Narzędzia skrawające

   Baza Wiedzy

  

Zjawisko narostu | Elementy geometryczne ostrza skrawającego | Pokrywanie metodą CVD | Pokrywanie metodą PVD | Sposoby podwyższania trwałości narzędzi skrawających | Rodzaje zużycia ostrza skrawającego | Wymagania dla materiałów na narzedzia skrawające | Mechanizmy zużycia ostrza skrawającego | Materiały na narzędzia do obróbki wiórowej

Zjawisko narostu

   Baza Wiedzy

  

Narost jest to klinowe przedłużenie ostrza, utworzone z materiału obrabianego. Narost częściowo przejmuje pracę ostrza, zmieniając przy tym nie tylko przebieg tworzenia się wióra, ale co ważniejsze zmienia także wymiary i charakter obrabianej powierzchni. Narost składa się z bardzo silnie odkształconych warstewek materiału obrabianego i ma charakterystyczną włóknistą budowę. Przebieg tworzenia się narostu jest zależny od własności materiałów obrabianych oraz od szybkości skrawania. Na zjawisko to mają również wpływ wartości kątów natarcia noża oraz grubości warstwy skrawanej. Jego intensywność maleje wraz ze wzrostem kąta natarcia oraz ze zmniejszeniem grubości warstwy skrawanej. Narost na ostrzu ma duży i w sumie ujemny wpływ na przebieg i rezultaty procesu skrawania. Odrywanie się narostu od powierzchni natarcia zachodzi wówczas, gdy tarcie wióra o narost przewyższa siły przylegania narostu do ostrza. Odrywanie narostu może być pełne lub tylko częściowe. Odrywane cząstki narostu unoszone są przez wiór. Tworzący się narost zwiększa kąt natarcia. Im bardziej rozbudowany jest narost, tym mniejszy jest współczynnik spęczenia wióra i tym mniejszy staje się opór skrawania. Zmniejsza on również zużycie ścierne ostrza, ale równocześnie poprzez periodyczne powstawanie i zanikanie - czemu towarzyszą zmiany oporów skrawania - może stać się przyczyną drgań. Częstość powstawania i zanikania narostu na ostrzu leży w granicach kilku do paruset herców, wobec czego mogą powstawać rezonansowe drgania mechaniczne części obrabiarek. Powodować to może zwiększenie wytrzymałościowego zużycia ostrza. Przede wszystkim jednak narost ujemnie wpływa na gładkość obrabianej powierzchni i głównie z tego powodu skrawanie w warunkach powstawania narostu uważa się za nienormalne i niekorzystne. Znajomość praw rządzących powstawaniem i zanikiem narostu należy wykożystywać w tym celu, aby uniknąć warunków obróbki sprzyjających jego pojawienu się.

Elementy geometryczne ostrza skrawającego

   Baza Wiedzy

  

W narzędziu skrawającym można wyodrębnić dwie części funkcjonalne: część chwytową oraz część roboczą zwaną ostrzem. Ostrze skrawające jest narożem trój lub wielościennym charakteryzującym się ustalonymi elementami geometrycznymi.
Ostrze noża skrawającego jest ograniczone powierzchniami :

• natarcia - na którą naciera i po której przesuwa się wiór,
• przyłożenia - znajdującą się od strony powierzchni obrabianej i powierzchni stycznej do niej w czasie skrawania.

Linia przecięcia się powierzchni natarcia z powierzchnią przyłożenia nazywa się krawędzią skrawającą lub krawędzią tnącą.

Pokrywanie metodą CVD

   Baza Wiedzy

  

Budowa narostu na ostrzu norza. Schemat
			Elementy ostrza narzedzia skrawającego. Krawędź skrawająca zależnie od kształtu powierzchni przyłożenia i natarcia, może składać się z odcinków prostoliniowych oraz krzywoliniowych. Pomiędzy odcinkami prostoliniowymi znajdują się zazwyczaj odcinki łukowe. Główną krawędzią skrawającą nazywa się tę część krawędzi, która jest przeznaczona do wykonywania większej części pracy skrawania . Pomocniczą krawędzią skrawającą nazywa się tę część krawędzi skrawającej, która wykonuje mniejszą część pracy skrawania. Łączącą krawędzią skrawającą jest najczęściej łukowa część krawędzi skrawającej łącząca główną i pomocniczą krawędź skrawającą. Powierzchnię przyłożenia można analogicznie podzielić na: • główną powierzchnię przyłożenia, nazywaną w skrócie wprost powierzchnią przyłożenia, jest to ta część powierzchni przyłożenia, która w wyniku przecięcia się z powierzchnią natarcia tworzy główną krawędź skrawającą. • pomocniczą powierzchnię przyłożenia - jest to ta część powierzchni przyłożenia której linia przecina się z powierzchnią natarcia tworzy pomocniczą krawędź skrawającą. • łączącą powierzchnię przyłożenia - jest to ta część powierzchni przyłożenia, która w wyniku przecięcia się z powierzchnią natarcia daje łączącą krawędź skrawającą. Część ostrza stanowiącą najbardziej wysuniętą część naroża nazywamy wierzchołkiem ostrza. W sensie geometrycznym jest to punkt leżący na krawędzi skrawającej i sięgający najdalej w głąb przedmiotu obrabianego. Aby określić geometryczne parametry ostrza należy przyjąć układ odniesienia. Za podstawowy układ odniesienia przyjmuje się trzy płaszczyzny. Pr - Płaszczyznę podstawową, przyjmowaną umownie dla każdego narzędzia np. w przypadku noży płaszczyzna podstawowa pokrywa się z płaszczyzną podstawy trzonka. Po- Płaszczyznę przekroju (lub płaszczyzną normalną), prostopadłą do rzutu krawędzi skrawającej na płaszczyznę podstawową w wybranym punkcie tego rzutu. Ps - Płaszczyznę rzutującą (styczną) tj. płaszczyznę prostopadłą do dwóch pierwszych, zarazem przechodzącą przez wybrany punkt lub odcinek prostoliniowy krawędzi skrawającej. • kąt naroża (wierzchołkowy) ε - zawarty między rzutami krawędzi skrawającej głównej i pomocniczej na płaszczyznę podstawową, • promień zaokrąglenia wierzchołka ostrza (łączącej krawędzi skrawającej), który oznaczamy r. • kąt przystawienia χ zawarty między rzutem głównej krawędzi skrawającej na płaszczyznę podstawową a kierunkiem ruchu posuwowego, • pomocniczy kąt przystawienia χ`, zawarty między rzutem pomocniczej krawędzi skrawającej na płaszczyznę podstawową a kierunkiem ruchu posuwowego, Układ odniesienia i określania w nim elementów geometrycznych ostrza. Na płaszczyźnie przekroju oznaczamy. βo - zawarty jest między płaszczyzną natarcia a*• kąt klina (kąt ostrza) powierzchnią przyłożenia. • kąt natarcia γ - zawarty między płaszczyzną podstawową Pr a powierzchnią natarcia. • kąt przyłożenia α - zawarty między płaszczyzną krawędzi skrawającej Ps (płaszczyzną rzutującą) a powierzchnią przyłożenia. • kąt skrawania δ - zawarty śladem powierzchni natarcia a śladem płaszczyzny rzutującej. Kąt skrawania jest więc równy δ = α + β Na płaszczyźnie rzutującej określa się kąt pochylenia krawędzi skrawającej λ - zawarty między krawędzią skrawającą a płaszczyzną podstawową Pr. Istnieją umowy co do określania znaków algebraicznych, tych kątów które mogą przybierać wartości dodatnie i ujemne Do kątów tych zaliczają się kąt natarcia γ i kąt pochylenia krawędzi skrawającej λ. Kąt natarcia γ jest dodatni gdy ślad płaszczyzny natarcia na płaszczyźnie przekroju opada, poczynając od punktu przecięcia krawędzi skrawającej z płaszczyzną przekroju. Ujemny - gdy ślad płaszczyzny natarcia wznosi się, a zerowy gdy ten ślad jest równoległy do płaszczyzny podstawowej. Kąt pochylenia krawędzi skrawającej λ jest dodatni (λ > 0) gdy wierzchołek jest najwyższym punktem krawędzi, zerowy (λ = 0), gdy wszystkie punkty krawędzi leżą w tej samej odległości od płaszczyzny podstawowej, oraz ujemny (λ < 0) gdy wierzchołek ostrza jest najniższym punktem krawędzi skrawającej. Rola i znaczenie kątów w procesie skrawania Przyjmowane wartości kątów zależą od rodzaju materiału narzędzia, własności materiału obrabianego oraz pozostałych warunków obróbki. Każdym określonym warunkom odpowiadają zawsze optymalne wartości kątów, które można wyznaczyć doświadczalnie. Kąt przyłożenia α uwarunkowany głównie dążeniem do zmniejszenia tarcia ostrza od strony powierzchni przyłożenia, przyjmuje się w zależności od rodzaju noża i posuwu w granicach 6-12^o. Na ogół większe wartości kątów przyłożenia odpowiadają skrawaniu z mniejszymi posuwami (obróbka dokładna). Kąt natarcia γ ma duży wpływ na wytrzymałość ostrza, przebieg przekształcenia warstwy skrawanej w wiór, naprężenia i odkształcenia występujące w strefie skrawania, opory skrawania, drgania, dokładność obróbki, przebieg zużycia ostrza, jego trwałość i inne zjawiska występujące przy skrawaniu. Wartości kątów natarcia zmieniają się w dość szerokim zakresie i są zależne przede wszystkim od własności materiału ostrza i obrabianego materiału oraz kształtu powierzchni natarcia. Ostrza ze stali szybkotnącej mają zawsze dodatnie kąty natarcia. Wartości γ = 25-30^o zaleca się przy skrawaniu stopów aluminium oraz stali niskowęglowych (C < 0.2% ) i stopowych o Rm < 500 MPa (HB < 140). Wartości γ = 18-25^o przyjmowane są przy skrawaniu stali i staliw węglowych (HB 140-230) oraz żeliw szarych i ciągliwych o HB <160. Wartości γ = 12-18^o stosuje się przy skrawaniu stali i staliw stopowych gdy Rm = 800-1200 MPa (HB = 230-340) oraz żeliwa o HB =180-220 a także brązu i kruchego mosiądzu. Najmniejsze wartości γ = 5^o przyjmuje się przy skrawaniu żeliwa o twardości HB > 220. Ostrza z węglików spiekanych mogą mieć dodatnie i ujemne kąty natarcia, co zależy głównie od własności materiału odrabianego i kształtu powierzchni natarcia. Kąt pochylenia głównej krawędzi ostrza λ wpływ na kierunek spływania wióra, sposób wcinania ostrza w materiał obrabiany, wytrzymałość ostrza, siły skrawania itp. Ujemny kąt pochylenia powoduje korzystniejszy sposób wcinania ostrza w materiał gdyż uderzenie w chwili wcięcia koncentruje się w punktach oddalonych od najsłabszej części ostrza jaką jest jej wierzchołek. Kąt przystawienia χ wpływa na wytrzymałość wierzchołka ostrza, dokładność obróbki, siły skrawania, chropowatość powierzchni, temperaturę skrawania, intensywność zużycia i trwałość ostrza.

Cechą charakterystyczną metod CVD, tzw. chemicznego osadzania z fazy gazowej ( napylanie próżniowe ) jest redukcja chemiczna składników atmosfery gazowej, prowadząca do utworzenia fazy stałej na powierzchni obrabianego narzędzia. Składniki atmosfery są aktywowane cieplnie lub mogą być dodatkowo aktywowane plazmą względnie prądami wielkiej częstotliwości. Metody te stosuje się do otrzymywania takich warstw jak: węglik i azotek tytanu (TiC i TiN), tlenek glinu (Al₂0₃), azotek krzemu (Si₃N₄), a także warstw złożonych np. Ti(CN), (Ti,Al)N, TiC + Cr₇C₃. Warstwy mogą być otrzymywane zarówno przy ciśnieniu atmosferycznym jak i obniżonym. Wspólną cechą metod CVD jest dostarczanie pierwiastka tworzącego warstwę w postaci halogenku np. TiCl₄ w przypadku uzyskiwania warstw TiC, TiN, Ti(CN) lub mieszaniny halogenków np. TiCl₄ + BCl₃ w przypadku otrzymywania warstw TiB₂. Z uwagi na wysokie temperatury procesu metody CVD nadają się wyłącznie do nakładania warstw na węgliki spiekane.
Wytwarzanie warstwy Al₂0₃ metodą CVD przy obniżonym ciśnieniu polega na hydrolizie chlorku aluminium AlCl₃ w temperaturze powyżej 950°C. Woda, niezbędna do hydrolizy, nie może być jednak doprowadzana do retorty bezpośrednio w postaci pary, ponieważ powoduje to tworzenie się proszkowych osadów Al₂0₃. Z tego względu do retorty doprowadza się mieszaninę wodoru i dwutlenku węgla lub tlenku węgla. Z mieszaniny tej, bezpośrednio na powierzchni pokrywanej płytki węglików spiekanych powstaje para wodna wchodząca w reakcję z parą chlorku aluminium. W wyniku tej reakcji tworzy się zwarta warstwa Al₂0₃ o dobrej przyczepności.

Rys. Schemat instalacji do realizacji procesów CVD: 1-piec, 2-oporowe elementy grzewcze, 3-pompa dozująca lub parownik, 4-wsad, 5-mufla pieca, 6-dozownik gazu, 7-miernik temperatury, 8-filtr.

Pokrywanie metodą PVD

   Baza Wiedzy

  

Metody PVD polegają na osadzaniu na podłożu warstwy z fazy gazowej przy wykorzystaniu zjawisk fizycznych jak: odparowanie metali ( napylanie próżniowe ), rozpylenie katodowe w próżni, jonizacja gazów i par metali. Ich wspólną cechą jest krystalizacja warstwy ze strumienia plazmy zawierającego cząstki zjonizowane. Różnice między poszczególnymi metodami związane są ze sposobem otrzymywania zjonizowanych par metalu. W zbiorniku znajduje się argon pod obniżonym ciśnieniem, który pod wpływem przyłożonego napięcia ulega jonizacji. W wyniku wyładowania jarzeniowego następuje bombardowanie powierzchni narzędzi jonami argonu w celu ich oczyszczenia i przygotowania do dalszej obróbki. Następnie odparowany zostaje tytan znajdujący się w parowniku i wprowadzony z zewnątrz azot, którego atomy ulegają jonizacji i pod wpływem plazmy uderzają w powierzchnie obrabianych przedmiotów tworząc warstwę TiN. Warstwa TiC powstanie wtedy, gdy .gazem reagującym jest węglowodór, np. metan CH₄. Proces można prowadzić bez podgrzewania i wówczas powierzchnia wsadu pod wpływem działania plazmy nagrzewa się do temperatury około 300°C. Gdy wsad jest podgrzewany do temperatury około 500°C, metoda PVD nazywana jest reakcyjnym platerowaniem jonowym.

Sposoby podwyższania trwałości narzędzi skrawających

   Baza Wiedzy

  

		Rys. Schemat urządzenia do wytwarzania na narzędziach warstwy TiN metodą pVD: 1-doprowadzenie prądu, 2-obudowa, 3-uchwyty na wsad, 4-wsad, 5-elementy grzewcze, 6-induktor, 7-parownik, 8-wylot do pompy próżniowej. Innego sposobu pod wpływem łuku elektrycznego wytworzonego między pierścieniową elektrodą a centralnie usytuowaną katodą tytanową następuje odparowanie tytanu. Przy ciśnieniu 10^-3-10^-2 Pa strumień plazmy tytanowej kierowany jest do pokrywanego przedmiotu. Równocześnie do strefy plazmy dozowany jest azot, który łącząc się z plazmą tytanową wytwarza na przedmiocie warstwę TiN. Proces technologiczny nakładania warstwy TiN składa się z trzech etapów, z których dwa pierwsze obejmują próżniową obróbkę wstępną, a trzeci jest właściwym etapem nakładania warstwy: 1) etap I polega na bombardowaniu powierzchni narzędzi jonami azotu w celu ich oczyszczenia z resztek zanieczyszczeń i wzbogacenia powierzchni w azot; 2) etap II obejmuje bombardowanie przedmiotu jonami tytanu; na skutek oddziaływania plazmy temperatura przedmiotu w krótkim czasie osiąga wartość okoł0 500°C, a powierzchnia zostaje wzbogacona w tytan; 3) etap II - właściwe nakładanie warstwy TiN następuje w temperaturze około 500°C po ponownym wprowadzeniu azotu o ciśnieniu 10-2 Pa. Temperatury procesów w metodzie PVD są niższe od temperatury odpuszczania stali szybkotnących i dlatego metoda ta jest szczególnie przydatna do obróbki tych stali bez obawy o zmiany struktury i własności wnętrza narzędzia. Otrzymane w ten sposób warstwy mają grubość ok. 10 μn i twardość około 2000 HV. Wysoka twardość warstw, niski współczynnik tarcia oraz działanie przeciw adhezyjne przyczyniają się do znacznego wzrostu wydajności i trwałości narzędzi ze stali szybkotnących.

Jedną ze sposobów podwyższania trwałości narzędzi skrawających jest obróbka cieplno-chemiczna narzędzi ze stali szybkotnących. Obróbce cieplno-chemicznej są najczęściej poddawane wieloostrzowe narzędzia skrawające ze stali szybkotnących. Narzędzia takie pracują w trudnych warunkach zmiennych obciążeń, dużego tarcia i działania wysokiej temperatury, gdyż ich cienkie krawędzie tnące w wyniku intensywnego skrawania mogą nagrzewać się lokalnie do 700°C. Wynikające z warunków pracy wymagania stawiane narzędziom skrawającym, to duża ciągliwość i wytrzymałość, odporność na ścieranie i działanie wysokiej temperatury. Odporność na ścieranie i działanie wysokiej temperatury zwiększa się po zastosowaniu obróbki cieplno-chemicznej.
Narzędzia skrawające ze stali szybkotnących są poddawane zwykle niskotemperaturowym procesom obróbki cieplno-chemicznej, takim jak:

- azotowanie,
- utlenianie w parze wodnej,
- tlenoazotowanie,
- węgloazotowanie niskotemperaturowe,
- siarkoazotowanie,
- siarkowęgloazotowanie.

Azotowanie jonowe. W metodzie tej przedmiot obrabiany jest wprowadzany do pieca w którym znajduje się gaz pod obniżonym ciśnieniem 13-1300 Pa. Między przedmiotem obrabianym a ścianą pieca panuje napięcie 400-1000 V. Wsad stanowi katodę, a ściany pieca anodę. Do zalet jonowej obróbki cieplno - chemicznej należy zaliczyć dużą szybkość i wydajność procesu, łatwą regulację grubości i struktury warstwy wierzchniej, dużą czystość przedmiotu obrabianego i możliwości obniżenia temperatury procesu. Wadą jest duży koszt urządzenia. Utlenianie w parze wodnej narzędzi skrawających wykonuje się w zakresie temperatury 510-560°C przez czas 0,5-2 godz. Tlenoazotowanie narzędzi wykonuje się w zakresie 520-560°C w atmosferze zawierającej 75% H₂0 i 25% amoniaku dla narzędzi drobnych i cienkoostrzowych oraz zawierającej 50% Hz0 i 50% NH₃ dla narzędzi o dużych wymiarach. Stale szybkotnące poddaje się również azotowaniu selektywnemu, tj. utlenianiu w parze wodnej w temperaturze ok. 520°C, a następnie azotowaniu w amoniaku w temperaturze 540-560°C i ewentualnym ponownym wygrzaniu w parze wodnej.
Węgloazotowanie niskotemperaturowe narzędzi skrawających wykonuje się w temperaturze 530-570°C. Własności narzędzi praktycznie nie zależą od zastosowanych w atmosferze azotującej węglowodorów. Do węgloazotowania gazowego narzędzi zalecane są atmosfery złożone z 30-35% amoniaku i 70-75% węglowodorów. Węgloazotowanie kąpielowe narzędzi skrawających odbywa się zazwyczaj w zakresie temperatury 520-570°C przez 5-30 min. Krótsze czasy i silnie aktywne kąpiele są stosowane do narzędzi o mniejszych wymiarach, natomiast dłuższe czasy i kąpiele o słabszej aktywności są stosowane do narzędzi o większych wymiarach.
Siarkowęgloazotowanie wykonuje się w kąpielach lub atmosferach gazowych. Kąpiele zawierają oprócz soli węgloazotujących również związki siarki. Domieszka związków siarki w kąpielach cyjankowych zwiększa aktywność, co powoduje, że niskocyjanowe kąpiele z dodatkiem siarki azotują tak intensywnie jak kąpiele średnio i wysokocyjanowe. Ze względu na toksyczne działanie soli w procesie siarkowęgloazotowania kąpielowego obecnie proces ten prowadzi się w atmosferach gazowych. Jest on realizowany w atmosferze amoniaku i par siarki w temperaturze 500-600°C przez 0,5-6 godz. Prowadzone są również próby stosowania innych metod obróbki cieplno-chemicznej do narzędzi np. borowania, boroaluminiowania lub kompleksowego nasycania tlenem, siarką, borem, węglem i azotem.
Obróbkę cieplno-chemiczną narzędzi skrawających wykonuje się w zasadzie jednorazowo. Własności narzędzi skrawających po takiej obróbce utrzymują się przez cały okres eksploatacji narzędzia, zwłaszcza w przypadku narzędzi kształtowych i obwiedniowych, do gwintów i uzębień oraz wierteł, frezów tarczowych itp. Przyjęto zasadę, że obróbkę cieplno-chemiczną stosuje się do narzędzi pracujących na powierzchni przyłożenia, a ostrzonych na powierzchni natarcia. Po ostrzeniu narzędzi na powierzchni natarcia i pozostawieniu warstwy wierzchniej na powierzchni przyłożenia, trwałość ostrzy pozostaje jeszcze nadal większa niż w narzędziach nie poddanych obróbce cieplno-chemicznej.

Rodzaje zużycia ostrza skrawającego

   Baza Wiedzy

  

Procesy technologiczne występujące w strefach styku ostrza z przedmiotem obrabianym i wiórem prowadzą do zużycia, a w następstwie do nagłej lub stopniowej utraty zdolności skrawnych ostrza. Objawami zużycia ostrza są: zmiany kształtu (geometrii), pęknięcia, ubytki materiału i zmiany własności warstwy wierzchniej. Zużycie narzędzi powoduje wzrost sił i mocy skrawania, zwiększone wydzielanie ciepła, występowanie drgań pogorszenie stanu powierzchni obrobionej i spadek dokładności wymiarowokształtowej przedmiotu.
Ze względu na sposób narastania wyróżnia się:

- zużycie ciągłe, wywołujące w czasie wzrost charakterystycznych wskaźników zużycia ostrza;
- zużycie skokowe (wytrzymałościowe), polegające na jednorazowym lub powtarzającym się mniejszym lub większym ubytku ostrza, która prowadzi do przedwczesnej utraty zdolności skrawnych.

W zależności od warunków skrawania zużycie ostrza może koncentrować się głównie na powierzchni przyłożenia, jednocześnie na powierzchni przyłożenia i natarcia, głównie na powierzchni natarcia. Zasięg starcia na powierzchni przyłożenia i wielkość rowka (krateru, żłobka) na powierzchni natarcia ocenia się za pomocą znormalizowanych parametrów geometrycznych, zwanych wskaźnikami zużycia ostrza.

1. Starcie na powierzchni przyłożenia.,
2. Zużycie w formie krateru,
3. Odkształcenie plastyczne,
4. Narost,
5. Wykruszenia,
6. Pęknięcia cieplne,
7. Powstawaniu karbów.

Wymagania dla materiałów na narzedzia skrawające

   Baza Wiedzy

  

Do wymagań można zaliczyć:

- dużą twardość, która powinna być większa o 20-30 HRC od twardości obrabianego materiału; twardość ostrza nie może być jednak zbyt duża, gdyż nadmiernemu jej wzrostowi towarzyszy zazwyczaj zwiększenie kruchości-zjawisko szczególnie niekorzystne dla ostrzy pracujących w warunkach skrawania przerywanego;
- dużą odporność na niekorzystne działanie wysokiej temperatury, powodującej obniżenie się twardości i wytrzymałości ostrza;
- dużą odporność na szybko zmieniającą się temperaturę;
- dużą odporność na ścieranie;
- dobrą sprężystość;
- dużą odporność na chemiczne działanie otoczenia, środka chłodząco-smarującego i obrabianego materiału;
- dużą wytrzymałość na obciążenia mechaniczne zmieniające się co do wartości i kierunku działania;
- dużą przewodność i duże ciepło właściwe;
- współczynnik rozszerzalności cieplnej, jak najbardziej zbliżony do współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału części chwytowej (w przypadku narzędzi bimetalicznych);- dobrą podatność na obróbkę cieplną- dotyczy to materiałów, które swoje własności skrawne uzyskują po obróbce cieplnej;
- małą podatność na zmiany wymiarów i kształtu - w przypadku ostrzy narzędzi kształtowych;- małą wrażliwość na niekorzystne zjawiska zachodzące podczas ostrzenia (np. odpuszczenie powierzchniowe).

Mechanizmy zużycia ostrza skrawającego

   Baza Wiedzy

  

  Mechanizmy zużycia

Materiały na narzędzia do obróbki wiórowej

   Baza Wiedzy

  

		Zużycie ścierne występuje wówczas, gdy zachodzi zjawisko usuwania cząstek materiału ostrza na skutek zaczepiania się mikronierówności powierzchni współpracujących, w wyniku czego występuje mikroskrawanie, bruzdowanie i rysowanie powierzchni ostrza. W procesie ścierania biorą udział twarde cząstki w materiale obrabianym, które zachowują dużą twardość w temperaturach kontaktowych, cząstki periodycznie zrywanego narostu i utlenione produkty zużycia. Zużycie wytrzymałościowe (zmęczenie mechaniczne) jest wynikiem przekroczenia wytrzymałości doraźnej lub zmęczeniowej i objawia się w postaci: - wyszczerbień krawędzi ostrza, dających pod mikroskopem charakterystyczne nierówności krawędzi zwane szczerbatością, - wykruszeń obejmujących nieco większe objętości materiału ostrza w strefie styku z materiałem obrabianym, - wyłamań sięgających poza tę strefę, - pęknięć. Zużycie adhezyjne polega na zjawisku bardzo silnego łączenia się (sczepiania) cząstek materiałów współpracujących pod wpływem sił przyciągania międzycząsteczkowego. Nieustanne niszczenie tych połączeń prowadzi do oddzielenia cząstek materiału ostrza i tworzenia ubytków. Zużycie adhezyjne występuje praktycznie w całym zakresie stosowanych prędkości skrawania, z tym że największa intensywność pokrywa się ze strefą powstawania stabilnego narostu. Wzrost temperatury w strefie styku może spowodować przejście zużywania ściernego w adhezyjne lub adhezyjnego w dyfuzyjno-adhezyjne. Zużyciem dyfuzyjnym nazywamy zmiany stanu ostrza wywołane dyfuzją atomów z materiału ostrza do materiału obrabianego (i odwrotnie), na skutek bezładnego ruchu cieplnego atomów. Intensywność procesu dyfuzji zależy od składu chemicznego stykających się ciał, a w szczególności od gradientu stężenia pierwiastków dyfundujących na granicy styku powierzchni oraz temperatury. W wyniku dyfuzji ulegają zmianie właściwości warstwy wierzchniej ostrza, co wywiera wpływ na właściwości skrawne ostrza. Najszybciej z ostrza dyfunduje węgiel, natomiast wolniej wolfram, kobalt i tytan. Do ostrza natomiast z materiału obrabianego dyfunduje żelazo. W wyniku niejednakowej prędkości dyfuzji między narzędziem, wiórem i materiałem obrabianym tworzą się trzy typy warstw dyfuzyjnych. 1) warstwa wzbogacona w węgliki, która jest krucha i zostaje łatwo usuwana przez spływający wiór, 2) warstwa biała utworzona z roztworu stałego węgla i wolframu, lub węgla, wolframu i tytanu w żelazie y, 3) warstwa nawęglona. Pojawienie się tych warstw powoduje przyspieszone zużycie ostrza aż do całkowitego stępienia. Klasycznym przykładem zużycia dyfuzyjnego jest zużycie ostrza diamentowego przy toczeniu stali. Jest ono wywołane intensywnym rozpuszczaniem się węgla (z narzędzia diamentowego) w austenicie w temperaturach powyżej 900°C. Z kolei podczas skrawania metali kolorowych miedzi, cynku, aluminium i ich stopów z dużymi prędkościami skrawania, zużycie dyfuzyjne ostrza diamentowego nie pojawia się w ogóle. Również ostrza ceramiczne, których głównym składnikiem jest chemicznie obojętny Al203 nie ulegają zużyciu dyfuzyjnemu i mogą pracować z dużo większymi prędkościami skrawania. Zużycie cieplne ostrza polega na zmianach własności materiału wywołanych przekroczeniem dopuszczalnych temperatur skrawania. W wyniku działania zbyt wysokich temperatur i dużych nacisków kontaktowych zachodzą nieodwracalne zmiany strukturalne warstw wierzchnich ostrza, pogorszenie własności mechanicznych (twardości, wytrzymałości), oraz zniekształcenia plastyczne ostrza. Przy nagrzaniu stykowych warstw ostrza do temperatury 900-1200°C występuje wysokotemperaturowe pełzanie, którego skutkiem jest plastyczne płynięcie materiału i deformacja (osiadanie) krawędzi skrawającej. Deformacja plastyczna jest zjawiskiem typowym dla ostrzy ze stali szybkotnących, niemniej obserwowana jest również w przypadku ostrzy węglikowych i ceramicznych. W wyniku deformacji zmienia się znacznie geometria ostrza, co jest dodatkową, wtórną przyczyną wzrostu intensywności zużycia. Zużycie chemiczne wywołane jest chemicznym działaniem ośrodka, polegającym na nieustannym tworzeniu i usuwaniu warstewek tlenków i innych związków chemicznych na powierzchni styku ostrza z materiałem obrabianym. Utlenianie występuje szczególnie intensywnie przy podwyższonych temperaturach skrawania, a zatem w tym samym zakresie temperatur co zużycie dyfuzyjne.

Podstawowymi materiałami stosowanymi na ostrza narzędzi do obróbki wiórowej są:

- stale narzędziowe węglowe,
- stale narzędziowe stopowe,
- stale szybkotnące,
- węgliki spiekane metali trudnotopliwych,
- węgliki spiekane powlekane twardymi warstwami wierzchnimi,
- spiekane materiały ceramiczne i ceramiczno-węglikowe,
- supertwarde materiały narzędziowe (diament, regularny azotek boru BN).

Stale narzędziowe węglowe są najtańsze spośród stali narzędziowych. Klasyfikuje się je na podstawie składu chemicznego, a głównie zawartości węgla oraz hartowności i wrażliwości na przegrzanie. Stale te dzieli się na płytko i głęboko hartujące się. Znak gatunku stali narzędziowych węglowych składa się z litery i liczby. Litera N umieszczona na początku znaku oznacza stal narzędziową węglową, a następująca po niej liczba jedno lub dwucyfrowa oznacza średnią zawartość węgla w dziesiętnych częściach procentu. W przypadku stali płytko hartującej się na końcu występuje litera E. Stale płytko hartujące się są stalami drobnoziarnistymi o małej wrażliwości na przegrzanie i hartują się na głębokość około 20 mm. Są stosowane do wyrobu narzędzi o grubości mniejszej niż 20 mm. Stale głęboko hartujące się hartują się na głębokość powyżej 20 mm. Większa hartowność tych stali przy tej samej zawartości węgla jest spowodowana głównie wyższą temperaturą hartowania i większym ziarnem.
Do zalet stali narzędziowych węglowych można zaliczyć: dużą wytrzymałość na rozciąganie, skręcanie i zginanie, dobrą podatność na szlifowanie, stosunkowo mały koszt wytwarzania.
Stale te wykazują jednak szereg wad ograniczających ich zakres stosowania. Przy temperaturach skrawania przekraczających około 200°C szybko tracą twardość, a co za tym idzie, również własności skrawne. Z uwagi na znaczną odkształcalność stali narzędziowych węglowych w procesie obróbki cieplnej, nie można z nich wykonywać narzędzi o zbyt małych średnicach. Również nie należy wykonywać z tych stali narzędzi o zbyt dużych wymiarach i o złożonym kształcie. Podczas hartowania ze względu na niską hartowność i konieczność dużej prędkości chłodzenia istnieje możliwość pękania narzędzi.
Z powyższych względów stale narzędziowe węglowe znajdują ograniczone zastosowanie do wyrobu narzędzi przeznaczonych głównie do obróbki ręcznej z małymi prędkościami skrawania (pilniki, brzeszczoty, gwintowniki, rozwiertaki) materiałów o dobrej skrawalności. Znaki gatunku: N8, N8E, N9, N9E, N11, N12, N13.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno są wytwarzane jako średniowęglowe o stężeniu 0,40-0,60% C oraz wysokowęglowe o stężeniu węgla 0,75-2,1 %. Stale średniowęglowe cechuje zwiększona plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, natomiast wysokowęglowe - większa odporność na ścieranie i dlatego są stosowane głównie do wyrobu narzędzi skrawających.
Znak gatunku stali narzędziowej stopowej do pracy na zimno składa się z liter i z liczby. Litera N na początku znaku oznacza stal narzędziową stopową do pracy na zimno. Następne litery znaku informują o najważniejszych pierwiastkach stopowych, którymi są: M - mangan, S - krzem, C - chrom, W - wolfram, L - molibden, V - wanad, P - grupa pierwiastków chrom + nikiel + wanad, Z - grupa pierwiastków krzem + wolfram + wanad. Liczba, która może być umieszczona po literach, umożliwia odróżnienie gatunków stali zawierających te same pierwiastki, lecz w różnych ilościach (np. w stalach NC4, NCS, NC6, NC1l liczby oznaczają numer stali w grupie stali chromowych a nie zawartość pierwiastka).(NMV, NCV1, NCMS, NC6).
Wspólną cechą stali narzędziowych stopowych jest to, że odznaczają się większą odpornością na temperaturę niż stale narzędziowe węglowe. Stale narzędziowe węglowe wykazują zmniejszenie wytrzymałości i twardości przy temp. 200°C, a narzędziowe stopowe od 300 do 350°C. Nie jest to jednak na tyle wysoka temperatura, aby pozwoliła na znaczne zwiększenie wydajności skrawania.
Dodatnią cechą tych stali jest duża odporność na zmiany kształtu i wymiarów po hartowaniu oraz dość duża odporność na ścieranie. Stąd też stale te są głównie wykorzystywane do wyrobu narzędzi przeznaczonych do obróbki ręcznej - zwłaszcza dużych narzynek i gwintowników - oraz narzędzi do obróbki materiałów łatwo skrawalnych.

Nazwa "stale szybkotnące" wskazuje, że wykonane z nich narzędzia mogą skrawać z dużą szybkością. Przez obróbkę cieplną można tym stalom nadać dużą twardość, która maleje tylko nieznacznie jeśli narzędzie nagrzeje się do temperatury czerwonego żaru skutkiem tarcia o skrawany materiał. Stale niestopowe i niskostopowe w tych warunkach szybko tracą twardość, a wykonane z nich narzędzia tępią się. Podstawowymi własnościami stali szybkotnących są: zdolność zachowania twardości i odporności na ścieranie przy temperaturach do 570-:-630°C. Te własności nadaje stalom szybkotnącym twarda i nie mięknąca pod wpływem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone są twarde węgliki. Brak mięknięcia osnowy stali przy nagrzaniu do tak wysokiej temperatury jest spowodowany wystąpieniem efektu twardości wtórnej. Polega on na wydzielaniu z martenzytycznej osnowy w temperaturach 560-580°C niezależnie zarodkujących węglików typu MC i MZC (W, Mo), które powodują wzrost twardości stali.
Znak gatunku stali szybkotnącej składa się z litery S oznaczającej stal szybkotnącą, liter oznaczających najbardziej charakterystyczne pierwiastki stopowe: W - wolf ram, K - kobalt, M - molibden, V - wanad, C - węgiel (tylko dla gatunków o zwiększonej zawartości węgla) i liczby określającej średnią zawartość najbardziej charakterystycznego pierwiastka stopowego.( SW18, SW7M, SK5).
Wolfram jest podstawowym składnikiem stali szybkotnących. Jego wpływ na własności stali zależy od zawartości pozostałych składników stopowych a w szczególności od zawartości wanadu. W stalach o zawartości wanadu 1-1,2% wzrost zawartości wolframu od 5-18% powoduje prawie proporcjonalny wzrost własności skrawnych i odporności na wysokie temperatury. Stale szybkotnące mają dużą wytrzymałość: na rozciąganie 1600-2600 MPa, zginanie 2900-3900 MPa, ściskanie 2900-3900 MPa, dobrą przewodność cieplną, dużą twardość w stanie zahartowanym i odpuszczonym oraz bardzo dużą odporność na ścieranie.
Stale szybkotnące, oprócz węglików spiekanych są podstawowymi materiałami do wytwarzania ostrzy narzędzi skrawających. Ostrza ze stali szybkotnących są podatne na zjawiska adhezji i dyfuzji, zwłaszcza podczas skrawania stali konstrukcyjnych stopowych. Ze względu na duży koszt stali szybkotnących większość narzędzi, zwłaszcza skrawających: noże tokarskie, strugarskie, duże wiertła kręte, gwintowniki, rozwiertaki, pogłębiacze, wykonuje się jako bimetaliczne. Ostrze lub część robocza ze stali szybkotnącej łączona jest z częścią chwytową wykonaną ze stali konstrukcyjnej za pomocą zgrzewania.

---