Narzędzia specjalne do obróbki materiałów trudno obrabialnych

Jerzy STÓS
Kazimierz CZECHOWSKI
Janusz WSZOŁEK
NARZĘDZIA SPECJALNE DO OBRÓBKI MATERIAŁÓW
TRUDNO OBRABIALNYCH
Pomimo burzliwego rozwoju niekonwencjonalnych technologii wytwarzania, obróbka skrawaniem odgrywa
nadal ważną rolę w wytwarzaniu maszyn,
aparatury i przedmiotów powszechnego
użytku, umożliwiając uzyskanie najwyższej dokładności geometrycznej i najlepszych właściwości warstwy wierzchniej.
Rozwój nowych materiałów narzędziowych oraz technologii nanoszenia powłok
odpornych na zużywanie pozwalają na
sprostanie coraz większym wymaganiom
stawianym narzędziom skrawającym.
Instytut Obróbki Skrawaniem, który od 1 kwietnia 2005 r. zmienił nazwę na
Instytut Zaawansowanych Technologii
Wytwarzania, od początku swojego istnienia prowadził badania i prace rozwojowe w zakresie specjalnych narzędzi
skrawających, przeznaczonych zwłaszcza
do obróbki materiałów trudno obrabialnych. Narzędzia specjalne, zaprojektowane i wykonane w Instytucie, z powodzeniem są stosowane w licznych przedsiębiorstwach przemysłowych.
Ceramiczne płytki skrawające
Płytki gatunku TAZ z tzw. ceramiki
białej, której podstawowym składnikiem
jest tlenek glinu Al2O3 z dodatkiem dwutlenku cyrkonu ZrO2, przeznaczone są do
obróbki zgrubnej i średniodokładnej
(przede wszystkim toczenia) stali węglowej i niskostopowej oraz żeliwa o twardości do 350 HB – z wysokimi prędkościami skrawania, wynoszącymi do
500 m/min w przypadku stali oraz do
600 m/min w przypadku żeliwa. Wytwarzane w Instytucie płytki z ceramiki białej
stosowane są m.in. w przemyśle motoryzacyjnym do obróbki elementów silników
spalinowych.
W wyniku prowadzonych prac badawczo-rozwojowych Instytut wprowadził na rynek płytki z nowego gatunku
tzw. ceramiki mieszanej, TACN, w których skład obok tlenku glinu z domieszką
dwutlenku cyrkonu wchodzi 30% węgliko-azotku tytanu Ti(C,N). Płytki TACN
zastępują dotychczas wytwarzany w Instytucie gatunek TWN.
Płytki gatunku TACN mogą być
stosowane zarówno do toczenia, jak i do
frezowania stali hartowanych, stali stopowych oraz żeliw utwardzonych, co w
wielu przypadkach umożliwia zastąpienie
pracochłonnej obróbki szlifowaniem.
Można wymienić następujące przykłady
zastosowań płytek tego gatunku:
- toczenie obrabianej cieplnie stali
konstrukcyjnej gatunku 40H o twardości
50 ±2 HRC, przy prędkości skrawania vc
= 150 m/min, z posuwem f = 0,15 m/obr
i głębokością skrawania ap = 0,50 mm,
- toczenie stali narzędziowej gatunku NC6 o twardości 57 ±2 HRC, przy
prędkości skrawania vc = 100 m/min,
z posuwem f = 0,10 mm/obr i głębokością skrawania ap = 0,30 mm [1],
- frezowanie płaszczyzn przedmiotów ze stali 40H o twardości 50 ±2 HRC
z wykorzystaniem specjalnych płytek
z krzywoliniową krawędzią skrawającą
SNGX 120401 o promieniu R = 375 mm,
przy prędkości skrawania vc= 170 m/min,
z posuwem fz = 0,10÷1,0 mm/ostrze
i głębokością skrawania ap = 0,03 mm.
17
Na rys. 1 przedstawiono porównanie uzyskiwanej chropowatości powierzchni Ra, uzyskanej przy obróbce za
pomocą płytek o przekroju kołowym
a)
RNGN 120400 i płytek o przekroju kwadratowym SNGN 120408 o promieniu
R = 0,8 mm.
b)
Rys. 1. Porównanie chropowatości powierzchni uzyskanej po frezowaniu
stali (a) i żeliwa (b) płytkami ceramicznymi gatunku TACN
Poprawę odporności na zużywanie
ścierne płytek z materiałów ceramicznych, w tym z CBN, uzyskać można m.in.
przez nanoszenie warstw twardych metodami CVD lub PVD. Przeprowadzone
w Instytucie badania wielkości zużycia
i trwałości ostrza przy toczeniu stali gatunku NC6 o twardości 50 ± 2 HRC płytkami gatunku TW2 (vc = 150 m/min, f =
0,10 mm/obr, ap = 0,5 mm) oraz CBN (vc
= 150 m/min, f = 0,15 mm/obr, ap =
0,3 mm) powlekanymi i niepowlekanymi
warstwą TiN (metodą PVD) wykazały
wzrost trwałości ostrzy po naniesieniu
powłok o 50 do 90% (rys. 2) [2]. Korzystny wpływ powłok na wzrost trwałości ostrzy narzędzi z materiałów ceramicznych tłumaczy się zmniejszeniem
ilości wydzielanego ciepła dzięki mniejszemu współczynnikowi tarcia, a także
zmniejszeniem skłonności do powstawania wykruszeń przez wyeliminowanie
miejsc ich inicjacji [3].
Rys. 2. Wskaźniki zmian trwałości ostrzy płytek z ceramiki tlenkowo-węglikowej TW2 oraz
CBN po ich powlekaniu warstwami twardymi metodą PVD
Specjalne frezy ślimakowe
W Instytucie frezy ślimakowe o małych modułach wykonywane są najczęściej jako jednolite, natomiast o modułach większych (m = 12÷25 mm) jako
składane, z wklejanymi segmentami
skrawającymi (rys. 3). Korzyści wynika-
18
jące z takiego rozwiązania związane są
przede wszystkim z racjonalnym wykorzystaniem drogiego materiału na ostrza,
szczególnie w przypadku frezów o większych modułach, wykonywanych np. w
Instytucie dla hutnictwa. Obróbka kół
zębatych lub wałków wielowypustowych
z materiałów o gorszej skrawalności, w
tym ulepszonych cieplnie, wymaga stosowania materiałów na ostrza skrawające
o najwyższej jakości, np. spiekanych stali
szybkotnących (o zawartości Co 5 ÷ 10%)
lub węglików spiekanych. Ostrza frezów
mogą być powlekane warstwą TiN metodą PVD.
Badania przeprowadzone w Instytucie potwierdzają możliwość stosowania
frezów ślimakowych z klejonymi segmentami z drobnoziarnistych węglików
spiekanych do obróbki wykończeniowej
uzębienia zahartowanego do twardości
50 ÷ 60 HRC, co pozwala na wyeliminowanie obróbki szlifowaniem. We frezach
ślimakowych o większych modułach wykonywane są z węglików spiekanych nie
segmenty, lecz poszczególne ostrza, co w
znacznym stopniu zmniejsza koszty materiałowe.
Warunkiem uzyskiwania wymaganej dokładności w obróbce uzębienia
w materiale zahartowanym jest stosowanie frezarki obwiedniowej o odpowiednio
dużej sztywności, ze względu na występowanie w tym przypadku większych sił
skrawania niż w obróbce frezami
z ostrzami ze stali szybkotnącej [4].
Rys. 3. Frezy ślimakowe z klejonymi segmentami skrawającymi ze stali szybkotnącej
spiekanej gatunku Vanadis 30 o module m = 24 mm, (o wymiarach D×d×L: 280×60×340 mm),
przeznaczone do pracy w przemyśle
Głowice skrawająco-nagniatające
Nagniatanie (dogniatanie) zastępuje z powodzeniem operację szlifowania
i inne metody obróbki wykończeniowej,
umożliwiając uzyskanie wysokiej gładkości i dokładności wymiarowo-kształtowej,
przy czym powierzchnia obrobiona odznacza się korzystnymi właściwościami
warstwy wierzchniej. Instytut od wielu lat
wytwarza głowice rolkowe do dogniatania
powierzchni cylindrycznych wewnętrznych i zewnętrznych, a także powierzchni
stożkowych. Mogą być one wykorzystywane do obróbki materiałów o twardości
do 45 HRC; obróbka materiałów o wyż-
szej twardości jest możliwa, jakkolwiek
prowadzi do szybszego zużywania się
rolek dogniatających.
W przypadku obróbki cylindrów
hydraulicznych lub pneumatycznych
o znacznej długości (L/D > 6) istotne
skrócenie czasu obróbki można uzyskać
przez zastosowanie specjalnych głowic
skrawająco-nagniatających (rys. 4). Głowica taka składa się z części skrawającej
z dwoma oprawkami nożowymi z płytkami wieloostrzowymi, rozmieszczonymi
co 180o. Ostrza są przesunięte względem
siebie w kierunku osiowym; jedno służy
19
do obróbki zgrubnej, drugie do obróbki
wykończeniowej. Położenie ostrza w kierunku promieniowym jest ustawiane za
pomocą wkrętów regulacyjnych. W części
nagniatającej umieszczone są dwa rzędy
rolek, które - oprócz funkcji nagniatania spełniają rolę elementów prowadzących.
Rys. 4. Głowica skrawająco-nagniatająca NUBa-S ∅ 75
Głowica jest osadzona na wydrążonym drągu, przez który do strefy obróbki
jest dostarczana ciecz obróbkowa pod
wysokim ciśnieniem, służąca m.in. do
wypłukiwania wiórów w kierunku ruchu
posuwowego. W głowicy nie można regulować średnicy ustawienia rolek nagniatających; naddatek na nagniatanie jest
regulowany położeniem ostrzy skrawających. Umożliwia ona uzyskanie dokładności wymiarowo-kształtowej cylindra w
klasie IT7. Po zakończeniu obróbki głowica musi być zdemontowana z drąga,
gdyż nie ma możliwości jej wycofania bez
uszkodzenia powierzchni obrobionej.
Głowice skrawająco-nagniatające
zostały już z powodzeniem zastosowane
w przemyśle, m.in. przy obróbce długich
cylindrów o średnicach ∅120 i ∅210 mm.
Mogą być one wykorzystywane na specjalizowanych obrabiarkach, przeznaczonych do obróbki cylindrów lub na odpowiednio wyposażonych ciężkich tokarkach, umożliwiając znaczne skrócenie
czasu obróbki . Np. w przypadku obróbki
cylindra o średnicy ∅ 75 mm i długości
400 mm, czas obróbki przy wykorzystaniu technologii tradycyjnej, tj. dwukrot-
20
nym roztaczaniu i szlifowaniu wynosi
160 min. Przy dwukrotnym roztaczaniu,
a następnie nagniataniu zwykłą głowicą
rolkową czas ten wynosi 26 min, natomiast przy zastosowaniu głowicy skrawająco-nagniatającej czas ten wynosi
5,2 min.
LITERATURA
1.
J. Wszołek, J. Kasina, B. Smuk:
Nowy gatunek ceramiki mieszanej
TACN. Mechanik, 2004, nr 5-6, s.
372-373
2. K. Czechowski: Powłoki PVD na
płytkach skrawających z materiałów
ceramicznych. Inżynieria Powierzchni, 2005, nr 2
3. Y. Sahin, A.R. Motorcu: Surface
Roughness Prediction Model in Machining of Carbon Steel by PVD
Coated Cutting Tools. American
Journal of Applied Sciences, 1 (1),
2004, s. 12-17
4. K. Czechowski: Badania wybranych
właściwości eksploatacyjnych składanych klejonych frezów ślimakowych. PIOS, Seria Zeszyty Naukowe Nr 84, Kraków 2004.