Obciążenia mechaniczne i geometrie skrawania w operacjach toczenia

© Seco Tools

Udostępnij:

W procesie skrawania metalu narzędzie odkształcają materiał obrabiany do momentu oderwania go w postaci wióra. Proces deformacji wymaga znacznej ilości energii, a narzędzie jest poddawane różnym obciążeniom mechanicznym, termicznym, chemicznym i tribologicznym. Obciążenia te prowadzą po pewnym czasie do pogorszenia stanu narzędzia, jego zużycia lub awarii. W związku z tym odpowiednie podejście do skrawania metalu wymaga zrównoważenia energii wymaganej do usuwania metalu oraz zdolności narzędzia do niezawodnego sprostania obciążeń.

Zrozumienie i właściwy dobór parametrów skrawania, geometrii narzędzia, materiału narzędzia i innych czynników pozwalają specjalistom na uzyskanie wydajnego i ekonomicznego procesu skrawania metalu. Obciążenia mechaniczne w operacjach toczenia są stałe, podczas gdy w przypadku frezowania charakteryzują się dynamiką i ciągłymi zmianami. Niniejsza analiza koncentruje się na parametrach i geometriach narzędzi w operacjach toczenia, podczas gdy późniejsze omówienie będzie dotyczyć różnych kwestii związanych z frezowaniem.



Obciążenia podczas obróbki skrawaniem
Obciążenia działające na narzędzie skrawające dzielą się na cztery podstawowe kategorie: obciążenia mechaniczne, termiczne, chemiczne i tribologiczne.

Nacisk mechaniczny przyspiesza zużycie narzędzia i występowanie awarii. Obróbka przerywana występująca w przypadku obróbki części zawierających odstępy i łączenia generuje obciążenia dynamiczne, które mogą prowadzić do wykruszenia lub złamania narzędzia.

Obciążenia termiczne występują, ponieważ odkształcanie materiału elementu obrabianego generuje ciepło, co prowadzi do wzrostu temperatury do około 800–900 stopni Celsjusza i może powodować deformację i stępianie ostrza.

Kombinacja temperatury i nacisku ułatwia także zachodzenie reakcji chemicznych między materiałem skrawającym i materiałem elementu obrabianego, generując zużycie w formie dyfuzji lub kraterowania.

Tarcie między narzędziem i wiórem generuje ścieranie i erozję, co jest wynikiem tak zwanych obciążeń tribologicznych. Tribologia to badanie stykających się powierzchni w celu określenia, w jaki sposób modyfikują one nawzajem swoje geometrie przy określonej temperaturze i ciśnieniu.

Cztery kategorie obciążeń nie występują niezależnie, lecz raczej wchodzą w interakcje i wpływają na siebie nawzajem. Na wyniki obróbki wpływa także moc i sztywność danej obrabiarki, mocowanie elementów, a nawet umiejętności operatora. Interakcje obciążeń prowadzą do różnych wyników, ale niezmiennie do pogorszenia jakości narzędzia, jego zużycia lub awarii.

Termin i przewidywalność końca okresu eksploatacji narzędzia jest zależna od odporności narzędzia na obciążenia, na które jest wystawiane. W celu zapewnienia maksymalnego okresu eksploatacji i bezpieczeństwa procesów obciążenia powinny być przez określony czas niższe od maksymalnej wartości odporności narzędzia na obciążenia. Kluczowymi elementami tej wartości są geometria skrawająca narzędzia oraz materiał skrawający i powłoka.



Aktywne rozwiązywanie problemów
W poszukiwaniu wydajności i oszczędności warsztaty starają się skrócić czas poświęcany na konfigurację obrabiarki, obsługę narzędzi i obsługę elementów obrabianych, a także różne przestoje. Rzadko jednak w działaniach mających na celu redukcję przestojów uwzględniane jest rozwiązywanie problemów. Aktywne zastosowanie odpowiednich geometrii narzędzi i parametrów skrawania przed rozpoczęciem obróbki może skrócić czas poświęcany na diagnozowanie i rozwiązywanie problemów.

Obrabialność
Aktywne planowanie ma na celu maksymalizację obrabialności operacji. Tradycyjna definicja obrabialności koncentruje się na konkretnym materiale elementu obrabianego i korzysta ze współczynników procentowych do określenia trudności obróbki materiału w porównaniu z materiałem referencyjnym.

Jednakże w niniejszym artykule obrabialność jest definiowana jako cel do osiągnięcia w kwestii podniesienia
tempa usuwania materiału w stosunku do jednostki mocy. To stopień, w jakim operacja skrawania metali może zostać wykonana w sposób niezawodny, przy najwyższej produktywności i najniższym koszcie.

Uproszczone podejście do szybszej obróbki skrawaniem obejmuje podniesienie parametrów skrawania, konkretnie głębokości skrawania, posuwu i prędkości skrawania. Jednakże podniesienie parametrów skrawania wiąże się z pewnymi konsekwencjami w zakresie obciążeń oddziaływujących na narzędzie skrawające. Niniejsza analiza koncentruje się na obciążeniach mechanicznych.

Należy pamiętać, że obciążenia mechaniczne narzędzia skrawającego i siła skrawania nie są tym samym. Obciążenie mechaniczne można traktować w kategoriach ciśnienia (siła na jednostkę powierzchni). Duża siła skrawania rozłożona na dużym obszarze powoduje stosunkowo niewielkie obciążenie narzędzia. Z drugiej strony, nawet niewielka siła skrawania skoncentrowana na bardzo niewielkim fragmencie narzędzia może generować problematyczne obciążenia. Na siłę skrawania wpływa materiał elementu obrabianego, geometria narzędzia i warunki skrawania. Siła skrawania wpływa z kolei na pobór mocy, wibracje, tolerancje elementu obrabianego i trwałość narzędzia.

Wpływ parametrów skrawania
Manipulacja głębokością skrawania, posuwem i prędkością wpływa w różny sposób na obciążenie narzędzia. Dwukrotne zwiększenie głębokości skrawania podwaja siłę skrawania, a jednocześnie także długość krawędzi skrawającej, w związku z czym obciążenie pozostaje bez zmian w stosunku do jednostki długości krawędzi skrawania. Siły skrawania rosną także wraz z wzrostem prędkości posuwu, lecz nie tak szybko, w stosunku nieliniowym. Wyższe prędkości posuwu nie podnoszą sił skrawania tak szybko, jak głębokość skrawania, ponieważ wyższy posuw zwiększa grubość wióra, nie długość narzędzia podczas skrawania. Prowadzi to do znacznie wyższych obciążeń krawędzi skrawającej.

W przypadku podnoszenia prędkości skrawania siły pozostają generalnie bez zmian, rośnie jednak zapotrzebowanie na moc, zgodnie z podstawowym równaniem mechaniki, definiującym pobór mocy jako iloczyn siły i prędkości. Prawdą jest, że w środkowym przedziale prędkości skrawania siły pozostają spójne. Jednakże badania i doświadczenie praktyczne pokazują wzrost sił skrawania przy niższych prędkościach skrawania i ich spadek przy wyższych prędkościach. Wzrost sił skrawania przy niższych prędkościach może wynikać z pojawienia się narostów na krawędzi, które same w sobie stanowią wskaźnik nieprawidłowych sił skrawania. Badania prowadzone w latach 20. i 30. XX wieku przez dr. Carla Salomona z Uniwersytetu Berlińskiego pokazały, że temperatury skrawania rosną wraz ze wzrostem prędkości skrawania, a następnie spadają przy wysokich prędkościach. Wyniki te dotyczą obróbki przy bardzo wysokich prędkościach, która dysponuje własnym katalogiem przyczyn i efektów i wykracza poza zakres niniejszego opracowania.

Zbyt wysoka prędkość skrawania może zmniejszyć niezawodność procesu ze względu na niekontrolowane formowanie wióra, duże zużycie narzędzia oraz wibracje prowadzące do kruszenia i pękania narzędzia. Praktycznym wnioskiem jest stwierdzenie, że wyższy posuw i głębokość skrawania w połączeniu z niskimi i średnimi prędkościami skrawania oferuje potencjalnie najwyższy poziom bezpieczeństwa i niezawodności operacji. Wyższe prędkości skrawania, przy zachowaniu niskiej głębokości skrawania i posuwu w celu ograniczenia sił skrawania, mogą zapewnić wyższą produktywność.

Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem geometrii narzędzia
Powszechnie uważa się, że podniesienie produktywności skrawania metalu i rozwiązywanie problemów wymaga wprowadzenia zaawansowanych materiałów narzędzi, takich jak nowe gatunki węglików, powłoki, ceramika i PCBN. Nie można odmówić istotności nieustającym postępom technologii materiałów narzędzia, jednakże rozwiązywanie problemów wyłącznie przy użyciu nowych materiałów jest w zasadzie reaktywne i może prowadzić w ślepy zaułek. Na przykład, jeśli duże obciążenia mechaniczne powodują problemy, takie jak pękanie narzędzi, rozwiązaniem jest wybór bardziej wytrzymałego materiału narzędzia. Jeśli jednak taki materiał nie istnieje, oznacza to wstrzymanie postępu.  

Udostępnij:

Drukuj



MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również