background image

Politechnika Białostocka 

 
 

WYDZIAŁ MECHANICZNY 

 
 
 

Instrukcja do zaj

ęć laboratoryjnych 

 
 
 
 
 
 

Temat ćwiczenia: 

Analiza wpływu parametrów skrawania na siłę 

i temperaturę skrawania 

 

 
 
 
 
 

Numer ćwiczenia:  

 
 
 

Laboratorium z przedmiotu:  Obróbka skrawaniem i narzędzia 

 

Zebrał i opracował:  B. Hościło 

 

 

 

 

 

 

 

 

Białystok 2011 

background image

 

1. Cel ćwiczenia.

 

1)  Celem  ćwiczenia  jest  praktyczne  zapoznanie  studentów  z  metodami  pomiaru  siły  skrawania 

oraz wpływem parametrów skrawania na wielkość siły skrawania przy toczeniu. 

2) 

Praktyczne  zapoznanie  ze  sposobami  pomiaru  temperatury  skrawania  oraz  z  wpływem 

parametrów obróbki na temperaturę skrawania.

 

2. Wiadomości podstawowe, siły działające podczas skrawania 

 

 

Rys. 1. Kształt i położenie warstwy skrawanej podczas toczenia 

 

Proces  skrawania  wymaga  użycia  siły  niezbędnej  do  odkształcenia  warstwy  skrawanej,  oddzielenia  jej 

od materiału  w  postaci  wióra,  odkształcenia  tego  wióra  oraz  pokonania  różnych  oporów  tarcia,  występujących 
głównie  między  narzędziem  a  obrabianym  materiałem.  Siła  ta,  zwana  siłą  skrawania,  zależnie  od  warunków 
pracy,  może  się  zmieniać  w  szerokich  granicach.  Działa  na  narzędzie  skrawające,  a  następnie  przenosi  się 
na elementy  obrabiarki.  Siła  skrawania  działa  również  na  obrabiany  przedmiot  i  może  powodować  jego 
uszkodzenie,  jeżeli  kierunek,  sposób  działania  i  wartość  przekraczają  wartość  dopuszczalną.  Wobec  tego 
powstaje konieczność zmierzenia wartości i rozpoznania sposobu oraz kierunku działania siły skrawania.  

 

Rys. 2. Składowe siły skrawania [7] 

 
 Kierunek  siły  skrawania  F  przyłożonej  do  krawędzi  skrawania  można  rozłożyć  na  trzy  wzajemnie  do  siebie 
prostopadle kierunki (rys. 2). 
Siła F

f

, działająca równolegle do kierunku posuwu, nazywa się składową posuwową siły skrawania. 

Siła F

p

działająca prostopadle do powierzchni obrabianej, nazywa się składową odporową siły skrawania. 

Siła  F

v

,  działająca  stycznie  do  powierzchni  skrawania,  nazywa  się  składową  obwodową  siły  skrawania. 

Jest to jednocześnie główna siła decydująca o zapotrzebowaniu przez obrabiarkę mocy niezbędnej do skrawania. 
Jej wartość  zależy  od  właściwości  materiału  obrabianego,  przekroju  warstwy  skrawanej,  jej  kształtu,  kształtu 
ostrza skrawającego oraz stanu narzędzi skrawających i własności cieczy chłodząco-smarujących.  
 
Wartość siły skrawania można ustalić z zależności geometrycznych. Jeżeli są znane elementy składowe, 
wówczas siła wypadkowa wynosi: 
 

 

 

(1) 

Doświadczalnie  stwierdzono,  że  wartość  siły  posuwowej  F

f

  dla  noży  o  kącie 

γ  =  15

°

  i 

κ  =  45

°

  wynosi 

od 20 ÷ 40% siły obwodowej F

v

Siła promieniowa F

p

 osiąga natomiast wartości 40 ÷ 60 % siły obwodowej F

v

.  

background image

 

Przyjmując wartości średnie sił F

f

 i F

p

 otrzymuje się zależność: 

 

 

(2) 

Wynika z tego, że wypadkowa siła skrawania jest co do wartości niewiele większa od siły obwodowej F

v

.  

Stosunek  obwodowej  siły  skrawania  do  pola  przekroju  poprzecznego  warstwy  skrawanej  nazywa  się  oporem 
właściwym skrawania k

s

.  

 

 

(3) 

Znając wartość tego oporu można wyznaczyć obwodową siłę skrawania: 

 

(4) 

 

 

(5) 

Jeżeli znane są składowe siły wypadkowej, to można ustalić zapotrzebowanie mocy skrawania, którą powinien 
dostarczyć silnik obrabiarki. W ogólnym przypadku moc skrawania N

skr

 będzie sumą mocy F

f

 . 

 

Ff

Fp

Fv

skr

N

N

N

N

+

+

=

 

(6) 

 

]

kW

[

60

v

F

N

v

v

Fv

=

 

(7) 

 

]

kW

[

60

v

F

N

p

p

Fp

=

 

(8) 

 

]

kW

[

60

v

F

N

f

f

Ff

=

 

(9) 

gdzie: F

v

, F

p

, F

 - składowe siły wypadkowej skrawania [kN], 

v

v

, v

p

, v

f

 – składowe prędkości [m/min.] 

Ponieważ przy toczeniu poosiowym v

p

 = 0, v

f

 a jest bardzo mała, można przyjąć, że moc skrawania wyniesie: 

 

]

kW

[

60

v

F

N

v

v

skr

=

 

(10) 

Moc  obrabiarki  powinna  być  większa  od  mocy  skrawania  ze  względu  na  sprawność  maszyny.  Część  mocy 
obrabiarki  zużywana  jest  na  pokonanie  oporów  wewnętrznych  w  mechanizmach  maszyny.  Po  uwzględnieniu 
sprawności urządzenia 

η moc obrabiarki powinna wynosić: 

 

]

kW

[

60

v

F

N

v

v

η

=

 

(11) 

gdzie: 

η - współczynnik sprawności obrabiarki 0,6 ÷ 0,9. 

Z  podanych  wzorów  wynika,  że  zapotrzebowanie  mocy  obrabiarki  zależy  od  obwodowej  siły  skrawania 
i od prędkości skrawania v

v

Jeżeli opory skrawania, zależnie od własności materiału oraz od przekroju warstwy 

skrawanej,  są  duże,  to  można  zmniejszyć  zapotrzebowanie  mocy  przez  zmniejszenie  prędkości  skrawania. 

background image

 

W przeciwnym  przypadku,  tzn.  gdy  opory  skrawania  nie  są  zbyt  duże,  można  w  celu  wykorzystania  mocy 
obrabiarki zwiększyć prędkość skrawania. Nadmierne jednak zwiększenie prędkości może powodować szybkie 
zniszczenie  narzędzia  wskutek przyspieszonego zużycia  w  wyniku  nagrzewania się ostrza. W celu  właściwego 
wykorzystania  obrabiarki  i  narzędzia  należy  dobrać  warunki  skrawania,  żeby  zapewnić  szybkie  wykonanie 
przedmiotu przy równoczesnym zachowaniu dobrych własności technologicznych narzędzia i obrabiarki.  

 

3. Aparatura pomiarowa

 

Pomiary  sił  skrawania  będą  wykonywane  na  tokarce  uniwersalnej  TUC-50  1500  wyposażonej  w  tylny  imak 
narzędziowy do zamocowania przygotowanego noża tokarskiego. Widok ogólny stanowiska przedstawia rys. 3. 
  

 

 

Rys. 3. Tokarka TUC 50 z zamontowanym dodatkowym imakiem narzędziowym do pomiarów sił skrawania. 

W imaku widoczny nóż tokarski NNZc (zdzierak wygięty prawy) z wymiennymi płytkami z węglików 

spiekanych. 

 

Do  pomiaru  sił  przy  toczeniu  wykorzystano  platformę  pomiarową  AMTI  MC6.  Układ  ten  wyposażony  jest 
w zespół  przetworników  o  wysokiej  sztywności,  dokładności  oraz  znikomym  wzajemnym  oddziaływaniu, 
zamknięty  w  olejoszczelnej  i  wodoszczelnej  obudowie.  Platforma  pomiarowa  umożliwia  pomiar  sześciu 
wielkości: sił osiowych Fx, Fy, Fz oraz momentów Mx, My i Mz. 

 

a) 

 

b) 

 

 

Rys. 4. Platforma pomiarowa AMTI MC6-6-4000 i wzmacniacz pomiarowy MiniAmp MSA-6 

 

Specyfikacja AMTI MC6-6-4000 (wymiary w calach, w nawiasach podano wymiary w mm) 

Fz 

Fx, Fy 

Mz 

Mx, My 

[N] 

[Nm] 

18 000 

9 000 

680 

1 360 

 

 

 

background image

 

Rys. 5. Układ osi i podstawowe wymiary platformy pomiarowej AMTI MC6-6-4000. 

 

Sygnały pomiarowe z platformy są wzmacniane przez układ wzmacniacza wielokanałowego MSA-6, a następnie 
przetwarzane przez program komputerowy AMTI NetForce 2.2. 

 
 

 

Rys. 6. Okno programu AMTI NetForce 2.2. 

 

 

 

Rys. 7. Okno wykresu wybranego kanału pomiarowego. 

 

 

 

Rys. 8. Ustawienia skali pionowej oraz koloru linii wykresu. 

background image

 

 

Wartości  istotne  dla  dalszej  analizy  to  siły  Fx,  Fy,  Fz,  kierunki  działania  sił  uwidoczniono  na  rys.  3. 
Jednocześnie  platforma  pomiarowa  rejestruje  wartości  momentów  względem  osi  x,  y,  z,  na  ich  podstawie 
możliwe jest określenie miejsca przyłożenia siły skrawania (położenie naroża ostrza skrawającego).  
 
Do  pomiarów  temperatury  skrawania  wykorzystano  uniwersalny  miernik  temperatury  oraz  termoparę  typu  K. 
Końcówkę termopary doprowadzono w pobliże głównej krawędzi skrawającej noża tokarskiego NNZc (zdzierak 
wygięty  prawy)  wykonując  w  tym  celu  otwór  w  trzonku  i  w  płytce  z  węglika  spiekanego  (od  wewnętrznej 
strony). Układ miernika i noża tokarskiego widoczny jest na rys. 9. 
 

 

 

Rys. 9. Urządzenie do pomiaru temperatury skrawania wraz z nożem tokarskim z wymiennymi płytkami 

4. Przebieg ćwiczenia 

1. Obliczyć prędkość skrawania dla danej średnicy toczenia: 

 

min]

/

m

[

1000

n

d

v

π

=

 

(12)

 

 

2. Ustawić technologiczne warunki badania. 
3. Przystąpić do uruchomienia sekwencji pomiarowej w programie NetForce: 
 

a)  Zerowanie  układu  pomiarowego  przeprowadza  się  na  nieobciążonej  platformie  pomiarowej  wybierając 

z menu górnego pozycję Startup > Hardware Zero

 
4. Uruchomić akwizycję danych w programie NetForce, następnie uruchomić tokarkę i toczyć próbkę. 

a)  Z  panelu  przycisków  sterowania  testem  uruchamiamy  Start  i  rozpoczynamy  pomiary  ładując  opcjonalnie 

protokół pomiarowy (dotyczy najczęściej pomiarów biomechanicznych). 

b)  Następnie uruchamiamy proces tarowania wybierając przycisk Tare
c)  Na tym  etapie  możliwe jest  wykorzystanie platformy jako  wagi, po  wyborze przycisku  Weigh  w obszarze 

informacji o realizowanym teście (opcja niewykorzystywana w czasie realizacji bieżącego ćwiczenia). 

d)  Jeśli wykresy mierzonych wielkości nie mieszczą się w oknie wykresu (rys. 7) lub zmiany wielkości są mało 

widoczne  należy  skorygować  skale  pionowe  dla  poszczególnych  kanałów  pomiarowych.  W  tym  celu 
wybieramy przycisk Setup (rys. 8), a następnie ustalamy Units / Jednostki jako N lub Nm oraz wpisujemy ile 
jednostek  (N  lub  Nm)  ma  przypadać  na  działkę  skali  pionowej  okna  wykresu  Units/Division  (rys.  8)  – 
zatwierdzamy przyciskiem OK

e)  Zatrzymanie akwizycji sygnałów pomiarowych następuje po wciśnięciu uaktywnionego w pp. b) przycisku 

Stop

 
Po zatrzymaniu akwizycji, zarejestrowany wykres może być dalej analizowany off-line, można określić wartości sił 
i momentów w określonych fazach wiercenia L1, L2, i L3. 

f) 

Prawym klawiszem myszy wskazać wykres do szczegółowej analizy klikając na nim, następnie przesuwając 
myszką  w  prawo  obserwować  wartości  wyświetlane  w  polu  informacji  o  wybranym  kanale  pomiarowym 
rys. 7,  wybrane pozycje należy zanotować jako  wartości  mierzone. Np. po  wyborze kanału  Fz 3 zapis Fz: 
1352 N @ t: 0.365 należy rozumieć jako siła pionowa Fz = 1352 N, czas od uruchomienia akwizycji danych 
t = 0.365 s.  

5. Opracowanie wyników 

a)  Uzyskane wyniki pomiarów wpisać do arkusza pomiarowego. 
b)  Wykreślić  wykresy  zależności  siły  skrawania  od  prędkości  skrawania,  siły  skrawania  od  prędkości 

posuwowej  i  siły  skrawania  od  głębokości  skrawania  oraz  analogiczne  wykresy  temperatury  w  funkcji 
parametrów obróbki. 

c)  Opracować wnioski oparte o wyniki badań i przebieg ćwiczenia. 

background image

 

 

6. Literatura 

1. Olszak W.: Obróbka skrawaniem, WNT, Warszawa 2009. 
2. Jemielniak K.: Obróbka skrawaniem, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998. 
3. Okoniewski S.: Technologia maszyn,  WSiP W-wa 1996r. 
4. Kornberger Z.: Technologia budowy maszyn technologia obróbki skrawaniem i montażu, WNT, 1969. 

 

7. Tabela parametrów obróbki oraz arkusz pomiarowy 

Obrabiarka

Narz

ędzie

Przedmiot obrabiany

materia

ł:

średnica [mm]

G

łębokość skrawania [mm]

0.5

Posuw [mm/obr.]

0.27

v

F

f

F

p

F

v

F

t

k

s

N

skr

Obroty wrzeciona [obr/min.]

m/min.

kN

kN

kN

kN

C deg

MPa

kW

224
355
450

G

łębokość skrawania [mm]

0.5

Obroty wrzeciona [obr/min.]

450

v

F

f

F

p

F

v

F

t

k

s

N

skr

Obroty wrzeciona [obr/min.]

m/min.

kN

kN

kN

kN

C deg

MPa

kW

0.08
0.20
0.27

Obroty wrzeciona [obr/min.]

450

Posuw [mm/obr.]

0.27

v

F

f

F

p

F

v

F

t

k

s

N

skr

G

łębokość skrawania [mm]

m/min.

kN

kN

kN

kN

C deg

MPa

kW

1.0

Opór 

właściwy

Moc

skrawnia

Moc

skrawnia

Temperatura

skrawania

Temperatura

skrawania

Temperatura

skrawania

Opór 

właściwy

Opór 

właściwy

Moc

skrawnia