Zużycie i trwałość ostrza - Wydział Nowych Technologii i Chemii

Komentarze

Transkrypt

Zużycie i trwałość ostrza - Wydział Nowych Technologii i Chemii
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Zużycie i trwałość ostrza
Technologie Materiałów Konstrukcyjnych i Wielofunkcyjnych
 Rodzaje zużycia
Ć2:
 Objawy zużycia
 Wskaźniki zużycia
 Zależność Taylora
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
doc. dr. inż. Zbigniew Zarański
Proces zużywania się ostrza
ZUŻYCIE
OSTRZA
jest funkcją wielu zjawisk
towarzyszących procesowi
skrawania,
rośnie
z
upływem czasu i ściśle
wiąże się z trudnymi
warunkami pracy ostrza
skrawającego
naciski jednostkowe, które zwłaszcza w
początkowym okresie skrawania są bardzo
wysokie
odnawianie się powierzchni trących, co
prowadzi
do
czystego
metalicznego
kontaktu
wysoka temperatura na powierzchniach
trących mogącą dochodzić do temperatury
topnienia metalu
utrudnione
doprowadzenie
czynnika
smarującego (chłodziwa) do strefy tarcia, w
związku z czym w najkorzystniejszym
przypadku można uzyskać tylko tarcie
graniczne
2
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Procesy zużywania się ostrza
Istnieje wiele hipotez co do
istoty zużywania się ostrza, na
podstawie
których
można
wyodrębnić szereg równolegle
występujących procesów w
mechanizmie zużycia:
ścieranie mechaniczne
zużycie zmęczeniowe
zużycie zmęczeniowo - cieplne
zużycie adhezyjne
zużycie cieplne
zużycie dyfuzyjne
zużycie chemiczne - utlenianie
deformacje plastyczne narzędzia
https://www.youtube.com/watch?v=mRuSYQ5Npek
3
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Rodzaje zużycia
ŚCIERANIE MECHANICZNE
Wywołane jest zmianami nacisków i temperatury na powierzchnię ostrza oraz
odkształceniami plastycznymi tej powierzchni
Jego charakterystyczną cechą jest oddzielanie
dużych cząstek materiału w postaci łuszczenia
się powierzchni.
Zmienne
obciążenie
powodowane
jest
zarówno
samym
tworzeniem
wióra,
uderzeniami
krawędzi
skrawającej,
nierównomiernymi naddatkami, jak i drganiami
układu obrabiarka – przedmiot.
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE
Występuje w postaci odkształceń plastycznych oraz ścinania wierzchołków
nierówności powierzchni trących się. Zachodzi w formie ściernego oddziaływania
narzędzia z twardymi składnikami struktury materiału obrabianego, (węgliki metali
stopowych, cementyt i inne) i produktami procesu zużycia.
4
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWO - CIEPLNE
Spowodowane jest pojedynczymi skurczami
powierzchni ostrza na skutek zmian temperatury.
Zmiany te wynikają z okresowego kontaktu ostrza
z materiałem obrabianym, nierównomiernym
dopływem chłodziwa, a przede wszystkim na
skutek okresowego tworzenia się i zanikania
narostu.
ZUŻYCIE ADHEZYJNE
Zachodzi wówczas, gdy występuje metaliczny kontakt czystych chemicznie
powierzchni ostrza i wióra (głównie materiałów plastycznych o dużej odporności na
utlenianie), przy znacznych oporach skrawania.
Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie cząstek obu powierzchni do siebie,
wzrost sił międzycząsteczkowych, aż do wystąpienia zwarć adhezyjnych.
Ciągły ruch wióra powoduje wyrywanie połączonych cząstek wióra i ostrza z
podłoża (gdy siły adhezji są większe od sił wiążących atomy w sieci krystalicznej)
lub ścięcie połączenia adhezyjnego.
5
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE CIEPLNE
Polega na wyrywaniu całych grup cząsteczek z
obszarów, w których pod wpływem znacznych
nacisków i temperatury dochodzi do zgrzania
wióra i ostrza. Jest to możliwe wskutek spadku
twardości materiału ostrza oraz wzrostu jego
podatności na odkształcenia plastyczne.
ZUŻYCIE DYFUZYJNE
Jest skutkiem zmiany składu chemicznego
materiału narzędzia, spowodowanej dyfuzją jego atomów i przedmiotu obrabianego.
Dyfundujące w materiał ostrza atomy powodują zmiany jego składu chemicznego, a
co za tym idzie, zmianę właściwości mechanicznych i wzrost intensywności zużycia.
6
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE CHEMICZNE - UTLENIANIE
Ulega mu większość metali, w tym żelazo zawarte w stalach szybkotnących, a także
(chociaż w mniejszej mierze) kobalt i wolfram, będące głównymi składnikami
węglików spiekanych. Powstałe w jego wyniku tlenki są z reguły porowate i miękkie,
a więc są łatwo unoszone przez wiór.
Występuje ono na granicy kontaktu wióra z materiałem ostrza, czyli tam gdzie
temperatura jest jeszcze bardzo wysoka, a już jest dostęp powietrza.
Powoduje zużycie wrębowe, czyli powstawanie charakterystycznych wąskich
wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia, prostopadłych do krawędzi
skrawającej.
DEFORMACJE PLASTYCZNE NARZĘDZIA
Są skutkiem wysokiej temperatury towarzyszącej dużym
prędkościom skrawania i dużym naciskom występującym przy
szybkich posuwach.
Proces ten występuje przede wszystkim na powierzchni
przyłożenia.
7
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Objawy zużycia ostrza
starcie na
powierzchni
przyłożenia
8
krater na
powierzchni
natarcia
zużycie wrębowe na
powierzchni natarcia
i przyłożenia
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Starcie na powierzchni przyłożenia
Powoduje ono spadek jakości obrobionej
powierzchni lub niedokładność wymiarową
detalu.
Odpowiedzialnym za to jest zbyt wysoka
wartość prędkości skrawania lub zbyt niska
odporność na ścieranie tego narzędzia.
Rozwiązanie
• Zmniejszyć prędkość skrawania.
• Zastosować gatunek o większej odporności
na ścieranie.
• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.
Dla materiałów mających skłonność do
utwardzania się podczas obróbki należy
stosować mniejszy kąt przystawienia lub
gatunek bardziej odporny na ścieranie.
9
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Krater na powierzchni natarcia
Nadmierne zużycie w formie krateru powoduje
złą jakość obrabianej powierzchni i zwiększa
ryzyko złamania płytki.
Za przyczyną jego pojawienia uważane jest
zużycie dyfuzyjne z powodu zbyt wysokich
temperatur na powierzchni natarcia oraz zbyt
duże naciski na powierzchni natarcia.
Rozwiązanie
• Najpierw zmniejszyć prędkość skrawania, aby
obniżyć temperaturę, następnie obniżyć
posuw.
• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.
• Zastosować dodatnią geometrię płytki.
10
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Zużycie wrębowe
Jest przykładem zużycia chemiczno-utleniającego. Powoduje powstawanie
charakterystycznych wąskich wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia,
prostopadłych do krawędzi skrawającej.
11
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Deformacja plastyczna narzędzia
Obniżenie krawędzi lub wyniesienie powierzchni przyłożenia prowadzi do złego
łamania i odprowadzania wiórów oraz niskiej jakości powierzchni obrobionej.
Występuje też ryzyko złamania płytki. Jego przyczyną jest zbyt duża temperatura
skrawania w połączeniu z dużymi naciskami.
Rozwiązanie:
• Wybrać twardszy gatunek o większej odporności na odkształcenie plastyczne.
• Obniżyć krawędź - zmniejszyć posuw.
• Podnieść powierzchnię przyłożenia - zmniejszyć prędkość.
12
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Dyskretne formy zużycia ostrza
PĘKNIĘCIA OSTRZA Występują z reguły przy obróbce przerywanej (np.
frezowanie), gdy ostrze narażone jest na wielokrotne i
częste uderzenia mechaniczne i cieplne.
Zmęczenie mechaniczne powoduje powstawanie pęknięć
równoległych do krawędzi, zaś cieplne - prostopadłych do
niej. Z biegiem czasu pęknięcia obu typów powiększają się,
a ich połączenie prowadzi do wyłamania najpierw
segmentu, a chwilę później znacznego fragmentu ostrza.
Przyczyna:
• obróbką przerywana
• nierównomiernym
doprowadzaniem
chłodziwa
Rozwiązanie
• Wybrać gatunek o lepszej udarności.
• Chłodziwo powinno być podawane obficie,
albo wcale.
13
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Dyskretne formy zużycia ostrza
WYKRUSZENIA KRAWĘDZI - CHIPPING
Powstają w wyniku miejscowego przekroczenia wytrzymałości
doraźnej ostrza. Powodują niekorzystne zmiany (znaczny
ujemny kąt natarcia) geometrii fragmentu ostrza - wzrost jego
obciążenia, a więc zwiększoną podatność na zużycie. W krótkim
czasie może to prowadzić do zupełnej destrukcji ostrza przez
jego wyłamanie.
Przyczyna
• Zbyt kruchy gatunek płytki.
• Niewłaściwa geometria płytki.
• Narost na ostrzu.
Rozwiązanie
• Wybrać płytkę o większej udarności.
• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi skrawania.
• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.
• Zmniejszyć prędkość skrawania oraz dopływ chłodziwa.
14
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Dyskretne formy zużycia ostrza
WYŁAMANIE OSTRZA
Może mieć podobne przyczyny, co wykruszanie, lecz jest
znacznie większe i oznacza natychmiastową utratę własności
skrawnych ostrza.
Występuje często przy nadmiernym zużyciu. Jego pojawienie
świadczy o źle dobranych warunkach skrawania.
Przyczyna
• Zbyt kruchy materiał płytki.
• Niewłaściwa geometria płytki (za duży kąt przyłożenia).
• Za mały rozmiar płytki.
Rozwiązanie
• Wybrać płytkę o większej ciągliwości.
• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi
skrawania.
• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.
• Zmniejszyć posuw i głębokość skrawania.
15
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Wpływ parametrów skrawania na
zużycie ostrza
16
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza
NA POWIERZCHNI NATARCIA
Geometryczne miary zużycia ostrza
Głębokość żłobka KT
Szerokość żłobka KB
Położenie żłobka KF
Położenie środka żłobka KM
NA POWIERZCHNI PRZYŁOŻENIA
Szerokość starcia w strefie
środkowej VBB
Maksymalna szerokość starcia
w strefie środkowej VBBmax
Szerokość starcia w rejonie
naroża VBC
Szerokość wrębu VBN
17
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Pośrednie wskaźniki zużycia
są to zmiany wielkości
fizycznych spowodowane
zużyciem
ostrza,
na
podstawie, których można
ocenić to zużycie
wzrost poboru mocy przez obrabiarkę
wymiary przedmiotu nie
wymaganych tolerancjach
mieszczą
się
w
niska jakość powierzchni (duża chropowatość)
powstawanie zadziorów na detalu
wydzielająca się nadmierna ilość ciepła
złe warunki łamania i odprowadzania wiórów
duży hałas podczas obróbki
tendencja do drgań układu OUPN
18
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Krzywa zużycia ostrza
VBB
c3
c2
0.3
c1
c3 > c2 > c1
c = const
ap = const
fn = const
T3
T2
A. Strefa docierania ostrza - przedział wstępnego zużywania narzędzia, o
parabolicznym przyroście zużycia w czasie,
B. Strefa liniowego zużycia ostrza - przedział stabilnego, liniowego zużywania
narzędzia w czasie,
C. Strefa przyspieszonego zużycia ostrza – intensywne zużywanie ostrza, o
parabolicznym przyroście zużycia w czasie, prowadzące do jego całkowitego
zniszczenia.
19
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Kryteria stępienia ostrza
Okresem trwałości ostrza T nazywa się czas pracy ostrza t [min] od stanu
początkowego (ostrze ostre) do momentu wystąpienia zużycia granicznego (narzędzie
stępione) przy niezmienionych warunkach obróbki (stałe parametry: vc, ap, fn).
KRYTERIA STĘPIENIA OSTRZA
technologiczne
ekonomiczne
wytrzymałościowe
Kryterium technologicznym - jt. takie zużycie (na powierzchni przyłożenia lub
natarcia), do osiągnięcia którego narzędzie pracuje stabilnie, a powierzchnia obrobiona
odpowiada wymaganiom dokładności wymiarowej, kształtowej oraz chropowatości.
Kryterium ekonomicznym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym uzyskuje
się najlepsze wykorzystanie regenerowanego narzędzia (największa liczba ostrzeń).
Kryterium wytrzymałościowym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym
następuje utrata własności skrawnych na skutek spalenia lub wyłamania części ostrza
Okresem żywotności narzędzia nazywa się sumę okresów trwałości ostrza do
całkowitego
wyeksploatowania narzędzia.
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
20
Trwałość a parametrami obróbki
CT
T s
vc
min 
Cv  m 
T m  min 
vc 
1
m
oraz
s
CT 
1
s
 Cv
CT, s - stałe zależne od materiału wyrobu i
materiału narzędzia
W układzie logarytmicznym funkcja
Taylora jest linią prostą.
W praktyce dla toczenia:
 trwałość ostrza
T
CT
s
x
vc  a p T  f
 prędkość okresowa
yT
1
m
s
21
min 
Cv
vc  m
x
T  ap v  f
Cv  CT 
s
xT
xv 
s
yv
 m 
 min 
yT
yv 
s
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Zużycie narzędzia skrawającego
Ze względu na znaczne koszty, nie wykonuje się badań trwałości narzędzia dla
konkretnych parametrów obróbki lecz tylko badania wskaźnikowe dla wyznaczenia
stałych i wykładników przedstawionych wzorów, które dają wyniki przybliżone.
Procesy zużywania prowadzą do utraty zdolności skrawania, czyli do momentu
stępienia ostrza. Wyróżniamy następujące kryteria zużycia narzędzia:
Technologiczne - wg którego narzędzie uważa się za stępione, gdy przy jego
pomocy nie można już wykonać przedmiotu z żądaną gładkością powierzchni i
dokładnością (a niecelowe jest korygowanie położenia narzędzia),
Fizykalne - wg których narzędzie
uważa się za stępione, gdy wchodzi
w zakres trzeciej, przyśpieszonej
fazy zużycia,
Ekonomiczne - zakładające, że należy
dopuszczać taką wielkość zużycia
aby osiągnąć np. najmniejsze
koszty w całym okresie żywotności
narzędzia.
22
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Metody badania zużycia
W celu porównania różnych materiałów narzędziowych oraz określenia zależność
trwałości ostrza od warunków skrawania, badania te należy prowadzić w ściśle
określonych warunkach (PN-83/M-58350). Norma określa zarówno metodykę badań,
warunki obróbki, jak i wskaźniki stępienia.
23
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Znormalizowane próby trwałości narzędzi
Próby te prowadzi się w celu określenia zależności empirycznej wzoru Taylora:
T - trwałość narzędzia
CT - stała uwzględniająca wpływ głównie czynników materiałowych
s - wykładnik potęgowy (3-6 dla węglików spiekanych, 8-10
szybkotnących, 1,5-3 dla spieków ceramicznych)
Vc - prędkość skrawania
dla
stali
Trwałość narzędzia wyznacza punkt przecięcia każdej z tych krzywych z linią
poziomą, odpowiadającą wskaźnikowi stępienia. Opracowanie wyników polega na:
• naniesieniu na siatkę logarytmiczną punktów
(log Ti, log Vci) wyznaczonych w badaniach,
• wyznaczeniu współczynników zależności T = f (Vc)
W układzie dwulogarytmicznym
funkcja T = f (Vc) jest linią
prostą.
24
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Przyśpieszone próby trwałości narzędzi
Próby prowadzone w warunkach znormalizowanych są niezwykle pracochłonne i
kosztowne. Dlatego opracowano zestawy prób przyśpieszonego badania trwałości
narzędzi.
Należą do nich:
• metoda toczenia promieniowego,
• metoda toczenia stożka,
• metoda toczenia cylindrycznego ze stale wzrastającą prędkością skrawania,
• metoda toczenia cylindrycznego ze stopniowo wzrastającą prędkością skrawania.
We wszystkich tych metodach stosowany jest wskaźnik katastroficznego zużycia
ostrza. Pozwalają one na szybsze wyznaczenie zależności, przy dużo mniejszym
zużyciu materiału obrabianego. Wyniki badań są niestety obarczone większym
błędem niż w przypadku konwencjonalnej metody określania trwałości.
25
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Przykład 1.
W wyniku przeprowadzonych prób skrawania stali C55 z następującymi parametrami:
vc = 132,7 m/min; f = 0,44 mm/obr; ap = 0,87 mm uzyskano cztery różne trwałości
ostrza: 58.5 min; 60.5 min; 56.5 min; 59.17 min.
Wartość średnia trwałości m wynosi:
m
58,5  60,5  56,5  59,17
 58,67 min
4
Wariancja trwałości:
D 2 (T ) 
1
(58,5  58,67)2  (60,5  58,67)2  (56,5  58,67)2  (59,17  58,67)2   2,084
4
Odchylenie standardowe:
  D2 (T )  1,45 min
Przedział 3 sigmowy:
3  4,35 min
Trwałość ostrza dla parametrów prób:
T  58,67  4,35 min
26
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania
Taylor stwierdził, że opadające części wykresu
T-Vc w układzie podwójnie logarytmicznym
można przedstawić w postaci prostej:
gdzie: y = log T
x = log Vc
c = log CT
czyli:
co po zdelogarytmowaniu daje:
27
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania
Stała CT odpowiada (tylko matematycznie!) trwałości ostrza przy Vc = 1 i jest
wówczas bardzo duża.
Zależność T - Vc przecina poziomą oś w punkcie (T = 1, Vc = Cv), czyli Cv jest (tylko
matematycznie) prędkością skrawania odpowiadającą okresowi trwałości T = 1.
Zachodzi zatem:
Równanie Taylora możemy wówczas wyrazić w postaci:
Zależność T-Vc wyznacza się dla co najmniej 4÷5 prędkościach skrawania. Należy
przy tym zadbać o to, by uzyskiwane okresy trwałości ostrza leżały w racjonalnym
zakresie parametrów.
Zależność Taylora można też wyznaczyć wykreślnie, co jest często wystarczające do
celów praktycznych.
28
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Przykład 2.
Obróbka stali C45 nożem CSRNR 2525-12 z płytką SNUN 120408 z węglika
spiekanego S30S, z posuwem fn = 0.33 mm/obr i głębokością skrawania ap = 2.5 mm
uzyskano następujące wyniki prób dla kryterium stępienia KTk = 0.25 mm:
Wyniki pomiarów naniesiono na skalę logarytmiczną. Przez
punkty przeprowadzono prostą (metodą wzrokową). W
miejscu przecięcia z osią odciętych (T = 1 min) określono
stałą Cv =270 oraz współczynnik kierunkowy prostej
k = -a/b = -6,96.
Natomiast stałe Taylora wyznaczone statystycznie dla tych
danych mają wartości (dla ufności na poziomie 95%):
Jak widać, wyniki otrzymane metodą wykreślną mieszczą
się w obliczonych przedziałach ufności.
29
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Istota optymalizacji
Ogólnie można stwierdzić, że:
 stała Cv zależy od materiału obrabianego i warunków skrawania,
 wykładnik k zależy od materiału ostrza oraz kryterium stępienia i wynosi:
-8 ÷ -12 dla narzędzi ze stali szybkotnących,
-2 ÷ -6
dla węglików spiekanych,
-1.5 ÷ -3 dla narzędzi ceramicznych.
Wartości te wskazują na wrażliwość trwałości na zmiany prędkości skrawania dla
różnych materiałów narzędziowych. Największa jest ona dla stali szybkotnących - tu
zmiana prędkości skrawania rzędu 10% powoduje dwukrotną zmianę trwałości ostrza.
gdzie: y = log T
N - liczba prób
x = log Vc
k̂ - oszacowana wartość k,
x
x
N
30
- średnia wartość x
y
N
y
- średnia wartość y
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC
KZMiT
Dziękuję za uwagę!

Podobne dokumenty

PIW W_1 Grafika inżynierska - Wydział Nowych Technologii i Chemii

PIW W_1 Grafika inżynierska - Wydział Nowych Technologii i Chemii Płaszczyznę   p1 wyznacza trójkąt ABC. Rzut poziomy ABC jest odcinkiem prostej '. Kąt  utworzony przez prostą ' i oś x jest kątem, jaki płaszczyzna  tworzy z rzutnią pionową.

Bardziej szczegółowo

Dobór narzędzi i parametrów skrawania

Dobór narzędzi i parametrów skrawania Dobrane warunki skrawania ustalono dla twardości nominalnej, wynoszącej np. dla ISO P HB = 180. Jeżeli jednak twardość materiału obrabianego jest inna, należy dokonać jej korekty. Np. toczenie płyt...

Bardziej szczegółowo