Obróbka Skrawaniem 08 Ciepło, metody chłodzenia

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 Wysokoproduktywna obróbka skrawaniem Część 8 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia
2. 2 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 2 2 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 Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia strony 213-241
3. 3 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 3 3 • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne 8 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania
4. 4 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 4 4 • Rozkład sił w strefie skrawania • Modelowanie siły skrawania, rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania i moc skrawania • Bilans cieplny w strefie skrawania • Wpływ parametrów na temperaturę ostrza • Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania • Charakterystyka płynów obróbkowych • Sposoby podawania płynów obróbkowych 5 Siły, moc i ciepło w procesie skrawania Bilans cieplny w strefie skrawania
5. 5 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 5 5 Zależność sił skrawania od parametrów skrawania ≈ 0,75 ≈ 1 ≈ −0,1 Siła skrawania (obwodowa): = Siła posuwowa (osiowa): = Siła odporowa (promieniowa): =
6. 6 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 6 6 Praca skrawania Le = Fc . Iskr praca ścinania praca wtórnego ścinania tarcie na pow. natarcia tarcie na pow. przyłożenia praca odkształcenia praca tarcia wytwarzane ciepło w czasie Q = Le /tskr Wytwarzanie ciepła w procesie skrawania Qsh - wytwarzane w strefie ścinania ok. 80% Q g - wytwarzane na powierzchni natarcia ok. 20% Q a - wytwarzane na powierzchni przyłożenia poniżej 5% Q = = Fc = Fc vc = moc skrawania tskr tskr Le lskr ___ ___ Fc = Cc f ap vc yc xc zc yc 0.75 xc 1 zc -0.1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ Q = Cq f ap vc yc xc zc +1 Ciepło wytwarzane w jednostce czasu: F. Klocke, Application of MQL -Technology, HPC-CIRP 2003
7. 7 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 7 7 Bilans cieplny w strefie skrawania Odprowadzanie ciepła: Qch - ciepło unoszone przez wiór 75-80% QPO - ciepło wnikające w przedmiot obrabiany 5-10% QN - ciepło wnikające w narzędzie 10-15% QA - ciepło unoszone do atmosfery lub przez chłodziwo Qsh + Q g + Q a = Qch + QPO + QN +QA Wytwarzanie ciepła: Qsh - ciepło wytwarzane w strefie ścinania Q g - ciepło wytwarzane na powierzchni natarcia Q a - ciepło wytwarzane na powierzchni przyłożenia
8. 8 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 8 8 Wpływ parametrów skrawania na temperaturę ostrza Prędkość skrawania: • na wytwarzanie wpływa proporcjonalnie: zc +1 ~ 1 • wraz ze wzrostem prędkości rośnie udział ciepła odprowadzanego przez wiór na temperaturę ostrza wpływa znacznie mniej niż proporcjonalnie: ≈ . ÷ . Posuw (grubość warstwy skrawanej): • na wytwarzanie wpływa mniej proporcjonalnie ≈ 0.75 • ciepło wytwarzane w części strefy ścinania dalszej od krawędzi skrawającej ogrzewa głównie wiór • na wytwarzanie wpływa proporcjonalnie xc ~ 1 • na odprowadzanie ciepła wpływa proporcjonalnie na temperaturę ostrza wpływa nieznacznie: ≈ . ÷ . Głębokość skrawania (szerokość warstwy skrawanej): na temperaturę ostrza prawie nie wpływa : xt ~0 = Wytwarzanie ciepła: = +1
9. 9 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 9 9 Wpływ parametrów skrawania na temperaturę ostrza np. toczenie stali narzędziem 40 ze stali szybkotnącej = 154 0,480.33 (℃) toczenie stali niskowęglowej narzędziem z WS = 410 0,230.13 (℃) W uproszczeniu: HSS = 0,500.30 WS = 0,250.15 ceramika = 0,150.10 =
10. 10 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 10 10 Rozkład temperatur w strefie skrawania
11. 11 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 11 11 • Rozkład sił w strefie skrawania • Modelowanie siły skrawania, rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania i moc skrawania • Bilans cieplny w strefie skrawania • Wpływ parametrów na temperaturę ostrza • Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania • Charakterystyka płynów obróbkowych • Sposoby podawania płynów obróbkowych 5 Siły, moc i ciepło w procesie skrawania Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania
12. 12 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 12 12 Narzędzie winno być elektrycznie odizolowane od obrabiarki Termopara naturalna jednonarzędziowa Najbardziej rozpowszechniona, najłatwiejsza do zastosowania Strefa skrawania stanowi gorący styk termopary materiał obrabiany - narzędzie Do zbieranie prądu z obracającego się przedmiotu obrabianego, wystarczy prosty kolektor mV Siła elektromotoryczna mierzona przy pomocy miliwoltomierza
13. 13 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 13 13 Termopara naturalna jednonarzędziowa mV Główna niedoskonałość - wzorcowanie termopary: • pręty z materiału narzędzia i materiału obrabianego stykają się w piecu o kontrolowanej temperaturze tworząc gorący styk termopary • taki styk jest drastycznie różny od styku jaki ma miejsce w strefie skrawania • wzorcowanie układu trzeba wykonywać dla każdej pary materiał obrabiany - materiał ostrza oddzielnie • wada jakościową, można korzystać ze wspólnych krzywych wzorcowania dla naturalnych termopar o zbliżonych materiałach Metoda dobrze służyć może do jakościowej oceny wpływu warunków skrawania na średnią temperaturę ostrza.
14. 14 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 14 14 Termopara naturalna jednonarzędziowa Zastosowanie do badania temperatury w strefie skrawania przy frezowaniu CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym). H. Sasahara, et al.,4th CIRP Int. Conf. on HPC, 2010, E17
15. 15 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 15 15 Termopara naturalna jednonarzędziowa Zastosowanie do badania średniej temperatury w strefie skrawania przy toczeniu narzędziem obrotowym H. Yamamoto, et al.,4th CIRP Int. Conf. on HPC, 2010, A17
16. 16 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 16 16 Termopara naturalna dwunarzędziowa Zastosowanie dwu narzędzi o tej samej geometrii, z różnych materiałów, skrawających jednocześnie z tymi samymi parametrami ten sam przedmiot eliminuje konieczność wzorcowania dla każdej pary materiał obrabiany – materiał ostrza Materiał ostrza ma wpływ na temperaturę skrawania co obniżą wartość metody. Kłopotliwe jest przygotowanie przedmiotu i zachowanie tej samej głębokości skrawania mV Mierzona jest siła elektromotoryczna między narzędziami, a wpływ materiału obrabianego wyeliminowany Zastosowanie takie samo jak termopary jednonarzędziowej - do jakościowej oceny wpływu warunków skrawania na średnią temperaturę ostrza.
17. 17 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 17 17 Termopara obca • Termopara umieszczona w otworze wykonanym w narzędziu • Położenie jej gorącego styku jest ściśle określone • Pojedyncze narzędzie może dobrze służyć do badań porównawczych wpływu warunków skrawania na temperaturę ostrza • Wykonując wiele narzędzi z otworami w różnych miejscach można zbadać rozkład temperatur w ostrzu. • Metoda prosta lecz bardzo żmudna • Wadą jest niemożność określenia temperatur w pobliżu krawędzi skrawającej, gdzie gradienty temperatury są najwyższe. • Sam otwór zakłóca odprowadzanie ciepła i rozkład temperatury
18. 18 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 18 18 Termopara obca – pomiar temperatury powierzchni przyłożenia F. Z. Fang, Mean Flank Temperature Measurement in High Speed Dry Cutting of Magnesium Alloy Obróbka stopów magnezu z wysokimi prędkościami skrawania – niebezpieczeństwo samozapłonu frez palcowy przedmiot obrabiany i termopary siłomierz osłona frez palcowy termopara smar silikonowy
19. 19 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 19 19 Pirometr dwukolorowy przedmiot obrabiany włókno szklane (∅ = 0.42 mm) punkt pomiarowy soczewka dwukolorowy filtr rozdzielający fotodioda wzmacniacz • pomiar dwóch długości fali świetlnej: 1.7mm i 2 mm • duża rozdzielczość w czasie (ok. 2 ms) • niezależność od emisyjności (zbędna kalibracja) • szeroki zakres pomiarowy (250-1200°C) • pomiar bezdotykowy
20. 20 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 20 20 Pirometr dwukolorowy – toczenie
21. 21 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 21 21 Pirometr dwukolorowy - frezowanie InAs - arsenek indu InSb - antymonek indu
22. 22 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 22 22 Kamera termowizyjna 3 składowy siłomierz kamera na podczerwień narzędzie dysk 152x3 mm
23. 23 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 23 23 Kamera termowizyjna Termograf procesu skrawania dla vc = 250m/min i f = 0.3 mm/obr. Maksymalna zaobserwowana temperatura 445ºC.
24. 24 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 24 24 Badanie rozkładu temperatur – zmiany struktury
25. 25 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 25 25 Badanie rozkładu temperatur – zmiany twardości
26. 26 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 26 26 • Rozkład sił w strefie skrawania • Modelowanie siły skrawania, rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania i moc skrawania • Bilans cieplny w strefie skrawania • Wpływ parametrów na temperaturę ostrza • Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania • Charakterystyka płynów obróbkowych • Sposoby podawania płynów obróbkowych 5 Siły, moc i ciepło w procesie skrawania Charakterystyka płynów obróbkowych
27. 27 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 27 27 Wymagania stawiane płynom obróbkowym pienić się powodować korozji różnych materiałów obrabianych Ciecze chłodząco-smarujące nie mogą: być szkodliwe dla układu chłodzącego i całej obrabiarki (rozpuszczać lakiery) tworzyć osadów, powodować sklejanie wiórów rozkładać się pod wpływem domieszek oleju maszynowego z wycieków Powinny być trwałe, stabilne i tanie być toksyczne, śmierdzące, szkodliwe dla zdrowia tworzyć mgły
28. 28 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 28 28 Zadania płynów obróbkowych • Obniżenie temperatury narzędzia i przedmiotu obrabianego przez zwiększone odprowadzanie ciepła • podwyższenie dokładności wymiarowej • podwyższenie trwałości ostrza • Obniżenie tarcia materiału obrabianego i wióra o narzędzie • redukcja sił i mocy skrawania  redukcja ilości wytwarzanego ciepła • poprawa jakości powierzchni obrobionej • Ułatwienie usuwania wiórów ze strefy skrawania • Przeciwdziałanie powstawaniu narostu • Zabezpieczenie antykorozyjne przedmiotu i obrabiarki
29. 29 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 29 29 Płyny obróbkowe W celu spełnienia podstawowych wymagań funkcjonalnych płyn obróbkowy powinien: dobrze odprowadzać ciepło mieć dobre właściwości smarne OLEJ WODA Płyny obróbkowe można podzielić na dwie grupy: • emulsje olejowe • czyste oleje
30. 30 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 30 30 Emulsje olejowe Mieszaniny oleju (zwykle mineralnego) z wodą (w proporcji 1:10÷1:60) plus emulgatory, inhibitory korozji i środki bakteriobójcze. Mają dobre właściwości chłodzące wody i znacznie lepsze od niej zdolności smarne. Poprawę własności smarnych można uzyskać dzięki dodaniu olejów roślinnych lub zwierzęcych. Dostarczane są w postaci koncentratów, które należy zmieszać z wodą.
31. 31 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 31 31 Syntetyczne płyny obróbkowe • Uzupełnieniem emulsji olejowych są syntetyczne płyny obróbkowe - roztwory wodne np. glikolu (bez oleju). • Mają właściwości podobne do emulsji olejowych. • Są przeźroczyste, co ułatwia obserwację strefy obróbki.
32. 32 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 32 32 Oleje Oleje tłuszczowe (roślinne i zwierzęce), mineralne oraz mieszane. Najczęściej stosowane są oleje mineralne, jako najtańsze i najbardziej efektywne. W porównaniu z emulsjami: znacznie słabsze właściwości chłodzące, lepsze właściwości antykorozyjne i smarne, mogą być jeszcze poprawione przez dodatki aktywne lub domieszki olejów tłuszczowych Płyny oparte na olejach tłuszczowych: bardzo efektywne także pod względem właściwości chłodzących, ulegające łatwej biodegradacji
33. 33 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 33 33 Dobór cieczy obróbkowej Właściwości chłodzące decydują przy obróbce materiałów łatwo obrabialnych z wysokimi prędkościami skrawania, przy prostych operacjach (szlifowanie, toczenie, wiercenie, frezowanie) – mniej oleju, mniejsza koncentracja emulsji. Właściwości smarne są bardzie pożądane przy niskich prędkościach skrawania, dla trudnych operacji (gwintowanie, obróbka uzębień, rozwiercanie, wytaczanie), przy materiałach trudno obrabialnych i gdy wymagana jest wysoka jakość powierzchni obrobionej. K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
34. 34 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 34 34 Chłodzenie zalewowe • Współcześnie najczęściej stosowane jest chłodzenie konwencjonalne, zalewowe. • Ciecz dostarczana jest pod niskim ciśnieniem na całą strefę obróbki • Ciągły przepływ chłodziwa ułatwia zmywanie i usuwanie wiórów • Efektywność zależy od geometrii procesu obróbki • Ciecz jest zbierana, filtrowana i pompowana ponownie do dyszy wylotowej
35. 35 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 35 35 Wady chłodzenia zalewowego R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Chłodzenie konwencjonalne, zalewowe sprowadza się do niekontrolowanego, zalewania wierzchniej, zewnętrznej strony wióra, podczas gdy obszar w pobliżu krawędzi skrawającej i na powierzchni natarcia, gdzie występują najwyższe temperatury nie jest penetrowany przez chłodziwo • Wysokie temperatury w strefie skrawania prowadzą do odparowywania chłodziwa i tworzenia bariery z pary, która przy chłodzeniu zalewowym przeciwdziała efektywnemu chłodzeniu rejonu krawędzi skrawającej. • Aktualną tendencją jest obróbka wysokowydajna (HPC- high-performance cutting), która prowadzi do wzrostu temperatur skrawania • Stąd konieczność stosowania zaawansowanych techniki chłodzenia
36. 36 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 36 36 Alternatywne podejścia • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Chłodzenie kriogeniczne • ciekłym azotem (LN 2 ) • ciekłym dwutlenkiem węga (CO 2 ) • Skrawanie na sucho lub minimalne - MQL (Minimum Quantity Lubrication) • MQL - skrawanie niemal na sucho: przepływ na poziomie ml/min, ciecz rozpylana i podawana w postaci aerozolu do strefy obróbki • Akceptowalne w niektórych warunkach, ale… • skraca żywotność narzędzia • wiercenie/gwintowanie – możliwe zapychanie się wiórami – brak smarowania • odkształcenia cieplne • zanieczyszczenie powietrza • gorsze usuwanie wiórów
37. 37 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 37 37 • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne 5 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem
38. 38 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 38 38 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie obfite (zalewowe) • wydatek > 4 l/min, ciecz zalewa cały przedmiot i strefę obróbki • pod wysokim ciśnieniem • przepływ na poziomie l/min, ciecz podawana na strefę obróbki pod podwyższonym ciśnieniem
39. 39 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 39 39 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Atrakcyjną alternatywą jest podawanie chłodziwa między spodnią powierzchnią wióra, a powierzchnią natarcia, pod podwyższonym ciśnieniem i wydatkiem • Tworzy się klin z cieczy obróbkowej, który efektywnie chłodzi i smaruje strefę skrawania • występuje także podawanie cieczy od strony powierzchni przyłożenia, z obu kierunków lub przez płytkę skrawającą
40. 40 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 40 40 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Zastosowanie chłodzenia pod wysokim ciśnieniem powoduje usunięcie bariery parowej i umożliwienie dotarcia chłodziwa bliżej krawędzi skrawającej, znacznie zwiększając efektywność chłodzenia • Siła strumienia cieczy działająca na spodnią część wióra działa jak płynny zwijacz wiórów, obniżając promień ich zakrzywienia. • prowadzi to do redukcji długości kontaktu wióra z powierzchnią natarcia o połowę • Wióry unoszone przez chłodziwo mogą uderzać w powierzchnię obrobioną uszkadzając ją. • należy temu przeciwdziałać przez odpowiednie usytuowanie dyszy
41. 41 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 41 41 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem od strony powierzchni natarcia oddziałuje na proces skrawania na trzy sposoby: Oddziaływanie mechaniczne Oddziaływanie termiczne Oddziaływanie trybologiczne Większa krzywizna wióra Mniejsza długość kontaktu wiór - A g Mniejsza temp. w strefie skrawania Mniejsze tarcie postaciowe Lepsze łamanie wiórów Większa trwałość ostrza Wyższe param. skrawania Mniejsze tarcie ślizgowe Wyższa stabilność Wyższa wydajność lub Mniejsze zużycie ostrza chłodziwo
42. 42 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 42 42 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem Ciśnienie i wydatek chłodziwa ma znaczący wpływ na formowanie się wiórów (kształt i łamanie) Poprawa w łamaniu wiórów dzięki chłodzeniu pod wysokim ciśnieniem przy nacinaniu rowków w Inconel 718 Lauwers B, et al. CIRP Annals, (2014)63:561–583.
43. 43 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 43 43 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Korzystne oddziaływanie chłodzenia pod wysokim ciśnieniem umożliwia zautomatyzowaną obróbkę trudnoobrabialnych materiałów lotniczych, zwiększa wydajność i stabilność procesu. • Wymaga jednak • zamknięcia przestrzeni obróbkowej • systemu odsysania powstającej mgły aerozolowej • pompy wysokiego ciśnienia z filtrami • Odpowiednie narzędzia ze zintegrowanymi dyszami są już dostępne komercyjnie na rynku Noże tokarskie przystosowane do chłodzenia pod wysokim ciśnieniem (a) do toczenia (b) do przecinania
44. 44 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 44 44 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem \Dropbox\!Teksty\Dydaktyka\!TeWy mgr\HPC vs FC.avi
45. 45 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 45 45 • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne 5 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia Ekologiczne metody chłodzenia Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem
46. 46 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 46 46 Wady stosowania cieczy obróbkowych ❖ Koszty (zakupu, utrzymania, usuwania oparów, filtry, itp.) ❖ zanieczyszczenie wody ❖ zanieczyszczenie powietrza ❖ zmniejszenie elastyczności ustawienia obrabiarki
47. 47 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 47 47 Alternatywne podejście wycieki zatrucie środowiska regulacje prawne obróbka na sucho lub z minimalnym smarowaniem (MQL) wzrost satysfakcji z pracy wizerunek firmy obniżenie kosztów
48. 48 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 48 48 Ekologiczne metody chłodzenia • Współczesną tendencją jest dążenie do wytwarzania zrównoważonego, nieszkodliwego dla środowiska naturalnego. • Niegraniczone, obfite stosowanie chłodziwa przy chłodzeniu zalewowym drastycznie kłóci się z tymi wymaganiami • Stąd alternatywne podejścia: Obróbka na sucho Obróbka z minimalnym smarowaniem Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016) Chłodzenie kriogeniczne
49. 49 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 49 49 © Problem w skrawaniu na sucho: Zastąpienie funkcji chłodziwa obciążenie cieplne narzędzia, mat. obrabianego, obrabiarki usuwanie wiórów z mat. obr. narzędzia obrabiarki wpływ wpływ narzędzie (zużycie, odkształcenia plastyczne, formowanie wióra) przedmiot obrabiany (dokładność kształtu i wymiaru, powierzchnia, krawędź) obrabiarka (dokładność, usuwanie wiórów) wpływ X X chłodzenie usuwanie wiórów X smarowanie tarcie adhezja W skrawaniu na sucho podstawowe funkcje chłodziwa nie są realizowane K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
50. 50 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 50 50 Zależność możliwości zastosowania obróbki na sucho lub MQL od sposobu obróbki • Obróbka na sucho i MQL najłatwiej może być zastosowana przy frezowaniu – przerwy w skrawaniu sprzyjają łamaniu wiórów i chłodzeniu ostrzy. • Przy toczeniu dostęp do strefy skrawania jest dobry, co sprzyja redukcji ilości cieczy obróbkowej • Wykonywanie otworów (wytaczanie, wiercenie, rozwiercanie, gwintowanie) jest trudne bez przynajmniej niewielkiej ilości cieczy, ze względu na zasłonięcie strefy skrawania i trudne odprowadzanie wiórów • Wysoka gęstość energii, niedostępność strefy skrawania i wysokie wymagania dotyczące powierzchni powodują konieczność stosowania cieczy obróbkowych w procesach o geometrycznie nieokreślonych ostrzach procesy z geometrycznie określonymi ostrzami procesy z geometrycznie nieokreślonymi ostrzami docieranie honowanie szlifowanie rozwiercanie wiercenie toczenie frezowanie piłowanie możliwa obróbka na sucho lub MQL konieczne stosowanie cieczy K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
51. 51 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 51 51 Chłodzenie minimalne - definicja G. Eisenblätter, I. Palm, HPC-CIRP 2002 Chłodzenie minimalne (Minimum Quantity Lubrication - MQL) jest ważnym elementem współczesnej obróbki wysoko produktywnej. • pozwala na uniknięcie szoku termicznego narzędzia i przedmiotu obrabianego • redukuje koszty produkcji • wspiera wytwarzanie ekologiczne Definicja: • Dostarczanie minimalnych ilości chłodziwa wprost do strefy skrawania przez strumień sprężonego powietrza (aerozol) • Przy optymalnym dostrojeniu systemu chłodzącego wydatek chłodziwa jest znacznie niższy niż 50 ml na godzinę
52. 52 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 52 52 • likwidacja szoku termicznego narzędzia i przedmiotu obrabianego • wyeliminowanie wiórów w obiegu czynnika chłodząco smarującego • wyeliminowanie uszkodzeń produktów, spowodowanych przez korozję i wilgoć • redukcja bezpośrednich kosztów produkcji • wytwarzanie przyjazne środowisku Zalety skrawania na sucho lub smarowania minimalnego (MQL)
53. 53 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 53 53 Temperatura wiertła przy różnych sposobach chłodzenia na sucho MQL obfite prędkość skrawania temperatura ostrza termopary blisko krawędzi skrawających Materiał obrabiany : Ck45 (AISI 1045) Narzędzie: wiertło kręte z węglika pokrywanego TiN, d = 11.8 mm posuw f = 0.20 mm/obr Klocke, F, Eisenblätter, G., 1997, Dry Cutting,Annals of the CIRP, 46/2: 519-526.
54. 54 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 54 54 Gorsze odprowadzanie wiórów ➢ Silniejsze tarcie wiórów w rowku wiórowym powoduje wyższą temperaturę ➢ Może to spowodować większą skłonność do adhezji, nalepiania się materiału wióra w rowku ➢ To może prowadzić do zapychania przestrzeni wiórowej narzędzia.. ➢ ...a w konsekwencji nawet do jego zniszczenia Zapchane wiórami rowki spiralne wiertła przy wierceniu stopu tytanu TiA16V4 K.E.Oczoś Postęp w obróbce skrawaniem. I Obróbka na sucho i ze zminimalizowanym smarowaniem, Mechanik 5-6, 1998
55. 55 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 55 55 material aluminium steel cast iron processes cast alloys wrought alloys high alloyed steels, bearing steels free cutting steels, quench and tempering steels GG20 – GGG70 drilling MQL MQL MQL dry/MQL dry/MQL reaming MQL MQL MQL MQL MQL tapping MQL MQL MQL MQL MQL thread forming MQL MQL MQL MQL MQL deep hole drilling MQL MQL MQL MQL milling MQL/dry MQL dry dry dry turning MQL/dry MQL/dry dry dry dry gear milling dry dry dry sawing MQL MQL MQL MQL MQL broaching MQL MQL/dry dry F. Klocke, Application of MQL -Technology, HPC-CIRP 2003 Zakres zastosowania obróbki na sucho i MQL
56. 56 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 56 56 Aspekty użycia MQL 1. Materiał i geometria ostrza 2. Medium • Typ (olej mineralny, alkohol tłuszczowy, ester syntetyczny) • Ilość (smaru i powietrza) 3. Podawanie • Zewnętrzne lub wewnętrzne • System jedno- lub dwudrożny (dwukanałowy) 4. Obrabiarka 5. Usuwanie wiórów, czyszczenie przestrzeni roboczej UWAGA! Zastosowanie obróbki MQL lub na sucho ma praktyczny sens tylko wtedy, gdy wszystkie operacje na danym stanowisku są wykonywane bez cieczy obróbkowej K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
57. 57 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 57 57 Materiały ostrza – węgliki spiekane • Właściwości węglików spiekanych zależą od stosunku zawartości (WC, TiC, TaC) do kobaltu oraz wielkości ziarna • im drobniejsze ziarno tym mniej kobaltu, wyższa odporność na zużycie • Węgliki submikronowe (0.5-0.8 mm) i superdrobnoziarniste (0.2-0.5 mm) mogą być stosowane przy obróbce na sucho nawet stali wysoko stopowych, materiałów wysokowytrzymałych i żaroodpornych • Drobne ziarno zapewnia także wysoką wytrzymałość – można stosować do małych narzędzi o drobnych ostrzach K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
58. 58 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 58 58 Wpływ wielkości ziarna na zużycie ostrza z węglików przy obróbce z MQL objętość mat. obrobionego VBmax Materiał obrabiany: 1.4462 (AISI F51) płytka: CNMG 120408, prędkość skrawania: vc = 100 m/min posuw: f = 0.15 mm/obr głębokość skrawania: ap = 1.0 mm HC1-TiAlN (drobnoziarnisty) HC2-TiAlN (submikronowy) HC3-TiAlN (ultra drobnoziarnisty) K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
59. 59 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 59 59 Materiały ostrza – cermetale Cermetale mają wyższą odporność na wysokie temperatury, mogą więc być stosowane przy wyższych prędkościach lub na sucho lub z MQL Narzędzie: wiertło do krótkich otworów Mat. obrabiany: Ck45 (AISI1045) D= 25 mm, l = 25 mm Parametry skrawania: vc = 225 m/min, f = 0.1 mm Porównanie zużycia wiertła z węglików z cermetalowym, przy szybkościowej obróbce MQL (podawanie wewnętrzne) Cermetal Węglik spiekany K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
60. 60 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 60 60 Materiały ostrza – ceramika, CBN, PCD • Ze względu na słabą odporność na szok termiczny, ceramika często używana jest do obróbki na sucho • Niska wytrzymałość konwencjonalnych tlenkowych spieków ceramicznych ogranicza ich stosowalność • Wyższą wytrzymałość mają ceramiki zbrojone SiC (wiskers) oraz bardzo czyste tlenkowe (99.99 %Al), submikronowe (0.22 mm) spiekane praktycznie bez spoiwa • Zastosowanie głównie do toczenia i frezowania na sucho żeliwa szarego • CBN ma bardzo wysoką twardość i odporność na zużycie chemiczne w wysokich temperaturach – stosuje się do toczenia i wytaczania żeliw i stali hartowanych • PCD używany jest głównie do obróbki na sucho stopów Al, Mg i Ti, szczególnie korpusów silników samochodowych K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
61. 61 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 61 61 Pokrycia ostrza ❖ Twarde, odporne na ścieranie, adhezję, dyfuzję, utlenianie i wysoką temperaturę pokrycie zmniejsza zużycie ostrza ❖ Dzieli się je: ❖ ze względu na sposób pokrywania na: ❖ CVD (chemical vapor deposition) ❖ PVD (physical vapor deposition) ❖ ze względu na liczbę warstw na jedno i wielowarstwowe ❖ pokrycia wielowarstwowe stosuje się w celu uzyskania zalet wielu różnych pokryć oraz ze względu na korzystniejszy rozkład naprężeń i odporność na pękanie: pękniecie przebiega przez całe pokrycie do podkładu energia pęknięcia rozpraszana przez jego odchylanie i rozgałęzianie K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
62. 62 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 62 62 Pokrycia ostrza ❖ Grube pokrycia Al2 O3 stanowią barierę cieplną – są korzystne przy obróbce na sucho z dużymi prędkościami ❖ Pokrycie TiCN ma do 700°C twardość wyższą niż TiAlN ❖ W temperaturach ponad 700°C TiAlN jest twardszy czyli lepiej nadaje się do obróbki na sucho ❖ Pokrycie z polikrystalicznego diamentu (PCD) obniża tarcie wióra o powierzchnię natarcia i skłonność do adhezji ❖ Jest także bardzo twarde, odporne na zużycie ścierne – szczególnie przydatne przy obróbce stopów Al i Si, Ti oraz MMC, materiał obrabiany: MMC na bazie Al, 30% SiC vc = 470 m/min, f = 0.09 mm/ostrze chłodzenie powietrzem (na sucho) nie pokrywane: pokrywane PCD: K.E.Oczoś Postęp w obróbce skrawaniem. I Obróbka na sucho i ze zminimalizowanym smarowaniem, Mechanik 5-6, 1998
63. 63 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 63 63 Pokrycia samosmarujące Szczególnie przydatne przy obróbce na sucho Najczęściej stosowane: MoS 2 lub amorficzny WC/C Zwykle stosowane jako górna warstwa, na twardym pokryciu jak TiAlN. Redukują siły skrawania i wytwarzanie ciepła usuwanie warstwy WC/C gładka strefa przejściowa Narzędzie: wiertło do krótkich otworów Materiał ostrza: Cermet (P20) Pokrycie: WC/C+TiAlN Materiał obrabiany: Ck45 (AISI1045) D= 25 mm; l = 25 mm Chłodzenie: MQL vc= 225 m/min f = 0.1 mm; K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
64. 64 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 64 64 Geometria ostrza ❖ zwiększenie kąta natarcia zmniejsza siłę, a więc i moc skrawania oraz ilość wytwarzanego ciepła ❖ wpływ nie jest znaczny – ok. 1,5% na jeden stopień ❖ kąt przyłożenia, zużycie ostrza oraz zaokrąglenie krawędzi skrawającej ma wpływ na ilość ciepła przenikającego do przedmiotu obrabianego ❖ ma to wpływ na jakość warstwy wierzchniej i dokładność wymiarowo kształtową ❖ odpowiednie ukształtowanie powierzchni natarcia może obniżyć ilość ciepła wnikającego w narzędzie: Widia Carboloy K.E.Oczoś Postęp w obróbce skrawaniem. I Obróbka na sucho i ze zminimalizowanym smarowaniem, Mechanik 5-6, 1998
65. 65 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 65 65 Charakterystyka cieczy stosowanych w MQL Estry syntetyczne modyfikowane chemicznie oleje roślinne Alkohole tłuszczowe wytwarzane z surowców naturalnych lub olei mineralnych wysoka temperatura wrzenia i zapłonu niska temperatura wrzenia i zapłonu, oraz niska lepkość stosunkowo wysoka lepkość bardzo dobre właściwości smarne złe właściwości smarne słabe właściwości chłodzące dobre właściwości chłodzące dzięki ciepłu parowania odparowuje pozostawiając film olejowy odparowuje nieomal bez pozostałości na przedmiocie - dobre zabezpieczenie antykorozyjne ulegają biodegradacji niski stopień skażenia wody nie są trujące K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
66. 66 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 66 66 Olej mineralny (n ~ 20 mm/s) w systemie standardowym - spóźniona rozpoczęcie podawania - przyczyna: duża odległość pomiędzy generatorem aerozolu i wylotem - niemożliwa wysoka prędkość obrotowa Alkohol tłuszczowy (n ~ 20 mm/s) w systemie standardowym - przelanie na początku - medium skoncentrowane pomiędzy generatorem aerozolu i wyjściem - niska niezawodność procesu Ester syntetyczny (n ~ 20 mm/s) w systemie zoptymalizowanym - właściwy i stały przepływ medium - wysoka niezawodność procesu - możliwa wysoka prędkość obrotowa Wpływ medium MQL na niezawodność procesu 0 Time [s] 2 Wielkość kropli [µm] 0 Time [s] 2 0 Time [s] 2 Wielkość kropli [µm] Wielkość Kropli [µm] 50 50 50
67. 67 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 67 67 Zastosowanie cieczy MQL Estry syntetyczne Alkohole tłuszczowe • potrzebna jest redukcja tarcia • potrzebna jest wysoka jakość powierzchni obrobionej • materiał obrabiany tworzy narost lub przyklejające się wióry • niskie prędkości skrawania i duże obciążenia jednostkowe ostrza • smarowanie powierzchni prowadzących (np. wiertła do głębokich otworów) • potrzebne jest usuwanie ciepła • przykłady: • toczenie i frezowanie żeliwa szarego, • obróbka odlewów ze stopów aluminium stosowane najczęściej
68. 68 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 68 68 Podawanie aerozolu • Zewnętrzne • dwukanałowe • dwukanałowe • jednokanałowe • jednokanałowe • Wewnętrzne
69. 69 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 69 69 Zewnętrzne podawanie aerozolu ❖ Jedna lub więcej dysz • liczba dysz i ich ustawienia decyduje o jakości ❖ Stosowane przy toczeniu i frezowaniu czołowym ❖ Przy wierceniu, gwintowaniu i rozwiercaniu stosuje się tylko do l/d<3 • przy dłuższych otworach narzędzie musi być wycofywane w celu ponownego zwilżenia, co obniża wydajność ❖ Przy operacjach wielonarzędziowych ustawianie wielu dysz w różnych położeniach może stanowić problem ❖ Stosuje się, gdy narzędzia nie mają wewnętrznych kanałów chłodzących K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
70. 70 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 70 70 Przykłady zewnętrznego podawania aerozolu Dla małych narzędzi aerozol może być podawany przez wrzeciono wzdłuż narzędzia wprost do strefy skrawania K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
71. 71 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 71 71 Wewnętrzne podawanie aerozolu ❖ Eliminuje problemy pozycjonowania dyszy względem narzędzia ❖ Eliminuje zewnętrzne przewody w strefie obróbki ❖ Doprowadza medium bezpośrednio w strefę skrawania ❖ Stosowane przy wierceniu, gwintowaniu i rozwiercaniu ❖ Dla dłuższych otworów jest niezastąpione ❖ Korzystne przy operacjach wielonarzędziowych, gdy narzędzia mają różne wymiary K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
72. 72 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 72 72 Narzędzia do wewnętrznego podawania aerozolu Narzędzia muszą mieć kanałki doprowadzające ograniczeniem może być średnica przedmiotu dla wiercenia co najmniej 4 mm aby zapewnić odpowiednią sztywność dla mniejszych średnic tylko podawanie zewnętrzne wyloty kanałków w rowkach wiórowych smarują je i wspomagają transport wiórów wiertła, gwintowniki K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
73. 73 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 73 73 Narzędzia do wewnętrznego podawania aerozolu promieniowe wyloty kanałków smarują ostrze i wspomagają transport wiórów Frez czołowy, 45° Wiertło dwustopniowe D1= 10.6 mm D2=1 2.5 mm wyloty kanałków na powierzchniach przyłożenia K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
74. 74 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 74 74 Narzędzia do wewnętrznego podawania aerozolu Narzędzie wielozadaniowe z 6 ostrzami zasilanymi w medium niezależnie od siebie dzięki odpowiednio ukształtowanym kanałom (firma Komet) Wiertło lufowe do głębokiego wiercenia zmodyfikowane do obróbki MQL
75. 75 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 75 75 Obrabiarki projektowane do obróbki MQL I. F. Palm • Urządzenie dystrybucyjne odpowiednie do stosowania MQL • System wewnętrznego i/lub zewnętrznego podawania Centra obróbkowe wykorzystujące małe narzędzia powinny mieć oba systemy • Szczelnie zamknięta przestrzeń robocza pożądany system odsysania mgły • Usuwanie wiórów z przestrzeni roboczej • Kompensacja odkształceń termicznych • Oprogramowanie systemowe • Techniki czyszczenia wewnętrzne d K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
76. 76 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 76 76 Wymagania i możliwości w różnych systemach System produkcji masowej Modernizacj a istniejącej obrabiarki Obrabiarka specjalna Elastyczny system produkcyjn y Wymagania dla obróbki na sucho Zrealizowana koncepcja K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
77. 77 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 77 77 Usuwanie wióra i konserwacja maszyn Rezygnacja z cieczy chłodząco-smarującej podczas skrawania wymaga kompensacji następujących funkcji: ❑ Spłukiwanie i usuwanie wiórów ❑ Czyszczenie ❑ Smarowanie ❑ Chłodzenie Propozycje: ❑ Odpowiednie zaprojektowanie przestrzeni obróbkowej ❑ Sposoby mocowania i pozycjonowania przedmiotu obrabianego ❑ Odsysanie wiórów bezpośredni ze strefy skrawania ❑ Odsysanie całej przestrzeni obróbkowej ❑ Rozwój technik czyszczenia przestrzeni obróbkowej
78. 78 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 78 78 Konstrukcja obrabiarki Wióry nie mogą zalegać w przestrzeni roboczej przekazując ciepło do obrabiarki, uchwytu i narzędzi. strome ściany automatyczny transporter wiórów gładkie, odporne na zużycie przegrody wióry opadające siłą ciężkości poziomy zmieniacz palet podwieszony przedmiot obrabiany zamknięta przestrzeń robocza K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004 duże otwory w łożu obrabiarki
79. 79 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 79 79 Elementy obrabiarki przystosowanej do obróbki na sucho magazyn narzędzi poza przestrzenią roboczą zmieniacz palet podwieszony przedmiot zewnętrzna stacja załadowcza pozioma oś Z płyty metalowe łoże z betonu epoksydowego osłony prowadnic K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
80. 80 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 80 80 Centrum obróbkowe z układem do MQL Hüller-Hille company, Specht 500T
81. 81 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 81 81 Projektowanie przestrzeni obróbkowej Hüller Hille company Hüller-Hille company, Specht 500T 1.1 • Brak ruchomych krawędzi, rurek lub podcięć na ścianach wewnętrznych • Strome i niemal pionowe powierzchnie ścian • Polerowane arkusze stali nierdzewnej • Duże otwory w łożu obrabiarki
82. 82 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 82 82 Emag company Hessapp company Index company Zalety: • pozycjonowanie podwieszonego przedmiotu • obróbka od dołu • wióry spadają swobodnie • mocowanie i odmocowanie przedmiotu wykonywane przez wrzeciono Wady: • spadające wióry mogą pozostawać na uchwycie narzędziowym i urządzeniu mocującym • pozostające wióry mogą być przyczyną odkształceń termicznych lub uszkodzeń 2.1 Zamocowanie przedmiotu w tokarkach „pick-up“
83. 83 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 83 83 Usuwanie wiórów przy frezowaniu ❖ Przy frezowaniu wióry mogą zalegać w przestrzeni roboczej, na stole, palecie, uchwycie czy przedmiocie ❖ Można stosować systemy odsysania wiórów ze strefy obróbki: System odsysania ze stołu Pierścień dysz ze szczotkami Dysza z kołnierzem Dysze na elastycznych rurach efektywność, rozmiar układu, zasięg działania K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
84. 84 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 84 84 Odsysanie wiórów przy krawędzi skrawającej osłona kanał obszar zbierania wiórów płytka skrawająca głowica frezowa płytka kierująca wióry 1. skrawanie wykonywane przez głowicę frezową 2. wióry kierowane do wnętrza osłony przez płytkę prowadzącą 3. wióry wyrzucane przez kanał wylotowy wylotowy źródło: Mitsubishi company
85. 85 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 85 85 Odsysanie wiórów – wiercenie źródło: Horkos company 3.1 osłona (pierścień samo dopasowujący) obudowa skok max 25 mm regulacja skoku droga wiórów do odsysacza Dla centrów obróbkowych
86. 86 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 86 86 Odsysanie wiórów przy krawędzi skrawającej źródło: IfW, Uni-Stuttgart 3.2 Koncepcja odsysacza wiórów do wierteł z osłoną w kształcie sprężyny teleskopowej źródło: ARNOLD/BMW companies
87. 87 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 87 87 System wbudowany na centrum obróbkowym sprężyna teleskopowa łapacz wiórów wspornik wrzeciono K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
88. 88 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 88 88 Odsysanie całego wnętrza obrabiarki Centrum obróbkowe do obróbki na sucho XHC 241; Ex-Cell-O company Exhaust system HANDTE company Ford company, Köln Dane techniczne układu ssącego: Odsysanie pyłu aluminiowego i wiórów Wydajność odsysania: 4200 m³/h Moc maksymalna: 13 kW Powierzchnia filtra: 40 m² (8 płyt) Sprężone powietrze: 2 - 4 m³/h origin: Ford company 4.1
89. 89 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 89 89 Odsysanie wiórów magnezowych ❖ Przy temperaturze przekraczającej 450°C wióry magnezowe mogą się zapalić ❖ Palące się wióry lub pył magnezowy może osiągnąć temperaturę 3000°C ❖ Rozproszone wióry mogą spowodować przeniesienie ognia w inne miejsca ❖ Drobiny magnezu mniejsze niż 500 mm stanowią zagrożenie wybuchowe ❖ Wióry magnezowe muszą być usunięte ze strefy obróbki jak najszybciej ❖ ilość wiórów w strefie obróbki powinna być jak najmniejsza ❖ to zmniejsza także ryzyko uszkodzenia obrabiarki w razie wybuchu ognia ❖ Ściany systemu wykonane ze stali nierdzewnej w celu zredukowania przywierania wiórów ❖ Pył magnezowy oddzielany od powietrza przez separator odśrodkowy – zbędne filtry ❖ Pył prasowany na brykiety, znacznie mniej łatwopalne niż pył, zajmujące znacznie mniej miejsca K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
90. 90 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 90 90 Projekt systemu usuwania wiórów magnezowych wrzeciono wylot czystego powietrza separator odśrodkowy zbiornik wiórów kanały paleta wlot powietrza z wiórami prasa brykietująca brykieciarka K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
91. 91 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 91 91 wylot czystego powietrza separator odśrodkowy kanały wlot powietrza z wiórami prasa brykietująca Prototyp systemu usuwania wiórów magnezowych K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004
92. 92 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 92 92 Zanieczyszczenie wewnątrz obrabiarki urządzenie/uchwyt wrzeciono/zacisk Spowodowane przez: ❑ Zbyt duża ilość smaru ❑ Typ czynnika MQL ❑ Kombinacja medium z kurzem i drobnymi wiórami urządzenie/uchwyt
93. 93 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 93 93 Czyszczenie przestrzeni roboczej podmuchem suchego lodu Charakterystyka suchego lodu: ◼ Stałe cząsteczki suchego lodu (CO2 ) ◼ Tworzony przez ściskanie śniegu CO2 do postaci grudek lodu, w przybliżeniu wielkości ziaren ryżu ◼ Stała temperatura -78°C ◼ Pochłaniając energię lód z ciała stałego zamienia się w gaz Czyszczenie jest osiągane dzięki zjawiskom fizycznym: ◼ Podmuch lodu powoduje częściowego przerwania kontaktu pomiędzy podłożem, a zanieczyszczeniem przez spowodowanie różnicy temperatur (naprężenia mechaniczne). Ten skoncentrowany szok zimna przerywa powierzchnię zanieczyszczenia i otwiera ja. ◼ Siła uderzenia kinetycznego cząsteczek suchego lodu wzmacnia ten proces i molekuły CO2 zajmują te przestrzenie zwiększając swoją objętość 500 razy (przejście ze stanu stałego w gaz) tym samym rozbijając zanieczyszczenia na drobne cząsteczki, które są odrzucane od podłoża przez podmuch.
94. 94 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 94 94 Przenośna dmuchawa Dysza dmuchawy uruchamiana ręcznie Wypełnianie kulkami - CO 2 Medium: gródki- CO 2 50 mm źródło: Multimatic 5.3 Urządzenie do czyszczenia podmuchem suchego lodu
95. 95 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 95 95 • Obróbka na sucho jest wysokoproduktywną techniką stosowaną już przez wiele przodujących przedsiębiorstw • Współcześnie może być stosowane ekonomicznie i niezawodnie dla wielu materiałów, przedmiotów i zadań produkcyjnych • Wymaga specyficznych rozwiązań dla określonych zadań • Wymaga dostosowanych narzędzi i parametrów skrawania • Często niezbędne jest zastosowania MQL • Wymaga specyficznej wiedzy, niezbyt jeszcze rozpowszechnionej • Nie da się zastosować we wszystkich przypadkach • Wspiera ochronę środowiska z poprawia bezpieczeństwo stanowiska • Prowadzi do redukcji kosztów produkcji F. Klocke, Application of MQL -Technology, HPC-CIRP 2003 Podsumowanie obróbki na sucho i MQL
96. 96 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 96 96 • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne 5 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia Chłodzenie kriogeniczne
97. 97 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 97 97 Chłodzenie kriogeniczne • Temperatura w strefie skrawania przy obróbce materiałów o niskiej przewodności cieplnej jak stopy Ti jest bardzo wysoka • Zużycie termiczne (dyfuzja, mięknięcie) są głównymi postaciami zużycia • Zastosowanie chłodzenia kriogenicznego może przynieść bardzo korzystne efekty w stosunku do chłodzenia zalewowego i pod wysokim ciśnieniem dzięki znacznemu obniżeniu tej temperatury Zadania: • odprowadzenie ciepła ze strefy skrawania • utrzymywanie ceramicznego narzędzia w temperaturach ujemnych w celu podwyższenia twardości i wytrzymałości ostrza • hartowanie powierzchni obrobionej w celu podwyższenia jej jakości – twardości pod powierzchnią i obniżenie naprężeń Mała ilość ciekłego azotu podawana do strefy skrawania jako chłodziwo
98. 98 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 98 98 Chłodzenie kriogeniczne R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Najczęściej stosowanym medium jest azot (N2 ) i dwutlenek węgla (CO2 ) ze względu na ich łatwą dostępność i bezpieczne stosowanie • Azot dostarczany jest do strefy obróbki w stanie ciekłym (LN2 ) w temperaturze -195.8°C (77.4 K) pod niskim ciśnieniem kilku barów. • CO2 jest przechowywany i dostarczany pod ciśnieniem 57 bar w postaci płynnej i podlega przemianie w mieszaninę stałego śniegu CO2 o temperaturze -78.5°C (197.7K) i gazowego CO2 w temperaturze otoczenia • warto podkreślić, że CO2 nie jest technicznie rzecz biorąc medium kriogenicznym, za które uważa się te poniżej -150°C (123K) • tym niemniej CO2 jest szeroko stosowany jako chłodziwo w obróbce skrawaniem i traktuje się go jako medium kriogeniczne • Główną zaletą chłodzenia kriogenicznego jest zwiększenie wydajności przez redukcję temperatury w strefie skrawania i zużycia ostrza przy wyższych prędkościach skrawania • Ponadto media odparowują w czasie skrawania nie pozostawiając śladów czy zanieczyszczeń
99. 99 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 99 99 Chłodzenie kriogeniczne chłodzenie wstępne przedmiotu chłodzenie aerozolem lub strumieniem strefy skrawania chłodzenie wewnętrzne narzędzia Są trzy odmienne strategia chłodzenia kriogenicznego: S.Y. Hong, Y. Ding Int.J.Machiools&Manuf. 41 (2001) 1417–1437, 2245–2260 • Porównanie tych sposobów chłodzenia wykazało, że najlepsze wyniki uzyskuje się podając medium do strefy skrawania wzdłuż powierzchni natarcia i przyłożenia. • W najnowszych badaniach stosuje się ten sposób podawania
100. 100 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 100 100 Zalety chłodzenia kriogenicznego na sucho obfitym Rozkład temperatur przy smarowaniu: kriogenicznym • Lepsze odprowadzanie konwekcyjne ciepła ze strefy skrawanie (wyższe DT) • Lepsze chłodzenie masy ostrza redukuje jego mięknięcie termiczne • Redukcja odkształceń termicznych ostrza i związanych z tym naprężeń • Możliwość zastąpienia drogiego PCBN znacznie tańszą ceramiką
101. 101 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 101 101 Zużycie ostrza przy chłodzeniu kriogenicznym
102. 102 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 102 102 Zużycie ostrza przy chłodzeniu kriogenicznym Rejon stosowalny Skrajnie duże zużycie Na sucho MQL LN2 Prędkość skrawania (m/min) Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016) Adhezja (przypawanie) Ślady ścierania (rowki) wzdłuż kierunku spływu wiórów Na sucho MQL LN2 Porównanie przebiegu zużycia skoncentrowanego przy toczeniu stopu z pamięcią kształtu NiTi na sucho, ze smarowaniem minimalnym (MQL) i kriogenicznym (LN2 ), f=0,05mm/obr, ap =0,5mm
103. 103 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 103 103 Zużycie ostrza przy chłodzeniu kriogenicznym Ponieważ chłodzenie jest szczególnie istotne przy obróbce stopów tytanu, zawartość oleju w emulsji nie powinna być zbyt wysoka. Tu jak widać emulsja 5% dała lepsze wyniki niż 10%. Chłodzenie ciekłym azotem dało wyniki zdecydowanie najlepsze F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011
104. 104 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 104 104 Wpływ sposobu chłodzenia na rozkład twardości
105. 105 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 105 105 I.S. Jawahir, et al. CIRP Annals, 65 (2016): pp. 713-736 W stanie dostawy Brak zmienionej warstwy Grubość warstwy = 7mm Grubość warstwy = 15mm 10mm 10mm 10mm 10mm 10mm Obróbka z chłodzeniem LN2 może prowadzić do poprawy gładkości powierzchni oraz powstawanie stabilnej, grubej warstwy nanokrystalicznej o znacznej rekrystalizacji ziaren z 12 mm do 31 nm, w której występują naprężenia ściskające. Tu przedstawiono wpływ promienia zaokrąglenia krawędzi skrawającej rn oraz obróbki na sucho lub z chłodzeniem kriogenicznym na mikrostrukturę warstwy wierzchniej stopu AZ31B Mg. Wpływ chłodzenia kriogenicznego na warstwę wierzchnią Jak widać (rys. d) w zmienionej warstwie ziarnistość jest nie do zauważenia zarówno pod mikroskopem optycznym jak SEM. Grubość tej warstwy jest tym większa, im większy jest promień zaokrąglenia krawędzi. Twardość materiału wzrosła z 55HV w materiale rodzimym do 95HV w zmienionej warstwie. Po obróbce na sucho (b) nie zaobserwowano powstawania takiej warstwy
106. 106 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 106 106 Chłodzenie kriogeniczne R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 S.Y. Hong,et al. Int.J.Machiools&Manuf., 41 (2001) 2245–2260 Innowacyjne podejście do chłodzenia kriogenicznego opiera się na następujących założeniach: 1. W celu ograniczenia bezużytecznego wydatku medium podawane jest wyłącznie bezpośrednio na ostrze, gdzie generowane jest ciepło 2. Wydatek chłodziwa jest proporcjonalny do ilości ciepła generowanego w procesie skrawania, co zapobiega uszkodzeniom przedmiotu w wyniku ekstremalnego grzania i chłodzenia 3. W nowych narzędziach komercyjnych do takiego chłodzenia mikro dysze są umieszczone między powierzchnią natarcia i łamaczem wióra, co jest wygodne w użyciu i zapewnia te ekonomiczne efekty kruchość dzięki niskiej temperaturze Poduszka płynna redukująca tarcie Twardość zwiększona dzięki niskiej temperaturze Eliminacja narostu przez obniżenie efektu przypawania i przylepności materiału vc =91 m/min
107. 107 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 107 107 Zastosowanie suchego lodu jako medium chłodzącego Materiał obrabiany – wysokostopowa stal nierdzewna X2 CrNiMoN 22 5 3 Materiał ostrza węglik wielokrotnie pokrywany HC-M25
108. 108 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 108 108 Chłodzenie kriogeniczne przy pomocy CO2 R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy frezowaniu stali nierdzewnej 1.4962 (X12CrNiWTiB16-13), stosowanej w turbinach gazowych i przemyśle lotniczym zastosowano wewnętrzne podawanie CO2 oraz aerozolu (MQL). • Uzyskano zwiększenie wydajności o 72% w porównaniu z obróbką na sucho. • Dodatkowo uzyskano poprawę jakości warstwy wierzchniej • Współcześnie prowadzone prace badawcze koncentrują się na opracowaniu frezów palcowych i wierteł przystosowanych wewnętrznego dostarczania CO2 , ponieważ wewnętrzne dostarczanie LN2 przez wrzeciono i narzędzie stwarza zbyt duże problemy ze względu na niską temperaturę ciekłego azotu.
109. 109 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 109 109 Chłodzenie kriogeniczne przy pomocy CO2 Przebieg zużycia ostrza przy obróbce stalli nierdzewnej austenitycznej przy chłodzeniu zalewowym emulsją i kriogenicznym CO2 Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016)
110. 110 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 110 110 Chłodzenie kriogeniczne przy pomocy CO2 Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016) Chłodzenie kriogeniczne CO 2 przy frezowaniu wysokowytrzymałej stali nierdzewnej 1.4962 (X12CrNiWTiB16-13): • niższe zużycie ostrza – możliwość zwiększenia produktywności • Powierzchnia obrobiona przy obróbce na sucho ma liczne ślady nalepień, które nie występują przy chłodzeniu kriogenicznym:
111. 111 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 111 111 Chłodzenie kriogeniczne przy pomocy CO2 Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016) • Obróbka stopu tytanu fazy b Ti-10V-2Fe-3Al z chłodzeniem zalewowym może prowadzić do znacznych obciążeń termicznych obrobionej powierzchni i rozwoju fazy a o wyższej twardości, co komplikuje kolejne operacje. • Chłodzenie kriogeniczne CO 2 ogranicza ten mechanizm
112. 112 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 112 112 Właściwości CO2 i LN2 istotnie dla wykorzystania jako chłodziwo w procesie skrawania Dwutlenek węgla CO 2 Ciekły azot LN 2 Temp. minimalna −78,5°C −196°C Efekt chłodzący Wytwarzanie niskiej temperatury w wyniku rozszerzania u wylotu dyszy Chłodzony zbiornik, przewody i narzędzie Obsługa/integracja z obrabiarką Nie jest potrzebna izolacja Konieczna izolacja wszystkich elementów systemu chłodzącego Narzędzia Standardowe, z niewielkimi modyfikacjami Narzędzia specjalne z przewidzianą izolacją termiczną
113. 113 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 113 113 Wylot śniegu CO2 Wypływ LN2 Wylot gazowego LN2 Czas t w s w Przebieg temperatury wylotowej przy zastosowaniu LN2 i CO2
114. 114 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 114 114 Jakieś pytania?