Obróbka Skrawaniem 06 Siły skrawania

1. Obróbka Skrawaniem -podstawy, dynamika, diagnostyka 6. Siły skrawania

2. Plan wykładu Obróbka skrawaniem • Wstęp • Pojęcia podstawowe • Geometria ostrza • Materiały narzędziowe • Proces tworzenia wióra • Siły skrawania • Dynamika procesu skrawania • Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia • Zużycie i trwałość ostrza • Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Skrawalność • Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Siły skrawania strony 125-153

3. 6 Siły skrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania

4. Rola sił w procesie skrawania l D • Siła  zginanie • Ugięcie zależy odwartościi kierunku siły oraz sztywności przedmiotu, tu stosunku l/D • Siła dynamiczna (zmienna)  zginanie„dynamiczne” drgania • Co może drgać w obrabiarce? • Długi, wiotki przedmiot obrabiany, długi wiotki uchwyt, frez o małej średnicy dużej długości itd. • Dlaczego (kiedy) powstają drgania? • Przedmiot lub narzędzie są zbyt podatne, zmienne siły skrawania są zbyt duże, narzędzie lub/i materiał obrabiany nie ma zdolności tłumienia drgań, niewłaściwie dobrano metodę obróbki, parametry skrawania lub geometrię ostrza

5. Rozkład naprężeń na powierzchni natarcia

6. Rozkład sił w strefie skrawania Fc FsN F Fs Fo f Fo Fg b F Fc FgN FsN Fs= Fc cosf - Fosinf Fs FsN= Fc sinf + Fo cosf vc go Fg/FgN= m (współczynnik tarcia wióra o powierzchnię natarcia) b= arctgm (kąt tarcia wióra o powierzchnię natarcia) Fg= Fc sing0 + Fo cosg0 FgN= Fc cosg0 - Fosing0

7. Siły skrawania – skrawanie nieswobodne F – wypadkowa siła skrawania Fc – siła skrawania (obwodowa) Ff – siła posuwowa (osiowa) Fp– siła odporowa (promieniowa)

8. Rozkład sił w skrawaniu nieswobodnym Po kr kr Fo FsN Ff Fs kr Fp Ffp Fp coskr Ff sinkr+ Fo=

9. Zadanie =0.451 Fs= Fc cosf - Fo sinf f=24.3° Fo=Ffsinkr+Fpcoskr=579N Wyznaczyć siłę ścinania Fs Fs=1585N

10. 6 Siłyskrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Wzór fizyczny na siłę skrawania

11. Rozkład sił w strefie skrawania FsN Fc Fs Fo f Fo Fg b F Fc FgN • Siły działające na powierzchni natarcia zależą od materiału obrabianego i warunków kontaktu wióra z powierzchną natarcia (b) czyli geometrii tej powierzchni, materiału ostrza, pokrycia itd. Stąd trudno jest je przewidywać • Siły działające w strefie ścinania nie zależą bezpośrednio o narzędzia, a jedynie od materiału obrabianego, więc warto spróbować określić tą zależność F vc go

12. Uniwersalny wykres skrawalności (UMChart) Tak jak przy wytrzymałości na zginanie, ścinanie itd. można się spodziewać, że siły pochodzące od zamiany warstwy skrawanej w wiór: siła ścinania Fs (i siła skrawania Fc) będą proporcjonalne do pola powierzchni ścinania:

13. Uniwersalny wykres skrawalności (UMChart) Das M.K., Tobias S.A., Int.J.Mach.ToolDes&Res. 7/2,1697 (N/mm) Wykres przedstawia zależność siły ścinania Fs i siły skrawania Fcod pola powierzchni ścinania, przeliczonego na 1mm szerokości WS – b, dla szerokiego zakresu parametrów skrawania Zależności nie wychodzą z początku układu współrzędnych… (mm) Skąd się biorą siły przy zerowej grubości WS (zerowym przekroju warstwy skrawanej)?!

14. Siła rozcinająca strefa ścinania g kierunek skrawania zaokrąglenie krawędzi skrawającej rn kierunek posuwu wiór Fcw ostrze Fow Fck Fw Fo Fw a Fk Fok materiał obrabiany Fk Na ostrze działa nie tylko siła od kształtowania wióra - Fwproporcjonalna do pola powierzchni ścinania …. …lecz także siła rozcinająca, działająca na samą krawędź skrawającą – proporcjonalna do długości krawędzi (szerokości warstwy skrawanej) - Fk A zatem: CIRP Encyclopedia of Production Engineering

15. Wpływ promienia zaokrąglenia krawędzi skrawającej na siłę rozcinającą Fck=0.307 rn + +53.6 Fok=2.87 rn + 11.4 Fck Fok Fe Ffk Fck CIRP Encyclopedia of Production Engineering

16. Uniwersalny wykres skrawalności (UMChart) (N/mm) (mm) Ostatecznie mamy zatem:

17. Zadanie Fs/b= Ksk + ksw ls Fc/b= Kck + kcw ls Dane: szerokość warstwy skrawanej b1 = 1 mm, b2 = 3 mm grubość warstwy skrawanej h1 = 0.08 mm, h2 = 0.25 mm siła ortogonalna Fo1 = 180N Fo2 = 796 N siła skrawania Fc1 = 280 N Fc2 = 1680 N kąt ścinania f1 = 20°f2 = 26° Wyznaczyć uniwersalny wykres skrawalności Dane: szerokość warstwy skrawanej b1 = 2 mm, b2 = 3 mm grubość warstwy skrawanej h1 = 0.08 mm, h2 = 0.3 mm siła ortogonalna Fo1 = 302 N Fo2 = 796 N siła skrawania Fc1 = 460 N Fc2 = 1680 N kąt ścinania f1 = 23°f2 = 28° Wyznaczyć uniwersalny wykres skrawalności 1. Długość powierzchni ścinania: ls = h/sinf ls1 = 0.23 mm ls2 = 0.57 mm 2. Siły ścinania: Fs = Fccosf - Fosinf Fs1 = 202 N Fs2 = 1161 N 3. Opory ścinania (z równań prostych): ksw =(Fs1/b1 – Fs2/b2)/(ls1 – ls2) ksw = 551 N/mm2kcw = 832 N/mm2 4. Współczynniki oporu na krawędzi: Ksk =Fs1/b1 – ksh ls1 Ksk = 73 N/mm Kck = 85 N/mm

18. Fizyczny wzór na siłę skrawania  ? (N/mm) (mm)

19. Rozkład sił w strefie skrawania – weryfikacja Fcw Fw Fsw Fok Fow Fck f Fow= Fcw/tgf - Fsw/sinf Foch Fg b Fw Fcw FgN Fsw = Fcw cosf - Fow sinf UMChart: Fc=Fck+Fcw Fs=Fsk+Fsw Fcw=Fc- Fck Fsw=Fs- Fsk go • = arctg(Fow/Fcw)+g0 Fg= Fcw sing0 + Fow cosg0 FgN= Fcw cosg0 - Fow sing0 Fg/FgN= m (współczynnik tarcia wióra o powierzchnię natarcia) b= arctgm (kąt tarcia wióra o powierzchnię natarcia)

20. Uproszczona zależność siły skrawania od grubości WS Uniwersalny wykres skrawalności (model Dasa i Tobiasa) to zależność siły skrawania od pola powierzchni ścinania W literaturze spotkać można także model uproszczony (Altintasa) uzależniający siłę skrawania od pola przekroju poprzecznego warstwy skrawanej

21. Uproszczona zależność siły skrawania od grubości WS Dane wg Y. Altintas "User manual May 2002"

22. 6 Siłyskrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Rola kąta ścinania

23. Siła skrawania i jej zależność od kąta ścinania f f

24. Modelowanie kąta ścinania Merchant, M. E., 1944. Mechanics of the Metal CuttingProcess, J. Appl. Phys. , Vol. 16. 2003 go Naprężenia ścinające w strefie ścinania (opór właściwy ścinania): b ? b-go – pole powierzchniścinania, • Założenia: • zasada minimum energii • idealna plastyczność i niezależność kąta tarcia b od kąta ścinania f (nie prawda) FsN M. Eugene Merchant 1913-2006 Fs f +b-go ls go Lee and Shaffer (1951)na podstawie analizy linii poślizgu uznali, że:

25. Porównanie modeli Merchanta oraz Lee i Shafera Porównanie doświadczalnych zależność kąta ścinania od grubości WS z obliczonymi wg teorii Merchanta oraz Lee i Shafera, korzystając z kątów tarcia wyznaczonych wg Dasa-Tobiasa f fpombD-T

26. Zależność kąta ścinania od warunków obróbki grubość warstwy skrawanej długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia prędkość skrawania

27. Współczesne modelowanie procesu skrawania Komercyjne oprogramowanie bazujące na metodzie elementów skończonych (FEM) Toczenie Frezowanie Wiercenie Wytaczanie

28. 6 Siłyskrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Opór właściwy skrawania

29. Opór właściwy skrawania -mc kc=kc1.1h wg Altintasa: wg Dasa-Tobiasa: AD=bh h b Fc

30. Modelowanie oporu właściwego skrawania TPGN z wyników pomiarów: kc kc CCGT kc2 kc2 kc1 kc1 kc1=102/f; kc2=1112/sin(f) kc1=52/f; kc2=1114/sin(f)

31. Opór właściwy skrawania - przykład

32. Opór właściwy skrawania - przykład poprawka na kąt natarcia:

33. Opór właściwy skrawania - przykład uwzględniono wpływ kąta natarcia: 1% na 1°

34. Opór właściwy skrawania przykładowe wartości Hard materials Superalloys Non-ferrous materials Fc = kc1.1 * b * h 1-mc Cast iron Stainless steel Steel 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 (Typical example ) kc11 (N/mm²)

35. Wzór inżynierski na siłę skrawania  h b Fc O. Kienzle, H. Victor, Spezifische Schnittkrafte bei der Metallbearbeitung, Werkstofftechnik und Machinenbau 47 (5) (1957)224–225

36. Wyznaczanie siły i mocy skrawania Fc = AD∙kc Fc = b∙h∙kc1.1∙h Fc = kc1.1∙b∙h Fc = ap∙f∙kc yc-1 yc ae kc ap ae vf Pe = ––––––––– 60∙106∙h ap ap ae vf vf Fc kc = ––– AD yc-1 kc = kc1.1∙h AD = b∙h = ap∙f kc ap f vc Pe = –––––––––– 60∙1000∙h Fc vc Pe = –––––––––– 60∙1000∙h

37. Zadanie Toczenie wzdłużne

38. Zadanie hmax Wyznaczyć moc obrabiarki vf= n z fz

39. 6 Siłyskrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Zależność sił skrawania od warunków skrawania

40. Siły skrawania CIRP Encyclopedia of Production Engineering

41. Zależność sił skrawania od parametrów skrawania Statystyczny wzór na siłę skrawania  Siła skrawania (obwodowa): Siła posuwowa (osiowa): Siła odporowa (promieniowa):

42. Wyznaczanie zależności Fc(ap,f,vc)metodą NK w Excel • Wykonaj pomiary siły Fc dla wybranych ap, f i vc, wpisz je w kolumnach A-D • W kolumnach F-I oblicz logarytmy • Zaznacz wolne pole 1x4 (tu A31:D31) i wprowadź wzór =REGLIP(y;x;prawda; prawda) • y to zakres komórek z log(Fc), tu I2:I28 • x to zakres komórek z log(ap), log(f), log(vc) tuF2:H28 • Naciśnij Ctrl+Shift+Enter • W polach A31:D31 pojawią się wykładniki w odwrotnej kolejności niż kolumny oraz log(Cc) • Oczywiście Cc można obliczyć w komórce F31 jako 10log(Cc) • Ostatecznie otrzymujemy w tym przypadku:

43. Przykładowe zależności sił od posuwu i prędkości skrawania Sily skrawania zredukowane do ap=1mm. Stal 30; hR110.17; SPUN 120304-TCS2 kr = 75ogo= +5oao= 6ols = 0ore = 0.4 mm

44. Przebieg siły skrawania przy toczeniu Mat. obrabiany Inconel 718 oprawka SCLCR 2020K12 płytka CCMT120404-MM, 1005 ap=0.5 mm, f=0.13 mm/obr, vc=50 m/min Składowa statyczna zakłócenia Składowa statyczna zakłócenia Składowa statyczna zakłócenia

45. Widmo siły skrawania przy toczeniu Mat. obrabiany Inconel 718 oprawka SCLCR 2020K12 płytka CCMT120404-MM, 1005 ap=0.5 mm, f=0.13 mm/obr, vc=50 m/min

46. Przykładowe zależności sił od posuwu i prędkości skrawania – Inconel 718 ? Sandvik oprawka SCLCR 2020K12 płytka CCMT120404-MM, 1005 Fc = 1665 f0.59 ap0.91 r=0.999 Ff = 437 f0.29 ap1.15 r=0.994 Fp = 360 f0.12 ap0.65 r=0.915

47. Kształtowanie wióra przy bardzo małej grubości warstwy skrawanej Foe Fce h CIRP Encyclopedia of Production Engineering

48. Kształtowanie wióra przy bardzo małej grubości warstwy skrawanej Dla h=0 mamy ślizganie ostrza po powierzchni materiału (a) Przy h  0 występuje gniecenie materiału (b) Kształtowanie wióra zaczyna się po przekroczeniu minimalnej grubości WS hmin przy bardzo ujemnym efektywnym kącie natarcia (c) „Normalne skrawanie występuje gdy h >>rn (d) c) b) a) d) h gn gn gef<< 0 gef< 0 h h h=0

49. Przykładowe zależności sił od posuwu i prędkości skrawania – Inconel 718 KENNAMETAL oprawka 411157-3VRS płytka RCGX090700EKY1540 Wykreślić zależności sił od posuwu dla kolejnych głębokości re=9.53mm hD=8.2mm Fc = 992 f0.26 ap0.71r = 0.848 Ff = 483 f0.25 ap1.00 r = 0.859 Fp = 360 f0.11 ap0.36 r = 0.254 ?! hD=13.3mm

50. 6 Siłyskrawania • Rozkład naprężeń i sił w strefie skrawania • Wzór fizyczny na siłę skrawania • Rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania • Zależność sił skrawania od warunków skrawania • Badania sił skrawania przy frezowaniu Badania sił skrawania przy frezowaniu