Jedną z najważniejszych technik wytwarzania jest obróbka skrawaniem, na którą składają się m.in. takie metody jak toczenie, frezowanie czy wiercenie. Kształtowanie części maszyn za pomocą tych technik obejmuje ok. 70% wszystkich metod wytwarzania, a udział obróbki skrawaniem w przemyśle maszynowym wynosi obecnie ok. 50%. Przebieg tych procesów generuje wiele problemów. Przede wszystkim trzeba zwrócić uwagę na to, że obróbka skrawaniem (głównie metalu) przebiega pod dużymi obciążeniami. Występujące siły tarcia, naprężenia oraz opór stawiany przez ostrze przyczyniają się do dużego wzrostu temperatury. Aby sprostać tym warunkom, ostrza muszą mieć odpowiednie właściwości oraz być poprawnie dobierane do danej obróbki.

Nieciągłości geometryczne

Proces skrawania nie zawsze przebiega w warunkach standardowych. Bardzo często, zwłaszcza w przypadku regeneracji, można się spotkać z przedmiotami, których powierzchnie obrabiane mają tzw. nieciągłości geometryczne. Są to np. koła zębate, wałki wpustowe i wielowypustowe, wałki z otworami poprzecznymi, tarcze, piasty itd. (rys. 1). W przypadku tego rodzaju elementów istotne znaczenie mają dodatkowo obciążenia dynamiczne, które oddziałują na krawędź skrawającą. W tym momencie warto postawić dwa pytania: jak duży jest wpływ tego czynnika na krawędź i z jakich materiałów stosować ostrza.

Katastroficzne zużycie noża polegające na gwałtownym jego stępieniu, wykruszeniu lub wyłamaniu znacznych jego fragmentów może wystąpić nie tylko pod koniec okresu trwałości narzędzia, lecz nawet w początkowym okresie pracy. Niebezpieczeństwo to jest szczególnie duże przy trudnych warunkach skrawania, takich jak np. obróbka elementów nieciągłych geometrycznie, zwana także obróbką przerywaną, polegająca na cyklicznym zagłębianiu się ostrza w materiale obrabianym i wychodzeniu z niego. Podczas tego rodzaju obróbki ostrze jest narażone na obciążenia mechaniczne udarowe i cieplne. Skrawanie przerywane przyspiesza zużycie ścierne ostrza, choć nie zmienia w sposób zasadniczy proporcji wpływu poszczególnych warunków skrawania. Przyczyną przyspieszenia zużycia ostrza przy tego rodzaju obróbce są przeważnie mikrowykruszenia powstające na krawędzi skrawającej.

Toczenie w takich warunkach jest wykonywane głównie podczas regeneracji – w procesie tym dany element jest przetaczany na inny wymiar nominalny. Przy produkcji nowych elementów problem ten nie występuje, gdyż w procesie technologicznym np. wałka takie elementy jak otwory lub wpusty wykonuje się na końcowym etapie.

Naprężenia, jakie powstają na ostrzu noża podczas obróbki przerywanej, są uzależnione w dużej mierze od wielkości kąta wejścia ostrza w materiał. Można przyjąć trzy rodzaje uderzenia na ostrzu: lekkie, średnie i ciężkie. Im mniejszy kąt wejścia ostrza w materiał, tym mniejszy przyrost naprężenia na ostrzu (rys. 2). Istotnym zagadnieniem związanym z tego rodzaju obróbką jest także udział skrawania przerywanego, który jest uzależniony od wielkości powierzchni oraz liczby elementów nieciągłych występujących na powierzchni elementu obrabianego (rys. 3).

Zużycie ostrza przejawia się zmianami geometrycznymi krawędzi skrawającej, zazwyczaj w formie ubytku materiału poprzez starcie, wykruszenia, wyszczerbienia lub wyłamania ostrza. Podczas skrawania występują znaczne naciski jednostkowe działające na ostrze oraz duże temperatury, co prowadzi w efekcie do ubytku oraz zmian właściwości. Mechanizm zużycia jest bardzo złożony, uwarunkowany działaniem cieplnym, zjawiskami adhezji, dyfuzji oraz utleniania. Czynniki te odgrywają mniejszą lub większą rolę, zależnie od warunków skrawania.

 Zużycie powierzchni przyłożenia i natarcia

Zużycie ostrza w zależności od warunków skrawania dotyczy głównie powierzchni przyłożenia oraz natarcia. Zużycie powierzchni przyłożenia jest widoczne na ostrzu w postaci wielu równoległych rys, tworzących na całej długości tej powierzchni charakterystyczny ślad o nierównomiernej szerokości. Krawędź traci pierwotny zarys, odsuwając się w głąb ostrza, a wierzchołek cofa się w stosunku do pierwotnego położenia, powodując zmniejszanie głębokości skrawania. Na skutek nadmiernego zużycia powierzchni przyłożenia proces skrawania musi zostać przerwany, gdyż dalsza praca może spowodować znaczny wzrost chropowatości powierzchni, a nawet zniszczenie ostrza.

Zużycie powierzchni natarcia objawia się w nieco inny sposób niż zużycie powierzchni przyłożenia. W miejscu zetknięcia się wióra z powierzchnią natarcia, w pewnej odległości od krawędzi skrawającej, powstaje ślad w postaci niewielkiego rowka. Powierzchnia tego rowka zwiększa się z upływem czasu skrawania, powodując zbliżanie się krawędzi ostrza do krawędzi rowka. Część ostrza pomiędzy tymi krawędziami staje się coraz słabsza i w pewnej chwili się przerywa, co uniemożliwia dalszą pracę narzędzia ze względu na niebezpieczeństwo jego całkowitego zniszczenia.

Zużycie w postaci rowka na powierzchni natarcia do chwili przerwania krawędzi ostrza nie wywiera szkodliwego wpływu na stan warstwy wierzchniej i na dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotu obrabianego. Jest natomiast kłopotliwe w pomiarze, ponieważ wymaga wyłączenia narzędzia z pracy i stosowania specjalnych przyrządów pomiarowych. Zużycie powierzchni przyłożenia prawie od samego początku wpływa niekorzystnie na proces skrawania. Powoduje stopniowe pogarszanie jakości powierzchni obrobionej, a zwłaszcza jej gładkości oraz wzrost temperatury skrawania, sił i poboru mocy skrawania. Te niepożądane zjawiska wywołane są głównie niekorzystnymi zmianami kąta przyłożenia i wzrostem pola współtrących powierzchni styku ostrza z materiałem obrabianym. Z tego względu zużycie powierzchni przyłożenia najczęściej ogranicza czas pracy ostrza.

 Ocena stopnia zużycia

Do prawidłowego przebiegu procesu skrawania niezbędna jest ocena stopnia zużycia ostrza. Jego miarą jest określona wielkość mierzalna lub zjawisko, które charakteryzuje to zużycie. Stępieniu się ostrza towarzyszy wiele zjawisk, które mogą służyć za kryterium warunkujące uznanie ostrza za zużyte (niezdatne do pracy). Do takiej oceny posłużyć się można następującymi kryteriami:

- kryterium fizyczne – wskaźnikami zużycia są tutaj zmiany wartości takich wielkości jak temperatura w strefie kontaktu, siła i moment skrawania, amplituda i częstotliwość drgań ostrza, emisja akustyczna itp.;

- kryterium ekonomiczne – wskaźniki zużycia są wyznaczane na podstawie kosztów własnych obróbki, czyli największej wydajności określonej np. liczbą przedmiotów obrobionych przez ostrze;

- kryterium geometryczne – wskaźnikami zużycia są zmiany geometryczne ostrza;

- kryterium technologiczne – wskaźnikami zużycia są zmiany chropowatości powierzchni (najczęściej podczas obróbki wykańczającej) oraz wymiarów przedmiotu obrabianego.

Określanie stopnia zużycia narzędzia według kryteriów fizycznych wymaga specjalistycznej aparatury, a wyniki takich pomiarów stanowią raczej względny sposób oceny zużycia ostrza. Kryteria technologiczne pozwalają na szybką ocenę raczej przydatności narzędzia do dalszej pracy niż stopnia jego zużycia. Kryteria te służą zazwyczaj do oceny zmian w zadanych wymiarach i kształcie obrabianego elementu. Za najdokładniejsze, a przede wszystkim bezpośrednie pomiary zużycia narzędzia uznaje się pomiary według kryteriów geometrycznych. Pomimo pracochłonności i uciążliwości tej metody pozwala ona na najbardziej precyzyjną ocenę przydatności narzędzia do dalszej pracy.

Parametry zużycia ostrza określające zmiany geometrii krawędzi skrawającej zostały zawarte w polskiej normie PN-ISO 3685. Norma ta zawiera również dopuszczalne wartości geometrycznych wskaźników zużycia, które odpowiadają umownym stanom stępienia ostrza narzędzia dla podstawowych wykorzystywanych w tym celu materiałów. Wskaźniki stępienia ostrza to założone umownie wartości określanego zjawiska powodujące utratę własności skrawanych ostrza w danych warunkach skrawania. Przyjęte wskaźniki stępienia ograniczają okres trwałości ostrza, a co za tym idzie – wydajność obróbki.

 Badania doświadczalne

W celu weryfikacji wpływu nieciągłości geometrycznych na zużycie ostrza przeprowadzono badania doświadczalne, które dotyczyły wałków zakończonych obustronnie rowkiem pod wpust pryzmatyczny. Materiałem, z którego zostały wykonane wałki, była stal węglowa C45 ulepszana cieplnie o twardości powierzchni 40±2 HRC. Odcinki wałków, które poddano obróbce, miały średnicę 40 mm oraz rowki na wpust o długości 60 mm. Do badań zostały użyte dwa rodzaje noży tokarskich: z płytką z węglika spiekanego oraz ze stali szybkotnącej, przy następujących warunkach: obróbka na sucho, przy prędkości skrawania Vc wynoszącej 100 m/min (prędkość obrotowa n wyniosła 800 obr./min), posuw f równał się 0,2 mm oraz głębokość skrawania ap wynosiła 0,5 mm. Wszystkie pomiary przeprowadzono na mikroskopie warsztatowym o dokładności 0,01 mm. Wykres przebiegu zużycia ostrza z węglika spiekanego, który oznaczono parametrem VB jako średnią z pięciu pomiarów wzdłuż krawędzi skrawającej, przedstawia rys. 4.

W początkowej fazie badań przebieg ten wyglądał w sposób typowy, lecz ze stałym wzrostem zużycia. Po niespełna godzinie toczenia widoczne było pogorszenie się jakości powierzchni obrabianej, która z upływem kolejnych minut pogarszała się. Przy kolejnym punkcie pomiarowym (60 min) wartość wskaźnika VB przekroczyła wartość dopuszczalną zawartą w normie, a jakość powierzchni obrabianej gwałtownie się pogorszyła. Badanie zakończyło się po ok. 5 min wykruszeniem krawędzi skrawającej płytki, poprzedzonym głośną pracą tokarki oraz wzrostem temperatury zarówno noża, jak i elementu obrabianego. Krawędź płytki nie nadawała się już do dalszej pracy.

Kolejne doświadczenie dotyczyło przebiegu zużycia ostrza ze stali szybkotnącej, które określono analogicznie jak dla ostrza z węglika spiekanego (rys. 5). W tym przypadku zużycie od początku do końca przebiegało zgodnie z typowymi jego charakterystykami, lecz w przyspieszonym tempie, przez co po ok. 250 min pracy w warunkach skrawania nieciągłego wskaźnik zużycia VB przekroczył wartości dopuszczalne. Jednak pomimo przekroczenia tej wartości ostrze nadal nadawało się do dalszej pracy. Jakość powierzchni obrabianej ulegała stopniowo nieznacznemu pogorszeniu.

 Węglik kontra stal szybkotnąca

Otrzymane wartości wskaźników stępienia ostrza podczas toczenia przerywanego zostały porównane z dopuszczalnymi wartościami podanymi w normie PN-ISO 3685. Na podstawie badań można stwierdzić, że nieciągłości geometryczne występujące w elementach obrabianych mają duży wpływ na zużycie się krawędzi ostrza noża. Obciążenia mechaniczne udarowe i cieplne, na które narażone jest ostrze podczas skrawania nieciągłego, prowadzą do powstawania mikropęknięć na krawędzi. Skutkuje to znacznie szybszym zużyciem ściernym narzędzia przez zachodzące mikrowykruszenia, które w dalszej fazie mogą doprowadzić do zniszczenia katastroficznego noża. Wyniki badań wskazują również, który z zastosowanych materiałów ostrza nadaje się bardziej do tak trudnych warunków skrawania oraz jakimi właściwościami powinien charakteryzować się materiał w tego rodzaju obróbce.

Węglik spiekany jest materiałem bardzo twardym, lecz wrażliwym na zmiany temperatury, które zachodzą podczas skrawania przerywanego. Dodatkowo charakteryzuje się dużą wrażliwością na obciążenia udarowe, które w porównaniu do stali hartowanej są o 2–3 razy niższe. Stan ostrza z węglika spiekanego pogorszył się już w początkowej fazie badania i z biegiem czasu zużycie to pogłębiało się coraz bardziej. Stopniowo także pogarszała się jakość powierzchni obrabianej. Można było również zaobserwować coraz głośniejszą pracę tokarki. Już po dwóch godzinach pracy nóż z płytką z węglika spiekanego uległ zużyciu katastroficznemu. Wykruszenie krawędzi było na tyle duże, że narzędzie nie nadawało się do dalszego użytku.

W przypadku noża ze stali szybkotnącej zużycie przebiegało w sposób naturalny, bez jakichkolwiek uszkodzeń krawędzi skrawającej. Nie zaobserwowano także znaczącego pogorszenia się jakości powierzchni obrabianej. Na końcu badania, po dokładnych pomiarach parametrów zużycia i porównaniu wyników z wartościami dopuszczalnymi zawartymi w normie, stwierdzono umiarkowane oddziaływanie nieciągłości geometrycznych na zużycie się krawędzi skrawającej. Znaczny wpływ na to ma duża ciągliwość stali szybkotnącej, dzięki której narzędzia z tego materiału dość dobrze sprawdzają się w warunkach skrawania, co pokazały wyniki badania.

Okazało się również, że takie czynniki jak obciążenia dynamiczne oraz zmienność temperatury podczas toczenia mają spory wpływ na szybkie zużywanie się krawędzi skrawającej, zwłaszcza gdy zastosujemy ostrza z materiałów, których właściwości nie odpowiadają danym warunkom skrawania. Poza węglikiem spiekanym do tej grupy zaliczyć można także stale węglowe i niskostopowe oraz diament i cermetale.

 _________________________________________________________________________________________________

 Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza zdefiniowane w normie PN-ISO 3685

Na podstawie poniższych wskaźników określany jest geometrycznie stopień zużycia danych powierzchni oraz krawędzi.

Zużycie powierzchni przyłożenia:

- szerokość pasma zużycia naroża VBC;

- średnia szerokość pasma zużycia VBB;

- największa szerokość pasa zużycia VBBmax;

- średnia szerokość pasma zużycia VBA w strefie kontaktu krawędzi skrawającej z materiałem obrabianym;

- szerokość zużycia wrębowego (wyżłobienia) VBN.

Zużycie powierzchni natarcia:

- największa głębokość rowka zużycia KT;

- odległość pomiędzy pierwotną główną krawędzią skrawającą a największą głębokością rowka zużycia KM;

- odległość pomiędzy pierwotną główną krawędzią skrawającą a najbardziej odległą krawędzią rowka zużycia KB;

- współczynnik rowka określony ilorazem KT/KM.

Dodatkowe wskaźniki określające parametry geometryczne zużycia ostrza to:

- cofnięcie naroża ostrza (zużycie promieniowe) KN – określone odległością od płaszczyzny bocznej Pf przechodzącej w jego położeniu pierwotnym;

- odkształcenie naroża – odkształcenie plastyczne (w przypadku węglików spiekanych) lub odpuszczenie (stale szybkotnące);

- wyszczerbienia, wykruszenia, wyłamania, pęknięcia;

- uszkodzenie katastroficzne – gwałtowne uszkodzenie ostrza pod wpływem obciążenia i/lub wzrastającej temperatury.

Strefy podziału krawędzi

W celu dokonania pomiaru zużycia narzędzia norma dzieli główną krawędź na cztery strefy, przy czym trzy strefy (A, B, C) leżą na odcinku kontaktu ostrza z materiałem obrabianym (na czynnej krawędzi skrawającej):

- strefa A – obejmująca 1/4 długości krawędzi b, najbardziej oddalonej od naroża;

- strefa B – obejmująca pozostałą prostoliniową część krawędzi skrawającej

pomiędzy strefami A i C;

- strefa C – obejmująca krzywoliniową część krawędzi skrawającej przy narożu;

- strefa N – rozciągającą się poza odcinkiem kontaktu materiału obrabianego z ostrzem na długości 1–2 mm wzdłuż krawędzi skrawającej.

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy