Ćwiczenie 5: Badanie i analiza siły posuwowej i momentu skrawania przy wierceniu
Do obróbki otworów korzysta się z wiercenia (wiertłami krętymi), powiercenia
(wiertłami o większej średnicy), rozwiercania (za pomocą rozwiertaków, otwory
dokładne o małej chropowatości powierzchni) i pogłębiania (przy pomocy
pogłębiaczy). Na wiertarkach wykonuje się również gwintowanie.
1. Budowa wiertła krętego.
Wiertła kręte ze względu na sposób pracy zaliczane są do narzędzi punktowych
wieloostrzowych. Ze względu na sposób mocowania należą do narzędzi
trzpieniowych, składających się z części roboczej i chwytowej. Część robocza składa
się z dwóch śrubowo ułożonych zwojów zakończonych w przedniej części ostrzami.
Część chwytowa ma najczęściej kształt walcowy lub stożkowy. Wiertła kręte
wykorzystuje się najczęściej do wiercenia otworów „na gotowo”, do obróbki
wykańczającej lub pod gwint.
Wiertła mogą być jedno- i wieloostrzowe. Ze względu na konstrukcję dzieli się je na
kręte, piórkowe, do głębokich otworów i różne. Wiertła piórkowe są zaliczane do
narzędzi specjalnych, głownie stosuje się je do wykonywania otworów walcowych o
niewielkiej głębokości i o małych średnicach, powierzchni obrotowych, ścięć
wewnętrznych, pogłębień – zabiegów wstępnych przed wykonaniem nakiełków.
Wiertła do głębokich otworów – do obróbki otworów o głębokości do 10d; należą do
nich: wiertła kręte do głębokich otworów, wiertła działowe, wiertła lufowe (nawet
powyżej 100d), wiertło rurowe (z zamontowanymi płytkami). Do wierteł różnych
zalicza się wiertła do otworów kształtowych: nawiertaki, wiertła stożkowe, wiertła
składane, do kanałków, stopniowe, do otworów wielokątnych.
2. Metody pomiaru sił skrawania.
Do pomiaru sił skrawania stosuje się następujące metody:
a) bezpośrednie – zrównoważenie sił ciężarem
b) pośrednie: pomiary : momentu skrawania, mocy skrawania, odkształceń
plastycznych, odkształceń sprężystych.
Metody te realizuje się za pomocą czujników, które dzielą się na parametryczne i
generacyjne, które mają odmiany elektryczne i nieelektryczne.
Czujniki parametryczne przekształcają zmiany mierzonej wielkości na zmiany
parametrów łatwych do pomiaru. W skład tej grupy czujników wchodzą :
pneumatyczne, tensometryczne, indukcyjne, magnetosprężyste i fotoelektryczne
czujniki.
Czujniki generacyjne wytwarzają podczas pomiaru zmiany wielkości energię
elektryczną lub mechaniczną. Należą do nich czujniki: mechaniczne, hydrauliczne,
piezoelektryczne, elektrodynamiczne, elektromagnetyczne, termoelektryczne.
3. Cel i sposób wzorcowania siłomierzy.
Siłomierz wiertarski służy do pomiaru siły osiowej F
f
oraz momentu obrotowego
(skręcającego) M. Siłomierz posiada dwa niezależne układy pomiarowe (siły i
momentu).
Przetwornikiem momentu jest belka z naklejonymi dwoma tensometrami, jednym
końcem zamocowana we wrzecionie siłomierza, drugim podparta przesuwnie w
korpusie. Przetwornikiem siły jest tulejka z naklejonymi czterema tensometrami,
osadzona sztywno w korpusie. Zasada budowy:
Wzorcowanie siłomierza wiertarskiego polega na statycznym
obciążaniu znaną siłą i momentem w kierunku działania
składowych F
f
i F
v
siły skrawania.
Schemat układu do wzorcowania siłą osiową :
Na siłomierzu 1 ustawionym na stole wiertarki umieszcza się
dynamometr (sprężynę wzorcową) 2 no znanej charakterystyce
siła – ugięcie. Wywierając nacisk na sprężynę, na czujniku
zegarowym 3 odczytujemy wartość ugięcia, co pozwala nam określić wartość
przyłożonej siły z jednoczesnym odczytem z miernika wbudowanego w mostek
tensometryczny. Wzorcowanie przeprowadza się kilkakrotnie przy obciążaniu i
odciążaniu układu w zakresie od F
f
=0 do F
f
= F
fmax
. Na podstawie średnich wartości
wskazań mostka tworzy się charakterystykę statyczną siłomierza.
Schemat układu do wzorcowania momentem skręcającym:
W uchwycie siłomierza 1 mocuje się dźwignię 2 o znanej charakterystyce M=f(f
M
).
Przykładając siłę F do końca dźwigni działamy na siłomierz momentem powodując
ugięcie dźwigni o wartość f
M
odczytaną z czujnika zegarowego 3. Na podstawie
charakterystyki M=f(f
M
) i wskazań mostka należy wykonać wykres wzorcowania.
4. Rozkład składowych siły całkowitej podczas wiercenia wiertłem krętym.
l – długość wiertła
Stan obciążenia wiertła zależy w znacznym stopniu od symetrii jego ostrzy
skrawających względem osi obrotu, co jest związane z techniką ostrzenia wiertła. Przy
równej długości obu krawędzi skrawających składowe F
p
redukują się. Przy różnych
długościach krawędzi skrawających powstaje siła wypadkowa prostopadła do osi
wiertła, która zgina je. Najczęściej siła ta jest przyczyną nieprostopadłości osi otworu
do płaszczyzny bazowej, co utrudnia dalsze etapy obórki, np. rozwiercanie. Siła
osiowa F
o
jest źródłem wyboczenia wiertła. Aby zwiększyć odporność wiertła na
złożony stan obciążeń (zginanie, skręcenie lub wyboczenie) rdzeń wiertła
kształtowany jest jako belka o stałej wytrzymałości.
Na wypadkową siłę osiową F
o
składają się następujące składowe: siła F
s
od ścina,
składowe siły skrawania F
f
, składowe sił tarcia łysinek w kierunku osiowym F
To
.
Moment skrawania Mc jest niezbędny do pokonania składowych momentów
powstających na ostrzu w procesie wiercenia. Największe składowe momentu
pochodzą od siły obwodowej F
c
na ramieniu równym połowie średnicy d oraz siły
tarcia łysinek F
T
na ramieniu d.
Dla wiercenia stali 45 wiertłem ze stali SW18 przyjmuje się wzory na siłę osiową i
moment skrawania: F
o
= 887,5*d*f^0,8 i Mc = 0,338*d^2*f^0,8, które są prawdziwe
dla f = 0,06 do 0,8 mm/obr i d = 2,5 do 32mm.
4. Wpływ parametrów skrawania i geometrii ostrza na składowe siły całkowitej.
Parametry skrawania:
Podczas zwiększania głębokości skrawania wartości składowych rosną liniowo,
ponieważ przy stałym oporze siły są proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego
warstwy skrawanej. Wzrost głębokości = wzrost długości czynnej krawędzi
skrawającej = wzrost tarcia zew. i wew. = wzrost sił skrawania.
zmiana wartości składowych przy zmiennym posuwie zależy od stosunku f/a
p
stąd ich
wzrost jest nieliniowy.
Wzrost prędkości skrawania powoduje wzrost temperatury i prędkości odkształceń, co
prowadzi do adhezji i powstania narostu – punkty ekstremum na wykresie. Po zaniku
narostu następuje wzrost sił skrawania spowodowany zwiększeniem się tarcia
zewnętrznego, po przekroczeniu pewnej prędkości opór maleje pod wpływem wzrostu
temp., po przekroczeniu wartości krytycznej opór jest stały.
zmiana geometrii ostrza -
Kąt natarcia ma wpływ na zmiany odkształceń plastycznych, temperatury, oporu,
rozkładów nacisku na pow. Natarcia i przyłożenia, stanu napięcia w warstwie
skrawanej. Zmniejszanie kąta natarcia powoduje
wzrost wartości składowych sił.
Zmiana kąta pochylenia krawędzi powoduje
zmianę kierunku działania i wzrost siły posuwowej
i bardziej wyraźny wzrost siły odporowej.
Wzrost głównego kąta przystawienia powoduje
zwiększenie siły posuwowej i spadek oporowej do
zera. Wpływ zmian kąta przyłożenia jest
pomijany.
Wpływ zmiany promienia zaokrąglenia naroża r :
zużycie ostrza – wpływ zużycia ostrza zależy przede wszystkim od
rodzaju materiału obrabianego. Przy toczeniu żeliwa powierzchnia
przyłożenia zużywa się bez równoczesnego zużycia powierzchni
natarcia, podczas gdy w toczeniu stali i staliw zużywają się obie
powierzchnie równocześnie.