1. BADANIE POWSTAWANIA WIÓRA
1.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczna obserwacja procesu powstawania wióra oraz zbadanie wpływu wybranych
parametrów skrawania na przebieg tego procesu.
1.2 Wprowadzenie
Oddzielanie warstwy skrawanej od materiału obrabianego, tworzenie się wióra oraz równoczesne powstawanie
powierzchni obrobionej odbywa się w warunkach złożonego przebiegu zjawisk fizycznych i chemicznych. Zachodzą
równocześnie i oddziaływują na siebie w sposób uwikłany zjawiska:
- odkształcenia sprężystego i plastycznego,
- pękania materiału,
- tarcia zewnętrznego i wewnętrznego,
- powstawania i rozchodzenia się ciepła,
- adhezji i dyfuzji,
- przemian fazowych materiału obrabianego,
- reakcji chemicznych.
Poznawanie istoty i przebiegu wyżej wymienionych zjawisk i ich skutków w trakcie obróbki odbywa się najczęściej na
drodze badań i analiz zjawisk zachodzących w uproszczonych modelach procesu skrawania.
Jednym z takich uproszczonych modeli (rozpatrywanym również w tym ćwiczeniu) jest skrawanie ortogonalne. Jest to
przypadek skrawania jedną, prostoliniową krawędzią skrawającą dłuższą od szerokości materiału skrawanego, a szerokość
skrawania jest znacznie większa od grubości warstwy skrawanej. Wektor prędkości ruchu głównego jest prostopadły do
krawędzi skrawającej. Model ten umożliwia rozpatrywanie procesu skrawania w układzie dwuwymiarowym.
Na rys. 1.1 przedstawiono schematycznie obszar odkształceń plastycznych materiału obrabianego i wióra w procesie
skrawania. Obszar ten ograniczajÄ…:
- linia OP - początkowa granica odkształceń plastycznych,
- linia PK - zewnętrzna granica odkształceń plastycznych,
- linia OK. - końcowa granica odkształceń plastycznych.
wiór
hð
warstwa
skrawana
Fð
K
P
ostrze
0
materiał obrabiany
linia skrawania
Rys. 1.1 Schemat obszaru odkształceń plastycznych materiału obrabianego i wióra
 Przestrzeń objęta tymi granicami nazywana jest strefą tworzenia wióra. Na skutek działania sił skrawania w strefie
tworzenia siÄ™ wióra nastÄ™puje najpierw zgniot kryształów, nastÄ™pnie ich wydÅ‚użenie i pochylenie pod kÄ…tem hð - zwanym
kątem zgniotu. Odkształcony element zostaje przesunięty wzdłuż powierzchni zwanej powierzchnią poślizgu pochylony
pod kÄ…tem Fð (rys. 1.1) w stosunku do linii skrawania. Intensywność tych odksztaÅ‚ceÅ„ roÅ›nie wraz ze zbliżeniem siÄ™ do linii
OK. Należy zwrócić uwagę, że krzywa OP przebiega w swej dolnej części poniżej linii skrawania, co powoduje zmiany w
warstwie wierzchniej obrabianego materiału. W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że powierzchnia poślizgu jest
płaszczyzną.
Proces odkształcania warstwy skrawanej, z której tworzy się wiór nie jest stabilny. Występuje okresowe narastanie
naprężeń i odkształceń, któremu towarzyszą poślizgi dochodzące do zewnętrznej granicy obszaru odkształceń - linia PK.
Konsekwencją tego zjawiska jest elementowa budowa wióra. Ze względu na odkształcenia plastyczne zachodzące w strefie
skrawania, wymiary wióra nie odpowiadają wymiarom warstwy skrawanej rys. 1.2. Zjawisko to nazywane jest spęczaniem
wióra.
vc
b
ch
hch
l
ch
l
D
hD
b
D
Rys. 1.2 Wymiary warstwy skrawanej i wióra
Można założyć, że objętość wióra równa jest objętości warstwy skrawanej, z której został ten wiór utworzony,
wówczas:
3
h bD lD =ð h bchlch [ðmm ]ð (1.1)
D ch
a po przekształceniu zależności (1.1) otrzymuje się równanie (1.2):
lD hch bch
=ð (1.2)
lch hD bD
Iloraz określony równaniem (1.2) nazywamy współczynnikiem spęczania:
l
D
lð =ð (=ð kl ; ksp ) (1.3)
l
lch
Na podstawie (1.2) i (1.3) można napisać:
lðl = lðh ×ð lðb ( ksp =ð ka ×ð k ) (1.4)
b
gdzie:
h b
ch ch
lð =ð (= ka); lð =ð (= kb)
h b
h b
D D
lðh (ka) - współczynnik zgrubienia,
lðb (kb) - współczynnik rozszerzenia.
Na współczynnik spÄ™czania lðl majÄ… wpÅ‚yw nastÄ™pujÄ…ce czynniki:
1. rodzaj materiału - dla materiałów kruchych jak np. żeliwo współczynnik spęczania jest zbliżony do 1, a dla
materiałów plastycznych np. aluminium współczynnik spęczania może być większy od 5,
2. parametry skrawania - vc, f, ap,,(patrz rysunek 1.3),
3. geometria ostrza - kÄ…t natarcia gð, (rys. 1.4), kÄ…t przystawienia kð, a także promieÅ„ zaokrÄ…glenia naroża reð i stopieÅ„
zużycia narzędzia.
[ðlð ð]ðl
6
5
a
= 0,15
3
a
= 0,31 a
a = 0,04
1
4 = 0,08
2
4
3
2
0 20 40 60 80 100 120 140 Vc [m/min ]
Rys. 1.3 Wpływ prędkości skrawania oraz grubości warstwy skrawanej na współczynnik spęczania
[ðlð ð]ð
l
g = 0
1
5
g 2= 15
4
g 3= 30
g = 45
4
3
2
1
0 20 40 60 80 100 120 Vc [m/min]
Rys. 1.4 Wpływ prędkości skrawania na współczynnik spęczania dla różnych kątów natarcia
Wiórom, choć jest to produkt odpadowy procesu skrawania, poświęca się dość dużo uwagi. Kształt i wymiary wiórów
mają decydujący wpływ na bezpieczeństwo obsługi, pracochłonność i koszty ich zagospodarowania, a często także na
jakość powierzchni obrabianej. W zależności od grubości i spójności poszczególnych elementów wiórów rozróżnia się trzy
podstawowe ich rodzaje (rys. 1.5).
a)
b) c)
hð
Fð
Fð
Rys. 1.5 Podstawowe rodzaje wiórów: a - wiór odpryskowy, b - wiór schodkowy, c - wiór wstęgowy
Podstawowe kształty i odmiany wiórów przedstawiono w tabeli 1.1, wg załącznika do PN-83/M-58350.
Tabela 1.1 Klasyfikacja wiórów
 Do badania procesu tworzenia się wióra stosowane są różne metody obserwacji bezpośredniej lub badania skutków
procesu skrawania. Do obserwacji bezpośredniej stosuje się albo filmowanie procesu z dużą prędkością przesuwu taśmy i
odtwarzanie w zwolnionym tempie lub obserwację procesu skrawania przebiegającego powoli (z małą prędkością
skrawania) przy pomocy np. kamery TV z silnie powiększającym układem optycznym. Stosuje się także materiały
obrabiane o specjalnych właściwościach optycznych (aby obserwować pola odkształceń w strefie skrawania). Badanie
skutków procesu skrawania prowadzi się poprzez obserwację struktury wióra, jego właściwości, stopień zgniotu,
utwardzenia, itp. a także poprzez badanie współczynnika spęczania wióra.
Opis stanowiska do bezpośredniej obserwacji tworzenia się wióra
Stanowisko do obserwacji procesu tworzenia się wióra przedstawiono na rys. 1.6. Do budowy wykorzystano cyfrowy
mikroskop USB-1, który został podłączony do komputera-2, za pomocą którego wyświetlono obraz z kamery na tablicy
multimedialnej-3. Próby skrawania przeprowadzane są na frezarce-4, na której prędkość skrawania jest realizowana
poprzez układ posuwowy stołu, dzięki czemu możemy uzyskać małe prędkości skrawania, co umożliwia bezpośrednią
obserwację zachodzących zjawisk podczas powstawania wióra.
Rys. 1.6 Schemat stanowiska do obserwacji powstawania wióra
2.3 Przebieg ćwiczenia
Zadanie 1
OkreÅ›lić wpÅ‚yw parametrów skrawania (vc - prÄ™dkoÅ›ci skrawania, ap - gÅ‚Ä™bokoÅ›ci skrawania) oraz gð - kÄ…ta natarcia na:
A) - kÄ…t poÅ›lizgu Fð, B) - współczynnik spÄ™czania lðl,
C) - współczynnik zgrubienia lðh, D) - rodzaje otrzymanych wiórów.
Zadanie 2
Dla danego materiaÅ‚u zmieniajÄ…c parametry skrawania (vc - prÄ™dkość skrawania, ap -ð gÅ‚Ä™bokość skrawania) oraz gð - kÄ…t
natarcia, obserwować kształt i odmianę otrzymanych wiórów i porównać je z tabelą 1.1.
Aby wykonać ćwiczenie,
- w zadaniu 1 należy w każdej próbie:
·ð ustawić parametry skrawania podane przez prowadzÄ…cego ćwiczenia i wpisać je do karty pomiarów,
·ð wÅ‚Ä…czyć program IQBOARD sÅ‚użący do obsÅ‚ugi tablicy multimedialnej, nastÄ™pnie na dolnym menu nacisnąć
przycisk oznaczony nr 1strzałką, który znajduje się na poniższym rysunku1.7:
Rys. 1.7 Widok programu IQBOARD
spowoduje to przejście programu pracy w tle windowsa,
·ð wÅ‚Ä…czyć program Smart Analisys sÅ‚użacy do obsÅ‚ugi cyfrowego mikroskopu,
·ð przejść w tryb peÅ‚noekranowy, aby to zrobić należy kliknąć na tablice w obszar wyÅ›wietlanego obrazu z mikroskopu
cyfrowego,
·ð używajÄ…c trybu ołówka(1), wybierajÄ…c przy tym odpowieni jaskrawy kolor (2) zaznaczyć na tablicy multimedialnej
kropką miejsca, w których zachodzą zmiany plastyczne skrawanego materiału, jak to jest pokazane na rys.1.7
1
2
3
Rys. 1.8 Widok ekranu z narzędziami do rysowania linii
·ð na tablicy multimedialnej przejść w tryb rysowania linii (3), wybierajÄ…c przy tym odpowiedni jaskrawy kolor
jak na powyższym rysunku,
·ð narysować specjalnym bezbarwnym mazakiem linie okreÅ›lajÄ…ce poczÄ…tkowe i koÅ„cowe granice odksztaÅ‚ceÅ„
plastycznych,
·ð wyznaczyć (narysować na tablicy multimedialnej) pÅ‚aszczyznÄ™ poÅ›lizgu i zmierzyć kÄ…t poÅ›lizgu Fð używajÄ…c do tego
narzędzia do pomiaru kąta. Naciskając na ikonkę przybory(4), wyświetli się podręczne menu, na którym naciskamy
ikonkę (5) rys.1.8; wyniki wpisać do karty pomiarów,
4
5
6
Rys. 1.9 Schemat stanowiska do obserwacji powstawania wióra
·ð zmierzyć na tablicy multimedianej lD; lch; hD; hchm aby tego dokonać należy nacisnąć ikoknÄ™ (6) w celu przejscia w
tryb pomiaru odległości; wyniki zapisać w karcie pomiarów,
·ð obliczyć współczynniki lðl i lðh,
·ð na podstawie otrzymanych wyników wykonać wykresy lðl = f (gð); f (vc); f (ap) i lðh = f (gð); f (vc); f (ap),
·ð obserwować rodzaje powstajÄ…cych wiórów w zależnoÅ›ci od rodzaju obrabianego materiaÅ‚u - wnioski z obserwacji
zapisać w karcie pomiarów,
- w zadaniu 2 należy:
·ð ustawić parametry skrawania podane przez prowadzÄ…cego ćwiczenia i zapisać w karcie pomiarów; dla danego
obrabianego materiału zmieniać:
a) prędkość skrawania - vc,
b) posuw  f,
c) głębokość skrawania - ap,
·ð porównać otrzymane wióry z tabelÄ… 1.1.