił co najmniej 10 minut. Okresy
trwałości odpowiadające różnym szybkościom skrawania wyznacza się z wykresu
charakteryzującego przebieg zużywania się ostrza. W celu otrzymania większej dokładności wyników, szczególnie przy skrawaniu ostrzami z węglików spiekanych,
badanie przebiegów zużycia przeprowadza się dwukrotnie [3].
PODSUMOWANIE
Podczas planowania, projektowania i wdrażania nowych wyrobów występuje
zawsze sprzeczność interesów technologa, dla którego niskie wskaźniki wytrzyma-
50
P. Całusiński
łościowe są udogodnieniem, pozwalającym na podwyższenie parametrów obróbki
z jednoczesnym uzyskaniem jak największej produktywności, i projektant-odbiorca
wymagający, aby wyrób finalny odznaczał się wysokimi parametrami użytkowymi.
Dlatego pogodzenie obu stron wymaga określenia optymalnego rozwiązania umożliwiającego wybór materiału i technologii jego obróbki. Ze względu na to cały czas
prowadzi się badania nad doskonaleniem procesów technologicznych oraz opracowuje się nowe materiały konstrukcyjne i narzędziowe. Badania te są kosztowne
i czasochłonne, wymagają posiadania odpowiedniego zaplecza technicznego. Aby
uniknąć tak wysokich kosztów, firmy produkcyjne w większości przypadków korzystają z danych opracowanych przez firmy narzędziowe, adaptując i modyfikując
te informacje w celu optymalizacji technologii produkcji wykonywanej przez siebie.
Firmy narzędziowe, opracowując dane o skrawalności, starają się w maksymalny
sposób o ich upraszczanie dla szybszego wykorzystania w warunkach produkcyjnych. Wprowadzając coraz to nowe rozwiązania ich przekazywania użytkownikom,
wykorzystują najnowsze osiągnięcia techniki. Opracowywane są komputerowe
bazy danych, ułatwiające dobór odpowiednich narzędzi i parametrów obróbki tymi
narzędziami. W ten prosty sposób, korzystając z już opracowanych danych, firmy
mogą szybko znaleźć odpowiednie dla danego materiału narzędzie i określić niezbędne parametry technologiczne, zapewniające optymalną wartość dla parametrów skrawalności wybranego materiału.
LITERATURA
[1] Kaczmarek J., Podstawy obróbki wiórowej ściernej i erozyjnej, Wyd. 1, WNT, Warszawa 1970.
[2] Dmochowski J., Obróbka skrawaniem. Poradnik inżyniera.
[3] Obróbka skrawaniem i narzędzia skrawające, Praca zbiorowa pod red. W. Olszaka, K. Marchelki,
Wyd. 1, Wyd. PS, Szczecin 1972.
[4] Materiały firmy Pershmann.