5.8. Zużycie i trwałość ostrza

L 34 -5.8.1. Przebieg zużywania się ostrzy

Narzędzie zużywa się na powierzchni natarcia i przyłożenia, przy czym w pewnych przypadkach zużycie jest większe na powierzchni natarcia, a w innych - na powierzchni przyłożenia. Zużycie na powierzchni natarcia powstaje na skutek tarcia o tę powierzchnię spływającego wióra, który żłobi na niej rowek (rys. 5-50a). O stopniu zużycia ostrza świadczy głębokość tego wyżłobienia KT lub jego szerokość KB. Zużycie na powierzchni przyłożenia powstaje w wyniku tarcia o powierzchnię obrobioną. Stopień tego zużycia charakteryzuje szerokość VB startej powierzchni przyłożenia (rys. 5-50b, c).

Intensywność tępienia się ostrza jest różna w różnych okresach jego pracy. W początkowym etapie pracy ostrza obserwuje się szybkie jego zużycie (rys. 5-51 — odcinek AB). Jest to okres wstępny, w którym ścierają się nierówności pozostałe po szlifowaniu i dogładzaniu. Po nim następuje okres normalnego zużywania się ostrza, kiedy jego zużycie wzrasta wolno (odcinek BC). Po okresie normalnego zużycia następuje okres, w którym ostrze zużywa się bardzo szybko. Gdy zużycie osiągnie stopień odpowiadający punktowi C, wówczas należy pracę bezwzględnie przerwać.

Od stopnia zużycia ostrza zależy grubość warstwy, którą należy zeszlifować, aby usunąć ślady zużycia. Nie można dopuścić do zbyt dużego zużycia ostrza, gdyż skraca to okres jego użytkowania. Bardzo istotne jest więc uchwycenie momentu, kiedy zużycie ostrza osiągnęło już taki stopień, że nóż powinien być zdjęty w celu naostrzenia.

Zwiększonej intensywności zużycia ostrza towarzyszy wzrost temperatury skrawania, co sygnalizuje zmieniająca się barwa nalotowa wióra.

L35 - 5.8.2 Czynniki wpływające na zużycie ostrza

Na zużycie ostrza największy wpływ wywierają:

• rodzaj materiału, z którego jest wykonane ostrze narzędzia,

• rodzaj materiału obrabianego,

• parametry skrawania,

• geometria ostrza,

• ciecze smarująco-chłodzące.

Rozpatrzmy kolejno wymienione czynniki.

Rodzaj materiału ostrza narzędzia. Szybkość zużywania się ostrza zależy od własności materiału, z którego zostało ono wykonane, a przede wszystkim od twardości i odporności na ścieranie. Jednakże te ostatnie cechy nie charakteryzują w pełni własności skrawnych ostrza, gdyż ostrza o tej samej początkowej twardości są niejednakowo odporne na wpływ ciepła wydzielającego się podczas skrawania. Najważniejszą więc cechą charakteryzującą własności skrawające ostrza jest odporność na wysoką temperaturę, zależną od materiału, z którego wykonano ostrze narzędzia. Stopień odporności na działanie wysokiej temperatury nawet tych samych materiałów narzędziowych jest różny i zależy od struktury, jaką materiał otrzymał na skutek obróbki cieplnej. Im bardziej odporny na wysoką temperaturę jest materiał narzędzia, im większa jest jego twardość oraz odporność na ścieranie, tym wolniej tępi się narzędzie.

Rodzaj materiału obrabianego. W obróbce materiałów ciągliwych, w wa­runkach sprzyjających powstawaniu wióra wstęgowego, pod działaniem nacisku wióra na powierzchni natarcia powstaje łukowe wyżłobienie (rys. 5-50b). Jednocześnie zużycie występuje na powierzchni przyłożenia. Pogłębiające się stopniowo wyżłobienie na powierzchni natarcia zbliża się do krawędzi skrawa­jącej. która również zbliża się do niego na skutek ścierania się od strony powierzchni przyłożenia. Powoduje to zmniejszenie się wytrzymałości krawędzi skrawającej i drobne jej wykruszenia. Jednocześnie zwiększa się praca tarcia wióra o chropowatą powierzchnię natarcia i chropowatej powierzchni przyłożenia o powierzchnię obrabianą, co jest powodem zwiększonego wy­dzielania się ciepła i dalszego wzrostu temperatury.

Wzrost temperatury powoduje dalsze zmniejszenie twardości i pogorszenie własności wytrzymałościowych ostrza narzędzia, co w końcowym efekcie prowadzi do „spalenia ostrza" w nożach ze stali szybkotnącej lub wykruszenia w nożach z nakładkami z węglików spiekanych.

W obróbce materiałów kruchych, w warunkach powstawania wióra od­pryskowego, zużycie noża występuje na powierzchni przyłożenia, natomiast prawie go nie ma na powierzchni natarcia, ponieważ wiór o nią nie trze (rys. 5-50c). Kiedy szerokość paska startego na powierzchni przyłożenia dojdzie do 3 ÷ 4 mm, nóż tak mocno się nagrzewa, że następuje spalenie ostrza.

Parametry skrawania. Ze wzrostem przekroju poprzecznego warstwy skrawanej wzrastają siły skrawania, zwiększa się więc ilość wydzielanego ciepła i podnosi się temperatura skrawania — trwałość ostrza narzędzia w tych warunkach zmniejsza się. Aby nie dopuścić do zmniejszenia trwałości ostrza, trzeba wraz ze zwiększeniem przekroju poprzecznego warstwy skrawanej odpowiednio zmniejszyć prędkość skrawania. Należy jednak pamiętać, że prędkość skrawania nie zmienia się proporcjonalnie do zmiany przekroju warstwy skrawanej. Jeżeli np. zwiększymy dwukrotnie powierzchnię przekroju warstwy skrawanej, to dla zachowania trwałości ostrza wystarczy zmniejszyć prędkość skrawania 20 ÷ 30%. Tłumaczy się to tym, że temperatura skrawania rośnie znacznie szybciej przy zwiększaniu prędkości skrawania niż przy zwięk­szaniu przekroju poprzecznego warstwy skrawanej.

Wpływ kształtu przekroju warstwy skrawanej, tzn. stosunku głębokości skrawania do posuwu, na dopuszczalną prędkość skrawania jest spowodowany związkiem, jaki istnieje między tymi czynnikami a temperaturą skrawania. Przy takim samym polu przekroju jego szerokość ma mniejszy wpływ na trwałość narzędzia niż grubość.

Geometria ostrza. Zwiększanie kąta natarcia γ oraz kąta przyłożenia α powoduje zmniejszenie oporu warstwy skrawanej, co przyczynia się do zmniejszenia intensywności wydzielania się w strefie skrawania ciepła i zmniejszenia pracy tarcia. Zwiększanie kątów γ i α powoduje zmniejszanie objętości ostrza, a tym samym pogarsza warunki odprowadzania ciepła.

Wraz ze zmniejszeniem się kąta przystawienia κ_r, przy nie zmienionym polu przekroju poprzecznego warstwy skrawanej, zwiększa się szerokość tej warstwy, a zmniejsza grubość, co powoduje lepsze odprowadzenie ciepła i w następstwie zwiększenie trwałości narzędzia. Dlatego zmniejszenie kąta przystawienia umożliwia zwiększenie prędkości skrawania dopuszczalnej ze względu na trwałość narzędzia.

W razie zmniejszenia kąta przystawienia poniżej 30° gwałtownie wzrasta odporowa siła skrawania F_p odpychając nóż i zginając przedmiot obrabiany, co uniemożliwia stosowanie tak małych kątów przystawienia.

Pomocniczy kąt przystawienia κ'_r wywiera analogiczny wpływ na dopuszczalną prędkość skrawania jak kąt κ_r, tzn. wraz ze zmniejszeniem tego kąta można zwiększyć prędkość skrawania.

Badania wykazały, że w przypadku zwiększenia promienia zaokrąglenia wierzchołka r_ε można również zwiększyć prędkość skrawania. Zwiększenie promienia, podobnie jak zmniejszenie kąta przystawienia, powoduje zwięk­szenie siły odporowej F_p .

Ciecze smarująco-chłodzące mają dodatni wpływ na trwałość narzędzia. Obniżają one temperaturę skrawania i tym samym zwiększają trwałość ostrza.

5.8.3. Kryteria stępienia ostrza

W przypadku obróbki wykańczającej za kryteria dopuszczalnego stępienia się ostrza przyjmujemy: dokładność wykonania i dopuszczalną chropowatość obrobionej powierzchni.

W przypadku obróbki zgrubnej cechy te mają mniejsze znaczenie. Nie można jednak dopuścić do tak dużego zużycia (spalenia lub wykruszenia) ostrza, żeby to powodowało konieczność usunięcia przez przeszlifowanie nadmiernie grubej warstwy materiału, co pociąga za sobą konieczność skrócenia okresu użytkowania narzędzia. W obróbce zgrubnej nie można więc czekać, aż wystąpią oznaki gwałtownego wzrostu zużycia, lecz należy nóż wymienić wcześniej. A zatem muszą istnieć pewne kryteria, na których podstawie można stwierdzić, że narzędzie nie powinno dłużej pracować.

Najłatwiej dostępne dla obserwacji i pomiarów jest średnie zużycie na powierzchni przyłożenia i dlatego stopień zużycia narzędzia określa się na podstawie wartości VB_B. W tablicy 5-4 podano dopuszczalne wartości VB noży ze stali szybkotnącej, a w tablicy 5-5 — noży z płytkami z węglików spiekanych.

Stopień zużycia noży wywiera wpływ na wartość siły skrawania, toteż we wzorach do obliczania sił skrawania uwzględnia się stopień zużycia przez wprowadzenie współczynników K_hc; K_hp K_hf (wzory 5-46 do 5-51). Wartości tych współczynników podano w tabl. 5-3, natomiast podstawowe formy zużycia ostrzy wg PN-ISO 3685:1995 podano na rys. 5-50d.

5.8.4. Zależność między prędkością skrawania i trwałością ostrza

Okres aktywnej pracy naostrzonego narzędzia od chwili rozpoczęcia skrawania do chwili stępienia, czyli do chwili, w której według zastosowanego kryterium narzędzie staje się nieużyteczne do dalszej pracy bez ponownego naostrzenia, nazywamy trwałością ostrza narzędzia.

Rys. 5-52. Zależność między prędkością skrawania a trwałością ostrza

Jeżeli w danych warunkach obróbki zmieniamy prędkość skrawania, zachowując nie zmienione pozostałe parametry, to okaże się, że każdej z przyjętych prędkości skrawania będzie odpowiadała określona trwałość ostrza. Rysunek 5-52 przedstawia zależność między prędkością skrawania a trwałością ostrza narzędzia. W logarytmicznym układzie współrzędnych zależność tę przedstawia linia prosta.

Na podstawie badań wyprowadzono następującą zależność między trwałością ostrza a prędkością skrawania

min (5-55)

vT

w której: T — trwałość ostrza w min,

s — wykładnik potęgowy ustalony doświadczalnie (zależny głównie od materiału, z którego narzędzie zostało wykonane, rodzaju narzędzia, materiału obrabianego i warunków pracy), s = 2 ÷ 12,

C₁, współczynnik zależny głównie od materiału obrabianego, warunków chłodzenia, pola i kształtu przekroju poprzecznego warstwy skrawanej,

v_T — okresowa prędkość skrawania, tzn. prędkość odpowiadająca trwałości.

Jeżeli przy prędkości skrawania v_T1 okres pracy ostrza narzędzia wynosi T₁, to możemy znaleźć prędkość skrawania v_T2, odpowiadającą mniejszej trwałości narzędzia T₂ (lub odwrotnie, znając v_T2 znaleźć T₂) w tych samych warunkach (pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej, materiał narzędzia i materiał obrabiany)

i

skąd

a więc

m/min (5-56)

min (5-57)

Wstawiając dla uproszczenia m = 1/s, otrzymamy

m/min (5-58)

Wielkość m nazywamy współczynnikiem względnej trwałości ostrza. Ponieważ wykładnik s zmienia się w granicach 2 ÷ l2, przeto współczynnik m zmieniać się może w granicach 0,5 ÷ 0,085 (tabl. 5-10, 5-14).

Trwałość ostrza można wyznaczyć na podstawie średnich wartości ustalonych praktycznie lub w sposób uwzględniający koszty operacji lub wydajność obróbki.

Trwałość ostrza zapewniająca najmniejsze koszty wykonania określonej operacji lub jej części na danym stanowisku roboczym przy nie zmienionych warunkach obróbki nazywamy ekonomiczną trwałością ostrza.

Trwałość narzędzia zapewniająca największą wydajność obróbki przy wykonywaniu określonej operacji lub jej części na danym stanowisku roboczym w ustalonych warunkach organizacyjnych i nie zmienionych warunkach skra­wania nazywamy trwałością ostrza największej wydajności.

L36 - 5.9. Parametry toczenia i czynniki je ograniczające

5.9.1. Dobór parametrów skrawania przy toczeniu zgrubnym

Parametry skrawania są ograniczone warunkami technologicznymi, trwałością i wytrzymałością narzędzia, mocą obrabiarki, momentem obrotowym, wytrzymałością mechanizmów posuwowych obrabiarki, wartością posuwu i prędkością skrawania możliwymi do uzyskania na danej obrabiarce. Warunki technologiczne ograniczają parametry skrawania ze względu na wymaganą dokładność obróbki, chropowatość powierzchni obrabianej i stan warstwy wierzchniej.

Dokładność obróbki zależy od odkształcenia, któremu ulega część obrabiana pod działaniem sił skrawania. Zakładając odpowiednią wartość strzałki ugięcia określamy dopuszczalną wartość odporowej siły skrawania F_pdop. Siła ta powinna być mniejsza od składowej odporowej siły skrawania F_p. Zależnie od wartości obliczonej siły skrawania ustalamy wartość dopuszczalnego posuwu. Ponadto wartość posuwu powinna być obliczona ze względu na dopuszczalną chropowatość powierzchni obrabianej, trwałość narzędzia i jego wytrzymałość oraz moc i moment na wrzecionie obrabiarki.

Za dopuszczalną wartość posuwu przyjmujemy najmniejszą z wartości otrzymanych w drodze obliczeń. Dopuszczalną strzałkę ugięcia przyjmuje się w granicach 0,05 ÷ 0,2 mm, zależnie od wartości tolerancji średnicy toczonej części. Wartość strzałki ugięcia ma wpływ na wartość średnicy obrabianej części. Głębokość skrawania powinna być równa naddatkowi na obróbkę zgrubną, o ile nie ograniczają jej wyżej wymienione warunki. Prędkość skrawania obliczamy w zależności od przyjętej trwałości ostrza i ustalonych wartości posuwu oraz głębokości skrawania. Analityczne wyznaczenie warunków skrawania jest pracochłonne; wykonuje się je dla określenia założeń projektowanej obrabiarki specjalnej lub zespołowej.

W praktyce przemysłowej do wyznaczenia warunków skrawania na obrabiarkach ogólnego przeznaczenia są stosowane nomogramy lub tablice.

5.9.2. Dobór parametrów skrawania przy toczeniu wykańczającym

Na obróbkę wykańczającą pozostawia się taki naddatek, aby zostały usunięte ślady poprzedniej obróbki. Głębokość skrawania wynika z naddatku na obróbkę. Wartość posuwu dobieramy w zależności od dopuszczalnej chropowatości i dopuszczalnej strzałki ugięcia, przyjmowanej w granicach 1/7 ÷ 1/8 tolerancji wymiaru.

Przy bardzo dokładnej obróbce (drobnowiórowej) przyjmuje się następujące parametry skrawania:

prędkość skrawania żeliwa i stali v_c = 150 ÷ 300 m/min

metali nieżelaznych v_c = 300 ÷ 800 m/min

posuwy dla żeliwa i stali f = 0,05 ÷ 0,15 mm

dla metali nieżelaznych f= 0,03 ÷ 0,10 mm

Podane parametry dotyczą obróbki na specjalnych obrabiarkach przeznaczonych jedynie do obróbki wykańczającej toczeniem drobnowiórowym przy dokładności wymiaru w klasach 7 ÷ 5 IT. Stosowane są np. przy wytaczaniu otworów w korbowodach, wytaczaniu tulei cylindra, obróbce powierzchni zewnętrznej tłoka i otworu pod sworzeń tłokowy.

Pojęcie obróbka wykańczająca nie jest jednoznaczne, gdyż obróbka skrawaniem może być ostatecznie zakończona po osiągnięciu dokładności wymiaru w klasie 5 IT, jak również w klasie 10 IT i chropowatości R_a = 5÷0,63 μm.

5.9.3. Dobór parametrów skrawania przy toczeniu wielonarzędziowym

Przy doborze warunków skrawania wieloma narzędziami należy uwzględnić, że dla tego rodzaju obrabiarek (tokarki wielonożowe, rewolwerówki, automaty, półautomaty, obrabiarki zespołowe oraz linie automatyczne) warunki skrawania dotyczące poszczególnych narzędzi nie mogą być rozpatrywane niezależnie od innych narzędzi, lecz muszą być tak dobrane, żeby były odpowiednie dla wszystkich narzędzi pracujących jednocześnie (podczas tego samego cyklu obróbkowego). Na przykład przy pracy na rewolwerówkach prędkość obrotowa wrzeciona jest wspólna dla wszystkich narzędzi suportu poprzecznego oraz bębna rewolwerowego pracujących równocześnie, przy czym posuwy suportu poprzecznego mogą się różnić od posuwów narzędzi głowicy rewolwerowej, natomiast wszystkie narzędzia głowicy pracujące jednocześnie mają wspólny posuw.

Dobór warunków skrawania do obróbki wielonarzędziowej odbywa się po ustaleniu liczby i kolejności zabiegów w danej operacji, naddatku w poszczególnych zabiegach oraz rodzaju narzędzi. Posuwy i prędkości skrawania dobiera się takie, żeby przy zachowaniu dopuszczalnej chropowatości powierzchni, dokładność obróbki i ustalonych okresów trwałości narzędzia i czas poszczególnych zabiegów był najkrótszy.

Dobór posuwów powinien być następujący:

1. Gdy czynnikiem ograniczającym wartość posuwu jest wytrzymałość narzędzia dla chropowatość powierzchni obrabianej, posuw wyznacza się dla każdego narzędzia niezależnie od innych, jak w obróbce jednonarzędziowej z posuwami nie związanymi (np. posuwy dla narzędzia suportu poprzecznego rewolwerówki i dla narzędzia głowicy rewolwerowej) oraz według najmniejszego posuwu przy posuwach związanych (np. posuwy narzędzi pracujących równocześnie z głowicy rewolwerowej).

2. Gdy czynnikiem ograniczającym wartość posuwu jest dokładność obróbki lub wytrzymałość albo sztywność obrabianej części, posuwy ogranicza się do takiej wartości, by siła działająca na część obrabianą (suma sił kilku narzędzi) w momencie największego obciążenia nie przekraczała wartości dopuszczalnej.

Prędkości skrawania zależą od prędkości obrotowej wrzeciona oraz od średnicy toczenia. Prędkość obrotowa wrzeciona jest taka sama dla wszystkich narzędzi pracujących jednocześnie. Prędkości skrawania będą zależeć od średnicy, którą dane narzędzie obrabia, lub od średnicy narzędzia (wiertła, rozwiertaki itp.). Prędkość skrawania poszczególnych narzędzi jest ograniczona, tak jak w obróbce jednonarzędziowej, okresem trwałości narzędzia.

Prędkość skrawania grupy narzędzi pracujących jednocześnie (podczas tego samego zabiegu), w przypadku jej ograniczenia trwałością narzędzi, musi być dostosowana do prędkości skrawania (i odpowiadającej jej prędkości obrotowej wrzeciona) narzędzia ograniczającego, tzn. narzędzia, którego prędkość obrotowa — ze względu na trwałość ostrza — musi być najmniejsza.

Okres trwałości poszczególnych narzędzi w obróbce wielonarzędziowej wyznacza się zależnie od rodzaju narzędzia i udziału czasu skrawania tego narzędzia w całkowitym czasie maszynowym. Okresy trwałości poszczególnych noży przy jednakowym współczynniku m wyznacza się w stosunku do noża, którego okres pracy jest najdłuższy. W podobny sposób postępujemy w przypadku wyznaczania średniego okresu trwałości.

Po wyznaczeniu dla każdego noża (z grupy noży pracujących równocześnie) okresu trwałości oraz posuwu wyznacza się prędkość skrawania każdym nożem na podstawie tych samych zależności, co w przypadku obróbki jednonarzędziowej.

Po wyznaczeniu prędkości skrawania poszczególnymi nożami oblicza się ich prędkość obrotową wg wzoru

i przyjmuje się najmniejszą z otrzymanych wartości.

Dla noży pracujących na największych średnicach dobiera się odpowiednio głębokość skrawania, kształty geometryczne narzędzia oraz jego materiał tak, by umożliwić skrawanie z jak największą prędkością. Dzięki temu uzyskuje się zmniejszenie różnicy między prędkością skrawania możliwą do osiągnięcia a prędkością rzeczywistą dla pozostałych noży. Ponadto należy uwzględnić wartość momentu obrotowego dopuszczalnego dla danej obrabiarki.

---