PODSTAWY OBRÓBKI UBYTKOWEJ

WYKŁAD I 20.02.2012

Literatura:

Olszak W. „Obróbka skrawaniem”

Grzesik W. „Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych”, „-II- metalowych”

Jemielniak K.: „Obróbka skrawaniem”

Filipowski R. : „ Techniki obróbki mechanicznej i erozyjnej”

Siwczyk W.: „Obróbka elektroerozyjna”

Zaleski K.:” Laboratorium obróbki ubytkowej”

Zalety obróbki ubytkowej:

• dokładność

• mała chropowatość

• stan warstwy wierzchniej

$$R_{a} = \sim\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}\left| z_{i} \right|$$

$$R_{a} = \frac{1}{l}\int_{0}^{l}{\left| z(x) \right|\text{dx}}$$

Drugi podział obróbki ubytkowej:

• ręczna

• ręczno-maszynowa

• maszynowa

• maszynowo-zautomatyzowana

Rodzaje obróbki:

• zgrybna

• średnio dokładna

• dokładna

• bardzo dokładna

Fazy obróbki:

• wstępna

• kształtująca

• wykończeniowa

Sposoby obróbki:

• toczenie

• wiercenie

• frezowanie

• rozwiercanie

• pogłębianie

• stryganie

• szlifowanie

Obróbka wiórowa:

• twardość narzędzia > twardość przedmiotu obrabianego; materiały ~ 20 HRC

• ruch N względem PO kinematyka skrawania

• klinowy kształt narzędzia geometria ostrza

Materiały narzędziowe:

• twardość

• właściwości w podwyższonej temperaturze

• duża wytrzymałość

• odporność na zużycie ścierne

• łatwość kształtowania

• niska cena

WYKŁAD II 27.02.2012

Podstawowe materiały narzędzi do obróbki skrawaniem:

1. stale szybkotnące

2. węgliki spiekanie

3. ceramika narzędziowa

4. materiały supertwarde

Ad.1.

Stale wysokostopowe – 0,8 ÷ 1,2 % C; 30-40 m/min; wolfram, molibden, wanad, kobalt. Stale szybkotnące można podzielić na : 1) otrzymywane w klasycznym procesie metalurgicznym - STALE PRZEKUTE Z WLEWKA – do 25 % pierwiastków stopowych (W, Mo, V, C); wpływają na zwiększenie twardości stali, na odporność na wysoką temperaturę; mają twardość 63÷64 HRC; pracują w temperaturze 600÷640 °C; zastosowanie: wiertła, frezy, dłutaki; symbol HS (high-speed) + symbole cyfrowe wskazujące na podstawową zawartość pierwiastków; wyróżnia się kobaltowe i bezkobaltowe; bezkobaltowa – HS652, kobaltowa – HS6525; dla norm starszych od PN-EN oznaczenie symbolu to S; mogą być poddawane obróbce cieplno – chemicznej : pasybowanie (natlenianie), azotowanie, węglo – azotowanie, węglo – azoto – nasiarczanie (zmniejszenie tarcia), nakładanie powłok, np. TIC (węglik tytanu); powłoki te nakłada się metodą PVD; zmienia się kolor narzędzi na złoty (po PVD) za skutkiem użycia azotu tytanu; grubość powłoki max 70 μm; zwiększenie prędkości lub długości pracy; 2) stale szybkotnące spiekane – zawartość do 30 % pierwiastków stopowych; twardość 65÷66 HRC; większa odporność na zużycie; oznaczenie podobne – zamiast HS – P, np. P652.

Ad.2.

Węgliki spiekane – materiały otrzymywane technologią spieków; materiał wyjściowy rozdrobiony do proszku, następnie spiekanie mieszaniny; 100-150 m/min; powlekane : 300 m/min; 1) węgliki wolframowe WC+C; oznaczenie według normy PN-EN K-10, K-20; liczba związana z zawartością pierwiastka, wg. PN H10, H20; oznaczenie – kolor czerwony; 2) węgliki wolframowo – tytanowe WC + TiC + Co – wg. PN-EN : P10, P20…, wg. PN : S10, S20 itd.; oprócz w.w. grupa N (PN-EN), U (PN); właściwości: 70 HRC = 87÷90 HRA; bardziej kruche od HS; temperatura pracy - 800÷900 °C; rzadko wykonuje się całe narzędzia wykonane z tego materiału (np. wiertła, frezy), ponieważ jest to materiał drogi, wykonuje się tylko materiał skrawający; zastosowanie : grupa K – skrawanie materiałów kruchych (np. żeliwa), metali nieżelaznych (np. stop tytanu); grupa P – obróbka stali; grupa N – stale nierdzewne, żaroodporne; narzędzia z powłokami przeciwzużyciowymi metodą CVD – powłoki wieloskładnikowe o symbolach N+35.

Ad.3.

Ceramika narzędziowa – temp. pracy do 1200°C; 1000-1500 m/min; 1)ceramika tlenkowa – podstawowy składnik : Al₂O₃ – tlenek aluminium; twardość 91÷93 HRA; kruche, mała wytrzymałość na zginanie, zalecane do skrawania ciągłego, wrażliwa na wahania temperatury, odporna chemicznie; jasny kolor; ceramika biała; 2) ceramika tlenkowo – węglikowa - Al₂O₃ + WC + TiC – ceramika czarna; odporna na szoki termiczne; 3) ceramika azotkowa – Si₃N₄ – ceramika szara; mniej wrażliwa na szoki termiczne, można stosować ciecze obróbkowe, mało odporna na czynniki chemiczne; 4) sialony – Si₅AlON₇; 5) ceramika kompozytowa – z co najmniej dwóch składników; jedne z nich są wzmacniające; włókno SiC nadaje większą spójność;

Ad. 4.

Materiały supertwarde : 1) diament - do wytwarzanie wgłębników, którymi się mięrzy twardość innych materiałów, temperatura pracy 700÷800 °C; bardzo ostre krawędzie, usuwanie cienkich warstw materiałów, duża gładkość; R_a rzędu 0,01μm; dzielą się na : diamenty syntetyczne (SD), polikrystaliczne (PKD), naturalne; 2) regularny azotek boru – CBN (borazon) – twardość podobna do diamentu, temperatura pracy do 1400 °C, można obrabiać bardzo twarde materiały, np. stal hartowaną;

KINEMATYKA SKRAWANIA:

Ruchy w obróbce skrawaniem:

Ruchy podstawowe Ruchy pomocniczne

-obrotowy -np. ruch nadający narzędziu położenie

-przemieszczanie się narzędzia wejściowe

główny posuwowy

warunkujący zaistnienie warunkujący kontynuację

procesu skrawania procesu skrawania

Prędkość ruchu głównego = prędkość skrawania = V_C [m/min]

$$V_{C} = \frac{\pi D \bullet n}{1000}\lbrack m/min\rbrack$$

n – liczba obrotów [obr/min]

D – średnica [mm]

f – posuw [mm/obr]

V_f – prędkość posuwu

V_f = f • n[mm/min]

Parametry skrawania:

• prędkość skrawania V_C

• posuw f

• głębokość skrawania a_p [mm] (odległość powierzchni obrobionej od obrabianej)

$$a_{p} = \frac{D - d}{2}\lbrack mm\rbrack$$

Płaszczyzny w geometrii ostrza:

P_r – płaszczyzna podstawowa – prostopadła do wektora ruchu głównego; zwykle jest prostopadła bądź równoległa do bazowych elementów narzędzia;

P_s – płaszczyzna skrawania – styczna do krawędzi skrawającej i prostopadła do płaszczyzny podstawowej;

P_o – płaszczyzna ortogonalna (przekroju głównego) prostopadła do płaszczyzny podstawowej i prostopadła do płaszczyzny skrawania;

P_f – płaszczyzna boczna – prostopadła do płaszczyzny podstawowej i równoległa do kierunku ruchu posuwowego;

P_p – płaszczyzna tylna – prostopadła do płaszczyzny podstawowej i prostopadła do płaszczyzny bocznej;

P_n – płaszczyzna normalna – prostopadła od krawędzi skrawającej;

WYKŁAD III

KĄTY W GEOMETRII OSTRZA:

Kąt przyłożenia α – im większy kąt α, tym tarcie jest mniejsze; α – kilka ÷ kilkanaście °

Kąt natarcie γ – im większy, tym ostrze ma bardziej klinowy kształt i łatwiej wchodzi w materiał, ale za to ostrze się osłabia; kąt γ dobiera się w zależności od materiału narzędzia;

Kąt przystawienia χ – im większy kąt przystawienia, tym mniejsza siła i tym mniejszy ε i mniejsza wytrzymałość; kąt przystawienia wpływa na chropowatość powierzchni; ε_r = 30÷90°; χ_r = kilka ÷ kilkadziesiąt °

Kąt pochylenia λ_s – ma wpływ na trwałość narzędzi, kierunek spadania wiórów – z tego względu lepiej jest gdy λ_s > 0

WARSTWA WIERZCHNIA PRZEDMIOTU PO OBRÓBCE SKRAWANIEM:

warstwa wierzchnia – część objętości przedmiotu obrabianego wraz z powierzchnią; charakteryzuje się odmiennymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi innymi od wnętrza przedmiotu;

Właściwości warstwy wierzchniej:

stereometryczne:

• chropowatość

• falistość

• wady powierzchniowe

fizyczne:

• mikrostruktura

• mikrotwardość

• naprężenia własne

SIŁY SKRAWANIA:

F_C – siła skrawania

F_F – siła posuwowa

F_P – siła odporowa

F = F_C + F_F + F_P

$$F = \sqrt{F_{C}^{2} + F_{P}^{2} + F_{F}^{2}}$$

F_C = k_c • A

k – opór właściwy skrawania

a – nominalne pole przekroju

F_F – 0,2 ÷ 0,5 F_C przy stali

F_c = C_C • a_p^e_c • f^u_c • K_C

C_C – współczynnik uzależniony od sposobu obróbki

K_C = K_Cm • K_Cn • K_Cγ • K_Cχ • K_Ck • K_CVB • K_CC

K_Cm – materiał

K_Cn – narzędzie

K_Cγ – kąt natarcia

K_Cχ – kąt przystawienia

K_Ck – kształt powierzchni

K_CVB – zużycie narzędzia

K_CC – ciecz obróbkowa

e_c, u_c – wykładniki doświadczalne

k_c – iloczyn współczynników

F_P = C_p • a_p^e_p • f^u_p • K_p

F_F = C_f • a_p^e_p • f^u_p • K_f

$$M_{C} = \frac{F_{C} \bullet D}{2}$$

P_C = F_C • V_C + F_P • V_P + F_F • V_F

P_C = F_C • V_C

$$P_{C} = \frac{F_{C} \bullet V_{C}}{60 \bullet 1000}\lbrack kW\rbrack$$

F_C = [N]

V_C = [m/min]

$\eta = \frac{P_{C}}{P_{S}};\ \ P_{S} = \frac{P_{C}}{\eta}$

WYKŁAD IV

Ciepło w procesie skrawania:

1. dokładność skrawania

2. warstwa wierzchnia

3. materiał narzędzia

Q_osp – ciepło odkształceń sprężystych i plastycznych

Q_tn – ciepło tarcia do powierzchni natarcia

Q_tp – ciepło tarcia do powierzchni przyłożenia

Q_osp + Q_tn + Q_tp = Q_W + Q_N + Q_PO + Q_PR(+Q_C)

Q_W – wiór

Q_PR – powietrze

Q_C – ciecz

Ciecze obróbkowe:

1. stosuje się w celu obniżenia temperatury skrawania

2. smarowanie – zmniejsza tarcie między N i W oraz N i PO

3. oddziaływanie powierzchniowo – aktywne (uplastycznienie materiału obrabianego lub zmniejszenie współczynnika tarcia)

4. działanie zmywające (usuwanie okruchów i brudów)

5. zabezpieczenie przed korozją

PRZYKŁADY CIECZY:

o działaniu smarującym:

• oleje

  • mineralne

  • syntetyczne

  • roślinne

  • zwierzęce

    • ZASTOSOWANIE : mała prędkość skrawania; duże naciski; obróbka wykończeniowa, przeciąganie, gwintowanie, rozkręcanie;

o działaniu chłodzącym:

• roztwory wodne (np. roztwory mydeł)

• emulsje (np. emulsja wodno – olejowa)

  • ZASTOSOWANIE – duże prędkości skrawania; duże wydzielane ciepło;

ZUŻYCIE I TRWAŁOŚĆ OSTRZA:

1. zużycie mechaniczne

   1. ścierne

   2. wytrzymałościowe katastroficzne

      • doraźne

      • zmęczeniowe

2. adhezyjne

3. dyfuzyjne

4. chemiczne

5. cieplne

I – okres docierania się narzędzia

II – okres stabilnej pracy

III – okres przyspieszonego zużycia

T – okresowa trwałość ostrza, czas pracy narzędzia, w którym wskaźnik zużycia narzędzia osiąga wartość dopuszczalną

T – kilkanaście ÷ kilkadziesiąt minut

VB –kilka dziesiątych mm ÷ 2/3 mm

ŻYWOTNOŚĆ NARZĘDZI (trwałość całkowita) – i * T

i – ilość ostrzeń

TRWAŁOŚĆ WYMIAROWA – czas pracy narzędzia po upływie którego przedmioty obrabiane nie mieszczą się w polu tolerancji

TRWAŁOŚĆ OSTRZA ZALEŻY OD:

• materiału obrabianego

• materiału ostrza

• geometrii ostrza

• cieczy obróbkowej

• parametrów obróbki

TRWAŁOŚĆ OSTRZA TO : $T = \frac{C_{T}}{V_{C}^{S}}$, gdzie : s = 3÷8 $V_{C} = \frac{C_{V}}{T^{m} \bullet a_{p}^{e_{v}}f^{u}} \bullet K$

K – iloczyn współczynników poprawkowych

m = 1/s

SKRAWALNOŚĆ MATERIAŁÓW:

podatność na obróbkę skrawaniem

1. trwałość ostrza (prędkość skrawania)

2. siły skrawanie

3. chropowatość powierzchni

4. kształt wiórów

Łatwoskrawalne:

• stopy aluminium

• stale niskostopowe

• stale niestopowe

• stopy magnezu

• stopy miedzi

Trudnoskrawalne:

• stopy litu

• stopy tytanu

• stale nierdzewne

• stale żarowytrzymałe

• stale kwasoodporne

• kompozyty

DRGANIA W PROCESIE SKRAWANIA:

zły wpływ na chropowatość, wytrzymałość narzędzi;

Drgania w procesie skrawania:

1. nie związane z układem OUPN

2. związane z układem OUPN

   1. nie związane z procesem skrawanie

   2. związane z procesem skrawania

      • pochodzące od zmiennych sił skrawanie

      • drgania samowzbudne (występujące wskutek procesów tarcia)

CZAS MASZYNOWY – taki czas pracy maszyny, by można było obrobić daną powierzchnię:

$$t_{m} = \frac{L}{V_{f}}i_{p} = \frac{l_{d} + l_{p} + l_{w}}{f \bullet n}i_{p}\lbrack min\rbrack$$

l_d, l_p, l_w [mm]

f [mm/obr]

n [obr/min]

$$\frac{l_{d}}{a_{p}} = ctg\chi_{r}$$

l_d = a_p • ctgχ_r

$$czas\ skrawania - \ t_{s} = \frac{l_{p}}{f \bullet n}i_{p}$$

WYDAJNOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SKRAWANIA:

Q_V = A • V_C • 1000[mm³/min]

gdzie A – pole przekroju

Q_V = 1000a_p • f • V_C[mm³/min]

A [mm], f [mm], V_c [m/min]

SPOSOBY OBRÓBKI SKRAWANIEM:

TOCZENIE:

1. punktowe

2. kształtkowe

3. obwiedniowe

Ad. a) I – wzdłużne – kierunek ruchu posuwowego jest równoległy do osi przedmiotu obrabianego wzdłużnie; można toczyć powierzchnie zewnętrzne i wewnętrzne

II – poprzeczne – kierunek ruchu posuwowego jest prostopadły do osi przedmiotu obrabianego

III – skośne – wewnętrzne i zewnętrzne

IV – toczenie punktowe powierzchni o złożonym zarysie ( za pomocą kopiału lub na tokarkach sterowanych numerycznie za pomocą programu); można toczyć zewnętrznie i wewnętrznie;