Obróbka Skrawaniem 11 Skrawalność

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 Część 11 Skrawalność
2. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 2 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 Skrawalność strony 336-352
3. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 3 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności
4. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 4 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawność, skrawalność • Skrawność jest to zdolność narzędzia do wykonywania obróbki skrawaniem. • Skrawalność jest to podatność na obróbkę skrawaniem. • Skrawność jak i skrawalność określane mogą być w oparciu o te same kryteria opisujące wielkości ważne z użytkowego punktu widzenia.
5. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 5 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Jakość powierzchni obrobionej - 800 -600 -400 -200 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 Trwałość ostrza f v c 0 2 4 6 8 10 2980 3000 3020 3040 3060 3080 3100 3120 Fy Fx Fz Siły skrawania Łamanie wiórów Kryteria skrawności i skrawalności
6. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 6 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalność Poszczególnym kryteriom odpowiadają wskaźniki skrawności i skrawalności, będące miarami ocenianych cech.
7. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 7 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dotyczy materiału obrabianego! P Non-alloy steel and cast steel. Low-alloy steel and cast steel High-alloy steel and cast steel Stainless steel and cast steel (fer/mar) Stainless steel (austenitic) Grey cast iron Ductile cast iron Nodular cast iron (ferritic/perlitic) Non-Ferrous metals Aluminium and aluminium alloys Superalloys Titanium and Titanium alloys Hard cast iron Hardened steel M K N S H Właściwości mechaniczne Stan materiału Struktura Utwardzenie wtrącenia Przewodność cieplna Skład chemiczny Skrawalność
8. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 8 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyfikacja twardych materiałów narzędziowych wg ISO 513:2004 Grupa ISO Materiał obrabiany kierunek zmian właściwości parametry skrawania P niebieski M żółty K czerwony N zielony S brązowy H biały P01 : : : P50 M10 : : M40 K01 : : K40 N01 : : N30 S01 : : S30 H01 : : H30 Stale i staliwa z wyjątkiem austenitycznych, żeliwa ciągliwe Stale nierdzewne, austenityczne, austenityczne-ferrytyczne, staliwa Żeliwa: szare, sferoidalne, ciągliwe Materiały nieżelazne: aluminium i inne, tworzywa sztuczne, drewno Trudnoobrabialne, żarowytrzymałe stopy oparte na żelazie, niklu i kobalcie, tytan i jego stopy Hartowana stal, hartowane żeliwo, żeliwo białe odporność na zużycie udarność posuw, głębokość prędkość skrawania
9. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 9 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak (Typical example ) Skojarzenie materiałów ostrza z obrabianymi
10. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 10 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale niskowęglowe i niskostopowe 1 to 6 Reguła kciuka: w ramach jednej rodziny materiałów obrabianych skrawalność pogarsza się wraz z rosnącym numerem Stopy tytanu 22 Super stopy, stopy żaroodporne 20 to 21 Stopy nieżelazne 16 to 19 Żeliwa 11 to 15 Stale nierdzewne 8 to 11 Stale utwardzane 7 Nazwa grupy Numer grupy Ocena skrawalności
11. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 11 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena punktowa skrawalności Materiał Wskaźnik skrawalności stal walcowana na zimno 9S20 100 Żeliwo ciągliwe (sferoidalne) 35 Stal nierdzewna 440 50 Aluminium 2024-T 150
12. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 12 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stal nierdzewna Stal Żeliwo szare Aluminium i jego stopy Super stopy i tytan Skrawalność Ocena skrawalności
13. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 13 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność Stal węglowa - automatowa Stal węglowa Stal stopowa Stopy tytanu Stopy żaroodporne Stopy kobaltu Stopy niklu Stal nierdzewna Przemysł chemiczny, petrochemiczny, medyczny, papierniczy Stale ogólno konstrukcyjne Produkcja energii, przemysł lotniczy i kosmiczny Materiał obrabiany
14. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 14 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Długie wióry (plastyczność) Siła skrawania (wytrzymałość na rozciąganie) Trudno (źle) skrawalne Łatwo (dobrze) skrawalne Materiał obrabiany
15. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 15 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Materiał obrabiany ◼ Stal niskowęglowa, aluminium ◼ Miękkie ◼ Ciągłe wióry, trudne do obróbki ◼ W celu podwyższenia skrawalności obniżyć plastyczność Materiały o dużej plastyczności Materiały o małej plastyczności DO D1 LO L1 DO LO ◼ Żeliwo szare ◼ Twarde ◼ Wióry odpryskowe ◼ W celu podwyższenia skrawalności podwyższyć plastyczność
16. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 16 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Temperatura zależy od: • Przewodności cieplnej materiału ostrza i obrabianego • Prędkości skrawania • Geometrii ostrza Temperatura w strefie skrawania Temperatura decyduje o zużyciu i trwałości ostrza
17. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 17 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Miedź • Aluminium, • Stal niskowęglowa • Tytan • Super stopy Materiały o dobrej przewodności cieplnej Przewodność cieplna Materiały o złej przewodności cieplnej
18. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 18 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Stale konstrukcyjne
19. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 19 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali ❖ Czynniki wpływające na skrawalność stali: ❖ właściwości mechaniczne, ❖ skład chemiczny (dodatki stopowe), ❖ struktura i stan materiału obrabianego, ❖ wtrącenia niemetaliczne, ❖ skłonność do umocnienia ❖ przewodność cieplna
20. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 20 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali - właściwości mechaniczne ❖ Twardość i wytrzymałość zwykle są przeciwstawne ciągliwości i udarności. ❖ Dla skrawalności korzystne są małe wartości wszystkich tych wielkości: potrzebny kompromis. ❖ Przy obróbce narzędziami z węglików spiekanych najkorzystniejsza jest twardość ~200HB. ❖ Stale znacznie twardsze: ❖ duże siły skrawania, ❖ silne zużycie ostrza. ❖ Stale znacznie miększe: ❖ bardzo ciągliwe ❖ skłonne do tworzenia narostu i zadziorów ❖ trudno łamiące się wióry. ❖ podwyższenie twardości przez np. ciągnienie na zimno daje pozytywne efekty.
21. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 21 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – zawartość węgla ❖ Wzrost zawartości węgla powoduje: ❖ wzrost wytrzymałości i twardości ❖ spadek ciągliwości i udarności. ❖ Stale nisko węglowe (<0.3% C) są źle skrawalne: ❖ duża ciągliwość powoduje skłonność do tworzenia narostu i duża chropowatość powierzchni obrobionej. ❖ Stale średnio węglowe (0.3-0.6% C) są dobrze skrawalne, ❖ niska ciągliwość ❖ twardość i wytrzymałość umiarkowana ❖ Stale wysoko węglowe (>0.6% C) są źle skrawalne ❖ wysoka twardość, ❖ wysoka wytrzymałość powodująca duże zużycie ostrza.
22. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 22 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – dodatki stopowe ❖ Dodatki Mn, Ni, Co, Cr, Mo i W powodują, że stale stopowe są bardziej wytrzymałe i twardsze niż węglowe, a co za tym idzie gorzej skrawalne ❖ Dodatki S, P i Pb mają korzystny wpływ. ❖ W stalach o podwyższonej skrawalności występuje ok. 0.015% siarki. ❖ W stalach automatowych stosuje się 0.12-0.6% S, ok. 1.2% Mn, do 0.07% P i 0.2-0.3% Pb. ❖ Siarka musi być związana z manganem (MnS) i równo rozprowadzona. ❖ W strefie ścinania odkształca się plastycznie tworząc płaszczyzny o niskiej wytrzymałości: ❖ łatwiejsze inicjowanie i propagacja pęknięć i poślizgów. ❖ obniżenie oporu ścinania i sił skrawania. ❖ MnS działa na powierzchni natarcia jak smar powodując: ❖ obniżenie współczynnika tarcia wióra o powierzchnię natarcia ❖ wzrost kąta ścinania i dalsze obniżenie sił skrawania, ❖ obniżenie temperatury ostrza ❖ obniżenie skłonności to tworzenia narostu, ❖ obniżenie chropowatości powierzchni obrobionej. ❖ Ołów działa podobnie jak MnS jednakże nie rozpuszcza się w stali i trudno go równomiernie rozprowadzić. ❖ Ołów w stalach z dużą zawartością siarki przykleja do MnS. ❖ Stal z ołowiem jest droższa ok. 10%, trudna do wykonania ze względów BHP.
23. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 23 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – dodatki stopowe ❖ Krzem, aluminium i wapń tworzą wtrącenia w postaci tlenków, które zwiększają zużycie. ❖ wtrącenia w stali wpływają istotnie na skrawalność nawet gdy stanowią niewielki procent całkowitego składu. ❖ Ten wpływ może być zarówno negatywny, jak i pozytywny. ❖ Na przykład, aluminium (Al) używane do odtleniania roztopionego żelaza tworzy twardy, ścierny tlenek aluminium (Al2 O3 ), który ma szkodliwy wpływ na skrawalność. ❖ Można temu przeciwdziałać przez dodanie wapnia (Ca), który tworzy miękką skorupkę wokół cząstek ściernych ❖ Dodatki S, P i Pb mają korzystny wpływ.
24. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 24 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – struktura ❖ Poszczególne struktury nie występują z reguły oddzielne, jednakże opis ich skrawalności pozwala na ocenę skrawalności stali, w której one dominują. ❖ Ferryt jest bardzo miękki (60-90HB), ❖ bardzo dobrze skrawalny pod względem trwałości ostrza (wysoka vcT ), ❖ ma dużą skłonność to tworzenia narostu co pociąga za sobą niską gładkość. ❖ tworzy trudne do łamania wióry. ❖ poprawę można uzyskać przez hartowanie i odpuszczanie lub zgniot na zimno. ❖ Perlit (ok. 200HB) i zwłaszcza drobnoziarnisty jest dobrze skrawalny z punktu widzenia wszystkich kryteriów.
25. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 25 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – struktura cd. ❖ Sorbit (ok. 300HB) oraz troostyt (ok. 420HB) są źle skrawalne zwłaszcza jeśli chodzi o trwałość ostrza. ❖ Martenzyt (ok. 650HB) można obrabiać tylko szlifowaniem lub przy użyciu narzędzi CBN (z małymi naddatkami). ❖ Austenit ma twardość ok. 200HB (w stalach stopowych, nierdzewnych z Mn, Cr i Ni) jest źle skrawalny (omówimy szczegółowo) ❖ ma on także dużą podatność na umocnienia zgniotem, co powoduje wzrost sił skrawania, ❖ ma dużą skłonność do tworzenia narostu bardzo silnie przywartego do ostrza, co może powodować wyłamywanie fragmentów ostrza przy jego wychodzeniu z materiału.
26. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 26 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – stan materiału ❖ Skrawalność stali zależy także od stanu przygotówki wynikającego z uprzedniej obróbki. ❖ Walcowanie na gorąco powoduje niejednorodność i gruboziarnistość struktury - jest niekorzystne. ❖ Wyżarzanie normalizujące ma na celu ujednolicenie struktury i własności, ujednolica także skrawalność - jest korzystne. ❖ Wyżarzanie zmiękczające powoduje przemianę cementytu płytkowego w sferyczny: ❖ perlit pasemkowy przekształca się w znacznie miększy ferryt z równomiernie rozproszonym cementytem. ❖ stosuje się dla stali o zawartości >0.5% węgla, ( im mniej węgla, tym bardziej pożądany perlit). ❖ Uwaga: wyżarzania zmiękczającego nie należy mylić z odprężającym (niskotemperaturowym), które nie wpływa na strukturę, a więc i na skrawalność.
27. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 27 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – stan materiału cd. ❖ Przeróbka plastyczna na zimno (np. ciągnienie): ❖ powoduje wzrost wytrzymałości, ❖ spadek plastyczności czyli zmniejszenie skłonności do tworzenia narostu i zadziorów, ❖ poprawę gładkości, ❖ spadek sił skrawania dzięki obniżeniu długości kontaktu wióra z powierzchnią natarcia, ❖ spadek temperatury ostrza. ❖ Warstwy zewnętrzne odkuwek i odlewów są źle skrawalne: okresowa prędkość skrawania może być niższa o 10-20% (dla odlewów piaskowych nawet o 50%) w stosunku do materiału pod tą warstwą.
28. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 28 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – wtrącenia niemetaliczne ❖ Należy odróżnić makro (>150mm) i mikro wtrącenia. ❖ Makrowtrącenia są często bardzo twarde i mają właściwości ścierne, są niekorzystne ❖ należy je zwalczać, ❖ występowanie makrowtrąceń świadczy o złej jakości stali. ❖ Mikrowtrącenia występują zawsze ❖ związki aluminium (Al2 O3 ) i wapnia są twarde i ścierne, a więc niekorzystne. ❖ tlenki żelaza i manganu (FeO i MnO) są mniej twarde i mniej szkodliwe. ❖ krzemki są korzystne przy wysokich prędkościach skrawania, bo w znacznych temperaturach miękną i tworzą warstewkę ochronną na ostrzu. ❖ Zawartość mikro wtrąceń zależy w m.in. od technologii wykonywania stali, np. odtlenianie stali przy pomocy aluminium powoduje powstawanie Al 2 O 3 co jest niekorzystne dla trwałości ostrza. ❖ Użycie do odtleniania związków wapnia, manganu, krzemu powoduje powstawanie na narzędziu warstewki ochronnej zmniejszającej zużycie ostrza, a więc poprawia skrawalność stali.
29. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 29 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stali – skłonność do umocnienia ❖ Zgniot w strefie skrawania powoduje umocnienie materiału. ❖ Generalnie wpływa niekorzystnie na skrawalność: ❖ powoduje wzrost sił i mocy skrawania. ❖ Zmniejsza skłonność do powstawania narostu, co jest oczywiście korzystne. ❖ Dużą skłonność do umocnienia mają stale austenityczne, nierdzewne oraz szereg stopów żaroodpornych. samoutwardzalnie Materiał obrabiany
30. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 30 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Stale nierdzewne
31. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 31 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stale nierdzewne ◼ Grupy 8 do 11 ◼ Właściwości rosnące z numerem grupy: ❑ odporność na korozję ❑ odporność na utlenianie ❑ twardość ❑ żaroodporność
32. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 32 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Struktura stali nierdzewnych Struktura i składniki stopowe decydują zarówno o właściwościach jak i o skrawalności! Austenityczna Ferrytyczna Martenzytyczna Austenityczno-ferrytyczna (Duplex) Stale nierdzewne Stale stopowe o zawartości węgla do 1.2% i chromu co najmniej 10.5% Cr 2 O 3 Chrom tworzy szczelne warstewki tlenku Cr2 O3 , które utrudniają dyfuzję tlenu w głąb materiału, przeciwstawiając się w ten sposób korozji – powstawaniu tlenku żelaza FeO.
33. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 33 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 0 20 40 60 80 100 120 Ferrytyczne Martenzytyczne Austenityczne Duplex Azotowane Skrawalność (%) Stale nierdzewne – wpływ struktury na skrawalność
34. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 34 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność Mo Cr N Ni C Ti Mn S Ca Pb            ☺      ☺ ☺ ☺ ☺ ☺ Stale nierdzewne - wpływ składników – Powstawanie narostu – Twarda, bardzo homogeniczna struktura (płatkowa) – Zła jakość powierzchni obrobionej – Powstawanie zadziorów – Niekorzystne, trudne do usunięcia wióry
35. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 35 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Współczynnik PRE (Pitting Resistance Equivalent) określa odporność na korozję wżerową Współczynnik PRE bardzo silnie wpływa na skrawalność PRE = % Cr + 3.3 x % Mo + 30 x % N PRE = % Cr + % Ni (gdy nie ma Mo lub N) Stale nierdzewne
36. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 36 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Austenityczne Duplex Martenzytyczno - austenityczne Martenzytyczne Współczynnik PRE Okresowa prędkość skrawania v 30 (m/min) Okresowa prędkość skrawania: - Trwałość ostrza 30 - b/h = 10 - Płaska płytka - Niepokrywany węglik grupy P20 Stale nierdzewne (Typowy przykład
37. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 37 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Słabe odprowadzanie ciepła w głąb wióra i przedmiotu obrabianego prowadzi do wysokiej temperatury ostrza Niska przewodność cieplna Stale nierdzewne
38. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 38 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Samo utwardzanie powierzchni obrobionej Gdy naprężenia stali nierdzewnej przekraczając granicę plastyczności, pojawia się samo utwardzanie Tak się dzieje w strefie ścinania! Odległość od powierzchni Twardość Stale nierdzewne (typowy przykład )
39. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 39 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Toczenie stali nierdzewnych Obrabiarka Wybierz obrabiarkę o największej stabilności i mocy. Unikaj wyeksploatowanej obrabiarki, zwłaszcza do dokładnej obróbki.
40. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 40 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Oprawka Wybierz największy możliwy przekrój chwytu. Wybierz pewny system mocowania płytki Zminimalizuj wysięg chwytu. Zapewnij silne zamocowanie. Toczenie stali nierdzewnych
41. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 41 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Toczenie stali nierdzewnych Strategia obróbki Przy obróbce zgrubnej długich, dużych naddatków stosuj zmienną głębokość skrawania. Obróbka zgrubna z kątem przystawienia 75° lub 45°. Następnie obróbka wykończeniowa z kątem 90°.
42. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 42 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Przy ciężkiej obróbce zgrubnej stosuj zmienną głębokość skrawania. Toczenie stali nierdzewnych Strategia obróbki
43. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 43 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Toczenie stali nierdzewnych Masywne przedmioty obrabiane • Jeśli to możliwe, zawsze zaczynaj od wykonania fazy • Jeśli na przedmiocie są zadziory po poprzedniej operacji, zacznij od ich usunięcia
44. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 44 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wybieraj mocne płytki z małym kątem przystawienia Wybieraj duży promień naroża Do obróbki wewnętrznej stosuj płytki jednostronne, o g0 >0 Do obróbki zewnętrznej stosuj płytki dwustronne, o g0 <0 Toczenie stali nierdzewnych Płytki
45. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 45 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Toczenie stali nierdzewnych Parametry skrawania Stosuj duże głębokości skrawania Stosuj duże posuwy Nie pozwalaj na nadmierne zużycia ostrza
46. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 46 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Frezowanie stali nierdzewnych – dobre rady • Duży kąt natarcia, lecz wzmocniona krawędź przez niewielką fazę lub honowane zaokrąglenie • Zadbać o dobre usuwanie wiórów • Skrawanie pod powierzchnią utwardzoną • Stosuj frezowanie współbieżne • Ogranicz temperaturę w strefie skrawania • wydajne chłodzenie • duża grubość warstwy skrawanej (hm >0.08 mm) by uzyskać dużą masę wióra zabierającego dużo ciepła • Średnia grubość warstwy skrawanej (bardzo ważne) • położenie głowicy (10% D po wyjściowej stronie przedmiotu) • posuw => fazy lub zaokrąglenia krawędzi skrawającej • Głębokość skrawania co najmniej 1mm, bez przejść wykańczających (o ile to możliwe) • Masywne płytki skrawające (odprowadzanie ciepła)
47. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 47 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Żeliwa
48. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 48 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Żeliwo ❖ Stop żelaza z węglem, C 2-4% ❖ Węgiel występuje w postaci cementytu (Fe 3 C) lub grafitu, w zależności od: ❖ zawartość innych dodatków stopowych ❖ prędkość chłodzenia. ❖ Tworzeniu grafitu sprzyja przede wszystkim krzem (1-3%) ❖ także nikiel, aluminium, miedź i tytan. ❖ Żeliwo o dużej zawartości krzemu może zawierać prawie wyłącznie grafit, prawie bez cementytu. ❖ jest to tzw. żeliwo szare
49. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 49 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Żeliwo ❖ Żeliwo o niskiej zawartości Si, w którym dominuje cementyt to tzw. żeliwo białe. ❖ Formowaniu cementytu sprzyjają dodatki Cr, Co, Mn, Mo i V. ❖ Mimo iż zawartość Si ma najważniejszy wpływ na strukturę żeliwa, szybkie chłodzenie może uniemożliwić rozkład cementytu przez krzem i formowanie grafitu. ❖ grube elementy odlewu mogą mieć strukturę żeliwa szarego podczas gdy cienkie ściany, krawędzie czy zwężenia strukturę żeliwa białego. ❖ żeliwo białe może wystąpić na powierzchni odlewu, zaś szare wewnątrz.
50. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 50 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Twardość jako wskaźnik skrawalność żeliwa ❖ Niezłym wskaźnikiem skrawalności żeliwa jest twardość Brinella. ❖ Nie obejmuje ona jednakże dwu istotnych czynników: ❖ w większości operacji obróbczych najtwardsze i sprawiające największe problemy są krawędzie i rogi, których twardość nie jest mierzona, ❖ twardość Brinella nic nie mówi o ścierności żeliwa zależnej nie od twardości zasadniczej struktury lecz od twardości wolnych cząsteczek cementytu. ❖ Wtrącenia węglików lub piasku mają bardzo negatywny wpływ na skrawalność, nie wpływając na twardość Brinella.
51. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 51 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność żeliwa szarego ❖ W żeliwie szarym węgiel w postaci płatków grafitu, ❖ znacznie ułatwiają poślizgi w strefie ścinania ❖ wióry są kruche i krótkie, a siły skrawania ponad dwukrotnie mniejsze niż przy skrawaniu stali. ❖ niewielka długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia ❖ stosunkowo małe zużycie ostrza ❖ powierzchnia obrabiana jest matowa ale bardzo korzystna do wielu zastosowań ciernych. ❖ Żeliwo szare jest dobrze skrawalne z punktu widzenia wszystkich kryteriów.
52. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 52 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność żeliwa sferoidalnego ❖ W żeliwie sferoidalnym grafit występuje w postaci kuleczek: ❖ w strefie ścinania powodują osłabienie materiału i inicjują poślizgi, choć są pod tym względem mniej skuteczne niż płatki. ❖ wióry są nieco dłuższe, w dalszym ciągu jednak kruche i znacznie bardziej podobne do uzyskiwanych przy skrawaniu żeliwa szarego niż stali. ❖ Żeliwo sferoidalne jest o ok. 30% gorzej skrawalne niż szare ma za to lepsze własności mechaniczne, stąd współcześnie coraz częściej zastępuje szare.
53. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 53 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność żeliwa białego ❖ Żeliwo białe zawiera bardzo niewiele grafitu, dużo natomiast cementytu i innych węglików. ❖ Jest ok. 10-krotnie gorzej skrawalne niż żeliwo szare. ❖ Może być obrabiane z prędkościami skrawania rzędu 3-10 m/min przy użyciu narzędzi z węglików spiekanych. ❖ Znacznie wyższe prędkości można zastosować dla narzędzi ceramicznych (rzędu 50 m/min) lub z CBN (do 80 m/min).
54. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 54 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Metale nieżelazne
55. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 55 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność magnezu i jego stopów ❖ Stopy magnezu (z Mn, Al, Zn) są najlepiej skrawalnymi metalami jeśli chodzi o wszystkie kryteria. ❖ niewielka twardość ❖ niska temperatura topnienia (Mg: 650°C) ❖ niewielka temperatura w strefie skrawania ❖ Brak powinowactwa do stali powoduje niewielkie zużycie ostrza HSS ❖ obróbka z bardzo wysokimi prędkościami skrawania.
56. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 56 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność magnezu i jego stopów ❖ Niski opór ścinania oraz niewielka długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia: ❖ duży kąt ścinania, ❖ współczynnik spęczenia niewiele większy od 1. ❖ Siły skrawania znacznie niższe niż przy obróbce innych metali. ❖ Wióry są segmentowe i bardzo kruche. ❖ Najgorszą cechą magnezu jest jego łatwopalność, co szczególnie dotyczy drobnych wiórów. ❖ Pył magnezowy może wybuchnąć!
57. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 57 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Aluminium ❖ Niska gęstość ❖ Wysoka wytrzymałość na rozciąganie ❖ Tańsze i lżejsze niż stal ❖ Dobra przewodność cieplna ❖ Dobra odporność na korozję ❖ Dobra skrawalność (w zasadzie ☺), ❖ wskaźnik skrawalności 60 do 270% ❖ Niska temperatura skrawania (temperatura topnienia Al 659°C) i stosowane mogą być wysokie prędkości skrawania
58. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 58 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność aluminium ❖ Z reguły niskie siły skrawania ❖ wysokie występują jedynie przy obróbce czystego aluminium z niskimi prędkościami skrawania ❖ duża długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia powoduje ❖ wysoką wartość F f , ❖ mały kąt ścinania, ❖ powstawanie grubych wiórów, ❖ wysoką wartość F c . ❖ Większość stopów Al ma skłonność do tworzenia narostu zwłaszcza przy niższych prędkościach skrawania  zła jakość powierzchni obrobionej. ❖ Problemem jest łamanie ciągłych, grubych i wytrzymałych wiórów
59. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 59 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawanie aluminium i jego stopów ❖ Zalecenia ogólne ❖ ostrze z HSS, węglików lub PCD ❖ polerowana powierzchnia natarcia ❖ dodatnie kąty natarcia ❖ frezy z dużą podziałką ❖ duże przestrzenie na wióry (rowki wiórowe) ❖ Prędkości skrawania ❖ do 300 m/min dla HSS ❖ 600 - 2000 (max) m/min dla węglików ❖ 1500 - 6000 m/min dla PCD ❖ Posuw ❖ 0.15 do 0.50 mm/obr
60. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 60 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawanie aluminium i jego stopów ❖ Narost ❖ dopasuj prędkość skrawania / zastosuj ciecz obróbkową / duże kąty natarcia / narzędzia diamentowe ❖ Łamanie i usuwanie wiórów ❖ duży kąt natarcia ❖ zwijacze/łamacze ❖ frez z luźną podziałką ❖ zmywaj wióry chłodziwem ❖ Zadziory ❖ Stosuj ostre krawędzie skrawające ❖ Zużycie ścierne: ❖ ostrze z węglików lub (lepiej) PCD ❖ Obróbka wykończeniowa ❖ z chłodziwem ❖ Frezy z gęstą podziałką ❖ do dużych posuwów, ale potrzebna moc
61. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 61 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawanie stopów aluminium >16% Si ❖ Nadeutektyczne stopy Al i Si (17-23% Si), w których poza krzemem rozproszonym w eutektyce występują duże ziarna krzemowe (do 70mm). ❖ Ziarna te mają wysoką temperaturę topnienia (1420°C), wysoką twardość (>400HV) i powodują znaczne zużycie ostrza. ❖ Obróbka takich stopów to główne zastosowanie narzędzi diamentowych. ❖ Np. przy obróbce bloków i tłoków silnikowych, noże z ostrzami diamentowymi pozwalają na v c =300-1000 m/min przy posuwie rzędu 0.125 mm/obr.
62. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 62 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność miedzi ❖ Miedź to kolejny miękki i ciągliwy materiał, choć jego temperatura topnienia jest znacznie wyższa od magnezu i aluminium (1083°C). ❖ Przy obróbce czystej miedzi nie występuje narost. ❖ Siły skrawania są duże szczególnie przy niskich prędkościach skrawania (duża długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia). ❖ To czyni miedź trudnoskrawalną zwłaszcza przy obróbce głębokich otworów ❖ moment skrawania łatwo może przekroczyć wytrzymałość wiertła.
63. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 63 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność miedzi ❖ Zła jakość powierzchni przy obróbce z niskimi prędkościami skrawania. ❖ Przy wyższych prędkościach siły są mniejsze, a jakość powierzchni lepsza, jednakże powstają trudne do usunięcia ciągłe wióry. ❖ Skrawalność stopów miedzi (mosiądzów i brązów) jest przeważnie dobra z tych samych względów co stopów aluminium. ❖ Obróbka stopów miedzi występuje głównie przy produkcji elementów elektrycznych lub hydraulicznych na wysokoobrotowych obrabiarkach.
64. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 64 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stopów miedzi ❖ Wysoka przewodność cieplna miedzi i mosiądzu sprawia, że mogą być one obrabiane z wysokimi prędkościami nawet przy użyciu narzędzi ze stali szybkotnących. ❖ prędkość skrawania jest tam ograniczona do 140-220 m/min ze względu na małą średnicę obrabianych przedmiotów (ograniczenie prędkości obrotowej wrzeciona), ❖ Siły skrawania, zwłaszcza przy niskich prędkościach skrawania są znacznie niższe niż przy obróbce czystej miedzi.
65. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 65 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Super stopy
66. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 66 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Żaroodporne super stopy ◼ Grupy 20 do 21 ◼ Stopy niklu, żelaza i kobaltu ◼ Dobra odporność na korozję ◼ Wysoka wytrzymałość ◼ Zachowują właściwości w podwyższonych temperaturach ◼ Bardzo trudne do obróbki
67. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 67 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak . Super stopy Inconel 600 Waspoloy René N4 MAR-M-247 Inconel 718 Inconel 706 Hastelloy X Oparte na niklu Oparte na Ni+Fe MAR-M 509 X40 Haynes 188 FSX-414 Oparte na Co A-286 Discaloy Haynes 556 Oparte na Fe Żaroodporne super stopy
68. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 68 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność super stopów ◼ Duża ilość wytwarzanego ciepła w czasie obróbki i niska przewodność powodują wysokie temperatury w strefie skrawania. ◼ Wytrzymałość rosnąca wraz z temperaturą (podstawowa właściwość) powoduje wysokie siły skrawania. ◼ Trudne do łamania wióry (wytrzymałe). ◼ Wytrącenia węglikowe wywołane obróbką cieplną. ◼ Utwardzane przez obróbkę (twarda warstwa zewnętrzna).
69. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 69 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Stopy tytanu Tytan Stopy a-Ti Stopy ag-Ti Stopy g-Ti HCP BCC Mix • Wysoki stosunek wytrzymałości do masy • Wysoka wytrzymałość do 500C • Bardzo wysoka odporność na korozję
70. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 70 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stopów tytanu ❖ Tytan i jego stopy są generalnie źle skrawalne. ❖ Czysty jest plastyczny, nie tworzy narostu ale przylepia się do ostrza ❖ groźne przy obróbce przerywanej ❖ Stopy mogą tworzyć narost, zwłaszcza przy zużytym ostrzu. ❖ Niska przewodność i wysoka temperatura topnienia tytanu (1668C) powoduje wysokie temperatury w strefie skrawania ❖ Mała długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia l g : ❖ koncentracja ciepła w rejonie krawędzi skrawającej ❖ duży kąt ścinania, ❖ współczynnik spęczenia wióra bliski jedności, ❖ niewielkie siły skrawania, ale naciski na krawędzi wysokie ❖ niska trwałość ostrza
71. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 71 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Skrawalność stopów tytanu ❖ Powstające wióry są segmentowe z wyraźnymi wąskimi strefami intensywnego ścinania ❖ Niski moduł Younga (odkształcenia sprężyste przedmiotu, problemy z tolerancją, drganiami) ❖ Bardzo skłonny do utleniania – możliwość samozapłonu, szczególnie przy cienkich wiórach ❖ Główne problemy to ścieranie, deformacje plastyczne i dyfuzja. ❖ Stosować drobnoziarniste węgliki WC/Co
72. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 72 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Super stopy i stopy tytanu Ogólne zalecenia ❑ Obrabiać w możliwie najmiększym stanie ❑ Dodatnie kąty natarcia ❑ Ostre krawędzie skrawające ❑ Wytrzymałe ostrze (duży promień naroża) ❑ Stabilne warunki skrawania ❑ Unikać odkształceń przedmiotu obrabianego ❑ Stosować małe kąty przystawienia ❑ Obrabiać w jednym przejściu lub ze zmienną głębokością
73. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 73 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności 11 Skrawalność materiałów konstrukcyjnych Badania skrawności i skrawalności
74. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 74 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Metodyka badania skrawności i skrawalności Podstawą właściwego i efektywnego planowania badań jest precyzyjne określenie ich celu: • na jakie pytania chcemy odpowiedzieć? • co naprawdę nas interesuje? Typowym zadaniem jest badanie skrawalności lub skrawności Do sprecyzowanego celu badań należy dobrać: • odpowiednie miary, wskaźniki badanej wielkości, • plan badań, • metody akwizycji i analizy danych
75. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 75 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Trwałość ostrza jako kryterium skrawności (skrawalności) • Najczęściej stosowanym, najwygodniejszym bezwzględnym wskaźnikiem skrawności i skrawalności jest okresowa prędkość skrawania • Ze względu na oszczędność czasu i materiału obrabianego powinna odpowiadać stosunkowo małemu okresowi trwałości ostrza, jednakże nie może zbytnio odbiegać od okresu ekonomicznego, • np. dla noży składanych z płytkami wymiennymi z węglików spiekanych ekonomiczny okres trwałości ostrza wynosi w warunkach polskich (w zależności od ceny obrabiarki) ok. 15-30 min. • Prędkość (np. 15) może być wyznaczona dla: • określonej wartości posuwu i głębokości, • dla całego interesującego zakresu i : wyznacza się zależność 15 (, ).
76. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 76 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena na postawie (, ) • Jeżeli przedmiotem porównania i oceny jest: • skrawność narzędzi wykonanych z wyraźnie różnych (nowych) materiałów narzędziowych (np. węgliki i ceramika), • skrawalność materiałów obrabianych o znacznie różniących się własnościach (np. g-TiAl i „konwencjonalne” stopy tytanu ), • należy określić zależność okresowej prędkości skrawania od posuwu i głębokości skrawania tzn.: • Wyznaczyć pełną zależność Taylora: • Na jej podstawie wyznaczyć zależność (, ) : = =
77. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 77 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena na postawie (, ) Wykładniki w zależności dla wyraźnie różnych materiałów ostrza różnią się, a płaszczyzny je ilustrujące przecinają się: = 1 > 2 1 < 2
78. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 78 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena na podstawie (, ) • Ocena skrawności i skrawalności na podstawie (, ) wymaga kosztownych badań: • duża liczba prób i znaczne zużycie materiału obrabianego, szczególnie przy próbach prowadzonych przy dużych przekrojach warstwy skrawanej • Stosować wyjątkowo np. przy wprowadzaniu do produkcji nowych materiałów narzędziowych lub materiałów obrabianych wyraźnie różnych od dotychczas stosowanych. • niestety w przemyśle lotniczym taka „wyjątkowa sytuacja” zdarza się całkiem często! ☺
79. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 79 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena na podstawie dla wybranych i Jeśli: • nie spodziewamy się wyraźnie różnej skrawności lub skrawalności porównywanych materiałów, tzn. • ocena dotyczy jednej rodziny materiałów narzędziowych lub materiałów obrabianych – wykładniki Taylora są zbliżone • interesuje nas wąski zakres lub określone wartości i wystarczającym wskaźnikiem skrawności (skrawalności) jest odpowiadająca określonym i T vc (m/min) 15 15 15 = Jeśli chcemy porównać dwie (lub więcej) skrawności czy skrawalności, możemy posłużyć się względnym wskaźnikiem skrawności (skrawalności):
80. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 80 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena skrawności (skrawalności) na podstawie średniego okresu trwałości ostrza • Często interesuje nas porównanie (sprawdzenie) skrawności (skrawalności), co do których spodziewamy się, że są tożsame lub zbliżone (różnice okresów trwałości ostrza nie przekraczają ok. 50%) • porównywanie skrawności zbliżonych gatunków materiałów ostrza, • bieżąca kontrola skrawności dostarczanych narzędzi, • bieżąca kontrola dostarczonego materiału obrabianego tego samego gatunku. • Najwygodniejszym (najbardziej czułym) wskaźnikiem skrawności i skrawalności jest wtedy średni okres trwałości ostrza ഥ przy ustalonym posuwie, głębokości i prędkości skrawania. Jeśli chcemy porównać dwie (lub więcej) skrawności czy skrawalności, możemy posłużyć się względnym wskaźnikiem skrawności (skrawalności): = ത ത
81. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 81 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak vc Współzależność i T vcTA vcTB TB TA T vc Oczywiście współczynniki względne i są ze sobą ściśle powiązane. wyznaczamy dla założonego okresu trwałości ostrza: = wyznaczamy dla założonej prędkości skrawania = log log = log − log log − log = − = −
82. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 82 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena skrawności (skrawalności) w oparciu o siły skrawania Siły skrawania (wartości i rozkład) mogą być miarą skrawności (skrawalności) ze względu na: • stabilność obróbki • odkształcenia przedmiotu • moc skrawania, temperaturę, • możliwe uszkodzenia warstwy wierzchniej
83. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 83 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena skrawności (skrawalności) w oparciu o siły skrawania Wskaźnikiem skrawności (skrawalności) jest: • średnia wartość siły skrawania lub wszystkich składowych zmierzone w czasie skrawania ustalonego przy reprezentatywnych parametrach skrawania (v c , f, a p ) • opór właściwy skrawania • dynamiczne opory właściwe skrawania (stosunki zmian sił do zmian przekroju poprzecznego warstwy skrawanej) = = ℎ
84. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 84 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Opory właściwe skrawania jako miara skrawalności (skrawności) • Badanie skrawalności prowadzi się przy skrawaniu swobodnym, narzędziem z płaską powierzchnią natarcia. • Badania skrawności prowadzi się narzędziem będącym przedmiotem zainteresowania
85. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 85 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Opory właściwe skrawania jako miara skrawalności (skrawności) • Do wyznaczenia oporu właściwego i dynamicznych oporów właściwych skrawania niezbędne jest wyznaczenie zależności: yc Fc =Cc b h yf Ff =Cf b h yp Fp = Cp b h Na ich podstawie opór właściwy skrawania przyjmie postać: Fc yc -1 kc = ––– = kc1.1 h ; gdzie kc1.1 =Cc bh Dynamiczne opory właściwe skrawania są pochodnymi zależności sił przypadających na 1mm szerokości WS od grubości WS: 1 dFc yc -1 kcd = – –––= yc Cc h = yc kc b dh yf -1 Kfd = yf Cf h yp -1 kpd = yp Cp h
86. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 86 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Plan badań • Przez plan badań skrawności (skrawalności) rozumie się: • specyfikację przedmiotu badań: • narzędzi (różniących się materiałem lub geometrią ostrza), • materiałów obrabianych • specyfikację warunków badań (czynników nie będących przedmiotem badań) • plany eksperymentów • Eksperymentem nazwiemy zestaw prób prowadzonych tym samym narzędziem (na tym samym materiale obrabianym). • Plan eksperymentu obejmuje zatem: • zestaw parametrów skrawania, przy jakich prowadzone mają być próby, • liczbę oraz kolejność wykonywania prób.
87. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 87 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Warunki prowadzenia badań • Dobór warunków prowadzenia badań, tj. czynników mających bezpośredni wpływ na ich wyniki, a nie będących przedmiotem badań ma zasadnicze znaczenie. • Warunki te są dla badań skrawności i skrawalności opisane w normach PN-ISO 3685 (toczenie), 8688 (frezowanie) • Przykładowo – dla toczenia zaleca się (m.in. ☺): • do badań skrawności należy stosować stal 45 (180-200HB) lub żeliwo ZL25 (200-220HB), przy czym właściwości materiału (obróbka cieplna, twardość, struktura, wymiary) powinny być dokładnie opisane. • do badań skrawalności materiałów obrabianych zaleca się stosowanie: • stal szybkotnąca nie pokrywana bez kobaltu S2 i S4 lub kobaltowa S8 i S11 • węglik spiekany z grupy P10 lub K10 • spieki ceramiczne a) oparte na Al2O3 z min. 70% Al2O3 i dodatkami takimi jak ZrO2, TiC lub TiN b) oparte na Si3N4 z min 90% Si3N4 i z dodatkami Y2O3 i Al2O3 . • jeśli geometria ostrza nie jest przedmiotem badań zaleca się stosowanie noży o prostych (r =75°, r = 90°) • dla wszystkich materiałów narzędziowych stosowane może być jako kryterium stępienia: VBB = 0.3mm lub VBBmax =0.6mm, a ponadto: • dla stali szybkotnących stępienie katastroficzne • dla węglików spiekanych KT=0.06+0.3.f lub KE=0.02 mm
88. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 88 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Plan eksperymentu • Plany poszczególnych eksperymentów wchodzących w zakres badań powinny być tworzone w oparciu o te same zasady i zawierać, o ile to jest możliwe, te same zestawy parametrów a p i f. • We wszystkich badaniach skrawności (skrawalności) kolejność wykonywania prób powinna być losowa lub dobrana tak, aby nie zachodziła korelacja pomiędzy numerem kolejnym próby, a jakimkolwiek czynnikiem zmiennym, jak parametry skrawania, materiał ostrza (obrabiany) itd. • Gdy badaniom poddawane są różne narzędzia (materiały obrabiane), dobrze jest prowadzić jednocześnie lub na przemian próby należące do różnych eksperymentów.
89. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 89 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Planowanie badania skrawności (skrawalności) w oparciu o vcT (f, ap ) Zależność v cT (f, a p ) wyznacza się z pełnej zależności Taylora: Zależność ta we współrzędnych logarytmicznych przyjmuje postać równania liniowego: = + 1 + 2 + 3 gdzie = log ; 1 = log ; 2 = log ; 3 = log Przestrzeń czynnikowa, czyli przestrzeń, w której zawierają się wartości zmiennych niezależnych, jest tu trójwymiarowa (trójczynnikowa) o współrzędnych x 1 , x 2 , x 3 . =
90. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 90 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Klasyczne planowanie eksperymentów (DOE) Klasyczne metody planowania eksperymentów oparte są o tzw. eksperyment kompletny dwuwartościowy (eksperyment czynnikowy typu 2n) 1 3 4 2 6 5 8 7 x1 =log vc x2 =log f x1min x1max x2min x2max x3min x3max • Liczba nie powtarzających się kombinacji wynosi tu N = 23 = 8 • Zestawy możliwych parametrów skrawania to wierzchołki prostopadłościanu, o krawędziach x imin - x imax , gdzie i = 1, 2, 3.
91. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 91 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wyznaczanie T(vc ,f,ap ) wg klasycznego planu eksperymentu v c f a p T 200 0.16 1.6 465.7 200 0.16 6.4 116.4 200 0.64 1.6 7.3 200 0.64 6.4 1.8 300 0.16 1.6 61.3 300 0.16 6.4 15.3 300 0.64 1.6 1.0 300 0.64 6.4 0.2 Czy takie planowanie możemy wykorzystać w badaniu trwałości ostrza? Niech v c = (200, 300) m/min, f=(0.16, 0.64) mm/obr, a p =(1.6, 6.4)mm Załóżmy przykładowo, że zależność Taylora, którą mamy wyznaczyć ma postać: -5 -3 -1 T=(v c /250) f a p Możemy się spodziewać następujących wyników 466 7.3 1.8 116 15 61 0.2 1 vc f 200 300 0.16 0.64 1.6 6.4 =
92. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 92 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wyznaczanie T(vc ,f,ap ) wg klasycznego planu eksperymentu 466 7.3 1.8 116 15 61 0.2 1 vc f 200 300 0.16 0.64 1.6 6.4 Stosowanie planu opartego na sześcianie przy badaniach trwałości ostrza jest niewłaściwe, ponieważ przestrzeń czynnikowa jest ograniczona. • zakres praktycznie stosowanych a p i f jest ograniczony ich stosunkiem (np. a p /f<=10): nie stosuje się a pmax z f min , • dla praktyki produkcyjnej interesujący jest pewien zakres okresów trwałości ostrza: stosowanie w badaniach tych samych prędkości skrawania dla największych i najmniejszych przekrojów warstwy skrawanej prowadzi do uzyskiwania nieracjonalnych okresów trwałości.
93. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 93 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Plan badań trwałości ostrza wg ISO Norma PN-ISO 3685 określa zakres głębokości i posuwów zalecanych do badań trwałościowych przy toczeniu w zależności od promienia naroża r  : 2 ≤ ≤ 10, ≤ 0.8 a p f 2r  0.2r  0.8r  • Obok tych zaleceń można uwzględnić inne czynniki, jak zalecenia producenta narzędzi, ograniczenia wynikające z mocy obrabiarki lub zakresu łamania wiórów itp. • Zakres posuwów i głębokości skrawania przyjmowany powinien być w oparciu o zakres zastosowania badanego narzędzia. 0.2 ≤
94. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 94 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wybór wartości f i ap a p f 2r  0.2r  0.8r  Uwzględniając wpływ f i a p na trwałość ostrza można wybrać 4 poziomy f i 3 poziomy a p . Ze względu na wykładniczy charakter zależności Taylora, poziomy te powinny być uszeregowane w ciągu geometrycznym. wynika: a pmax =4a pmin oraz f max =4f min , a zatem: f 1 = f min , f 2 = f min f , f 3 = f min f 2, f 4 = f min f 3 czyli f =41/3=1.587 a p1 = a pmin a p2 = a pmin a a p3 = a pmin a 2 = a pmax czyli a =2 Z warunków 2r  ≤ a p ≤ 10f i 0.2r  ≤ f ≤ 0.8r  , Mamy zatem 7 zestawów f – a p =
95. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 95 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wybór wartości f i ap – przykład Niech r  =0.8mm Stosując podane zależności otrzymamy:
96. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 96 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dobór prędkości skrawania = Do wybranych zestawów f – ap należy dobrać po cztery prędkości skrawania tak, by okresy trwałości ostrza leżały w racjonalnym zakresie min ÷ max Skoro prędkości ma być cztery, to odpowiadające im trwałości ostrza powinny być (podobnie jak posuwy) wyznaczone z szeregu geometrycznego: 1 = min ; 2 = min ; 3 = min 2; 4 = min 3 = max a stąd wynika: = 3 Τ max min Na przykład dla toczenia nożami z płytkami z wymiennymi ekonomiczny okres trwałości ostrza wynosi ok. 15 min, a stąd wynika, że racjonalny zakres trwałości ostrza do badania zależności Taylora to 5-30 min. Czyli… = 3 Τ 30 5 = 0,182 1 = 5; 2 = 9.09 ≈ 10; 3 = 16,5 ≈ 15; 4 = 30
97. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 97 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dobór prędkości skrawania Mając dobrane pożądane okresy trwałości ostrza dobieramy prędkości skrawania w oparciu o zależność Taylora, która w naszym przykładzie miała postać: Po jej odwróceniu mamy: = 250−0,2−0,6 −0,2 Łącznie otrzymaliśmy 28 zestawów parametrów skrawania. UWAGA! Wyznaczone prędkości skrawania należy weryfikować i zmieniać w wyniku kolejnych prób! = 250 5 −3 −1
98. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 98 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Wstępne badanie trwałości ostrza A co jeśli nie dysponujemy przybliżoną zależnością Taylora? Należy przeprowadzić próbę wstępną dla wybranego zestawu f-a p np. 0.4x3.2 • skrawanie rozpocząć od niskiej prędkości skrawania i prowadzić je krótko – nie dłużej niż przez minutę • sprawdzić stan narzędzia – jeśli nie ma wyraźnych śladów zużycia kontynuować próbę z wyższą prędkością (+1) = () − 2 gdzie k – spodziewana wartość wykładnika Taylora • cykl powtarzać aż do chwili, gdy pojawi się wyraźne zużycie • wtedy kontynuować próbę bez zmiany prędkości aż do stępienia ostrza. • czas skrawania z najwyższą prędkością i tą prędkość wstawić do wzoru: wartości wykładników przyjąć: -k -yT -xT HSS 10 6 2 WS 5 3 1 ceramika 2.5 1.5 0.5 = = Τ −1 Τ Τ
99. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 99 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Dobór prędkości skrawania • Tu i w innych badaniach, w których występuje statystyczne wyznaczanie zależności, stoimy przed problemem liczby prób. • Badania są kosztowne, a 28 prób to dużo! • Uproszczona zasada ogólna – potrzebne są minimum 3 próby na 1 wyznaczaną stałą, czyli tu 3*4=12, no... powiedzmy 14 ☺ • Można je wylosować, ale... los bywa ślepy i głupi, a prób jest stosunkowo niewiele • Sensowniej będzie wybrać je tak, by były równomiernie rozłożone, obejmowały newralgiczne punkty, a także by ich kolejność nie była skorelowana z parametrami skrawania. =
100. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 100 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Zadanie = Τ −1 Τ Τ Dobrać głębokości skrawania i posuwy do badania skrawności narzędzia z węglików przy toczeniu dla promienia naroża = 1.2, a następnie dobrać prędkości skrawania dla jednego z zestawów − . Wyniki testu wstępnego: = 4.8, = 0.6/ ostatnia prędkość = 250/ , = 3 1 = 0.2 = 0.24 / 2 = 1 = 0.38 / 3 = 2 = 0.60 / 4 = 0.8 = 0.96 / 0.2 ≤ ≤ 0.8 ; = 1.587 2 ≤ ≤ 10, 1 = 2 = 2.4 2 = 21 = 4.8 3 = 22 = 9.6 ≈ −5; ≈ −3; ≈ −1 = 313.7/ = Τ 1 Τ − Τ −
101. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 101 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena zbliżonych skrawności i skrawalności Zbliżone skrawności lub skrawalności są wtedy, gdy możemy przyjąć iż wykładniki w zależności Taylora są w przybliżeniu te same, a różna jest jedynie stała . Oznacza to, że płaszczyzny ( , , ) w 4-wymiarowej przestrzeni logarytmicznej log = log − + log + log + log y = 0 + 1 1 + 2 2 + 3 3 są równoległe, trzeba jedynie wyznaczyć ich odległość. Można wtedy przyjąć ustalone (typowe, reprezentatywne) posuw i głębokość skrawania i dla nich wyznaczyć • średni okres trwałości ostrza dla ustalonej prędkości skrawania jeśli spodziewane różnice okresów są znikome mniejsze niż 50% • okresową prędkość skrawania na postawie zależności ( ) =
102. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 102 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Ocena skrawności dla wybranych f i ap Wskaźnikiem skrawności (skrawalności) jest średni okres trwałości ostrza wyznaczony na podstawie 4-6 prób T vc (m/min) T A <0.5T B 15min v 15A v 15B 30min 5min racjonalny zakres T T vc (m/min) v c =const T B T A T A >0.5T B 15min Wskaźnikiem skrawności (skrawalności) jest okresowa prędkość skrawania wyznaczona na podstawie 6-8 prób przy 4-ech prędkościach skrawania = = = −
103. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 103 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Porównanie skrawności dwóch narzędzi Wykonano po dwie próby narzędzie A: narzędzie B: [m/min] T [min] [m/min] T [min] 150 8.4 150 5.7 200 4.7 250 2.0 Porównać skrawność w oparciu o trwałość ostrza dla = 150 m/min i okresową prędkość skrawania v 5 = log 1 − log 2 log 1 − log 2 = 1 1 −1/ = 1/ kA = -2.018 kB = -2.050 CvA =430.5 CvB =350.6 v 5A =194 v 5B =160 = = . = = . . = . = − = 1.212.03 = 1.47
104. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem 104 Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak Jakieś pytania?