Obróbka Skrawaniem 05 Proces tworzenia wióra

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 5. Proces tworzenia wióra
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 Proces tworzenia wióra strony 96-124
3. 3 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Budowa strefy skrawania • Postaci wiórów i ich klasyfikacja • Łamanie wiórów • Struktura geometryczna powierzchni obrobionej • Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego 4 Proces tworzenia wióra Budowa strefy skrawania
4. 4 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Strefa skrawania 0,1mm strefa wtórnego ścinania strefa poślizgu narzędzie wiór B C D powierzchni a natarcia powierzchnia przyłożenia powierzchnia skrawania Strefa skrawania to obszar bezpośredniego oddziaływania ostrza na materiał obrabiany – obszar, w którym warstwa skrawana zamieniana jest w wiór Stan naprężeń i odkształceń w strefie skrawania zależy od całokształtu warunków skrawania. h warstwa skrawana Ostrze działając na warstwę skrawaną… strefa odkształceń sprężystych i plastycznych powoduje jej sprężyste i plastyczne odkształcenie strefa ścinania a następnie ścięcie wzdłuż tzw. strefy ścinania płaszczyzna ścinania W pewnym uproszczeniu można tę strefę przybliżyć płaszczyzną ścinania Warstwa skrawana po przejściu przez strefę ścinania zamienia się w wiór o wyraźnie ukierunkowanej strukturze
5. 5 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Geometria strefy skrawania 0.25mm punkt stagnacji strefa zatarcia strefa wtórnego ścinania Jaspers, S., Dautzenberg, J.,Material behaviour in metal cutting, J.Mat.Proc.Tech. 122/1,2002 Stefa odkształceń plastycznych Strefa wtórnego Strefa poślizgu ścinania 0,1mm wiór B C D strefa wtórnego ścinania strefa poślizgu h warstwa skrawana strefa odkształceń sprężystych i plastycznych strefa ścinania płaszczyzna ścinania A – strefa zatarcia B – strefa poślizgu
6. 6 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Narost P.K. Wright, E M Trent, Metal Cutting
7. 7 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Geometria strefy powstawania wióra Strefa ścinania Strefa ścinania h hw go f f – kąt ścinania h – grubość warstwy skrawanej hw – grubość wióra hw
8. 8 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Współczynnik spęczenia wióra Strefa ścinania h hch go f Lh = hch h ___ ρ h bl G ρ bl h ρ bl h Λ ch ch ch ch ch h =   = sin cos o h o tg g g f − L =
9. 9 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pomiar długości wióra
10. 10 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zależność kąta ścinania od współczynnika spęczenia wióra go go f Wyznacz ℎ z trójkątów ACB oraz ABD ℎ = ℎ sin = ℎ cos − cos − = sin sin + cos cos ℎ = ℎ ℎ = sin + cos tg tg = cos ℎ − sin hw
11. 11 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zadanie Wyznaczyć kąt ścinania
12. 12 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Budowa strefy skrawania • Postaci wiórów i ich klasyfikacja • Łamanie wiórów • Struktura geometryczna powierzchni obrobionej • Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego 4 Proces tworzenia wióra Postaci wiórów i ich klasyfikacja
13. 13 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podstawowe postaci wiórów – ciągły (jednolity) Wióry ciągłe powstają przy obróbce materiałów plastycznych z wysokimi prędkościami skrawania. Deformacje następują wzdłuż pierwotnej strefy ścinania
14. 14 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podstawowe postaci wiórów – schodkowy Wióry schodkowe występują: • przy obróbce materiałów o niskiej przewodności cieplnej i wytrzymałości gwałtownie spadającej wraz z temperaturą • przy bardzo niskich prędkościach skrawania • przy dużych głębokościach i ujemnych kątach natarcia • przy niskiej sztywności obrabiarki • przy obróbce z bardzo wysokimi prędkościami skrawania
15. 15 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podstawowe postaci wiórów – schodkowy Skrawanie tytanu W wiórach schodkowych występują strefy bardzo wysokich i bardzo niskich naprężeń i odkształceń Skrawanie stali nierdzewnej Obróbka stali z wysoką prędkością skrawania
16. 16 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podstawowe postaci wiórów – elementowy Wióry elementowe (odłamkowe) występują przy obróbce materiałów : ❑ kruchych, które nie wytrzymują wysokich naprężeń ścinających, ❑ z twardymi wtrąceniami lub zanieczyszczeniami ❑ o strukturach takich jak żeliwo szare z płatkami grafitu
17. 17 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Podstawowe postaci wiórów wiór ciągły z zaznaczonymi segmentami 0.1mm Najczęściej występują różne formy pośrednie.
18. 18 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ twardości materiału i prędkości skrawania na postać wióra Materiał obrabiany: stal do kucia na gorąco AISI H13 vc = 75m/min Twardość 28 HRC ciągły segmentowy vc = 200 m/min ciągły z segmentami Twardość 49 HRC ciągły z segmentami Eu-Gene NgFAIM 2004 Keynote 3,
19. 19 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ prędkości skrawania na postać wióra Stal 45 Inconel 718, CIRP Encyclopedia of Production Engineering
20. 20 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Powstawanie wióra przy obróbce z wysoką prędkością skrawania przedmiot wiór narzędzie przedmiot wiór narzędzie przedmiot wiór narzędzie pęknięcie pęknięcie
21. 21 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wióry
22. 22 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Budowa strefy skrawania • Postaci wiórów i ich klasyfikacja • Łamanie wiórów • Struktura geometryczna powierzchni obrobionej • Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego 4 Proces tworzenia wióra Łamanie wiórów
23. 23 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak ❑ Najmniejsza moc potrzebna do ich łamania ❑ Najmniejsze obciążenie krawędzi skrawającej ❑ Niewielkie wzrosty siły skrawania towarzyszące łamaniu ❑ Łatwe do usunięcia ❑ Wyższa moc niezbędna do złamania ❑ Wyższe naprężenia na krawędzi skrawającej ❑ Mogą powodować drgania Najbardziej pożądane — Wióry łukowe luźne Unikać — Bardzo krótkich, ciasno zwiniętych ❑ Bardzo trudne do usunięcia ❑ Mogą kaleczyć przedmiot obrabiany lub oprzyrządowanie Pożądane i niepożądane postaci wiórów Unikać — Długich, taśmowych
24. 24 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Kształtowanie wiórów przy toczeniu Niewłaściwa postać wiórów może powodować: ◼ uszkodzenia przedmiotu, narzędzia i... operatora ◼ zakłócenia produkcji ◼ problemy z usuwaniem wiórów Kształtowanie wiórów zależy od: ◼ materiału obrabianego ◼ geometrii narzędzia ◼ warunków skrawania
25. 25 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja wiórów wg PN-ISO 3685:1995 6.2.6
26. 26 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dwa sposoby wymuszonego łamania wiórów Rowek na powierzchni natarcia wiór Powierzchnia natarcia narzędzia Zwijacz wiórów wiór Przedmiot obrabiany
27. 27 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Nakładany zwijacz wiórów 6.2.6
28. 28 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zwijacz wiórów na powierzchni natarcia Zwijacz wiórów na powierzchni natarcia zmniejsza promień jego zakrzywienia i decyduje o kierunku spływu 6.2.6
29. 29 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Powstawanie wiórów 2-D: 6.2.5 3-D 6.2.6
30. 30 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ posuwu i głębokości skrawania na zwijanie wiórów 0.1mm vc =240 m/min, f=0.2 mm/obr 0.1mm vc =240 m/min, f=0.1 mm/obr 4.2.1 6.2.6 Jaspers, S., Dautzenberg, J.,Material behaviour in metal cutting, J.Mat.Proc.Tech. 122/1,2002
31. 31 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Diagram łamania wiórów Zasada ogólna: Przykład:
32. 32 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Diagram łamania wiórów
33. 33 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dobór zwijacza wióra do operacji
34. 34 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zależność postaci wiórów od zużycia ostrza Narzędzie ostre 6.2.6 ... i po kilku minutach 6.2.5
35. 35 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Budowa strefy skrawania • Postaci wiórów i ich klasyfikacja • Łamanie wiórów • Struktura geometryczna powierzchni obrobionej • Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego 4 Proces tworzenia wióra Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
36. 36 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Powierzchnia nominalna i rzeczywista Powierzchnia rzeczywista – określona rzeczywistym procesem wytwarzania • Różne procesy wytwarzania pozwalają na uzyskanie różnych charakterystyk geometrycznych i fizycznych powierzchni obrobionych • Rzeczywista powierzchnia nigdy nie jest idealną powierzchnią geometryczną Powierzchnia nominalna – określona rysunkiem konstrukcyjnym • Powierzchnie nominalne opisane są liniami prostymi, idealnymi okręgami, walcami i innymi doskonałymi figurami geometrycznymi
37. 37 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dlaczego powierzchnia jest ważna? ❑ Względy estetyczne ❑ Powierzchnia może wpływać na bezpieczeństwo ❑ Tarcie i zużycie między niesmarowanymi powierzchniami rośnie z chropowatością ❑ Powierzchnia zbyt gładka nie utrzymuje filmu olejowego ❑ Powierzchnia zbyt chropowata przebija film olejowy ❑ Powierzchnia wpływa na właściwości mechaniczne i fizyczne przedmiotu ❑ Powierzchnia wpływa montaż (pasowanie) elementów ❑ Gładkie powierzchnie mają lepszy kontakt elektryczny ❑ .....
38. 38 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Charakterystyka powierzchni obrobionej i warstwy wierzchniej Gładkość powierzchni R a , R z ... Naprężenia resztkowe rozkład naprężeń ściskających i rozciągających Zmiany struktury występowanie austenitu lub mertenzytu, biała warstwa, odpuszczanie Wady powierzchni zadrapania, pęknięcia, otwory, nalepy, wgniecenia Kierunkowość kształt śladów pozostawionych przez narzędzie Struktura geometryczna powierzchni Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej
39. 39 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Struktura geometryczna powierzchni (Surface Texture) ❑ Pod odpowiednio silnym powiększeniem powierzchnia obrobiona nie jest ani równa, ani prostoliniowa, walcowa, czy co tam jeszcze byśmy po niej oczekiwali! ❑ występuje na niej chropowatość, falistość, wady, skazy, zadrapania.... ❑ Można także zauważyć określoną kierunkowość śladów obróbki wynikającą z zastosowanego procesu ❑ Charakterystyka struktury geometrycznej powierzchni obrobionej opisuje jej powtarzalne lub losowe odchylenia od powierzchni nominalnej
40. 40 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Charakterystyka struktury geometrycznej powierzchni długość falistości krater (uszkodzenie) odległość nierówności wysokość nierówności wysokość falistości pęknięcie (wada) kierunkowość
41. 41 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Elementy struktury geometrycznej powierzchni Różnice między powierzchnią nominalną a rzeczywistą: ❑ błędy kształtu – nie są zaliczane do struktury geometrycznej powierzchni 1. falistość – gęściej lub rzadziej rozłożone odchylenia powierzchni, spowodowane drganiami, ugięciami przedmiotu i obrabiarki itp. 2. chropowatość „nałożona” na falistość to znacznie gęściej rozłożone nierówności bardziej lub mniej regularne, jak ślady narzędzia Chropowatość Falistość Błąd kształtu (tu wypukłość) Powierzchnia teoretyczna (płaska) TOLERANCJA WYMIARU
42. 42 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Elementy struktury geometrycznej powierzchni 3. kierunkowość dominujący kierunek lub wzór pozostawiony przez narzędzie (obróbkę) na powierzchni obrobionej 4. uszkodzenia wady występujące nieregularnie – pęknięcia, zarysowania, wtrącenia, skazy, kratery, plamy itp. Symbol Szkic Opis kierunkowości Równoległa do linii reprezentującej powierzchnię, przy której podano symbol Prostopadła do linii reprezentującej powierzchnię, przy której podano symbol Skrzyżowana w 2 kierunkach ukośnych do linii reprezentującej powierzchnię, przy której podano symbol Nieuporządkowana (wielokierunkowa) Współśrodkowa, w przybliżeniu względem środka powierzchni, przy której podano symbol Punktowa Promieniowa, w przybliżeniu względem środka powierzchni, przy której podano symbol
43. 43 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Gładkość i chropowatość powierzchni Chropowatość powierzchni – mierzalna charakterystyka Gładkość powierzchni – określenie subiektywne, potoczne opisujące stan (wygląd) powierzchni w ogólniejszym sensie ❑ Potocznie określenie gładkość używane jest jako odwrotny synonim chropowatości ❑ Oba terminy odnoszą się do struktury geometrycznej powierzchni
44. 44 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Chropowatość powierzchni Jedną z pierwszych rzeczy, jakie zauważamy na przedmiocie obrobionym jest chropowatość powierzchni ❑ Często jakość produktu jest związana z chropowatością powierzchni ❑ Gładsza powierzchnia jest zwykle droższa w wykonaniu ❑ Chropowatość powierzchni jest zdeterminowana przez proces obróbki
45. 45 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pomiary chropowatości Rzeczywista powierzchnia jest 3D Konwencjonalne parametry chropowatości są 2D – określane na podstawie pojedynczego profilu, zawierającego informacje w dwóch wymiarach – wysokość i długość (odległość w poziomie) Pr p Pomiar – np. przy pomocy mikroskopu podwójnego Shmaltza
46. 46 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Profilometr ❑ Najczęściej stosowana metoda pomiaru chropowatości ❑ Działa na takiej samej zasadzie co adapter ❑ Końcówka pomiarowa (igła) ślizga się wzdłuż powierzchni, a jej ruchy są rejestrowane przez urządzenie komputerowe ❑ Ślizgacz nadąża za ogólnym kształtem powierzchni eliminując wpływ np. błędów kształtu Ślizgacz końcówka pomiarowa powierzchnia profil
47. 47 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Pomiar chropowatości profilometrem
48. 48 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak ... lub mikroskopem interferometrycznym
49. 49 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Powierzchnia 3D i 2D 2D 3D
50. 50 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wyznaczanie parametrów chropowatości odchylenia pionowe powierzchnia rzeczywista powierzchnia nominalna Zmierzone i zarejestrowane odchylenia powierzchni rzeczywistej od linii równoległej do powierzchni nominalnej y i w funkcji przemieszczenia x wzdłuż powierzchni nominalnej na odcinku elementarnym le są podstawą wyznaczania parametrów chropowatości le x y
51. 51 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Linia średnia, odcinek elementarny min y n 1 2 i =  Linia średnia: ❑ prosta zgodna z ogólnym kierunkiem nierówności ❑ dzieli profil tak, by suma kwadratów odchyleń profilu od linii była najmniejsza: le y i Odcinek elementarny (Le: ❑ 8, 2.5, 0.8, 0.25 lub 0.08mm
52. 52 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Linia środkowa le W przybliżeniu linię średnią można zastąpić linią środkową, która dzieli profil tak, że pole powyżej i poniżej tej linii jest równe
53. 53 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej Ra – stosunek pola odchyleń profilu od linii średniej do długości odcinka elementarnego le = 1 න 0 ()
54. 54 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej L c y i Równanie alternatywne (aproksymacja cyfrowa), łatwiejsze do zrozumienia: = 1 ෍ =1
55. 55 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ra, AA, CLA Średnie (arytmetyczne) odchylenie od linii średniej Ra jest pierwszym parametrem chropowatości, jaki został wymyślony ❑ wciąż jest najczęściej stosowany ❑ w Anglii oznaczany jako CLA (Centre Line Average) ❑ w USA oznaczany jako AA (Arithmetic Average)
56. 56 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Średnio kwadratowe odchylenie od linii średniej Rq – inna forma określania chropowatości ❑ W porównaniu z Ra, Rq jest bardziej czułe na rzadkie duże wierzchołki i wgłębienia ❑ Obecnie stosowane rzadko, zastępowane przez Rz – najwyższą wysokość chropowatości ❑ Wygodne przy statystycznej analizie struktury geometrycznej powierzchni, jako że jest równe odchyleniu standardowemu = 1 න 0 2() ≈ 1 ෍ =1 2
57. 57 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Długość odcięcia Linia średnia le le ❑ Na wyznaczanie R a może mieć wpływ falistość ❑ W celu jej wyeliminowania stosuje się skrócone odcinki elementarne (długość odcięcia) ❑ Odcinek elementarny krótszy od długości fali eliminuje wpływ falistości pozostawiając jedynie chropowatość
58. 58 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wady Ra ❑ Ra jako średnia jest mało wrażliwe na uszkodzenia powierzchni ❑ Ra nie rozróżnia wierzchołków od wgłębień:
59. 59 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ra a nośność Powierzchnia korzystna Powierzchnia niekorzystna Ra może być mylące! Obie powierzchnie mają podobne Ra ale powierzchnia z prawej ma praktycznie zerową powierzchnię nośną!
60. 60 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skośność Wzór: Dobra powierzchnia nośna Koncentracja materiału na szczycie profilu świadczy o plateau Ujemna skośność Dodatnia skośność ujemna skośność dodatnia skośność
61. 61 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wysokość chropowatości Rz (ISO) Średnia z sumy wysokości pięciu wierzchołków i głębokości pięciu wgłębień względem linii średniej lub dowolnej linii równoległej do niej: L c       + =   = = 5 1 5 1 5 1 i i vi pi R R Rz
62. 62 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Rp , Rv , Rt L c R t R p R v Rp – maks. wysokość wierzchołków Rv – maks. głębokość wgłębień Rz – największa wysokość nierówności
63. 63 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Przykładowe parametry struktury geometrycznej powierzchni p m 2 1 2 1 n(0) 2 1 Ra Rz O Hmin Hma x bi Smi Rt Si Qi ri Fi Lc x R a - średnie odchylenie profilu od linii średniej, R z - średnia odległość pięciu najwyżej i najniżej położonych punktów profilu, R t - największa wysokość nierówności, Q - średni kąt nachylenia wierzchołków, r - średni promień zaokrąglenia wierzchołków, F 1 - pole profilu nad linią średnią (lub dowolną linią do niej równoległą), S m - średnia odległość nierówności, S - średnia odległość wierzchołków profilu, m - liczba wierzchołków, n(0) - liczba punktów przecięć profilu z linią średnią, R q - średnie kwadratowe odchylenie profilu,
64. 64 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Szerokość zastosowania parametrów chropowatości Liczba firm parametr Wyniki ankiety przeprowadzonej przez CIRP w 284 firmach z 18 krajów Rp – maks. wysokość wierzchołków Rv – maks. głębokość wgłębień Rz – średnia z 5 max-min Rc – średnia wysokość elementów profilu Rt – największa wysokość nierówności Ra – średnie odchylenie od linii średniej Rq – średniokwadratowe odchylenie od linii średniej Rsk – skośność profilu Rku – płaskość (kurtoza) profilu RSm – średnia szerokość elementów profilu .....
65. 65 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Obliczanie parametrów chropowatości Wyznaczyć położenie linii średniej, R a , R z , R p , R v , dla noża tokarskiego pracującego z założonym posuwem Rozwiązanie: Narzędzie przedstawione wyżej pozostawia na powierzchni obrobionej powtarzalny ślad, tworzący profil chropowatości: Przyjmijmy dane a = 0,1 mm, κ'r=30°, f =0,3mm/obr. Największa wysokość profilu Rz wyznaczona może być bezpośrednio z zależności: Rz=f-atanκ'r=0,115 mm Linia średnia dzieli profil tak, że pole nad linią średnią A1 jest równe polu pod tą liną A2: a Rp+12Rp2cotκ'r=12Rz-Rp2cotκ'r stąd położenie linii średniej określone jest przez wysokość najwyższego wzniesienia profilu Rp: Rp=Rz22Rz+a=0,031mm Oczywiście tu głębokość najwyższego wgłębienia profilu Rv=Rz=Rp=0,085mm. Średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Ra możemy wyznaczyć jako stosunek sumy pól A1 i A2 do odcinka pomiarowego, którym tu jest posuw f. Ponieważ oba pola są z definicji takie same, można Ra określić jako Ra=2A1f=22a Rp+Rp2cotκ'rf=0,026mm
66. 66 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zadanie Wyznaczyć położenie linii średniej, R a , R z , R p , R v , dla narzędzia: pracującego z posuwem f=0.9 mm/obr k'r =45° 0,3 9 3 6 6-x x (6-x)2/2 = 3 x + x2/2 x = 2 Pole = 8 + 8 = 16 R a = 16/9 =1.78 ze skalą R a = 178 mm R z = 600 mm R v = 400 mm R p = 200 mm f=0.3m m/obr kr =90° k'r =30° 0,1 kr =90°
67. 67 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ posuwu i promienia zaokrąglenia naroża na teoretyczną wysokość nierówności = 2 8 regularne nierówności, większa skala f narzędzie r e nieregularne nierówności, mniejsza skala CIRP Encyclopedia of Production Engineering
68. 68 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ posuwu i promienia zaokrąglenia naroża na teoretyczną wysokość nierówności Rzt = 2 8 = 45° ÷ 90° ′ = 15° ÷ 45° ≤ 0,8 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Rzt (mm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 f (mm/obr) 0,32 0,96 0,64 0 0,05 0,1 0,15 f (mm/obr) Rzt Rz doświadczanie teoretycznie
69. 69 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ posuwu na wysokość nierówności f=1 mm/obr f=0.8 mm/obr f=0.6 mm/obr f=0.4 mm/obr Franco P.et al.Int.J.Mach.Tools&Manuf. 44, 2004, 1555–1565
70. 70 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ niekorzystnej postaci wióra na jakość powierzchni obrobionej C. R. Galo, M. Balazinski, Inconel 718 shaft machining Roughing and semi finishing
71. 71 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ promienia naroża na chropowatość Mały promień naroża Duży promień naroża „Wiper” „Wiper” i płaszczyzna
72. 72 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Naroże konwecjonalne r e =0.8mm Naroże r e =0.8mm „Wiper” WNMG080408W-M3 Wpływ geometrii naroża na chropowatość Materiał Grupa 4 v c 260 m/min a p 1.0 mm f 0.3 mm
73. 73 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ geometrii naroża na chropowatość Mat: Ck45 Frez: R220.43-003205 Płytka: OFEX05T305TN-ME07 T25M vc : 400 m/min fz : 0.1 mm/tooth ap : 0.3 mm
74. 74 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Kennametal CCGT09T302HP KC5010 WS r e =0.2 mm Wpływ szerokości starcia powierzchni przyłożenia (VB B ) na stan powierzchni obrobionej
75. 75 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ prędkości skrawania na chropowatość powierzchni obrobionej 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 6 prędkość skrawania vc [m/min] chropowatość Ra [µm] 100 Cr 6 (62 HRC) CBN10 CNMA120408 f = 0,05 mm ap = 0,05 mm na sucho Czas skrawania t = 0 - 30 min (typowy przykład )
76. 76 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Budowa strefy skrawania • Postaci wiórów i ich klasyfikacja • Łamanie wiórów • Struktura geometryczna powierzchni obrobionej • Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego 4 Proces tworzenia wióra Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
77. 77 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej ❑ Struktura geometryczna powierzchni nie opisuje jej w pełni ❑ Pod powierzchnią mogą występować zmiany fizyczne mające decydujący wpływ na właściwości mechaniczne ❑ Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej (surface integrity) opisują zmiany które powstają w trakcie obróbki, a które mają znaczenie dla właściwości użytkowych przedmiotu obrabianego -800 -600 -400 -200 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 Głębokość pod powierzchnią (µm) -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 Nprężenia resztkowe MPa ściskanie rozciąganie
78. 78 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Charakterystyka warstwy wierzchniej (Surface Integrity) Obejmuje określenie cech fizycznych i geometrycznych zewnętrznej warstwy przedmiotu obrobionego z uwzględnieniem jego przeznaczenia użytkowego ❑ Proces wytwarzania oddziałuje na przedmiot obrabiany energią, która zmienia zewnętrzną warstwę materiału, nazywaną warstwą wierzchnią ❑ Zmiany warstwy wierzchniej wynikają z: ❑ utwardzenia zgniotem (energia mechaniczna) ❑ oddziaływania ciepła (energia termiczna) ❑ wpływów chemicznych ❑ oddziaływań energii elektrycznej ❑ Charakterystyka warstwy wierzchniej obejmuje zarówno strukturę geometryczną powierzchni, jak fizyczne cechy zmienionej warstwy pod powierzchnią
79. 79 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Warstwa wierzchnia przedmiotu obrobionego Zewnętrzna warstwa materiału obrabianego różni się od pozostałej objętości. Jest to tzw. warstwa wierzchnia 1. Warstwa powierzchniowa: • cząsteczki obce (pyły, ciecze, materiał ostrza, wykruszony materiał obrabiany) • wymiary w granicach 0.01÷0.03 mm 2. Warstwa przypowierzchniowa: • rozdrobnione i odkształcone ziarna materiału obrabianego • silne umocnienie przez zgniot –twardość znacznie wyższa od materiału rodzimego • grubość 0.5÷500 mm 3. Warstwa podpowierzchniowa: • graniczny obszar zalegania naprężeń • zbliżona pod względem budowy od materiału rodzimego • grubość sięgać może kilku milimetrów
80. 80 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zmiany warstwy wierzchniej powodowane przez proces obróbki ❑ Zmiany warstwy wierzchnie wynikają z oddziaływania różnych form energii na powierzchnię obrobioną ❑ Np. wykorzystanie energia mechaniczna jest podstawową formą wytwarzania ❑ kucie, gięcie ❑ prasowanie ❑ skrawanie ❑ Podstawową funkcją dostarczanej energii jest zmiana geometrii przedmiotu obrabianego, ale powoduje ona także (najczęściej) niepożądane zmiany warstwy wierzchniej
81. 81 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zmiany warstwy wierzchniej powodowane przez energię mechaniczną ❑ Naprężenia resztkowe ❑ Utwardzenie przez zgniot ❑ Odkształcenia plastyczne ziaren ❑ Pęknięcia mikro i makroskopowe ❑ Zagniecenia, zawalcowania ❑ Pustki i wtrącenia wprowadzone mechanicznie
82. 82 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Gniecenie powierzchni obrobionej Cutting edge rubbing.wmv
83. 83 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Naprężenia mają zasadniczy wpływ na właściwości wytrzymałościowe pęknięcie ściskanie Naprężenia w warstwie wierzchniej rozciąganie pęknięcie Decydujące znaczenie mają: • prędkość skrawania • zużycie ostrza • geometria ostrza • przekrój warstwy skrawanej (a p i f) • promień naroża
84. 84 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ szerokości starcia powierzchni przyłożenia (VBB ) na naprężenia resztkowe warstwy wierzchniej
85. 85 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wpływ szerokości starcia powierzchni przyłożenia (VBB ) na naprężenia resztkowe warstwy wierzchniej Materiał obrabiany: 100 Cr 6 V (61 HRC) Materiał ostrza: CBN (DNGA 1506125-L1) Parametry skrawania: vc = 140 m/min f = 0.08 mm ap = 0.2 mm Odległość od powierzchni Naprężenia resztkowe mikrostruktura Röttger K., 2003, Hartwalzen hartgedrehter Oberflächen
86. 86 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Odległość od powierzchni (Typowy przykład ) Naprężenia w warstwie wierzchniej ściskanie rozciąganie Powierzchnia szlifowana Powierzchnia toczona na twardo
87. 87 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Formowanie się białej warstwy przy toczeniu na twardo B. Denkena, et al., 4th CIRP Int. Conf. on High Performance Cutting, 2010, paper F17
88. 88 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Jakieś pytania?