Obróbka ubytkowa wykład 13.10.2011r
Obróbka ubytkowa jest szczególnie przydatna do kształtowania przedmiotów o różnych kształtach i różnej masie.
Wzrost osiąganej dokładności obróbki ubytkowej wg Taniguchi.
Proces skrawania rozwiązuje się w układzie: obrabiarka – uchwyt – przedmiot – narzędzie.
F’ – powierzchnia obrabiana
F” – powierzchnia obrobiona
F0 – powierzchnia nominalna
Fskr – chwilowa powierzchnia, którą zakreśla krawędź skrawająca
S – krawędź skrawająca
W czasie procesu warstwa skrawana zamienia się w wiór (chip).
Klinowy zarys ostrza:
Aγ – powierzchnia natarcia
Aα – powierzchnia
W procesie skrawania realizuje się różnego rodzaju ruchy:
Ruchy główne i posuwowe mogą być przypisywane elementowi skrawającemu i skrawanemu, ale głównie jednemu z tych elementów.
Prędkość obrotowa vc zwana prędkością skrawania
Zamiast prędkości ruchu posuwowego używane są posuwy:
obrotowy (f) w mm/obr
minutowy (fm) w mm/min
na ostrze (fz) w mm/ostrze – w przypadku narzędzi wieloostrzowych.
Głębokość skrawania ap
Głębokość skrawania określa różnicę pomiędzy położeniem powierzchni obrabianej i powierzchni obrobionej.
Rozróżnia się podstawowe sposoby obróbki skrawaniem:
Toczenie - przedmiot obrabiany wykonuje ruch obrotowy, narzędzie zaś (nóż tokarski) przesuwa się równoległe do osi obrotu przedmiotu lub prostopadle do niej, bądź wykonuje oba te ruchy łącznie. Toczenie stosuje się głównie w celu otrzymania powierzchni walcowatych, stożkowatych lub kulistych.
Struganie - przedmiot i narzędzie wykonują ruchy prostoliniowe, stosuje się je przede wszystkim do wykonywania płaszczyzn.
Wiercenie - narzędzie (wiertło) wykonuje ruch obrotowy i jednocześnie prostoliniowy postępowy ruch posuwowy. Ten rodzaj obróbki służy do wykonywania otworów.
Frezowanie - narzędzie (frez) wykonuje ruch obrotowy, przedmiot obrabiany przesuwa się prostoliniowo. Przedmiot może wykonywać również ruch prostoliniowy obrotowy jednocześnie.
Szlifowanie - narzędzie (ściernica) wykonuje szybki ruch obrotowy. Przedmiot obrabiany porusza się bądź ruchem prostoliniowym (szlifowanie płaszczyzn), bądź obrotowym (szlifowanie powierzchni walcowych).
W celu dokładnego opisu geometrii ostrza wprowadza się odpowiednie układy odniesienia definiujące zbiory tzw. płaszczyzn odniesienia.
Układ narzędzia Vc
Układ roboczy Ve
Ad1.
Układ ten jest wykorzystywany do wyznaczenia geometrii ostrza w stosunku do bazy technologicznej.
Narzędzia monolityczne – wykonuje się ze stali narzędziowych szybkotnących; mogą być wykonane z węglików szybkospiekanych lub ceramiki,
Narzędzia bimetalowe (łączone w sposób stały) – zwykle zgrzewanie lub lutowanie części skrawającej do korpusu narzędzia,
Narzędzia po konstrukcji składanej – łączone w sposób mechaniczny
Ostrza narzędzi skrawających pracują w ekstremalnych warunkach mechanicznych i termicznych – temp. Do 1000°C i powyżej, ciśnienie do 2000 MPa.
Wymagane właściwości:
Twardość – co najmniej 3 razy większa niż obrabiany materiał
Ciągliwość – wymagana do przeniesienia nacisków 2000 MPa
Obojętność chemiczna – w temp. 700 – 1100°C
Właściwości materiałów narzędziowych:
Odporność na zużycie ścierne
Twardość w wys. temp. (tw. na gorąco)
Odporność termiczna,obojętność chemiczna w stosunku do mat. obrabianego
Wysoka wytrzymałość
Dobra ciągliwość (udarność, wytrzymałość narzędziowa), odporność na kruche pękanie,
Dobra kształtowalność, np. szlifowalność w przypadku narzędzi podlegających ostrzeniu.
Stale szybkotnące HSS (High Speed steel)
Węgliki spiekane WC – Co (Cemented Carbid)
Cermetale (cermety) – Ceramika + metal
Ceramika narzędziowa (spieki ceramiczne)
Ceramika tlenkowa
Ceramika mieszana
Ceramika azotkowa
SIALON
Materiały supertwarde
Polikrystaliczny diament PCD (polycrystalline diamond)
Regularny azotek boru CBN
Obecnie prawie wszystkie materiały narzędziowe są powlekane cienkimi warstwami, tzw. powłokami.
Zastosowanie różnych grup materiałów narzędziowych:
- ok. 60% - węgliki spiekane
- 11% - cermety
Stosowanie poszczególnych materiałów narzędziowych związane jest z ich odpornością termiczną, ich wskaźnikiem może być max temp. skrawania.
Jeśli chodzi o stale szybkotnące to max temp. skrawania nie może być wyższa od temp. odpuszczania (ok. 750°C)
Diament – 800 – 850 °C
Węgliki – 900 – 1100 °C
CBN – 1300 – 1400 °C
Ceramika – 1400 – 1500 °C
Stale szybkotnące stosuje się głównie na narzędzia obrotowe; wiertła, frezy, rozwiertaki, gwintowniki, piły tarczowe, przeciągacze.
Węgliki spiekane należą do spiekanych materiałów wytwarzanych z węglika wolframu z fazą kobaltową WC + Co + (TiC, TaC, NbT)
Fazy procesu wytwarzania węglików spiekanych
Wytwarzanie proszku (ziarna w zakresie 1 mikrometra)
Prasowanie
Spiekanie
Szlifowanie
Obróbka krawędzi
Pokrywanie (nakładanie powłok przeciwzużyciowych)
Znakowanie, etykietowanie, pakowanie
Właściwości węglików można kontrolować poprzez zawartość węglików potrójnych albo fazy kobaltowej.
Ciągliwość materiału zależy od wielkości ziarna
Stosuje się zasadnicze dwie grupy węglików:
Grupa wolframowa (zawartość WC>90%)
Grupa wolframowo tytanowa (zawartość TiC, TaC)
Węgliki spiekane dzielą się na 3 grupy zastosowań o charakterystycznej kolorystyce i oznaczeniach:
Grupa P (niebieska) – zastosowanie do obróbki stali i staliw
Grupa K (czerwona) – zastosowanie do obróbki żeliw i mat. niemetalowych
Grupa H (żółta) – zastosowanie do stali nierdzewnych i kwasoodpornych
Elementy węglików spiekanych produkuje się w postaci płytek wieloostrzowych
Oznakowanie płytek wieloostrzowych:
TPGN 1603 08 – E N – x x
1. Kształt płytki 2. Kąt przyłożenia 3. Dokładność płytki 4. Kształt pow. natarcia
5. Długość boku płytki 6. Grubość płytki 7. Wymiar naroża 8. Postać krawędzi skrawającej 9. Kierunek skrawania 10.11. dodatkowe informacje producenta.
Cermety stosuje się w obróbce wykończeniowej z małymi posuwami, ale większymi prędkościami skrawania
Ceramika skrawająca:
Na bazie tlenku glinu Al2O3
Ceramika siarkowa
Ceramika tlenkowa z dodatkiem tlenku cyrkonu
Ceramika tlenkowa z dodatkiem węglika tytanu
Ceramika tlenkowa z dodatkiem węglika tytanu i azotku tytanu
Ceramika tlenkowa z dodatkiem węglika krzemu (whiskersy)
Na bazie azotku krzemu Si3N4
SIALON
Azotek krzemu
C1 – ceramika tlenkowa (biała)
C2 – ceramika mieszana Al2O3 – TiC (czarna)
C3 – ceramika azotkowa
CT – cermet
CBN – regularny azotek boru
Zdecydowana większość elementów skrawających jest wytwarzana z nałożeniem cienkiej warstwy przeciwzużyciowej zwanej powłoką.
Powłoki umożliwiają zwiększenie twardości płytek do 2500 – 3000 HV
TiN – (azotek tytanu) warstwy uniwersalne, można je nakładać na stale szybkotnące, węgliki spiekane czy inne mat. jako warstwa zewnętrzna.
Powłoki umożliwiają zmniejszenie tarcia.
Obecnie stosuje się powłoki wielowarstwowe:
Podłoże
Nanostrukturalne powłoki
Powłoki nakłada się na podłoże węglikowe o b. małej drobnistości ziarna.
Zastosowanie poszczególnych materiałów przedstawia się zwykle w skali prędkości skrawania.
CBN – podstawowy materiał do obróbki utwardzonych staliw i żeliw.
Technologia obróbki w stanie utwardzonym nazywa się zwykle toczeniem albo frezowaniem.
PCD – diament
Materiały supertwarde stosuje się również na narzędzia ściernicze.
Odkształcenia plastyczne
Tworzenie wióra
Spływ i łamanie wióra
Wyróżniamy 2 charakterystyczne odmiany procesu:
Skrawanie ortogonalne
Skrawanie nieortogonalne (skośne)
Rysunek na ściądze
Dodatkowo wyróżnia się przypadki skrawania swobodnego i nieswobodnego.
W strefie skrawania, czyli w strefie, w której następuje oddzielenie materiału warstwy skrawanej wyróżnia się 3 charakterystyczne obszary intensywnych oddziaływań fizycznych.
Gotowy rys.
Analiza odkształceń związanych z tworzeniem wióra
Rysunek
Odkształcenia plastyczne związane z tworzeniem wióra zachodzą w pewnej strefie tworzenia wióra (STW). Strefę tą przedstawia się za pomocą charakterystycznych linii poślizgu.
Linie poślizgu są to linie na których materiał m stałą granicę plastyczności, albo stałą twardość.
Jeśli materiał przechodzi przez strefę odkształcenia doznaje umocnienia, co oznacza, że na każdych liniach poślizgu zachodzą większe odkształcenia.
τk − 3 : 4 τ1
Zależy od warunków procesu, a szczególnie od prędkości skrawania; wraz ze wzrostem prędkości skrawania, następuje zawężenie strefy tworzenia wióra, aż do wysokiego pasma poślizgu.
Z tego względu w zastosowaniach inżynierskich stosuje się prosty model z pojedynczą płaszczyzną poślizgu.
Proces tworzenia wióra przedstawia się w sposób modelowy jako proces spęczania wióra swobodnego.
Rysunki:
Proces tworzenia i kształt wióra jest sciśle związany z właściwościami i gatunkiem materiału
W normach oprócz trzech grup materiałów P, H, K, wprowadza się dodatkowe grupy:
Materiały nieżelazne N (magnes i stopy aluminium)
Materiały żarowytrzymałe i żaroodporne S
Materiały utwardzone H (HRC > 45)
HRSA – superstopy; stopy tytanu; stopy na bazie niklu i kobaltu
Ważnymi praktycznymi zagadnieniami są procesy zwijania i łamania wióra. Często sprowadza się je do pojęcia kontroli wióra – kontroli kształtu i wymiaru.
Na kształt wióra ma wpływ: posuw, prędkość skrawania, geometria ostrza.
W warunkach produkcyjnych, a szczególnie w obrabiarkach zautomatyzowanych, nie można dopuścić do wytwarzania długich wiórów, które mogą niszczyć powierzchnię obrobioną, albo stanowić zagrożenie dla urządzeń pomiarowych. Z tych powodów należy doprowadzić do łamania wióra. W tym celu w płytkach wieloostrzowych wykonuje się specjalne rowki lub powierzchnie powodujące odpowiednie zawijanie się wióra, który uderza o przeszkodę i ulega złamaniu.
Obrabiarki zautomatyzowane CNC, wyposażone są w urządzenia do transportu i pakietowania wiórów.
Zagadnienie pakietowania wióra rozwiązuje się w praktyce poprzez podawanie w poradnikach tzw. diagramów łamania wióra. Jest to wykres, który pokazuje możliwe do uzyskania kształty wióra dla określonej kombinacji posuwu i prędkości skrawania. Obszar korzystny wiórów zaznaczony jest przez specjalne pole.
Najtrudniejsza kontrola wióra ma miejsce jeśli stosujemy bardzo małe prędkości skrawania i bardzo małe posuwy, czyli w przypadku obróbki wykończeniowej.
Łamanie wióra zaznacza się specjalnymi symbolami, w zależności od rodzaju obróbki: R – dla zgrubnej, M – dla kształtującej, F – dla wykończeniowej.
Kształty wiórów i sposoby łamania są opisane w normach.
Nazwa | Symbol | Jednostka |
---|---|---|
Siła skrawania | Fc | N |
Energia skrawania | Ec | N x m = J = W x s |
Moc skrawania | Pc | (N x m)/s = W |
Sila skrawania na jednostkę powierzchni warstwy skrawanej | Kc | N x m^-2 lub N x mm^-2 |
Energia skrawania na jednostkę objętości skrawanego materiału | ec | J x m^-3 = N X m^-2 |
W wyniku oddziaływania ostrza na obrabiany materiał w układzie obróbkowym działa wypadkowa siła skrawania (nieraz nazywana całkowitą siłą), która rozkłada się na składowe w różnych układach odniesienia.
Stosuje się 2 podstawowe rozkłady całkowitej siły skrawania siły F.
Rozkład geometryczny związany z kierunkiem ruchów składanych lub kierunków z ruchem prostopadłym. Poprzez rzutowanie uzyskuje się następujące składowe Fc II Vc (siła skrawania), Ff II Vf (siła posuwowa), Fp L Fc L Ff (siła prostopadła)
F (z kreską) = Fc + Ff + Fp ; F (bez kreski)=pierwiastek z sumy tych sił
Fa – siła aktywna (siła tworzenia wióra)
Rozkład fizyczny związany z położeniem stref intensywnych oddziaływań fizycznych. W technologii podstawowe znaczenie mają związki składowe sił związanych z parametrami skrawania.
Źródła ciepła w procesie skrawania: Q1 – odkształcenia plastyczne i dekohezyjne materiału, Q2 – tarcie na powierzchni natarcia, Q3 – tarcie na powierzchni przyłożenia, Q4 – odkształcenia plastyczne w warstwie wierzchniej poprzedzające poślizg.
Rysunki:
Ciepło w strefie skrawania rozchodzi się wskutek przewodzenia.
tylko niewielka część ciepła, ok. 1% jest unoszona do atmosfery. O przewodzeniu ciepła decydują właściwości materiału obrabianego i narzędziowego. Ostrze narzędzia można zabezpieczać poprzez nakładanie powłok o małej przewodności cieplnej. Dotyczy to głównie materiałów o dużej przewodności cieplnej.
Decydujący wpływ na rozpływ ciepła ma prędkość skrawania. Ustalono, że przy jej wzroście maleją strumienie wnikające do narzędzia, natomiast wzrasta strumień, który przepływa do wióra.
Wykres:
Po wykresie piszę:
Intensywność procesów termicznych w strefie skrawania ocenia się na podstawie wartości temp. skrawania. Pod tym pojęciem rozumie się średnią temp. na styku powierzchni natarcia z wiórem.
Temperatura skrawania jest funkcją parametrów technologicznych:
t=f(vc, f, ap)
Wartość temperatury zależy od pracy materiałów ostrza i materiału obrabianego, dostrzega się również wpływ posuwu.
W obróbce wykończeniowej stosuje się mniejsze posuwy i z tego względu można prowadzić proces z większymi prędkościami.
W procesie skrawania lepszą ocenę zjawisk uzyskuje się na podstawie rozkładu izoterm. Wynika z nich, że najbardziej intensywne jest źródło tarciowe ciepła.
Na wartość temperatury skrawania bardzo duży wpływ mają właściwości cieplne obrabianych materiałów.
W systemach trybologicznych, gdzie powierzchnie kontaktują się w ruchu względnym obrotowym, liniowym występują problemy trybologiczne.
Trybologia – jest nauką o tarciu, zużyciu i smarowaniu.
Podstawowe mechanizmy zużycia:
Zużycie adhezyjne
W zużyciu tym zakłada się kontakt na mikronie równościach, w ruchu względnym w obszarach mikrokontaktu powstają naciski i wzrost temperatury. Gdy temp. osiąga wartość 0,3 – 0,4 temp. topnienia, występuje zgrzewanie tarciowe mikronie równości i w ruchu względnym wyrywanie fragmentów materiału.
W przypadku skrawania efekt ten jest szczególnie widoczny przy obróbce narzędziami ze stali szybkotnącej i węglików spiekanych powlekanych.
Zużycie ścierne
Polega na usuwaniu zgrubień poprzez twarde wtrącenia lub plastyczne nierówności
Zużycie zmęczeniowe
Wytrzymałość zmęczeniowa polega na powstawaniu szczelin zmęczeniowych i wykruszeniu fragmentów materiału.
Zużycie chemiczne
Roztwarzanie chemiczne – skutek obecności agresywnych środków.
W procesie skrawania niezależnie od temperatury występuje łączny efekt kilku mechanizmów.
Wykres
W praktyce stosuje się kilka:
Zużycie ścierne powierzchni przyłożenia, które występuje najczęściej w stabilnych warunkach czasu; występuje w obrębie naroża od strony głównej pow. przyłożenia i pomocniczej pow. przyłożenia.
Zużycie powierzchni natarcia prowadzące do powstania rowka (krateru) – przyczyną jest reakcja chemiczna zależna od prędkości skrawania, ale jest to łączny efekt zużycia ściernego i dyfuzyjnego.
Zużycie adhezyjne jest związane z powstawaniem i zrywaniem narostu. Szczególnie podatne są narzędzia bez powłok, ze stali nierdzewnych i aluminium.
Łączne efekty zużycia adhezyjnego i utleniania- w przypadku obróbki materiałów o bardzo niskiej przewodności cieplnej, koncentracja ciepła może prowadzić do zużycia skoncentrowanego zwanego karbem. Najbardziej podatne są stale nierdzewne i stale żaroodporne.
Zużycie mechaniczne objawia się w wykruszaniu lub wyłamywaniu krawędzi narzędzia, przyczyn jest dużo. Są to np. nadmierne naciski (zbyt duża głębokość skrawania i posuw), drgania, wtrącenia piasku w materiale przedmiotu.
Efekty termiczne, które objawiają się w pęknięciach (głównie w obróbce nieciągłej), wskutek szoków termicznych.
Odkształcenia plastyczne – wskutek mięknięcia mat. narzędziowego, może nastąpić deformacja ostrza bez jego ubytku.
Kąt natarcia gamma o
Geometria dodatnia:
Korzyści:
Małe siły skrawania
Mniejsza skłonność do generowania drgań
Ułatwiony spływ wióra
Skutki ujemne:
Osłabienie klina skrawającego
Niebezpieczeństwo złamania
Geometria ujemna:
Korzyści:
Stabilna krawędź skrawająca korzystna dla obróbki przerywanej
Podwójna liczba krawędzi skrawających
Skutki ujemne:
Większe siły skrawania
Silne spęczenie wióra
Kąt przyłożenia alfo o
Kąt przyłożenia przy toczeniu stali wynosi od 6 do 10 stopni. Dla materiałów o mniejszej wytrzymałości kąt alfa może być znacznie zwiększany.
Niewłaściwy kąt alfa wywołuje zwiększenie tarcia i przyspieszenie zużycia powierzchni przyłożenia
Przy toczeniu wewnętrznym zalecane są większe kąty przyłożenia
Twarde materiały obrabiane są najlepiej z małym kątem przyłożenia
Kąt ostrza beta
Ustawienie ostrza. W wyniku przemieszczania ostrza poniżej albo powyżej osi możemy dokonywać zamierzonej transformacji kątów ostrza.
Kąt pochylenia krawędzi skrawającej lambda s
Wcinanie ostrza – w przypadku skrawania przerywanego, ujemny kąt lambda s powoduje przesunięcie początkowego punktu styku przedmiotu i ostrza od jego wierzchołka. Ogranicza to niebezpieczeństwo złamania ostrza. Wartość kąta lambda s wynosi wtedy zwykle od -4 do -8 stopni.
Kierunek spływu wióra – w przypadku ujemnego kąta lambda s, wiór jest kierowany na powierzchnię obrobioną. Aby uniknąć uszkodzenia powierzchni wewnętrznych, a szczególnie obróbki wykańczającej, zalecane są zerowe albo dodatnie kąty lambda s.
Stosunek długości/średnicy jest większy równy 5
Obróbka wymaga stosowania specjalnych obrabiarek, które mają układ poziomy i wymagają specjalnych narzędzi z doprowadzeniem cieczy po ciśnieniem.
Zastosowanie: przemysł zbrojeniowy, hydraulika i elektryka.
Uzębienia kół podlegają tolerowaniu
Ogół metod kształtowania uzębień dzieli się na 2 grupy:
Metoda kształtowa
Metoda obwiedniowa
W tych metodach kształtowych, gdzie jest odwzorowanie noża bezpośrednie można stosować: frezowanie, dłutowanie i przeciąganie.
Metody obwiedniowe są to metody o złożonej kinematyce, stopniowe wykonywanie uzębienia.
Osełkowanie nazywamy też dogładzaniem.
Praktyczne zastosowanie tych metod zależy od dokładności, wymaganej tolerancji wykonania uzębienia.
Frezowanie obwiedniowe (frezy modułowe ślimakowe)
Dłutowanie metodą Fellowsa (narzędzie zwane dłutakiem)
Struganie metodą Maaga (noże specjalne zębatkowe) – podobna metoda to metoda Sunderlanda – uzębienie kształtuje się poprzez obtaczanie narzędzia zębatkowego.
Półfabrykat wykonuje ruch podziałowy,
dłutak wykonuje ruch podziałowy i ruch główny dłutujący.
$\frac{n}{n_{p}} = \frac{z_{p}}{z}$ - zasada kinematyczna
n – obroty dłutaka
np. – obroty półfabrykatu
zp – zęby na półfabrykacie
z – zęby na dłutaku
Stosunek prędkości obrotowej narzędzia i półfabrykatu musi równać się stosunkowi liczby zębów na półfabrykacie do liczby zębów na narzędziu.
Metoda Fellowsa umożliwia wykonywanie uzębień o linii śrubowej. Musi być zastosowany dodatkowy parametr umożliwiający wykonanie linii śrubowej. Dłutak Fellowsa
Frez ślimakowy modułowy wykonuje ruch obrotowy
Nacinane koło wykonuje ruch obrotowy i odpowiedni posuw.
W przypadku freza modułowego ślimakowego zębatka jest odwzorowana w przekroju normalnym do pól zęba.
Zasada kinematyczna $n_{p} = \frac{k}{z}n$
k – krotność freza; mogą być frezy wielokrotne
np. – obroty półfabrykatu
z – zęby na frezie
n – obroty freza
Frezowanie obwiedniowe stosuje się do wałków wielowypustowych.
W przypadku zębów skośnych czy prostych trzeba uwzględnić czy koła są lewo czy prawo zwojne.
Stosuje się ruch styczny – frezowanie diagonalne.
Maaga
Sunderlanda
Metoda Maaga:
Zębatka zamocowana w suporcie
Nacinane koło wykonuje ruch odtaczania oraz ruch posuwowy uzależniony od długości zębatki. Z tego względu potrzebny jest ruch powrotny.
Metoda Sunderlanda:
Ruch liniowy wykonuje narzędzie. Ruch odtaczania wykonuje materiał.
Narzędzie – zębatka.
W stanie miękkim
wiórkowanie – podstawa
1. Narzędzie do wiórkowania – wykorzystanie zębatki, występuje duże pochylenie zębów; cienka warstwa usuwana i poprawia kształt
2. wiórkowanie krążkowe
3. dogniatanie powierzchni – zwiększa się wytrzymałość powierzchni dogniatanych
4. szlifowanie – metodą obwiedniową
Niles - ściernica ma zarys boku zęba zębatki
Maag – dwie ściernice o zarysach boków zęba zębatki
Reishauer - ściernica ślimakowa o zarysie zębatkowym