LABORATORIUM TECHNIK WYTWARZANIA

LABORATORIUM OBRÓBKI METALI

Instrukcja do ćwiczenia nr 2

ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA ORAZ SIŁY I MOMENTY NA PRZYKŁADZIE TOCZENIA I WIERCENIA

Siły skrawania w procesie toczenia

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zależności pomiędzy wartością siły P_z a parametrami skrawania głębokością skrawania g i posuwem p.

A Wprowadzenie do ćwiczenia

Miarą całkowitego oporu skrawania jest wypadkowa siła skrawania W, którą z uwagi na jej działanie a także i pomiar wygodniej jest rozłożyć na trzy wzajemnie prostopadłe składowe. Siły te rozpatrujemy w przestrzennym układzie osi prostokątnych związanych z przedmiotem obrabianym lub narzędziem.

W układzie narzędzia (rys. 1) wyróżnia się:

• składową P_z działającą zgodnie z wektorem szybkości obwodowej, przyłożoną w punkcie
  styczności wierzchołka noża z przedmiotem obrabianym Siłę tę często nazywamy siłą obwodową lub główną siłą skrawania,

• składową P_x równoległą do kierunku posuwu narzędzia, noszącą nazwę składowej posuwowej,

• składową P_y normalną do powierzchni obrobionej i pozostałych dwóch składowych, noszącą nazwę składowej odporowej, a przy toczeniu wzdłużnym składowej promieniowej.

Siła P_z powoduje uginanie narzędzia w kierunku działania siły, siła P_x obciąża mechanizm
ruchu posuwowego oraz usiłuje obrócić imak narzędziowy wokół jego pionowej osi, natomiast siła odporowa (promieniowa) P_y usiłuje odepchnąć nóż od, przedmiotu obrabianego.

Rozpatrując siły składowe w układzie przedmiotu obrabianego (rys. 1) wyróżnia się:

• składową pionową P_n prostopadłą do osi toczenia

• składową osiową P_o równoległą do osi toczenia

• składową poprzeczną P_r prostopadłą do osi toczenia i dwóch pozostałych sił

Siła P_n powoduje uginanie przedmiotu obrabianego w płaszczyźnie pionowej, analogicznie składowa poprzeczna P_r z tym, że w płaszczyźnie poziomej. Składowa osiowa P_o obciąża łożyska
oporowe wrzeciona lub tulei konika.

Rysunek 1

Przy toczeniu wzdłużnym powierzchni cylindrycznych gdy wierzchołek narzędzia znajduje się w osi toczenia (rys. 1), pomiędzy siłami składowymi w układzie obrabiarki i narzędzia zachodzą następujące związki

P_n = -P_z; P_r = -P_y; P_o = -P_x

Pewne różnice pomiędzy kierunkami działania sił składowych w układzie obrabiarki i narzędzia występują przy toczeniu powierzchni kształtowych oraz przy ustawieniu ostrza narzędzia nie w osi toczenia.

Wzajemny stosunek siły składowych P_x, P_y i P_z można określić w przybliżeniu za pomocą następujących wzorów:

P_x = (0,15 - 0,3) P_z

P_y = (0,3 - 0,5) P_z

Znając składowe siły P_x, P_y, P_z można obliczyć wypadkową siły skrawania

[N]

Moc skrawania N_e obliczymy wg następującego wzoru

[kW]

gdzie
[m/min] - szybkość skrawania

[m/min] - szybkość ruchu posuwowego

Ponieważ Vx « V, moc posuwu stanowi znikomy ułamek mocy głównej i dlatego przy obliczeniach praktycznych drugi składnik wyrażenia na moc skrawania N_e jest pomijany.

W praktyce, do wyznaczenia wartości sił składowych P_x, P_y, P_z stosuje się następujące wzory empiryczne

P_x = C_x · g^ax · p^bx · K_x [N]

P_y = C_y · g^ay · p^by · K_y [N]

P_z = C_z · g^az · p^bz · K_z [N]

gdzie: C_x, C_y, C_z - stałe skrawania,

a_z, a_y, a_x - wykładniki potęgowe charakteryzujące wpływ głębokości skrawania,

b_z, b_y, b_x - wykładniki potęgowe charakteryzujące wpływ posuwu,

K_z, K_y, K_x - współczynniki poprawkowe charakteryzujące wpływ różnych czynników (twardość materiału, kąta przystawienia, kąta natarcia, kąta pochylenia głównej krawędzi skrawającej itp.) na wartość sił skrawania.

B. Wykonanie ćwiczenia

1. Przeprowadzenie skrawania przy g_o = const.

Po zadaniu parametru g_o należy przeprowadzić 5 prób przy zmienianych kolejno posuwach i stałej szybkości. Zmiana posuwu następuje po zarejestrowaniu odczytu.

2. Przeprowadzenie skrawania przy p_o = const.

Przyjęty posuw powinien być jedną z wartości posuwów zadanych poprzednio przy ustalonym parametrze g_o = const. Dalszy tok postępowania podobny jak w p. l.

3. Opracowanie wyników. Wykresy Pz = f(g) i Pz = f(p)

a) Na podstawie odczytów przeprowadzonych w czasie prób wg punktów l i 2 należy znaleźć wartość sił P_z korzystając ze wzoru

P_z = C_z · g^az · p^bz [N] (1)

i po ustaleniu wartości g_o zależność (l) przybierze postać

P_z' = C_z1 · p^bz [N] (2)

zaś po ustaleniu wartości p_o

P_z” = C_z2 · g^az [N] (3)

b) Logarytmując wzory (2) i (3) otrzymamy

log(P_z') = log(C_z1) · log(p^bz) [N] (4)

log(P_z”) = log(C_z2) · log(g^az) [N] (5)

Mając dane P_z' i P_z” oraz p i g można sporządzić wykres w skali logarytmicznej

c) Obliczenie wielkości c_z, a_z, b_z

Z równań (4) i (5) wynika, że zależności P_z' = f(p) i P_z” = f(g) są zależnościami liniowymi. Wartość stałej C_z1 odczytuje się z wykresu dla wartości rzędnej p = 1 gdyż wtedy log(p) = log1 = 0 i stąd P_z = C_z1.

Podobnie odczytuje się wartość C_z2 dla wartości rzędnej g = 1.

Wartość wykładników potęgowych można też ustalić na podstawie wykresu

a₂ = tgα₂ b_z = tgα₁

Z równań 1, 2 i 3 wynika, że:

stąd

Badanie temperatury w procesie skrawania

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu parametrów skrawania (p, g, v) na temperaturę skrawania przy toczeniu bez użycia cieczy chłodzącej za pomocą pirometru

A Wprowadzenie do ćwiczenia

Ciepło wydzielające się przy skrawaniu metali ma bardzo ważne znaczenie ze względu na trwałość narzędzi, dokładność obróbki, własności warstwy wierzchniej itp. Źródłem ciepła w procesie skrawania jest praca skrawania niezbędna do przekształcenia warstwy metalu w wiór.

Pracę skrawania można przedstawić jako sumę prac cząstkowych

L = L_P + L_T + L_S + L_O + L_Z

gdzie: L- całkowita praca skrawania

L_P - praca odkształceń plastycznych

L_T - praca tarcia wióra i materiału obrabianego

L_S - praca odkształceń sprężystych

L_O - praca niezbędna do rozdrobnienia kryształów i utworzenia nowych powierzchni kryształów

L_Z - praca zwijania wióra

Największy wpływ na ilość wydzielanego ciepła w procesie skrawania ma praca odkształceń
plastycznych L_P i praca tarcia L_T.

Przy tworzeniu się wiórów odpryskowych głównym źródłem ciepła jest praca tarcia. Natomiast przy wiórach wstęgowych i schodkowych dominującą rolę odgrywa praca odkształceń plastycznych.

W przybliżeniu można przyjąć, że cała praca skrawania przekształcona zostaje w ciepło. Wówczas ilość ciepła wydzieloną w jednostce czasu można określić na podstawie wzoru:

Q = P_z·y [J/min]

gdzie: P_z - główna siła skrawania w N

v - szybkość skrawania w m/min

Ciepło wydzielane w strefie skrawania rozchodzi się trzema sposobami drogą przewodnictwa, konwekcji i promieniowania Ciepło przenika, w wiór, w materiał obrabiany, narzędzie i atmosferę otoczenia, co można wyrazić symbolicznie równaniem bilansu cieplnego.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4

gdzie Q - całkowita ilość wydzielonego ciepła

Q_l - ilość ciepła unoszonego przez wiór

Q₂ - ilość ciepła przechodzącego w narzędzie

Q₃ - ilość ciepła pozostającego w materiale obrabianym

Q₄ - ilość ciepła przechodzącego w atmosferę otoczenia

Całkowita ilość ciepła wydzielającego się w strefie skrawania oraz wzajemny stosunek składowych bilansu cieplnego, zależne są głównie od parametrów skrawania (dominujący wpływ wywiera szybkość skrawania), geometrii ostrza i własności (przewodność cieplna i ciepło właściwe) materiału obrabianego i materiału narzędzia.

Przy obróbce materiałów miękkich podstawową rolę odgrywa praca odkształceń plastycznych w warstwie skrawanej, dlatego też największa ilość ciepła wydziela się i zostaje unoszona przez wiór. Można przyjąć średnio, że około 50 - 80% całkowitej ilości wydzielonego ciepła unoszone jest przez wiór, 20 - 30% przechodzi w narzędzie, 10 - 40% w materiał obrabiany i mniej niż 1% przenika w atmosferę otoczenia

Przy obróbce materiałów kruchych (np. żeliwo) ilość ciepła prze noszonego przez materiał obrabiany jest znacznie większa. Np. podczas obróbki aluminium przy szybkości skrawania 100 m/min ilość ciepła pozostającego w materiale wynosi ponad 70%, a unoszonego przez wiór około 20%.

B Wykonanie ćwiczenia

1. Przeprowadzenie skrawania przy g_o = const i v_o = const

Po zadaniu parametru g należy przeprowadzić 5 prób przy zmienionych kolejno posuwach i stałej szybkości skrawania

2. Przeprowadzenie skrawania przy p_o = const i v_o = const

Przyjęty posuw powinien być jedną z wartości posuwów zadanych poprzednio przy ustalonym parametrze g_o = const. Dalszy tok postępowania podobny jak w p. l.

3. Przeprowadzenie skrawania przy p_o = const i g_o = const

Przyjęte parametry g_o i p_o winny być wartościami ustalonymi w p. l i 2. Próby przeprowadzamy zmieniając prędkość skrawania v.

4. Opracowanie wyników. Wykresy t_o' = f(p); t_o" = f(g); t_o''' = f(v),

Na podstawie odczytów zarejestrowanych w czasie prób należy określić wpływ parametrów skrawania na temperaturę skrawania korzystając ze wzoru.

t_o = C · g^x · p^y · v^z (1)

Po ustaleniu wartości g_o i v_o zależność (1) przybierze postać:

t_o' = C₁ · p^y (2)

zaś po ustaleniu wartości p_o i v_o

t_o” = C₂ · g^x (3)

oraz po ustaleniu go i po

t_o''' = C₃ · v^z (4)

Logarytmując wzory 2, 3, 4 otrzymamy:

log(t_o') = log(C₁) · log(p^y) (5)

log(t_o”) = log(C₂) · log(g^x) (6)

log(t_o''') = log(C₃) · log(v^z) (7)

Mając dane to', to”, to''' oraz p, g i v, interpolując można sporządzić wykres w skali logarytmicznej.

Wartości wykładników x, y, z można ustalić na podstawie wykresu gdyż:

y = tgα₁ x = tgα₂ z = tgα₃

Z równań 1, 2, 3 i 4 wynika, że:

stąd

Przebieg pomiarów oraz sposób opracowania wyników opracować wg punktów 1 - 4.

Badanie momentów i sił skrawania przy wierceniu i rozwiercaniu

A Wprowadzenie do ćwiczenia

1. Proces wiercenia może odbywać się w dwojaki sposób wiercenie w pełnym materiale lub powiększanie średnicy otworu wykonanego wcześniej. Ten drugi przypadek ma dużo cech wspólnych z rozwiercaniem zgrubnym.

Rysunek 1

Na rys. 1 przedstawiono technologiczne (v, p, g) i geometryczne (b, a_z) parametry skrawania kolejno przy wierceniu, wierceniu wtórnym (powierceniu), mające wpływ na wielkość sił i momentów skrawania w czasie obróbki.

W procesie wiercenia i rozwiercania na każde ostrze działa pewna wypadkowa siła skrawania zaczepiona umownie w połowie długości ostrza. Podobnie jak przy toczeniu możemy rozpatrywać trzy składowe tej siły działającej na każdą z dwóch krawędzi skrawających wiertła:

• składowa P_Z działająca w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiertła, zgodnie z kierunkiem wektora szybkości ruchu głównego;

• składowa P_y działająca prostopadle do osi wiertła i składowej P_Z,

• składowa P_X działająca w kierunku równoległym do osi wiertła.

Jeżeli wiertło jest zaostrzone prawidłowo (krawędzie skrawające zajmują symetryczne położenie względem osi wiertła), wypadkowa sił P_y równa się zeru.

W przypadku asymetrii krawędzi skrawających (ΣP_y ≠ 0), powstaje siła boczna powodująca ugięcie wiertła i skrzywienie osi wierconego otworu.

Siły P_X działające na główne krawędzie skrawające oraz siła P_S działająca na ścianę tworzą siłę wypadkową P nazywaną siłą posuwową, która jest przenoszona przez mechanizm ruchu posuwowego wiertarki

P = P_S + 2P_X [N]

Moment skrawania w procesie wiercenia pochodzi od siły P_Z:

[Nm]

Moc skrawania przy wierceniu i rozwiercaniu może być określona ze wzoru:

[W]

natomiast moc pobierana od silnika obrabiarki

gdzie: ω - prędkość kątowa w 1/sek.

n - prędkość obrotowa w obr/min

η - sprawność obrabiarki

Do ważniejszych czynników wywierających wpływ na wielkość momentu skrawania Mi siły posuwowej P przy wierceniu możemy zaliczyć:

• własności materiału obrabianego,

• posuw i głębokość skrawania,

• długość poprzecznej krawędzi skrawającej (ścina),

• kąt wierzchołkowy 2χ,

• kąt pochylenia linii śrubowej rowka wiórowego α_l

Własności materiału obrabianego mające wpływ na wartość siły poosiowej i momentu skrawania M to przede wszystkim własności wytrzymałościowe (wy trzymał ość-na rozciąganie) lub twardość. Wpływ tych wielkości uwzględnia się za pomocą odpowiednich współczynników poprawkowych.
Posuw i głębokość skrawania (średnica wiertła) wiąże się z przekrojem warstwy skrawanej. Tak więc przy wzroście jednego z tych parametrów wzrasta przekrój warstwy skrawanej a zatem rośnie siła posuwowa P i moment M. Jednakże wzrost głębokości skrawania przy tym samym posuwie powoduje większy wzrost momentu niż siły posuwowej, gdyż przy zmianie średnicy wiertła zmienia się również długość ramienia pary sił P_Z.

Długość poprzecznej krawędzi skrawającej wiąże się z geometrią narzędzia. Ujemny kąt natarcia oraz szybkości skrawania bliska zeru powodują gniecenie i skrobanie materiału przez ścin Jednakże długość ścina ma większy wpływ na wartość siły posuwowej P niż na moment skrawania M. Poprzez odpowiednie zaostrzenie wiertła, mające na celu skrócenie długości ścina można osiągnąć zmniejszenie siły posuwowej P o około 30 - 40%

Kąt wierzchołkowy 2χ, jako jeden z parametrów geometrycznych wiertła, wykazuje w granicach zalecanych wartości kąta, niewielki wpływ na wartość momentu i siły posuwowej i może być przy wyznaczaniu P i M pomijany. Należy jednak zaznaczyć, że przy zmniejszaniu kąta 2χ, siła posuwowa P maleje a moment skrawania M wzrasta.

Kąt pochylenia, linii śrubowej rowka wiórowego α₁ ściśle wiąże się z kątem natarcia γ Zatem wzrost kąta α₁ powoduje wzrost kąta γ i odwrotnie tzn. jeśli kąt α₁ maleje to maleje również kąt γ. Ponieważ wraz ze wzrostem kąta natarcia γ siły skrawania maleją, stąd można wnioskować, że wzrost kąta pochylenia linii śrubowej rowka wiórowego α₁ powoduje zmniejszenie siły posuwowej P i momentu skrawania M. Dla wierteł ze stali szybkotnącej wzrost kąta α₁ powyżej 30° nie powoduje prawie żadnego wpływu na wartość siły posuwowej P i momentu skrawania M, stąd też dla tych wierteł kąt α₁ przy wierceniu w stali i żeliwie wynosi najczęściej 25 - 30°. Oprócz wymienionych wyżej czynników, wpływ na wartość siły posuwowej P i moment skrawania M mają ciecze charakteryzujące się dobrymi własnościami smarującymi. Tak np. oleje mineralne aktywowane związkami siarki powodują zmniejszenie siły i momentu o 30 - 35%.

Wyprowadzone uprzednio wzory na siłę i moment skrawania nastręczają pewne trudności przy obliczaniu tych wielkości, ponieważ nie zawierają parametrów technologicznych jak posuw p i głębokość skrawania g.

W praktyce do obliczania sił posuwowych i momentów skrawania przy wierceniu pełnym, wierceniu wtórnym i rozwiercaniu służą wzory empiryczne:

• wiercenie w materiale pełnym

P = C_P · D^Zp · p^yp · K_O [N]

M = C_m · D^Zm · p^ym · K_m [Nm]

• wiercenie wtórne i rozwiercanie:

P = C_P · D^Zp · g^Xp · p^yp · K_O [N]

M = C_m · D^Zm · g^Xm · p^ym · K_m [Nm]

gdzie: K_O = K_ok · K_oh · K_om

K_m = K_mk · K_mh · K_mm

C_p, C_m - stałe zależne od warunków obróbki

D - średnica wietrła, rozwiertaka w mm

p - posuw w mm/obrót

z_p, y_p, z_m, y_m, x_p, x_m - wykładniki potęg zależne od warunków obróbki

g - głębokość skrawania w mm

K_ok, K_mk - współczynniki charakteryzujące wpływ kształtu części skrawającej

K_oh, K_mh - współczynniki uwzględniające wpływ stępienia wierteł

K_om, K_mm - współczynniki uwzględniające wpływ własności mechanicznych materiału obrabianego.

Pomiar momentów skrawania M i siły posuwowej przy wierceniu i rozwiercaniu dokonujemy dwuskładowym siłomierzem wiertarskim. Siłomierz (rys. 3) mocuje się do stołu wiertarki Moment skrawania i siła posuwowa powstające w procesie skrawania oddziaływają na element pomiarowy, którym jest rura cienkościenna z naklejonymi tensometrami.

B Wykonanie ćwiczenia

Po zamocowaniu próbki w uchwycie trójszczękowym przetwornika przystępujemy do badań prowadzonych w dwu kierunkach.

• zmieniając średnice wierteł (4; 6; 8 mm) przy stałej wartości posuwu p i możliwie stałej
  prędkości skrawania v

• zmieniając posuw p przy stałych D i v.

Wartości mierzonych wielkości uzyskamy mnożąc odpowiednie stałe przez zanotowane wartości.

Po sporządzeniu wykresów M = f(D), p = f(D), M = f(p), p = f(p) w skali podwójnie logarytmicznej należy określić stałe i wykładniki potęgowe we wzorach na moment i siłę skrawania W podobny sposób postępujemy w przypadku pomiaru momentów i sił przy wierceniu wtórnym i rozwiercaniu.

Literatura.

J. Dmochowski - Podstawy skrawania WPW Warszawa 1975 r.

J. Dmochowski, Zb. Czechowski - Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki skrawaniem i narzędzi skrawających WPW Warszawa 1973 r.

12

---