Obróbka Skrawaniem 04 Materiały narzędziowe

Ilustracje do wykładu z obróbki skrawaniem opartego na książce:
Krzysztof Jemielniak, Obróbka Skrawaniem – podstawy, dynamika, diagnostyka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2018, ISBN 978-83-7814-5
ebook dostępny na:
https://www.ibuk.pl/fiszka/201223/obrobka-skrawaniem-podstawy-dynamika-diagnostyka.html

Transcript

1. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. Krzysztof Jemielniak krzysztof.jemielniak@pw.edu.pl http://www.zaoios.pw.edu.pl/kjemiel Obróbka Skrawaniem - podstawy, dynamika, diagnostyka 4. Materiały narzędziowe
2. 2 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Plan wykładu Obróbka skrawaniem 1. Wstęp 2. Pojęcia podstawowe 3. Geometria ostrza 4. Materiały narzędziowe 5. Proces tworzenia wióra 6. Siły skrawania 7. Dynamika procesu skrawania 8. Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia 9. Zużycie i trwałość ostrza 10. Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania 11. Skrawalność 12. Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Materiały narzędziowe strony 52-95
3. 3 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych
4. 4 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wymagania stawiane materiałom narzędziowym • Twardość • zwłaszcza twardość na gorąco, tak że twardość i wytrzymałość są zachowane w temperaturach występujących przy skrawaniu • do wykonania skrawania narzędzie musi być ok. 30 HRC twardsze niż materiał obrabiany • Wytrzymałość • narzędzie musi wytrzymywać znaczne i zmienne obciążenia, nie ulegając złamaniom czy wykruszeniom • Odporność na zużycie • by mogło skrawać przez odpowiednio długi czas między przeostrzeniami czy wymianami • Stabilność chemiczna • w odniesieniu tak do materiału obrabianego jak cieczy chłodzącej • Racjonalnie niski koszt • by zapewnić ekonomiczną obróbkę
5. 5 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wybór materiału ostrza Zależy od: • sposobu obróbki skrawaniem • wielkości naddatku (obróbka zgrubna czy wykańczająca) • materiału obrabianego (gatunek, kształt, stan powierzchni) • sztywności i mocy obrabiarki
6. 6 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Materiał części chwytowej • wytrzymałość wystarczająca do przeniesienia sił skrawania • zdolność do tłumienia drgań • dobra przewodność cieplna • rozszerzalność cieplna podobna do rozszerzalności materiału części roboczej • niski koszt Z reguły stale konstrukcyjne stopowe
7. 7 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Materiały narzędziowe diament (PCD) regularny azotek boru (CBN) ceramika węgliki spiekane węgliki spiekane drobnoziarniste węgliki spiekane pokrywane cermetale stal szybkotnąca wytrzymałość, udarność odporność na zużycie, twardość stale narzędziowe B.Shaw, IMTS 2004
8. 8 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zależność twardości podstawowych materiałów narzędziowych od temperatury
9. 9 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Rozwój możliwych do zastosowania prędkości skrawania CIRP Encyclopedia of Production Engineering
10. węgliki 47% stal szybkotnąca 28% Cermet 7% inne 4% 9% 5% Zastosowanie materiałów narzędziowych na świecie (2004)
11. 11 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Stale narzędziowe
12. 12 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale narzędziowe węglowe Skład: 0.5-1.4% węgla oraz niewielką ilość (0.15-0.35%, powiedzmy ok. 0.3%) dodatków stopowych Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Struktura: martenzytyczna Twardość: w stanie zmiękczonym 200 HB, zahartowane 60HRC.. ale tracą ją ok. 200 °C Zastosowanie: obróbka ręczna materiałów o dobrej skrawalności, Podział na: • Płytko hartujące się: mała wrażliwość na przegrzanie, do małych narzędzi (D<20mm): N7E-N12E • Głęboko hartujące się, do większych narzędzi, zawierające nieco więcej dodatków: N5-N12 Cyfra w oznaczeniu odpowiada zawartości węgla w 0.1% noże do drewna noże krążkowe do cięcia papieru, gumy, tworzyw sztucznych
13. 13 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale narzędziowe stopowe Skład: 0.75-2.1% węgla oraz większą ilość (zwykle do powiedzmy 3%) dodatków stopowych Mn, Si, Cr, W i V. Struktura: martenzytyczna Twardość: zahartowane 62HRC.. ale tracą ją ok. 300 °C Zastosowanie: takie samo jak stali węglowych - są nieco droższe i nieco lepsze. Polskie gatunki: NV, NMV, NC5... NC11, itd
14. 14 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Stale szybkotnące
15. 15 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale szybkotnące pierwsze 5 lat stosowania: • w USA wydano na narzędzia z niej zrobione 20 milionów dolarów • wzrost wartości produkcji o 8 miliardów dolarów! HSS wynalezione pod koniec XIX wieku przez F.W. Taylora i M. White’a Stale narzędziowe: • węglowe, ok. 0.3% dodatków - 200°C, • stopowe, ok. 3% dodatków - 300 °C, • a gdyby tak... ze 30% dodatków?
16. 16 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale szybkotnące • Najbardziej wytrzymały materiał narzędziowy • Drugi pod względem częstości stosowania • Traci właściwości przy ok. 550°C • Materiał, którym skrawa się.... najwolniej! ☺
17. 17 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Obróbka cieplna stali szybkotnących • Nagrzewanie do hartowania 3-4 stopniowe (zła przewodność cieplna:) • Chłodzenie w kąpieli solnej (550°C) lub oleju (80-200°C), a dalsze w powietrzu. • Odpuszczanie co najmniej 2krotne: przemiana austenitu szczątkowego i usunięcie kruchości ponadto wtórne utwardzanie F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
18. 18 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Obróbka cieplna stali szybkotnących Wtórne utwardzanie wynika z tworzenia się wewnątrz martenzytu bardzo drobnych cząsteczek węglików z W, V, i Mo rozpuszczonych wcześniej w żelazie.
19. 19 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Segregacja węglików w stalach szybkotnących • Grupowanie się węglików metali trudnotopliwych • Wynika z nierównomiernego krzepnięcia wlewka • Pogarsza wytrzymałość • Zwalczanie: • wielokrotne przekuwanie... • lub spiekanie O. Grinder, PM Production and Applications of HSS, 2005
20. 20 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wytrzymałość HSS konwencjonalnych i spiekanych wytrzymałość twardość • brak segregacji • wyższa wytrzymałość i udarność przy tej samej twardości • izotropowe właściwości – mniejsze odkształcenia w czasie hartowania • lepsza szlifowalność • wyższy, bardziej powtarzalny okres trwałości narzędzi PM (powder metallurgy) HSS:
21. 21 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Narzędzia z HSS pokrywane azotkiem tytanu (TiN) Początek w latach 80tych
22. 22 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stal szybkotnąca pokryta TiN
23. 23 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pokrywanie narzędzi TiN metodą PVD łuk elektryczny elektron atom kropelka CIRP Encyclopedia of Production Engineering Uchwyt narzędziowy (katoda) Gaz neutralny (argon) Gaz aktywny (azot) Pokrywane narzędzia Materiał pokrywający (tytan) Parownik Plazma Pompa próżniowa Odparowywany materiał Wysokie napięcie Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD - physical vapour deposition)
24. 24 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zużywanie się narzędzia z HSS pokrywanych TiN
25. 25 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ pokrycia na właściwości HSS • zwiększa twardość powierzchni i odporność na zużycie ścierne i adhezyjne • redukuje współczynnik tarcia wióra o powierzchnię natarcia • lepsze odprowadzanie wiórów • mniejsze siły skrawania • mniej wytwarzanego ciepła • redukcja narostu • redukuje ilość ciepła wnikającego do narzędzia (bariera cieplna) • zwiększa odporność na utlenianie • poprawia jakość powierzchni obrobionej
26. 26 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Gatunki stali narzędziowych i szybkotnących Stale narzędziowe Stale szybkotnące
27. 27 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Węgliki spiekane
28. 28 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Węgliki spiekane • wprowadzone w latach 30-tych • 60-95% WC+TiC+TaC+NbC (1-10mm) + Co • wysoka twardość (1500-1700 HV) w szerokim zakresie temperatur, stosunkowo wysoka wytrzymałość i przewodność cieplna • niska rozszerzalność cieplna Podstawowy, najczęściej stosowany materiał narzędziowy
29. 29 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wytwarzanie węglików spiekanych
30. 30 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Węgliki spiekane • Znacznie mniej wytrzymałe niż HSS • Znacznie bardziej odporne na zużycie • Zachowują właściwości do ok. 900°C • Dwie podstawowe grupy: • WC-Co • wyższa wytrzymałość na zginanie i udarność, • lepiej znoszą niskie prędkości skrawania i zużycie ścierne, • lepsza przewodność cieplna, • WC-TiC-TaC-NbC-Co • odporne na zużycie dyfuzyjne – obróbka stali
31. 31 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Struktura typowych węglików spiekanych > 5.0 μm 3.5 - 5.0 μm 2.1 - 3.4 μm 1.4 - 2.0 μm 1.0 - 1.3 μm 0.5 - 0.9 μm 0.2 - 0.5 μm < 0.2 μm Ekstra grubo- ziarniste Grubo- ziarniste Średnio- grubo ziarniste Średnio- ziarniste Drobno- ziarniste Sub mikronowe Ultra drobno ziarniste Nano ziarniste Przemysł wydobywczy Narzędzia skrawające Odporne na uderzenia Narzędzia skrawające wytrzymałe, odporne na zużycie, >1 µm <1 µm Ultra fine Extra fine Fine Extra coarse Coarse Medium coarse Medium
32. 32 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zależność odporności na zużycie od zawartości kobaltu, twardości i wielkości ziarna
33. 33 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Struktura typowych węglików spiekanych F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011 Standardowa Drobnoziarnista Submikronowa Toczenie żeliwa białego Trwałość ostrza (min) (H):Twardość HV30 (B):Wytrzymałość na zginanie (N/mm2) (H)Twardość HV30 Płytka wymienna SPGN 120308 Ostra krawędź kr =75° Ziarno 0.8–1.3 μm 0.5–0.8 μm
34. 34 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Węgliki spiekane ultra drobnoziarniste Podwyższona wytrzymałość i odporność na zużycie zwłaszcza małych narzędzi np. wierteł o średnicach 0,05-0,2 mm Ziarno 0.2–0.5 μm
35. 35 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pokrywanie węglików spiekanych metodą CVD • HT-CVD (high temperature CVD, 900–1100°C) • MT-CVD (medium temperature CVD, 700–900°C) • PA-CVD (Plasma activated CVD, 450–650°C) Początek w latach 60-tych Węglik K30 pokryty TiAlN CIRP Encyclopedia of Production Engineering Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD - chemical vapour deposition)
36. 36 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Węgliki pokrywane TiN Al2 O3 TiCN rdzeń TiN – niskie tarcie, odporność na narost Al 2 O 3 – odporność na adhezję i dyfuzję, twardość na gorąco, niska przewodność cieplna: bariera cieplna TiC, TiCN – wysoka twardość, odporność na ścieranie rdzeń – wysoka wytrzymałość TiC
37. 37 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ pokrycia na promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej R= promień krawędzi przed pokryciem + S – grubość pokrycia = Promień zaokrąglenia krawędzi po pokryciu Powierzchnia natarcia Chropowata powierzchnia Gładka powierzchnia CemeCon
38. 38 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ pokrycia ostrza z WS na zużycie ostrza CIRP Encyclopedia of Production Engineering
39. 39 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Właściwości różnych pokryć Stabilność chemiczna współczynnik tarcia odporność na zużycie Al2O3 TiC Ti (C, N) Ti (Al, N) TiN ZrN
40. 40 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podwyższenie wytrzymałości przez zwiększenie zawartości kobaltu pod pokryciem IC 848 IC 848 IC 825 IC 825 IC 8025 IC 9025 IC 8048 Al2 O3 TiN
41. 41 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pokrywanie węglików metodą PVD CIRP Encyclopedia of Production Engineering
42. 42 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Typy pokryć PVD TiCN TiN TiCN + TiN TiAlN • Proces PVD zachodzi w temperaturze poniżej 600° • Może być stosowany do ostrych naroży CIRP Encyclopedia of Production Engineering • Pierwsze były pokrycia azotkiem tytanu TiN • Kolejna generacja – węgliko-azotek tytanu TiCN. • Stosowana jest kombinacja tych pokryć • Dodanie aluminium do TiN dało TiAlN • wyższą twardość, • odporność na utlenianie i wytrzymałość w temperaturach do 900°
43. 43 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Właściwości i zastosowanie pokryć PVD TiAlN • Pokrycie TiAlN 2-6 mm, metodą PVD • Właściwości: • 3000-3500 HV • doskonała twardość na gorąco • świetna odporność na utlenianie • mała przewodność cieplna • ostra krawędź skrawająca • przy wysokich temperaturach powstaje warstewka ochronna tlenków Al • Zastosowanie • materiały trudnoobrabialne • obróbka z wysokimi prędkościami (HSM) • obróbka na sucho • obróbka żeliwa i stali nierdzewnych • frezowanie i toczenie stopów tytanu
44. 44 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Proces CVD PVD temperatura 800° - 1100° C 200° - 500°C warstwy pokrywające węgliki, azotki, tlenki TiN, TiCN, TiAlN całkowita grubość pokrycia 2 – 15 mm 2 – 5 mm kierunkowość ze wszystkich kierunkowe pokrycia stron charakterystyka więcej możliwych ostra krawędź skrawająca, ogólna kombinacji pokryć, gorsze przyleganie pokrycia, dobre przyleganie mniejsze naprężenia między, pokrycia rdzeniem i pokryciem Porównanie pokrywania metodą CVD i PVD
45. 45 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Rozkład naprężeń w pokryciu i rdzeniu 5 10 Coating Substrate Depth (mm) Compression Stress Tensile Stress rdzeń CVD Coating (5-10 mm) Coating Substrate Compression Stress Tensile Stress 5 10 Depth (mm) rdzeń PVD Coating (2-6 mm) Pokrycie CVD Pokrycie PVD naprężenia ściskające naprężenie rozciągające naprężenia ściskające naprężenie rozciągające pokrycie rdzeń pokrycie rdzeń głębokość (mm) głębokość (mm)
46. 46 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak CVD aktywowane plazmowo 450–650°C ! F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
47. 47 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Rynek narzędzi niepokrywane PVD CVD Rozwój metod pokrywania materiałów narzędziowych L. A. Dobrzański, A. . Dobrzańska-Danikiewicz, 2011
48. 48 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zestawienie metod pokrywania F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
49. 49 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie właściwości pokryć 1. Zużycie ścierne 2. Zużycie wytrzymałościowe (statyczne i dynamiczne) 3. Zużycie adhezyjne 4. Deformacje plastyczne 5. Wykruszenia, pęknięcia 6. Możliwość utworzenia ostrej krawędzi 1 2 3 4 5 6 B. Ljungberg, M. Castner, Coating Improvements For Steel Turning
50. 50 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Cermetale Węglik tytanu (TiC) i węgliko-azotek tytanu (TiCN) ze spoiwem kobaltowo-niklowym (Co-Ni) F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
51. 51 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie cermetali z węglikami spiekanymi Właściwości • wyższa twardość i odporność na wysokie temperatury • wyższa odporność na zużycie • niższe tarcie wióra o powierzchnię natarcia i narzędzia o przedmiot • minimalny narost • niższa wytrzymałość • łatwiejsze wykruszanie Zastosowanie • wyższe prędkości skrawania • toczenie wykańczające • lepsza jakość powierzchni obrobionej • mniejsze siły skrawania • głównie do obróbki ciągłej
52. 52 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zastosowanie węglików spiekanych i cermetali
53. 53 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Węgliki spiekane – gatunki
54. 54 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Narzędzia z płytkami węglików
55. 55 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 26% HSS 50% jednolity lub lutowany WS 24% płytki wymienne WS rozwiercanie 81% HSS 19% jednolity WS nacinanie uzębień 5% lutowane ostrza WS 95% HSS piłowanie 86% HSS 14% WS przeciąganie 2% lutowane WS 98% płytki wymienne WS toczenie 9% jednolity WS 33% HSS 58% płytki wymienne WS frezowanie 95% HSS 5% jednolity WS gwintowanie 51% HSS 27% płytki wymienne WS 22% jednolity WS wiercenie Zastosowanie stali szybkotnących i węglików spiekanych w różnych sposobach obróbki Valerius, E., Riou, A., New Technologies in the Cutting Tool Industry, First International HSS FORUM Conference, 2005
56. 56 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Spieki ceramiczne
57. 57 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika tlenkowa Ceramika tlenkowa, oparta na Al 2 O 3 • Wytwarzanie – prasowanie i spiekanie (podobnie jak WS) • indywidualne płytki (białe) • prasowanie na gorąco dużych walców, ciętych na płytki • Drobne ziarno (do 5 mm), porowatość <2% • Twardość w temperaturze pokojowej ok. 1600 HV • Wytrzymałość na ściskanie ok. 2750 Mpa • Podział na • czystą • mieszaną • zbrojoną
58. 58 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika Al2 O3 czysta • Skład: • prawie wyłącznie Al 2 O 3 • dodatki ZrO 2 (poprawa udarności i wytrzymałości) • MgO i TiO – poprawa zagęszczenia i właściwości skrawnych • Zalety: • wysoka twardość, do wyższych temperatur niż WS • małe powinowactwo z metalami, nie uleganie reakcjom chemicznym (stabilność chemiczna) • brak narostu, dyfuzji, utleniania • Wady: • mała wytrzymałość, udarność (3x mniejsza niż WS) • niska przewodność cieplna
59. 59 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika Al2 O3 czysta Zastosowanie • toczenie żeliwa szarego w ustabilizowanych warunkach, gdy potrzebna jest duża gładkość (bez szlifowania) – czoła sprzęgieł i hamulców samochodowych • prędkości skrawania 2-3x wyższe niż dla WS (ok. 600 m/min) B.Shaw, IMTS 2004
60. 60 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika Al2 O3 mieszana • Skład • dodatek 20-30% TiC i TiN (ceramika czarna) • Właściwości • wyższa przewodność cieplna • odporność na szok termiczny • wyższa udarność • Zastosowanie • obróbka żeliwa w szerszym zakresie, • obróbka stopów żarowytrzymałych jak stopów niklu • obróbka materiałów twardych (poniżej 65 HRC)
61. 61 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika Al2 O3 zbrojona • Skład • dodanie przed spiekaniem ok. 25% włókien SiC 2x20mm • Właściwości • odporność na wysoką temperaturę, • odporność na szok termiczny • odporność na zużycie • Zastosowanie • obróbka żeliwa stopowego, • obróbka stopów żarowytrzymałych jak stopów niklu • obróbka stali utwardzonej • obróbka przerywana • obróbka szybkościowa stali
62. 62 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika azotkowa - Si3 N4 CIRP Encyclopedia of Production Engineering Azotek krzemu (Si 3 N 4 ) ma bardzo korzystne właściwości jako materiał narzędziowy: • wysoka odporność na szok termiczny związany z niską rozszerzalnością, • wysoka przewodność cieplna • wytrzymałość Czysty Si 3 N 4 spieka się bardzo trudno  Dodatki MgO i Y 2 O 3 ułatwiają spiekanie, lecz zmniejszają wytrzymałość w wysokich temperaturach Ułatwienie spiekania przy zachowaniu właściwości Si 3 N 4 oraz stabilności chemicznej Al 2 O 3 uzyskano przez połączenie tych materiałów
63. 63 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika azotkowa - Sialon • Skład • Si 3 N 4 +Al 2 O 3 Si-Al-O-N • Wytwarzanie • prasowanie na zimno, następnie spiekanie (jak węgliki) • spiekanie pod wysokim ciśnieniem (HPSN - hot pressed silicon nitride) – wyższa gęstość i lepsze właściwości
64. 64 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Spieki ceramiczne – ceramika azotkowa - Sialon • Właściwości • b. dobra przewodność cieplna i niska rozszerzalność: odporność na szok termiczny i zużycie • nie wchodzi w reakcje z materiałami nieżelaznymi, • odporna na utlenianie • wysoka wytrzymałość i udarność, zachowana do wysokich temperatur – ok 1000C • Zastosowanie • obróbka żeliwa na sucho i z chłodzeniem, • szybkościowa obróbka żarowytrzymałych stopów niklu (Inconel 718)
65. 65 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zastosowanie narzędzi ceramicznych CIRP Encyclopedia of Production Engineering Ceramika tlenkowa Ceramika azotkowa Żeliwo Stale hartowane Żeliwo Stopy żarowytrzymałe
66. 66 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ceramika pokrywana TiN do toczenia na twardo B.Shaw, IMTS 2004 Może być używana zamiast CBN przy obróbce ciągłej lub z niewielkimi przerwami Pokrycie zwiększa stabilność, poprawia gładkość powierzchni obrobionej, przeciwdziała wykruszaniu. Redukuje powstawanie krateru wydłużając trwałość ostrza
67. 67 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Narzędzia z płytkami ceramicznymi Płytki ze wzmocnioną krawędzią skrawającą ostra honowana fazowana fazowana i honowana Wzrost wytrzymałości CIRP Encyclopedia of Production Engineering
68. 68 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ sfazowania krawędzi na trwałość narzędzi ceramicznych F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
69. 69 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Narzędzia z płytkami ceramicznymi Oprawki podobne jak dla węglików, ale płytki są grubsze, więc oprawki inne
70. 70 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde 4 Materiały narzędziowe Materiały supertwarde
71. 71 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Regularny azotek boru i diament
72. 72 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak CBN lub diament Spoiwo Podkład z węglików Podkład z węglików Podkład z węglików CBN lub diament ze spoiwem Cięcie na pożądane kształty CBN lub diament Podkład z węglików Drut WEDM Lutowanie Płytka z węglików Stop lutowniczy Szlifowanie wykończeniowe Płytka skrawająca z ostrzem CBN lub diamentowym Wytwarzanie płytek PCD i CBN ciśnienie ciśnienie Spiekanie w wysokiej temperaturze, pod wysokim ciśnieniem Komora spiekania Brad Mutchler, New CBN Tooling for Hard Turning, IMTS Manufacturing Conference, Chicago 2004
73. 73 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Regularny azotek boru (CBN, PCBN) • PCBN – polikrystaliczny CBN spiekany ze spoiwem ceramicznym lub TiN • Bardziej odporny na zużycie, twardszy niż ceramika • Twardość i przewodność cieplna ustępuje tylko diamentowi • Bardzo drogi! (~10 x droższy niż węgliki spiekane) • Narzędzia: • płytki z warstwą (< 5 mm) na podkładzie z węglika spiekanego, • naroża w płytce z węglika bądź też w postaci jednolitych płytek. • często sfazowanie krawędzi skrawającej, starannie wygładzanej ~100zł
74. 74 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Regularny azotek boru (CBN, PCBN) • Obróbka: • stali hartowanych • białych żeliw stopowych, • Żeliwa szare perlityczne • elementów utwardzanych powierzchniowo, • oparte na niklu i kobalcie stopy żaroodporne • Warunki skrawania • niewielkie prędkości i przekroje warstwy skrawanej • duże siły – duże moce • konieczna odpowiednia moc i sztywność obrabiarek
75. 75 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Koncentracja CBN • Niska koncentracja CBN (45-50%) • toczenie wykończeniowe stali hartowanych • obróbka ciągła lub z niewielkimi przerwami • jeden lub więcej wierzchołków wlutowanych w płytkę z węglików • Średnia koncentracja CBN (50-60%) • do obróbki stali hartowanych • obróbka ciągła lub z niewielkimi przerwami • submikronowe ziarno i specjalne spoiwo ceramiczne zwiększa wytrzymałość i stabilność chemiczną • Wysoka koncentracja CBN (80-90%) • obróbka zgrubna stali hartowanych i szybkościowa obróbka żeliwa • wytrzymuje szerszy zakres obróbki przerywanej • dobra wytrzymałość i odporność na zużycie materiałów dających krótkie wióry i spieków B.Shaw, IMTS 2004
76. 76 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak twardość (HRC) miękki materiał Temperatura (°C) 70 60 50 40 30 20 10 200 400 600 800 Materiał hartowany Temperatura ostrza niezbędna do efektywnego wykorzystania PCBN Twardość materiału obrabianego w funkcji temperatury
77. 77 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Regularny azotek boru (CBN, PCBN) - gatunki
78. 78 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie różnych materiałów do obróbki na twardo v c = 400 m/min f = 0.12 mm a p = 0.30 mm Inconel 718 Na mokro F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
79. 79 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie CBN i ceramiki przy obróbce na twardo • CBN jest bardziej korzystny przy obróbce przerywanej • Umożliwia uzyskanie ostrzejszych krawędzi skrawających, co redukuje siły skrawania • Jest bardziej korzystny gdy konieczny jest mały promień naroża Pod względem kosztów – przy obróbce ciągłej twardych materiałów, narzędzia ceramiczne osiągają duże okresy trwałości ostrza, wysoką jakość powierzchni przy znacznie niższym koszcie niż CBN Ceramika jest lepsza do obróbki na twardo!!! CBN jest lepszy! B.Shaw, IMTS 2004
80. 80 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Diament (PCD) • Najtwardszy ze wszystkich materiałów, najwyższa przewodność cieplna, doskonała stabilność chemiczna • Przy temperaturze ponad 650°C może ulegać grafityzacji • Nie stosować do obróbki stali !
81. 81 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zastosowanie diamentu polikrystalicznego (PCD) • nadeutektyczne stopy aluminium i krzemu (korpusy silników samochodowych) • stopy miedzi, • materiały niemetalowe o silnych własnościach ścierne jak tworzywa sztuczne warstwowe czy obwody drukowane • szkło, ceramika, materiały kompozytowe • Obróbka precyzyjna materiałów niemetalowych (bardzo ostra krawędź skrawająca)
82. 82 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pokrycia diamentowe CVD • CVD diamentu zachodzi z trudem na innych podłożach, stąd nanocząsteczki diamentowe są najpierw nanoszone powierzchnię narzędzia • Rozmieszone rzadko (większe) dają w wyniku większe ziarna diamentu na powierzchni • Rozmieszczone gęsto dają mniejsze ziarna C.D. Torres et al., Int.J.Mach.Tools&Manuf., 2009
83. 83 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pokrycia diamentowe CVD F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011 • Standardowo występuje struktura mikrokrystaliczna • Można dobrać warunki tak, że ciągle powstają nowe zarodniki i nowe kryształy – struktura nanokrystaliczna • Połączenie typów daje strukturę wielowarstwową zwiększającą wytrzymałość, bardziej odporną na pęknięcia
84. 85 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Mikrofrez pokrywany PCD ostrze niepokrywane ostrze pokrywanie PCD C.D. Torres et al. Int.J. Mach.Tools&Manuf. 49 (2009) 599–612
85. 86 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Lustra metalowe obrabiane narzędziami diamentowymi 13” Free Form Mirror http://niprooptics.com/single-point-diamond-turning/
86. 87 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Diament (PCD) - gatunki
87. 88 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie zastosowania PCD i PCBN PCD PCBN • drewno • metale nieżelazne • tworzywa sztuczne • minerały • twarde stale • żeliwa hartowane • twarde warstwy zewnętrzne • żeliwo szare perlityczne Stabilność termiczna grafityzacja w wysokich temperaturach, dyfuzja węgla Pokrewieństwo z żelazem Odporność na ścieranie
88. 89 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja twardych materiałów narzędziowych wg ISO 513:2004 Grupa ISO Materiał obrabiany kierunek zmian właściwości parametry skrawania P niebieski M żółty K czerwony N zielony S brązowy H biały P01 : : : P50 M10 : : M40 K01 : : K40 N01 : : N30 S01 : : S30 H01 : : H30 Stale i staliwa z wyjątkiem austenitycznych, żeliwa ciągliwe Stale nierdzewne, austenityczne, austenityczne-ferrytyczne, staliwa Żeliwa: szare, sferoidalne, ciągliwe Metale nieżelazne: aluminium i inne, tworzywa sztuczne, drewno Trudnoobrabialne, żarowytrzymałe stopy oparte na żelazie, niklu i kobalcie, tytan i jego stopy Hartowana stal, hartowane żeliwo, żeliwo białe odporność na zużycie udarność posuw, głębokość prędkość skrawania
89. 90 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja materiałów obrabianych
90. 91 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja materiałów obrabianych
91. 92 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja materiałów obrabianych
92. 93 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja materiałów obrabianych
93. 94 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Materiały ostrza – do materiałów obrabianych
94. 95 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Materiały ostrza – do materiałów obrabianych
95. 96 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Jakieś pytania? Perykles (gr. Περικλῆς Perikles – otoczony chwałą, ur. ok. 495 p.n.e., zm. 429 p.n.e.) – ateński polityk, mówca, reformator ateńskiej demokrac latach 444 – 429 p.n.e., był wybierany corocznie na stanowisko stratega dowódcy wojskowego mającego jednocześnie wpływ na politykę Aten. Rozszerzył i wzmocnił ustrój demokratyczny, otaczał opieką filozofów i artystów. Zaoszczędzone pieniądze przeznaczał na budowę wspaniałych gmachów (Partenon 447 — 438 p.n.e., Propyleje).