Zużycie i trwałość ostrza

Zużycie i trwałość ostrza

Technologie Materiałów Konstrukcyjnych i Wielofunkcyjnych

Rodzaje zużycia

Objawy zużycia

Wskaźniki zużycia

Zależność Taylora

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii

KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski

doc. dr. inż. Zbigniew Zarański

Ć2:

Proces zużywania się ostrza

ZUŻYCIE

OSTRZA

naciski jednostkowe, które zwłaszcza w

początkowym okresie skrawania są bardzo

wysokie

odnawianie się powierzchni trących, co

prowadzi do czystego metalicznego

kontaktu

wysoka temperatura na powierzchniach

trących mogącą dochodzić do temperatury

topnienia metalu

utrudnione doprowadzenie czynnika

smarującego (chłodziwa) do strefy tarcia, w

związku z czym w najkorzystniejszym

przypadku można uzyskać tylko tarcie

graniczne

jest funkcją wielu zjawisk

towarzyszących procesowi

skrawania, rośnie z

upływem czasu i ściśle

wiąże się z trudnymi

warunkami pracy ostrza

skrawającego

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2

ścieranie mechaniczne

zużycie zmęczeniowe

Istnieje wiele hipotez co do

istoty zużywania się ostrza, na

podstawie których można

wyodrębnić szereg równolegle

występujących procesów w

mechanizmie zużycia: zużycie zmęczeniowo - cieplne

zużycie adhezyjne

zużycie cieplne

zużycie dyfuzyjne

zużycie chemiczne - utlenianie

deformacje plastyczne narzędzia


Procesy zużywania się ostrza

https://www.youtube.com/watch?v=mRuSYQ5Npek

ŚCIERANIE MECHANICZNE

Wywołane jest zmianami nacisków i temperatury na powierzchnię ostrza oraz

odkształceniami plastycznymi tej powierzchni

Jego charakterystyczną cechą jest oddzielanie

dużych cząstek materiału w postaci łuszczenia

się powierzchni.

Zmienne obciążenie powodowane jest

zarówno samym tworzeniem wióra,

uderzeniami krawędzi skrawającej,

nierównomiernymi naddatkami, jak i drganiami

układu obrabiarka – przedmiot.

Występuje w postaci odkształceń plastycznych oraz ścinania wierzchołków

nierówności powierzchni trących się. Zachodzi w formie ściernego oddziaływania

narzędzia z twardymi składnikami struktury materiału obrabianego, (węgliki metali

stopowych, cementyt i inne) i produktami procesu zużycia.


Rodzaje zużycia

ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE

Spowodowane jest pojedynczymi skurczami

powierzchni ostrza na skutek zmian temperatury.

Zmiany te wynikają z okresowego kontaktu ostrza

z materiałem obrabianym, nierównomiernym

dopływem chłodziwa, a przede wszystkim na

skutek okresowego tworzenia się i zanikania

narostu.


Rodzaje zużycia

ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWO - CIEPLNE

Zachodzi wówczas, gdy występuje metaliczny kontakt czystych chemicznie

powierzchni ostrza i wióra (głównie materiałów plastycznych o dużej odporności na

utlenianie), przy znacznych oporach skrawania.

Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie cząstek obu powierzchni do siebie,

wzrost sił międzycząsteczkowych, aż do wystąpienia zwarć adhezyjnych.

Ciągły ruch wióra powoduje wyrywanie połączonych cząstek wióra i ostrza z

podłoża (gdy siły adhezji są większe od sił wiążących atomy w sieci krystalicznej)

lub ścięcie połączenia adhezyjnego.

ZUŻYCIE ADHEZYJNE

Polega na wyrywaniu całych grup cząsteczek z

obszarów, w których pod wpływem znacznych

nacisków i temperatury dochodzi do zgrzania

wióra i ostrza. Jest to możliwe wskutek spadku

twardości materiału ostrza oraz wzrostu jego

podatności na odkształcenia plastyczne.


Rodzaje zużycia

ZUŻYCIE CIEPLNE

Jest skutkiem zmiany składu chemicznego

materiału narzędzia, spowodowanej dyfuzją jego atomów i przedmiotu obrabianego.

Dyfundujące w materiał ostrza atomy powodują zmiany jego składu chemicznego, a

co za tym idzie, zmianę właściwości mechanicznych i wzrost intensywności zużycia.

ZUŻYCIE DYFUZYJNE


Rodzaje zużycia

ZUŻYCIE CHEMICZNE - UTLENIANIE

Ulega mu większość metali, w tym żelazo zawarte w stalach szybkotnących, a także

(chociaż w mniejszej mierze) kobalt i wolfram, będące głównymi składnikami

węglików spiekanych. Powstałe w jego wyniku tlenki są z reguły porowate i miękkie,

a więc są łatwo unoszone przez wiór.

DEFORMACJE PLASTYCZNE NARZĘDZIA

Są skutkiem wysokiej temperatury towarzyszącej dużym

prędkościom skrawania i dużym naciskom występującym przy

szybkich posuwach.

Proces ten występuje przede wszystkim na powierzchni

przyłożenia.

Występuje ono na granicy kontaktu wióra z materiałem ostrza, czyli tam gdzie

temperatura jest jeszcze bardzo wysoka, a już jest dostęp powietrza.

Powoduje zużycie wrębowe, czyli powstawanie charakterystycznych wąskich

wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia, prostopadłych do krawędzi

skrawającej.

starcie na

powierzchni

przyłożenia

krater na

powierzchni

natarcia

zużycie wrębowe na

powierzchni natarcia

i przyłożenia


Objawy zużycia ostrza


Starcie na powierzchni przyłożenia

Powoduje ono spadek jakości obrobionej

powierzchni lub niedokładność wymiarową

detalu.

Odpowiedzialnym za to jest zbyt wysoka

wartość prędkości skrawania lub zbyt niska

odporność na ścieranie tego narzędzia.

Rozwiązanie

• Zmniejszyć prędkość skrawania.

• Zastosować gatunek o większej odporności

na ścieranie.

• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.

Dla materiałów mających skłonność do

utwardzania się podczas obróbki należy

stosować mniejszy kąt przystawienia lub

gatunek bardziej odporny na ścieranie.


Krater na powierzchni natarcia

Nadmierne zużycie w formie krateru powoduje

złą jakość obrabianej powierzchni i zwiększa

ryzyko złamania płytki.

Za przyczyną jego pojawienia uważane jest

zużycie dyfuzyjne z powodu zbyt wysokich

temperatur na powierzchni natarcia oraz zbyt

duże naciski na powierzchni natarcia.

Rozwiązanie

• Najpierw zmniejszyć prędkość skrawania, aby

obniżyć temperaturę, następnie obniżyć

posuw.

• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.

• Zastosować dodatnią geometrię płytki.


Zużycie wrębowe

Jest przykładem zużycia chemiczno-utleniającego. Powoduje powstawanie

charakterystycznych wąskich wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia,

prostopadłych do krawędzi skrawającej.


Deformacja plastyczna narzędzia

Obniżenie krawędzi lub wyniesienie powierzchni przyłożenia prowadzi do złego

łamania i odprowadzania wiórów oraz niskiej jakości powierzchni obrobionej.

Występuje też ryzyko złamania płytki. Jego przyczyną jest zbyt duża temperatura

skrawania w połączeniu z dużymi naciskami.

Rozwiązanie:

• Wybrać twardszy gatunek o większej odporności na odkształcenie plastyczne.

• Obniżyć krawędź - zmniejszyć posuw.

• Podnieść powierzchnię przyłożenia - zmniejszyć prędkość.


Dyskretne formy zużycia ostrza

PĘKNIĘCIA OSTRZA Występują z reguły przy obróbce przerywanej (np.

frezowanie), gdy ostrze narażone jest na wielokrotne i

częste uderzenia mechaniczne i cieplne.

Zmęczenie mechaniczne powoduje powstawanie pęknięć

równoległych do krawędzi, zaś cieplne - prostopadłych do

niej. Z biegiem czasu pęknięcia obu typów powiększają się,

a ich połączenie prowadzi do wyłamania najpierw

segmentu, a chwilę później znacznego fragmentu ostrza.

Przyczyna:

• obróbką przerywana

• nierównomiernym doprowadzaniem

chłodziwa

Rozwiązanie

• Wybrać gatunek o lepszej udarności.

• Chłodziwo powinno być podawane obficie,

albo wcale.

WYKRUSZENIA KRAWĘDZI - CHIPPING

Powstają w wyniku miejscowego przekroczenia wytrzymałości

doraźnej ostrza. Powodują niekorzystne zmiany (znaczny

ujemny kąt natarcia) geometrii fragmentu ostrza - wzrost jego

obciążenia, a więc zwiększoną podatność na zużycie. W krótkim

czasie może to prowadzić do zupełnej destrukcji ostrza przez

jego wyłamanie.



Przyczyna

• Zbyt kruchy gatunek płytki.

• Niewłaściwa geometria płytki.

• Narost na ostrzu.

Rozwiązanie

• Wybrać płytkę o większej udarności.

• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi skrawania.

• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.

• Zmniejszyć prędkość skrawania oraz dopływ chłodziwa.

WYŁAMANIE OSTRZA

Może mieć podobne przyczyny, co wykruszanie, lecz jest

znacznie większe i oznacza natychmiastową utratę własności

skrawnych ostrza.

Występuje często przy nadmiernym zużyciu. Jego pojawienie

świadczy o źle dobranych warunkach skrawania.



Przyczyna

• Zbyt kruchy materiał płytki.

• Niewłaściwa geometria płytki (za duży kąt przyłożenia).

• Za mały rozmiar płytki.

Rozwiązanie

• Wybrać płytkę o większej ciągliwości.

• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi

skrawania.

• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.

• Zmniejszyć posuw i głębokość skrawania.


Wpływ parametrów skrawania na zużycie ostrza


NA POWIERZCHNI NATARCIA

Głębokość żłobka KT

Położenie żłobka KF

Położenie środka żłobka KM

Szerokość żłobka KB

Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza

NA POWIERZCHNI PRZYŁOŻENIA

Szerokość starcia w strefie

środkowej VBB

Maksymalna szerokość starcia

w strefie środkowej VBBmax

Szerokość starcia w rejonie

naroża VBC

Szerokość wrębu VBN

Geometryczne miary zużycia ostrza

wzrost poboru mocy przez obrabiarkę

wymiary przedmiotu nie mieszczą się w

wymaganych tolerancjach

są to zmiany wielkości

fizycznych spowodowane

zużyciem ostrza, na

podstawie, których można

ocenić to zużycie

niska jakość powierzchni (duża chropowatość)

powstawanie zadziorów na detalu

wydzielająca się nadmierna ilość ciepła

złe warunki łamania i odprowadzania wiórów

duży hałas podczas obróbki

tendencja do drgań układu OUPN


Pośrednie wskaźniki zużycia


Krzywa zużycia ostrza

c3 c2 c1

T3 T2

VBB

0.3

c3 > c2 > c1

c = const

ap = const

fn = const

A. Strefa docierania ostrza - przedział wstępnego zużywania narzędzia, o

parabolicznym przyroście zużycia w czasie,

B. Strefa liniowego zużycia ostrza - przedział stabilnego, liniowego zużywania

narzędzia w czasie,

C. Strefa przyspieszonego zużycia ostrza – intensywne zużywanie ostrza, o

parabolicznym przyroście zużycia w czasie, prowadzące do jego całkowitego

zniszczenia.

Okresem trwałości ostrza T nazywa się czas pracy ostrza t [min] od stanu

początkowego (ostrze ostre) do momentu wystąpienia zużycia granicznego (narzędzie

stępione) przy niezmienionych warunkach obróbki (stałe parametry: vc, ap, fn).

Kryterium technologicznym - jt. takie zużycie (na powierzchni przyłożenia lub

natarcia), do osiągnięcia którego narzędzie pracuje stabilnie, a powierzchnia obrobiona

odpowiada wymaganiom dokładności wymiarowej, kształtowej oraz chropowatości.

KRYTERIA STĘPIENIA OSTRZA

technologiczne ekonomiczne wytrzymałościowe


Kryteria stępienia ostrza

Kryterium ekonomicznym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym uzyskuje

się najlepsze wykorzystanie regenerowanego narzędzia (największa liczba ostrzeń).

Kryterium wytrzymałościowym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym

następuje utrata własności skrawnych na skutek spalenia lub wyłamania części ostrza

Okresem żywotności narzędzia nazywa się sumę okresów trwałości ostrza do

całkowitego wyeksploatowania narzędzia.

CT, s - stałe zależne od materiału wyrobu i

materiału narzędzia

W układzie logarytmicznym funkcja

Taylora jest linią prostą.

mins

c

T

v

CT

min

m

T

Cv

m

vc

vs

T CCs

m 1

oraz1


Trwałość a parametrami obróbki

W praktyce dla toczenia:

trwałość ostrza

minTT yx

p

s

c

T

fav

CT

min

m

faT

Cv

vv yx

p

m

vc

prędkość okresowa

s

yy

s

xxCC

sm T

vT

v

s

Tv 1

Ze względu na znaczne koszty, nie wykonuje się badań trwałości narzędzia dla

konkretnych parametrów obróbki lecz tylko badania wskaźnikowe dla wyznaczenia

stałych i wykładników przedstawionych wzorów, które dają wyniki przybliżone.

Procesy zużywania prowadzą do utraty zdolności skrawania, czyli do momentu

stępienia ostrza. Wyróżniamy następujące kryteria zużycia narzędzia:


Zużycie narzędzia skrawającego

Technologiczne - wg którego narzędzie uważa się za stępione, gdy przy jego

pomocy nie można już wykonać przedmiotu z żądaną gładkością powierzchni i

dokładnością (a niecelowe jest korygowanie położenia narzędzia),

Ekonomiczne - zakładające, że należy

dopuszczać taką wielkość zużycia

aby osiągnąć np. najmniejsze

koszty w całym okresie żywotności

narzędzia.

Fizykalne - wg których narzędzie

uważa się za stępione, gdy wchodzi

w zakres trzeciej, przyśpieszonej

fazy zużycia,

W celu porównania różnych materiałów narzędziowych oraz określenia zależność

trwałości ostrza od warunków skrawania, badania te należy prowadzić w ściśle

określonych warunkach (PN-83/M-58350). Norma określa zarówno metodykę badań,

warunki obróbki, jak i wskaźniki stępienia.


Metody badania zużycia

Próby te prowadzi się w celu określenia zależności empirycznej wzoru Taylora:

T - trwałość narzędzia

CT - stała uwzględniająca wpływ głównie czynników materiałowych

s - wykładnik potęgowy (3-6 dla węglików spiekanych, 8-10 dla stali

szybkotnących, 1,5-3 dla spieków ceramicznych)

Vc - prędkość skrawania

Trwałość narzędzia wyznacza punkt przecięcia każdej z tych krzywych z linią

poziomą, odpowiadającą wskaźnikowi stępienia. Opracowanie wyników polega na:


Znormalizowane próby trwałości narzędzi

• naniesieniu na siatkę logarytmiczną punktów

(log Ti, log Vci) wyznaczonych w badaniach,

• wyznaczeniu współczynników zależności T = f (Vc)

W układzie dwulogarytmicznym

funkcja T = f (Vc) jest linią

prostą.

Próby prowadzone w warunkach znormalizowanych są niezwykle pracochłonne i

kosztowne. Dlatego opracowano zestawy prób przyśpieszonego badania trwałości

narzędzi.

Należą do nich:

• metoda toczenia promieniowego,

• metoda toczenia stożka,

• metoda toczenia cylindrycznego ze stale wzrastającą prędkością skrawania,

• metoda toczenia cylindrycznego ze stopniowo wzrastającą prędkością skrawania.

We wszystkich tych metodach stosowany jest wskaźnik katastroficznego zużycia

ostrza. Pozwalają one na szybsze wyznaczenie zależności, przy dużo mniejszym

zużyciu materiału obrabianego. Wyniki badań są niestety obarczone większym

błędem niż w przypadku konwencjonalnej metody określania trwałości.


Przyśpieszone próby trwałości narzędzi

W wyniku przeprowadzonych prób skrawania stali C55 z następującymi parametrami:

vc = 132,7 m/min; f = 0,44 mm/obr; ap = 0,87 mm uzyskano cztery różne trwałości

ostrza: 58.5 min; 60.5 min; 56.5 min; 59.17 min.

Wartość średnia trwałości m wynosi:

Wariancja trwałości:

Odchylenie standardowe:

Przedział 3 sigmowy:

Trwałość ostrza dla parametrów prób:

min67,584

17,595,565,605,58

m

084,2)67,5817,59()67,585,56()67,585,60()67,585,58(4

1)( 22222 TD

min45,1)(2 TD

min35,43

min35,467,58 TWojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 26

Przykład 1.

Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT

gdzie: y = log T

x = log Vc

c = log CT

co po zdelogarytmowaniu daje:

27

Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania

Taylor stwierdził, że opadające części wykresu

T-Vc w układzie podwójnie logarytmicznym

można przedstawić w postaci prostej:

czyli:


Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania

Stała CT odpowiada (tylko matematycznie!) trwałości ostrza przy Vc = 1 i jest

wówczas bardzo duża.

Zależność T - Vc przecina poziomą oś w punkcie (T = 1, Vc = Cv), czyli Cv jest (tylko

matematycznie) prędkością skrawania odpowiadającą okresowi trwałości T = 1.

Zachodzi zatem:

Zależność T-Vc wyznacza się dla co najmniej 4÷5 prędkościach skrawania. Należy

przy tym zadbać o to, by uzyskiwane okresy trwałości ostrza leżały w racjonalnym

zakresie parametrów.

Zależność Taylora można też wyznaczyć wykreślnie, co jest często wystarczające do

celów praktycznych.

Równanie Taylora możemy wówczas wyrazić w postaci:

Obróbka stali C45 nożem CSRNR 2525-12 z płytką SNUN 120408 z węglika

spiekanego S30S, z posuwem fn = 0.33 mm/obr i głębokością skrawania ap = 2.5 mm

uzyskano następujące wyniki prób dla kryterium stępienia KTk = 0.25 mm:

Wyniki pomiarów naniesiono na skalę logarytmiczną. Przez

punkty przeprowadzono prostą (metodą wzrokową). W

miejscu przecięcia z osią odciętych (T = 1 min) określono

stałą Cv =270 oraz współczynnik kierunkowy prostej

k = -a/b = -6,96.

Natomiast stałe Taylora wyznaczone statystycznie dla tych

danych mają wartości (dla ufności na poziomie 95%):

Jak widać, wyniki otrzymane metodą wykreślną mieszczą

się w obliczonych przedziałach ufności.


Przykład 2.

Ogólnie można stwierdzić, że:

stała Cv zależy od materiału obrabianego i warunków skrawania,

wykładnik k zależy od materiału ostrza oraz kryterium stępienia i wynosi:

-8 ÷ -12 dla narzędzi ze stali szybkotnących,

-2 ÷ -6 dla węglików spiekanych,

-1.5 ÷ -3 dla narzędzi ceramicznych.

Wartości te wskazują na wrażliwość trwałości na zmiany prędkości skrawania dla

różnych materiałów narzędziowych. Największa jest ona dla stali szybkotnących - tu

zmiana prędkości skrawania rzędu 10% powoduje dwukrotną zmianę trwałości ostrza.


Istota optymalizacji

gdzie: y = log T x = log Vc N - liczba prób

- oszacowana wartość k,

- średnia wartość x - średnia wartość y

k̂

N

xx

N

yy

Dziękuję za uwagę!

Zużycie i trwałość ostrza

Documents

Transcript of Zużycie i trwałość ostrza