Zużycie i trwałość ostrza
Technologie Materiałów Konstrukcyjnych i Wielofunkcyjnych
Rodzaje zużycia
Objawy zużycia
Wskaźniki zużycia
Zależność Taylora
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
doc. dr. inż. Zbigniew Zarański
Ć2:
Proces zużywania się ostrza
ZUŻYCIE
OSTRZA
naciski jednostkowe, które zwłaszcza w
początkowym okresie skrawania są bardzo
wysokie
odnawianie się powierzchni trących, co
prowadzi do czystego metalicznego
kontaktu
wysoka temperatura na powierzchniach
trących mogącą dochodzić do temperatury
topnienia metalu
utrudnione doprowadzenie czynnika
smarującego (chłodziwa) do strefy tarcia, w
związku z czym w najkorzystniejszym
przypadku można uzyskać tylko tarcie
graniczne
jest funkcją wielu zjawisk
towarzyszących procesowi
skrawania, rośnie z
upływem czasu i ściśle
wiąże się z trudnymi
warunkami pracy ostrza
skrawającego
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2
ścieranie mechaniczne
zużycie zmęczeniowe
Istnieje wiele hipotez co do
istoty zużywania się ostrza, na
podstawie których można
wyodrębnić szereg równolegle
występujących procesów w
mechanizmie zużycia: zużycie zmęczeniowo - cieplne
zużycie adhezyjne
zużycie cieplne
zużycie dyfuzyjne
zużycie chemiczne - utlenianie
deformacje plastyczne narzędzia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 3
Procesy zużywania się ostrza
https://www.youtube.com/watch?v=mRuSYQ5Npek
ŚCIERANIE MECHANICZNE
Wywołane jest zmianami nacisków i temperatury na powierzchnię ostrza oraz
odkształceniami plastycznymi tej powierzchni
Jego charakterystyczną cechą jest oddzielanie
dużych cząstek materiału w postaci łuszczenia
się powierzchni.
Zmienne obciążenie powodowane jest
zarówno samym tworzeniem wióra,
uderzeniami krawędzi skrawającej,
nierównomiernymi naddatkami, jak i drganiami
układu obrabiarka – przedmiot.
Występuje w postaci odkształceń plastycznych oraz ścinania wierzchołków
nierówności powierzchni trących się. Zachodzi w formie ściernego oddziaływania
narzędzia z twardymi składnikami struktury materiału obrabianego, (węgliki metali
stopowych, cementyt i inne) i produktami procesu zużycia.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 4
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE
Spowodowane jest pojedynczymi skurczami
powierzchni ostrza na skutek zmian temperatury.
Zmiany te wynikają z okresowego kontaktu ostrza
z materiałem obrabianym, nierównomiernym
dopływem chłodziwa, a przede wszystkim na
skutek okresowego tworzenia się i zanikania
narostu.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 5
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWO - CIEPLNE
Zachodzi wówczas, gdy występuje metaliczny kontakt czystych chemicznie
powierzchni ostrza i wióra (głównie materiałów plastycznych o dużej odporności na
utlenianie), przy znacznych oporach skrawania.
Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie cząstek obu powierzchni do siebie,
wzrost sił międzycząsteczkowych, aż do wystąpienia zwarć adhezyjnych.
Ciągły ruch wióra powoduje wyrywanie połączonych cząstek wióra i ostrza z
podłoża (gdy siły adhezji są większe od sił wiążących atomy w sieci krystalicznej)
lub ścięcie połączenia adhezyjnego.
ZUŻYCIE ADHEZYJNE
Polega na wyrywaniu całych grup cząsteczek z
obszarów, w których pod wpływem znacznych
nacisków i temperatury dochodzi do zgrzania
wióra i ostrza. Jest to możliwe wskutek spadku
twardości materiału ostrza oraz wzrostu jego
podatności na odkształcenia plastyczne.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 6
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE CIEPLNE
Jest skutkiem zmiany składu chemicznego
materiału narzędzia, spowodowanej dyfuzją jego atomów i przedmiotu obrabianego.
Dyfundujące w materiał ostrza atomy powodują zmiany jego składu chemicznego, a
co za tym idzie, zmianę właściwości mechanicznych i wzrost intensywności zużycia.
ZUŻYCIE DYFUZYJNE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 7
Rodzaje zużycia
ZUŻYCIE CHEMICZNE - UTLENIANIE
Ulega mu większość metali, w tym żelazo zawarte w stalach szybkotnących, a także
(chociaż w mniejszej mierze) kobalt i wolfram, będące głównymi składnikami
węglików spiekanych. Powstałe w jego wyniku tlenki są z reguły porowate i miękkie,
a więc są łatwo unoszone przez wiór.
DEFORMACJE PLASTYCZNE NARZĘDZIA
Są skutkiem wysokiej temperatury towarzyszącej dużym
prędkościom skrawania i dużym naciskom występującym przy
szybkich posuwach.
Proces ten występuje przede wszystkim na powierzchni
przyłożenia.
Występuje ono na granicy kontaktu wióra z materiałem ostrza, czyli tam gdzie
temperatura jest jeszcze bardzo wysoka, a już jest dostęp powietrza.
Powoduje zużycie wrębowe, czyli powstawanie charakterystycznych wąskich
wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia, prostopadłych do krawędzi
skrawającej.
starcie na
powierzchni
przyłożenia
krater na
powierzchni
natarcia
zużycie wrębowe na
powierzchni natarcia
i przyłożenia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 8
Objawy zużycia ostrza
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 9
Starcie na powierzchni przyłożenia
Powoduje ono spadek jakości obrobionej
powierzchni lub niedokładność wymiarową
detalu.
Odpowiedzialnym za to jest zbyt wysoka
wartość prędkości skrawania lub zbyt niska
odporność na ścieranie tego narzędzia.
Rozwiązanie
• Zmniejszyć prędkość skrawania.
• Zastosować gatunek o większej odporności
na ścieranie.
• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.
Dla materiałów mających skłonność do
utwardzania się podczas obróbki należy
stosować mniejszy kąt przystawienia lub
gatunek bardziej odporny na ścieranie.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 10
Krater na powierzchni natarcia
Nadmierne zużycie w formie krateru powoduje
złą jakość obrabianej powierzchni i zwiększa
ryzyko złamania płytki.
Za przyczyną jego pojawienia uważane jest
zużycie dyfuzyjne z powodu zbyt wysokich
temperatur na powierzchni natarcia oraz zbyt
duże naciski na powierzchni natarcia.
Rozwiązanie
• Najpierw zmniejszyć prędkość skrawania, aby
obniżyć temperaturę, następnie obniżyć
posuw.
• Wybrać gatunek z pokryciem Al2O3.
• Zastosować dodatnią geometrię płytki.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 11
Zużycie wrębowe
Jest przykładem zużycia chemiczno-utleniającego. Powoduje powstawanie
charakterystycznych wąskich wyżłobień na powierzchni natarcia i przyłożenia,
prostopadłych do krawędzi skrawającej.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 12
Deformacja plastyczna narzędzia
Obniżenie krawędzi lub wyniesienie powierzchni przyłożenia prowadzi do złego
łamania i odprowadzania wiórów oraz niskiej jakości powierzchni obrobionej.
Występuje też ryzyko złamania płytki. Jego przyczyną jest zbyt duża temperatura
skrawania w połączeniu z dużymi naciskami.
Rozwiązanie:
• Wybrać twardszy gatunek o większej odporności na odkształcenie plastyczne.
• Obniżyć krawędź - zmniejszyć posuw.
• Podnieść powierzchnię przyłożenia - zmniejszyć prędkość.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 13
Dyskretne formy zużycia ostrza
PĘKNIĘCIA OSTRZA Występują z reguły przy obróbce przerywanej (np.
frezowanie), gdy ostrze narażone jest na wielokrotne i
częste uderzenia mechaniczne i cieplne.
Zmęczenie mechaniczne powoduje powstawanie pęknięć
równoległych do krawędzi, zaś cieplne - prostopadłych do
niej. Z biegiem czasu pęknięcia obu typów powiększają się,
a ich połączenie prowadzi do wyłamania najpierw
segmentu, a chwilę później znacznego fragmentu ostrza.
Przyczyna:
• obróbką przerywana
• nierównomiernym doprowadzaniem
chłodziwa
Rozwiązanie
• Wybrać gatunek o lepszej udarności.
• Chłodziwo powinno być podawane obficie,
albo wcale.
WYKRUSZENIA KRAWĘDZI - CHIPPING
Powstają w wyniku miejscowego przekroczenia wytrzymałości
doraźnej ostrza. Powodują niekorzystne zmiany (znaczny
ujemny kąt natarcia) geometrii fragmentu ostrza - wzrost jego
obciążenia, a więc zwiększoną podatność na zużycie. W krótkim
czasie może to prowadzić do zupełnej destrukcji ostrza przez
jego wyłamanie.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 14
Dyskretne formy zużycia ostrza
Przyczyna
• Zbyt kruchy gatunek płytki.
• Niewłaściwa geometria płytki.
• Narost na ostrzu.
Rozwiązanie
• Wybrać płytkę o większej udarności.
• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi skrawania.
• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.
• Zmniejszyć prędkość skrawania oraz dopływ chłodziwa.
WYŁAMANIE OSTRZA
Może mieć podobne przyczyny, co wykruszanie, lecz jest
znacznie większe i oznacza natychmiastową utratę własności
skrawnych ostrza.
Występuje często przy nadmiernym zużyciu. Jego pojawienie
świadczy o źle dobranych warunkach skrawania.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 15
Dyskretne formy zużycia ostrza
Przyczyna
• Zbyt kruchy materiał płytki.
• Niewłaściwa geometria płytki (za duży kąt przyłożenia).
• Za mały rozmiar płytki.
Rozwiązanie
• Wybrać płytkę o większej ciągliwości.
• Zastosować płytkę o mocniejszej krawędzi
skrawania.
• Wybrać płytkę o dodatniej geometrii.
• Zmniejszyć posuw i głębokość skrawania.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 16
Wpływ parametrów skrawania na zużycie ostrza
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 17
NA POWIERZCHNI NATARCIA
Głębokość żłobka KT
Położenie żłobka KF
Położenie środka żłobka KM
Szerokość żłobka KB
Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza
NA POWIERZCHNI PRZYŁOŻENIA
Szerokość starcia w strefie
środkowej VBB
Maksymalna szerokość starcia
w strefie środkowej VBBmax
Szerokość starcia w rejonie
naroża VBC
Szerokość wrębu VBN
Geometryczne miary zużycia ostrza
wzrost poboru mocy przez obrabiarkę
wymiary przedmiotu nie mieszczą się w
wymaganych tolerancjach
są to zmiany wielkości
fizycznych spowodowane
zużyciem ostrza, na
podstawie, których można
ocenić to zużycie
niska jakość powierzchni (duża chropowatość)
powstawanie zadziorów na detalu
wydzielająca się nadmierna ilość ciepła
złe warunki łamania i odprowadzania wiórów
duży hałas podczas obróbki
tendencja do drgań układu OUPN
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 18
Pośrednie wskaźniki zużycia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 19
Krzywa zużycia ostrza
c3 c2 c1
T3 T2
VBB
0.3
c3 > c2 > c1
c = const
ap = const
fn = const
A. Strefa docierania ostrza - przedział wstępnego zużywania narzędzia, o
parabolicznym przyroście zużycia w czasie,
B. Strefa liniowego zużycia ostrza - przedział stabilnego, liniowego zużywania
narzędzia w czasie,
C. Strefa przyspieszonego zużycia ostrza – intensywne zużywanie ostrza, o
parabolicznym przyroście zużycia w czasie, prowadzące do jego całkowitego
zniszczenia.
Okresem trwałości ostrza T nazywa się czas pracy ostrza t [min] od stanu
początkowego (ostrze ostre) do momentu wystąpienia zużycia granicznego (narzędzie
stępione) przy niezmienionych warunkach obróbki (stałe parametry: vc, ap, fn).
Kryterium technologicznym - jt. takie zużycie (na powierzchni przyłożenia lub
natarcia), do osiągnięcia którego narzędzie pracuje stabilnie, a powierzchnia obrobiona
odpowiada wymaganiom dokładności wymiarowej, kształtowej oraz chropowatości.
KRYTERIA STĘPIENIA OSTRZA
technologiczne ekonomiczne wytrzymałościowe
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 20
Kryteria stępienia ostrza
Kryterium ekonomicznym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym uzyskuje
się najlepsze wykorzystanie regenerowanego narzędzia (największa liczba ostrzeń).
Kryterium wytrzymałościowym nazywa się takie zużycie ostrza (jw.), przy którym
następuje utrata własności skrawnych na skutek spalenia lub wyłamania części ostrza
Okresem żywotności narzędzia nazywa się sumę okresów trwałości ostrza do
całkowitego wyeksploatowania narzędzia.
CT, s - stałe zależne od materiału wyrobu i
materiału narzędzia
W układzie logarytmicznym funkcja
Taylora jest linią prostą.
mins
c
T
v
CT
min
m
T
Cv
m
vc
vs
T CCs
m 1
oraz1
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 21
Trwałość a parametrami obróbki
W praktyce dla toczenia:
trwałość ostrza
minTT yx
p
s
c
T
fav
CT
min
m
faT
Cv
vv yx
p
m
vc
prędkość okresowa
s
yy
s
xxCC
sm T
vT
v
s
Tv 1
Ze względu na znaczne koszty, nie wykonuje się badań trwałości narzędzia dla
konkretnych parametrów obróbki lecz tylko badania wskaźnikowe dla wyznaczenia
stałych i wykładników przedstawionych wzorów, które dają wyniki przybliżone.
Procesy zużywania prowadzą do utraty zdolności skrawania, czyli do momentu
stępienia ostrza. Wyróżniamy następujące kryteria zużycia narzędzia:
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 22
Zużycie narzędzia skrawającego
Technologiczne - wg którego narzędzie uważa się za stępione, gdy przy jego
pomocy nie można już wykonać przedmiotu z żądaną gładkością powierzchni i
dokładnością (a niecelowe jest korygowanie położenia narzędzia),
Ekonomiczne - zakładające, że należy
dopuszczać taką wielkość zużycia
aby osiągnąć np. najmniejsze
koszty w całym okresie żywotności
narzędzia.
Fizykalne - wg których narzędzie
uważa się za stępione, gdy wchodzi
w zakres trzeciej, przyśpieszonej
fazy zużycia,
W celu porównania różnych materiałów narzędziowych oraz określenia zależność
trwałości ostrza od warunków skrawania, badania te należy prowadzić w ściśle
określonych warunkach (PN-83/M-58350). Norma określa zarówno metodykę badań,
warunki obróbki, jak i wskaźniki stępienia.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 23
Metody badania zużycia
Próby te prowadzi się w celu określenia zależności empirycznej wzoru Taylora:
T - trwałość narzędzia
CT - stała uwzględniająca wpływ głównie czynników materiałowych
s - wykładnik potęgowy (3-6 dla węglików spiekanych, 8-10 dla stali
szybkotnących, 1,5-3 dla spieków ceramicznych)
Vc - prędkość skrawania
Trwałość narzędzia wyznacza punkt przecięcia każdej z tych krzywych z linią
poziomą, odpowiadającą wskaźnikowi stępienia. Opracowanie wyników polega na:
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 24
Znormalizowane próby trwałości narzędzi
• naniesieniu na siatkę logarytmiczną punktów
(log Ti, log Vci) wyznaczonych w badaniach,
• wyznaczeniu współczynników zależności T = f (Vc)
W układzie dwulogarytmicznym
funkcja T = f (Vc) jest linią
prostą.
Próby prowadzone w warunkach znormalizowanych są niezwykle pracochłonne i
kosztowne. Dlatego opracowano zestawy prób przyśpieszonego badania trwałości
narzędzi.
Należą do nich:
• metoda toczenia promieniowego,
• metoda toczenia stożka,
• metoda toczenia cylindrycznego ze stale wzrastającą prędkością skrawania,
• metoda toczenia cylindrycznego ze stopniowo wzrastającą prędkością skrawania.
We wszystkich tych metodach stosowany jest wskaźnik katastroficznego zużycia
ostrza. Pozwalają one na szybsze wyznaczenie zależności, przy dużo mniejszym
zużyciu materiału obrabianego. Wyniki badań są niestety obarczone większym
błędem niż w przypadku konwencjonalnej metody określania trwałości.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 25
Przyśpieszone próby trwałości narzędzi
W wyniku przeprowadzonych prób skrawania stali C55 z następującymi parametrami:
vc = 132,7 m/min; f = 0,44 mm/obr; ap = 0,87 mm uzyskano cztery różne trwałości
ostrza: 58.5 min; 60.5 min; 56.5 min; 59.17 min.
Wartość średnia trwałości m wynosi:
Wariancja trwałości:
Odchylenie standardowe:
Przedział 3 sigmowy:
Trwałość ostrza dla parametrów prób:
min67,584
17,595,565,605,58
m
084,2)67,5817,59()67,585,56()67,585,60()67,585,58(4
1)( 22222 TD
min45,1)(2 TD
min35,43
min35,467,58 TWojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 26
Przykład 1.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
gdzie: y = log T
x = log Vc
c = log CT
co po zdelogarytmowaniu daje:
27
Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania
Taylor stwierdził, że opadające części wykresu
T-Vc w układzie podwójnie logarytmicznym
można przedstawić w postaci prostej:
czyli:
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 28
Zależność trwałości ostrza od prędkości skrawania
Stała CT odpowiada (tylko matematycznie!) trwałości ostrza przy Vc = 1 i jest
wówczas bardzo duża.
Zależność T - Vc przecina poziomą oś w punkcie (T = 1, Vc = Cv), czyli Cv jest (tylko
matematycznie) prędkością skrawania odpowiadającą okresowi trwałości T = 1.
Zachodzi zatem:
Zależność T-Vc wyznacza się dla co najmniej 4÷5 prędkościach skrawania. Należy
przy tym zadbać o to, by uzyskiwane okresy trwałości ostrza leżały w racjonalnym
zakresie parametrów.
Zależność Taylora można też wyznaczyć wykreślnie, co jest często wystarczające do
celów praktycznych.
Równanie Taylora możemy wówczas wyrazić w postaci:
Obróbka stali C45 nożem CSRNR 2525-12 z płytką SNUN 120408 z węglika
spiekanego S30S, z posuwem fn = 0.33 mm/obr i głębokością skrawania ap = 2.5 mm
uzyskano następujące wyniki prób dla kryterium stępienia KTk = 0.25 mm:
Wyniki pomiarów naniesiono na skalę logarytmiczną. Przez
punkty przeprowadzono prostą (metodą wzrokową). W
miejscu przecięcia z osią odciętych (T = 1 min) określono
stałą Cv =270 oraz współczynnik kierunkowy prostej
k = -a/b = -6,96.
Natomiast stałe Taylora wyznaczone statystycznie dla tych
danych mają wartości (dla ufności na poziomie 95%):
Jak widać, wyniki otrzymane metodą wykreślną mieszczą
się w obliczonych przedziałach ufności.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 29
Przykład 2.
Ogólnie można stwierdzić, że:
stała Cv zależy od materiału obrabianego i warunków skrawania,
wykładnik k zależy od materiału ostrza oraz kryterium stępienia i wynosi:
-8 ÷ -12 dla narzędzi ze stali szybkotnących,
-2 ÷ -6 dla węglików spiekanych,
-1.5 ÷ -3 dla narzędzi ceramicznych.
Wartości te wskazują na wrażliwość trwałości na zmiany prędkości skrawania dla
różnych materiałów narzędziowych. Największa jest ona dla stali szybkotnących - tu
zmiana prędkości skrawania rzędu 10% powoduje dwukrotną zmianę trwałości ostrza.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 30
Istota optymalizacji
gdzie: y = log T x = log Vc N - liczba prób
- oszacowana wartość k,
- średnia wartość x - średnia wartość y
k̂
N
xx
N
yy
Dziękuję za uwagę!