OBRÓBKA

SKRAWANIEM

Ć

wiczenie nr

3

BADANIE WPŁYWU

GEOMETRII OSTRZA

I PARAMETRÓW SKRAWANIA

NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI

P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A

INSTYTUT TECHNIK WYTWARZANIA

ZAKŁAD AUTOMATYZACJI, OBRABIAREK

I OBRÓBKI SKRAWANIEM

- 2 -

1

PODSTAWY TEORETYCZNE

1.1

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ustalenie wpływu warunków skrawania na chropowatość powierzchni

obrobionej przy toczeniu.

1.2

Wiadomości wstępne

Podstawowym celem obróbki jest zapewnienie żądanej jakości wyrobu dotyczącej zarówno cech

geometrycznych, jak też własności użytkowych przedmiotu, a szczególnie jego warstwy

wierzchniej. Utworzona w procesie skrawania powierzchnia rzeczywista jest zbiorem nierówności

ukształtowanych w wyniku równoczesnego oddziaływania parametrów obróbczych z właściwością

obrabianego materiału. Wysokość tych nierówności zależy od:

•

kształtu i wielkości pola przekroju resztowego warstwy skrawanej,

•

własności materiału obrabianego,

•

geometrii ostrza,

•

parametrów skrawania,

•

warunków chłodzenia,

•

zużycia ostrza,

•

sztywności przedmiotu i obrabiarki,

•

drgań narzędzia i przedmiotu obrabianego.

Budowę powierzchni rzeczywistej określa struktura geometryczna powierzchni (SGP), która

obejmuje (rys. 1): chropowatość, falistość, wady powierzchni wraz z ich wzajemną relacją, oraz

błędy kształtu (wg. PN-89/M-04255). Analizując poszczególne składowe tych oddziaływań można

wyodrębnić ich skutki w postaci nierówności powierzchni rzeczywistej:

•

W wyniku kinematyczno-geometrycznego odwzorowanie wierzchołka narzędzia -

chropowatość powierzchni która stanowi zbiór nierówności, których wysokość może

wynosić od angstremów do milimetrów. (Według PN-87/M-04251 wartość liczbowa

parametrów R

m

i R

z

może wynosić od 0,025

µ

m do 1600

µ

m).

•

W wyniku cyklicznych zmian położenia przedmiotu i narzędzia (drgań swobodnych jak i

wymuszonych) - falistość, która charakteryzuje się odstępem znacznie większym niż

chropowatość, a mniejszym od długości odcinka pomiaru błędów kształtu.

- 3 -

•

Odkształcenia układu OUPN - błędy kształtu, które charakteryzują się tym, że ich

odstęp jest większy od odstępu falistości.

•

Uszkodzenia, wady materiałowe, korozja, zużycie - wady powierzchniowe (PN-87/M-

04250).

Chropowato

ść

Falisto

ść

Bł

ą

d kształtu (wupukło

ść

)

Powierzchnia teoretyczna (płaska)

T

O

L

E

R

A

N

C

J

A

W

Y

M

IA

R

U

rys. 1

Schematyczne przedstawienie różnych rodzajów nierówności powierzchni

1.3

Chropowatość powierzchni

1.3.1

Parametry opisujące wysokościowe cechy profilu

Najczęściej używany na świecie i uważany powszechnie za podstawowy parametr chropowatości

jest średnie arytmetyczne odchylenie profilu R

a

(rys. 2) na długości odcinka elementarnego,

określone wzorem:

dx

x

y

l

l

∫

=

0

a

)

(

1

R

Wykorzystując technikę cyfrową lub profilogram wartości R

a

wyznacza się wg. zależności:

∑

=

=

n

i

i

a

y

n

R

1

1

Wartość tego parametru nie jest wrażliwa na kierunek pomiaru w zakresie nieznacznie

odbiegającym od kąta prostego względem śladów obróbki. Wpływ długości odcinka pomiarowego

na wartość parametru R

a

jest nieznaczny. Interpretacja geometryczna tego parametru jest

prostokątem o wysokości równej R

a

i długości l (rys. 3). Parametr ten posiada ścisły związek ze

zużyciem ściernym i pośrednio jest związany z objętością materiału usuwanego w skutek tarcia lub

objętością smaru zawartego we wgłębieniach nierówności.

- 4 -

l

y = f (x)

y

1

y

i

m

y

n

y

x

rys. 2

Zasada wyznaczenia średniego arytmetycznego odchylenia R

a

profilu powierzchni od

linii średniej

a

R

R

a

rys. 3

Interpretacja geometryczna parametru R

a

Wysokość profilu chropowatości według 10 punktów R

z

jest średnią odległością między

pięcioma najwyższymi i pięcioma najniższymi punktami profilu występującymi na długości odcinka

elementarnego i jest obliczana z zależności (rys. 4):













+

=

∑

∑

=

=

5

1

5

1

5

1

i

i

vi

pi

z

R

R

R

l

R

p

1

R

p

5

R

v

3

p

4

R

v

1

R

v

2

R

R

v

4

v

5

R

R

p

3

p

2

R

rys. 4

Szkic profilu powierzchni do obliczenia parametru R

z

- 5 -

Maksymalna wysokość profilu chropowatości R

m

odpowiada odległości między najwyższym

wzniesieniem i najniższym wgłębieniem profilu mierzonej prostopadle do linii średniej (rys. 5). Z

uwagi na losowy charakter profilu chropowatości wartość parametru R

m

cechuje się dużym

rozrzutem i jest uzależniona od długości odcinka pomiarowego. Jest utożsamiana z grubością strefy

chropowatości która określa między innymi konieczny naddatek na dalszą obróbkę wykańczającą.

l

R

m

R

p

v

R

rys. 5

Szkic profilu powierzchni do obliczenia parametru R

m

Parametry R

a

i R

z

są istotnie różne i wzajemnie nieporównywalne. Jeżeli dwie próbki mają np.

tę samą wartość R

z

, nie znaczy to bynajmniej, że R

a

będzie również jednakowe w obu próbkach. Dla

powierzchni obrobionych typowymi, ustalonymi sposobami (np. przez frezowanie, toczenie itp.)

można znaleźć empiryczne zależności między R

z

a R

a

, np. dla toczenia

R

z

= 4,6 R

a

0,91

dla frezowania czołowego

R

z

= 3.32 R

a

1,1

Dla profilu o charakterze losowym można stosować następujące przybliżone zależności:

R

m

≈

6 R

a

R

z

≈

5 R

a

1.4

Odwzorowanie ostrza przy toczeniu i frezowaniu

Teoretyczną wysokością chropowatości R

zt

nazywamy wysokość pola przekroju resztowego,

wyznaczoną z geometrycznych warunków styku ostrza z materiałem obrabianym. Podczas toczenia

ostrzem zaokrąglonym o promieniu r

ε

nierówności powierzchni mogą być kształtowane tylko

krzywoliniową częścią krawędzi albo również prostoliniowymi odcinkami krawędzi w zależności

od wartości:

•

kąta przystawienia głównej i pomocniczej

χ

r

’

krawędzi skrawającej,

•

promienia naroża r

ε

,

•

posuwu narzędzia f.

- 6 -

Na rys. rys. 6 przedstawiono przypadek gdy profil nierówności jest odwzorowany tylko

krzywoliniową częścią ostrza zaokrąglonego promieniem r

ε

.

rys. 6

Szkic do wyznaczania teoretycznej wysokości chropowatości R

te

kształtowanej

zaokrągloną krawędzią ostrza

Przypadek przedstawiony na rysunku zachodzi gdy spełniona jest nierówność

ε

κ

r

f

r

2

arcsin

≥

Z zależności geometrycznych na rys. 6 możemy wyprowadzić następujące równanie:

4

2

2

f

r

r

AO

r

R

zt

−

−

=

−

=

ε

ε

ε

Po przekształceniu równania otrzymujemy:

4

2

2

2

2

2

f

r

r

r

R

R

zt

zt

−

=

+

−

ε

ε

ε

Pomijając wielkość

2

zt

R

jako wartość niższego rzędu otrzymujemy uproszczony wzór na

wysokość chropowatości:

ε

r

f

zt

R

8

2

=

Zatem widać, że aby uzyskać gładszą powierzchnię, można zastosować mniejszy posuw bądź

większy promień zaokrąglenia naroża.

- 7 -

Kolejny sposobem na poprawę chropowatości powierzchni jest zastosowanie płytki ze

specjalną geometrią naroża, zwaną Wiper. Naroże w płytce Wiper posiada zmodyfikowaną budowę

wykorzystując kombinację od 3 do 9 różnych promieni.

rys. 7 Budowa naroża w płytce Wiper [5]

Zwiększa to długość styku narzędzia z obrabianym przedmiotem i w pozytywny sposób

wpływa na wielkość posuwu lub jakość powierzchni.

rys. 8 Porównanie powierzchni uzyskanej w wyniku obróbki płytką tradycyjną i płytką Wiper

Praktyczne reguły dla płytek Wiper:

−

dwa razy większy posuw - takie samo wykończenie powierzchni co po płytce tradycyjnej

−

taki sam posuw – dwa razy lepsze wykończenie powierzchni niż po płytce tradycyjnej.

Podczas frezowania frezem walcowym otrzymana teoretyczna wysokość mikronierówności jest

określona wzorem:

(

)

2

2

5

.

0

z

zt

f

D

D

R

−

−

=

gdzie:

D

- średnica frezu,

f

Z

- posuw na ostrza.

W zależności od bicia promieniowego ostrzy freza oraz wartości posuwów, mogą występować

różne przypadki, w których teoretyczna wysokość chropowatości odbiega wartością od wartości

teoretycznej. Pozostałe przypadki odwzorowania ostrza podczas frezowania są zamieszczone w

literaturze [3,4].

płytka Wiper

płytka tradycyjna

- 8 -

1.5

Rzeczywista chropowatość przy toczeniu

Chropowatość rzeczywista powierzchni obrobionej (określona parametrami R

a

, R

z

) różni się

zwykle od chropowatości teoretycznej R

zt

wyznaczonej z geometrycznych warunków styku ostrza z

materiałem obrabianym. W większości przypadków chropowatość rzeczywista jest większa od

teoretycznej. O różnicy decydują przede wszystkim:

•

zmiany kształtu czynnej krawędzi skrawającej ostrza, wynikające z pojawienia się

narostu, wykruszenia i zużycia ostrza (rys. 9),

•

tarcie materiału obrabianego o ostrza powodujące szczepienia adhezyjne i

mikropęknięcia powierzchni obrobionej,

•

tarcie wiórów o powierzchnię obrobioną powodujące jej rysowanie,

•

odkształcenie sprężyste i plastyczne warstwy wierzchniej przedmiotu obrabianego,

•

drgania elementów układu OUPN.

R

z

µ

[ m]

[mm]

VB

B

rys. 9

Wpływ zużycia ostrza VB

B

na chropowatość powierzchni obrobionej R

z

O ile wartość teoretyczną wysokości mikronierówności można oszacować obliczeniowo o tyle

wartości mikronierówności wynikające z wpływu pozostałych czynników (losowych) można

wyznaczyć tylko doświadczalnie. Próbowano też określić wzory opisujące wpływ warunków

skrawania na chropowatość powierzchni, np. wzór Lewenta [10]:

25

.

0

35

.

0

5

.

0

25

.

0

1

25

.

0

25

.

0

7

.

0

78

o

o

p

z

r

a

f

R

α

γ

χ

χ

ε

=

Ponieważ zależności te są słuszne tylko dla określonych metod obróbki, określonych

materiałów skrawany i dla pewnych (ograniczonych) zakresów parametrów skrawania dlatego też

nie znalazły powszechnego praktycznego zastosowania. Największy wpływ na składowe losowe

mikronierówności ma przekrój warstwy skrawanej, własności plastyczne obrabianego materiału,

powinowactwo materiału ostrza i materiału obrabianego oraz drgania układu OUPN. Poniżej

- 9 -

przedstawiono wpływ warunków obróbki na parametry R

a

, R

z

, R

m

warstwy wierzchniej wyrobów ze

stali konstrukcyjnej. I tak: warunki których zwiększenie wartości spowoduje zwiększenie wartości

parametrów R

a

, R

z

, R

m

:

•

posuw f (dla f

≥

0.1 mm/obr) (rys. 10)

•

kąty przystawienia

χ

r,

χ

r

',

•

wyszczerbienia krawędzi skrawającej,

•

zużycie na powierzchni przyłożenia (rys. 9)

•

prędkość skrawania vc (dla vc

<

40 m/min),

•

głębokość skrawania ap,

•

kąt natarcia

γ

o,

•

promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej rn,

•

nierównomierna twardości materiału obrabianego,

•

wysokość chropowatości powierzchni przed obróbką,

•

siły tarcia.

warunki których zwiększenie wartości spowoduje zmniejszenie wartości parametrów R

a

, R

z

,

R

m

:

•

stosowanie cieczy chłodząco - smarującej,

•

prędkość skrawania vc (dla vc

≥

40 m/min) (rys. 11),

•

promień zaokrąglenia naroża r

ε

(rys. 12),

•

granice sprężystości materiału obrabianego,

•

sztywność układu OUPN.

R

z

µ

[ m]

[mm/obr]

f

v

1

v

2

R

te

v

1

v

1

>

r

ε

= const

rys. 10

Wpływ posuwu f na chropowatość powierzchni obrobionej R

z

- 10 -

Ż

eliwo

Stal

R

z

v

c

µ

[ m]

[m/min]

rys. 11

Wpływ prędkości skrawania V

C

na chropowatość powierzchni obrobionej R

z

R

z

µ

[ m]

[mm]

v

1

v

2

R

te

v

1

v

1

>

f = const

r

ε

rys. 12

Wpływ promienia zaokrąglenia r

εεεε

na chropowatość powierzchni obrobionej R

z

- 11 -

1.6

Klasy chropowatości

Polska Norma 73/M-04251 wyróżnia 14 klas chropowatości. Każdej z nich odpowiada zakres

chropowatości R

a

lub R

z

.

Klasa chropowatości Ra

Rz

Rodzaj obróbki

1

80

320

zgrubna obróbka skrawaniem

2

40

160

zgrubna obróbka skrawaniem

3

20

80

dokładna obróbka skrawaniem

4

10

40

dokładna obróbka skrawaniem

5

5

20

wykańczające obróbka skrawaniem

6

2.5

10

wykańczające obróbka skrawaniem

7

1.25

6.3

szlifowanie zgrubne

8

0.63

3.2

szlifowanie zgrubne

9

0.32

1.6

szlifowanie wykańczające

10

0.16

0.8

docieranie

11

0.08

0.4

docieranie pastą diamentową

12

0.04

0.2

gładzenie

13

0.02

0.1

polerowanie

14

0.01

0.05

polerowanie

2

METODY POMIARU CHROPOWATOŚCI

Istnieje wiele metod pomiaru chropowatości powierzchni. Możemy wyróżnić metody liniowe,

które umożliwiają pomiar profilu oraz metody powierzchniowe, które umożliwiają pomiar

chropowatości powierzchni. W pierwszej grupie metod możemy wyróżnić metody profilometryczne

(stylusowe, czujnika optycznego) i przekroju świetlnego, natomiast w drugiej do najbardziej

znanych należą metody pojemnościowe, interferometrii holograficznej i pneumatyczna. Tu zostaną

zasygnalizowane te metody z grupy metod liniowych z którymi studenci zapoznali się na zajęciach z

metrologii technicznej i będą je stosowali w podczas wykonywania ćwiczenia.

- 12 -

2.1.1

Mikroskopu podwójny Schmaltza firmy Carl Zaiss Jena

Metoda pomiaru na której opiera się działanie mikroskopu polega na oświetleniu mierzonej

powierzchni pod kątem 45

0

przez wąską szczelinę. Płaska wiązka świetlna podając na powierzchnię

jest zdeformowana przez nierówności tej powierzchni (deformację te mają charakter zbliżony do

profilu powierzchni), a odbitą pod kątem 45

0

możemy obserwować w mikroskopie obserwacyjnym

(rys. 13).

R

45°

45°

R'

ś

wiatło

oko

a)

b)

rys. 13

Zasada pomiaru metodą przekroju wiązką świetlną: a) bieg promieni, b) przekrój

powierzchni wiązką świetlną

Ogólny widok mikroskopu Schmaltza przedstawiono na rys. 14 a). Widok obrazu odbitej wiązki

ś

wiatła w mikroskopie obserwacyjnym wraz z skalą i linią pomiarową przedstawiono na rys. 14 b).

Widoczne są dwie skale: prostokątna z podziałem na dziesięć części oraz wypukłą z podziałem

na sto części. Pomiar wysokości chropowatości polega na ustawieniu linii poziomej stycznie do

wierzchołków profilu, odczytaniu wskazań i wykonaniu analogicznych pomiarów dla wgłębień

profilu. Pomiar wysokości nierówności sprowadza się do pomiaru pozornej wysokości nierówności

R

’

oraz przeliczeniu jej na rzeczywistą wysokość R wg. wzoru:

R= R’

•

α

gdzie:

R

’

- pozorna wysokość nierówności,

α

- współczynnik przeliczeniowy uwzględniający powiększenie obiektywu oraz kąty

oświetlenia i obserwacji.

Mikroskop jest wyposażony w komplet czterech wymiennych obiektywów o powiększeniach:

7x, 14x, 30x, 60x dobieranych w zależności od spodziewanej wielkości chropowatości.

Współczynnik przeliczeniowy

α

wynosi odpowiednio dla kolejnych powiększeń: 7x - 1.79; 14x -

- 13 -

0.89; 30x - 0.41; 60x - 0.21. W zależności od stosowanego powiększenia wartość działki

elementarnej wynosi odpowiednio: 1.79, 0.89, 0.41 lub 0.21

µ

m.

rys. 14 a)

Mikroskop podwójny Schmaltza: 1- głowica odczytowa z odczytem wewnętrznym, 2-

lampa mikroskopu, 3-wymienny blok obiektywów, 4-stolik krzyżowy z pryzmą, 5- śruba

mocująca stolik do podstawy, 6- pokrętło do zmiany położenia szczeliny świetlnej, 7- pierścień

do ustawienia ogniskowej, 8- pokrętło obrotu skali w okularze mierniczym, 9- blokada

przesuwu głowicy mierniczej, 10- pokrętło przesuwu głowicy mierniczej, 11-dźwignia

wymiany bloku obiektywów, 12- dźwignia zmiany szerokości szczeliny świetlnej, 13- zasilacz,

b) Pole widzenia w okularze podwójnego mikroskopu Schmaltza

Za pomocą mikroskopu możemy dokonać pomiaru parametru R

z

lub R

m

profilu w zakresie 1

÷

63

µ

m z błędem 7

÷

20

%

w zależności od stosowanego powiększenia mierzonego wskaźnika.

Pomiary tą metodą są czasochłonne i coraz rzadziej stosowane.

2.1.2

Ocena chropowatości za pomocą porównawczych wzorców chropowatości

Wzorce chropowatości służą do bezpośredniej wzrokowej i dotykowej oceny porównawczej

chropowatości wyrobów w procesie obróbki. Najczęściej stosowane są standardowe (wymiary i

wymagania określa PN-87/M-04254) wzorce chropowatości wykonane ze stali lub żeliwa w

kompletach składających się z powierzchni płaskich, wklęsłych i wypukłych. Komplet składa się 32

sztuk wzorców reprezentujących powierzchnię toczone, frezowane, strugane i szlifowane. W Polsce

porównawcze wzorce chropowatości produkuje Instytut Obróbki Skrawaniem w Krakowie. Wartość

parametrów chropowatości odpowiada głównemu szeregowi R

a

(np. dla toczenia od 0.4

µ

m do 12.5

µ

m). Dopuszczalne odchyłki wartości średniej powinny wynosić +10

%

, -17

%

, a zmienność tej

wartości na całej powierzchni wzorca nie powinna przekraczać 4

÷

12

%

wartości średniej. Na

- 14 -

wzorcach poza wartością parametru R

a

podaje się również wartości S

m

(średni odstęp

chropowatości), R

m

, R

p

(wysokość wzniesień profilu). Do oceny chropowatości za pomocą wzorców

porównawczych stosuje się komparator optyczny. Komparator optyczny umożliwia jednoczesną

obserwację i porównanie w polu widzenia okularu przyrządu powierzchni wzorca i przedmiotu

sprawdzanego. Użycie komparatora optycznego zapewnia obserwację powierzchni w powiększeniu

od 40x do 100x.

2.1.3

Profilometr Hommel Tester T1000

Profilometr Hommel Tester T1000 (rys. 15) można zaliczyć do grupy profilometrów

warsztatowych przeznaczonych dla pracowników kontroli technicznej pracujących na wydziałach

produkcyjnych. Pozwala on na określenie trzech znormalizowanych parametrów chropowatości: R

a

,

R

z

, R

m

oraz wykonanie profilogramów powierzchni dla trzech wartości odcinka pomiarowego L (w

profilometrze oznaczy jako L

t

). W celu wyeliminowania wpływu innych cech SGP poza

chropowatością w profilometrze zastosowano dwa rodzaje filtrowania:

•

mechaniczny oparty na oddziaływaniu zaokrąglenia wierzchołka igły i ślizgacza,

•

elektryczny (zwany "cut-off") eliminujący falistość o minimalnej długości równej 1/6

odcinka pomiarowego.

Przyrząd pozwala na pomiar chropowatości zarówno otworów (

∅

o

≥

10 mm) jak i wałków (

∅

w

≥

10 mm). Może być zasilany z sieci lub akumulatora. Współpracująca drukarka Hommel Sprinter

P1010 pozwala na alfanumeryczne przedstawienie wyników pomiaru oraz warunków pomiaru

dodatkowo umożliwia rejestrację profilu chropowatości.

rys. 15

Profilometr Hommel Tester T1000

- 15 -

3

PYTANIA KONTROLNE

1) Rodzaje nierówności powierzchni

2) Podstawowe parametry chropowatości

3) Teoretyczna wysokość nierówności Rz

4) Technologia wiper

5) Warunki skrawania wpływające na poprawę chropowatości

6) Wpływ promienia naroża/posuwu/prędkości skrawania/zużycia ostrza na chropowatość

4

LITERATURA

[1] Jemielniak K. Obróbka skrawaniem OWPW

[2] Dmochowski J Podstawy obróbki skrawaniem PWN, 1978

[3] Dmochowski J.: Podstawy skrawania. Warszawa. PWN 1978.

[4] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. Warszawa, WNT 1970.

[5] Sandvik Coromant Poradnik obróbki skrawaniem