Obróbka Skrawaniem 08 Ciepło, metody chłodzenia

1. Obróbka Skrawaniem -podstawy, dynamika, diagnostyka 8. Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia

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 Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia strony 213-241

3. 8Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania

4. Zależność sił skrawania od parametrów skrawania Siła skrawania (obwodowa): Siła posuwowa (osiowa): Siła odporowa (promieniowa):

5. Wytwarzanie ciepła w procesie skrawania yc 0.75xc 1 zc -0.1 Le lskr ___ ___ Q = = Fc = Fc vc= moc skrawania tskr tskr ycxc zc Fc= Ccf apvc Qsh - wytwarzane w strefie ścinania ok. 80% Qg - wytwarzane na powierzchni natarcia ok. 20% Qa - wytwarzane na powierzchni przyłożenia poniżej 5% Ciepło wytwarzane w jednostce czasu: ~ ~ ~ ~ ~ ~ ≈ 1 ≈ 0.75 ≈ 1 ycxc zc+1 Q = Cqf apvc praca ścinania praca odkształcenia wytwarzane ciepło w czasie Praca skrawania praca wtórnego ścinania Q=Le /tskr tarcie na pow. natarcia Le=Fc. Iskr praca tarcia tarcie na pow. przyłożenia F. Klocke, Application of MQL -Technology, HPC-CIRP 2003

6. Bilans cieplny w strefie skrawania Qsh+ Qg + Qa= Qch+ QPO + QN+QA Wytwarzanie ciepła: Qsh - ciepło wytwarzane w strefie ścinania Qg - ciepło wytwarzane na powierzchni natarcia Qa - ciepło wytwarzane na powierzchni przyłożenia Odprowadzanie ciepła: Qch - ciepło unoszone przez wiór 75-80% QPO - ciepło wnikające w przedmiot obrabiany 5-10% QN - ciepło wnikające w narzędzie 10-15% QA- ciepło unoszone do atmosfery lub przez chłodziwo

7. Wpływ parametrów skrawania na temperaturę ostrza ≈ 1 ≈ 0.75 ≈ 1 Wytwarzanie ciepła: • Prędkość skrawania: • na wytwarzanie wpływa proporcjonalnie: • wraz ze wzrostem prędkości rośnie udział ciepła odprowadzanego przez wiór • na temperaturę ostrza wpływa znacznie mniej niż proporcjonalnie: • Posuw (grubość warstwy skrawanej): • na wytwarzanie wpływa mniej proporcjonalnie • ciepło wytwarzane w części strefy ścinania dalszej od krawędzi skrawającej ogrzewa głównie wiór na temperaturę ostrza wpływa nieznacznie: Głębokość skrawania (szerokość warstwy skrawanej): • na wytwarzanie wpływa proporcjonalnie xc~ 1 • na odprowadzanie ciepła wpływa proporcjonalnie na temperaturę ostrza prawie nie wpływa : xt ~0

8. Wpływ parametrów skrawania na temperaturę ostrza np. toczenie stali narzędziem 40 ze stali szybkotnącej toczenie staliniskowęglowej narzędziem z WS W uproszczeniu: HSS WS ceramika

9. Rozkład temperatur w strefie skrawania Jing Sheng, Int J AdvManufTechnol (2015) 76:705–712 P.-J. Arrazola et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 57–6

10. 5Siły, moc i ciepło w procesie skrawania • Rozkład sił w strefie skrawania • Modelowanie siły skrawania, rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania i moc skrawania • Bilans cieplny w strefie skrawania • Wpływ parametrów na temperaturę ostrza • Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania • Charakterystyka płynów obróbkowych • Sposoby podawania płynów obróbkowych Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania

11. Termopara naturalna jednonarzędziowa Siła elektromotoryczna mierzona przy pomocy miliwoltomierza mV Najbardziej rozpowszechniona, najłatwiejsza do zastosowania Strefa skrawania stanowi gorący styk termopary materiał obrabiany - narzędzie Narzędzie winno być elektrycznie odizolowane od obrabiarki Do zbieranie prądu z obracającego się przedmiotu obrabianego, wystarczy prosty kolektor

12. Termopara naturalna jednonarzędziowa mV Metoda dobrze służyć może do jakościowej oceny wpływu warunków skrawania na średnią temperaturę ostrza. • Główna niedoskonałość - wzorcowanie termopary: • pręty z materiału narzędzia i materiału obrabianego stykają się w piecu o kontrolowanej temperaturze tworząc gorący styk termopary • taki styk jest drastycznie różny od styku jaki ma miejsce w strefie skrawania • wzorcowanie układu trzeba wykonywać dla każdej pary materiał obrabiany - materiał ostrza oddzielnie • wada jakościową, można korzystać ze wspólnych krzywych wzorcowania dla naturalnych termopar o zbliżonych materiałach

13. Termopara naturalna jednonarzędziowa Zastosowanie do badania temperatury w strefie skrawania przy frezowaniu CFRP (Carbon FiberReinforced Plastics tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym). H. Sasahara, et al.,4th CIRP Int. Conf. on HPC, 2010, E17

14. Termopara naturalna jednonarzędziowa Zastosowanie do badania średniej temperatury w strefie skrawania przy toczeniu narzędziem obrotowym H. Yamamoto, et al.,4th CIRP Int. Conf. on HPC, 2010, A17

15. Termopara naturalna dwunarzędziowa Mierzona jest siła elektromotoryczna między narzędziami, a wpływ materiału obrabianego wyeliminowany mV Zastosowanie dwu narzędzi o tej samej geometrii, z różnych materiałów, skrawających jednocześnie z tymi samymi parametrami ten sam przedmiot eliminuje konieczność wzorcowania dla każdej pary materiał obrabiany – materiał ostrza Materiał ostrza ma wpływ na temperaturę skrawania co obniżą wartość metody. Kłopotliwe jest przygotowanie przedmiotu i zachowanie tej samej głębokości skrawania Zastosowanie takie samo jak termopary jednonarzędziowej - do jakościowej oceny wpływu warunków skrawania na średnią temperaturę ostrza.

16. Termopara obca • Termopara umieszczona wotworze wykonanym w narzędziu • Położenie jej gorącego styku jest ściśle określone • Pojedyncze narzędzie może dobrze służyć do badań porównawczych wpływu warunków skrawania na temperaturę ostrza • Wykonując wiele narzędzi z otworami w różnych miejscach można zbadać rozkład temperatur w ostrzu. • Metoda prosta lecz bardzo żmudna • Wadą jest niemożność określenia temperatur w pobliżu krawędzi skrawającej, gdzie gradienty temperatury są najwyższe. • Sam otwór zakłóca odprowadzanie ciepła i rozkład temperatury

17. Termopara obca – pomiar temperatury powierzchni przyłożenia Obróbka stopów magnezu z wysokimi prędkościami skrawania – niebezpieczeństwo samozapłonu frez palcowy siłomierz frez palcowy przedmiot obrabiany i termopary smar silikonowy termopara osłona F. Z. Fang, Mean Flank Temperature Measurement in High Speed Dry Cuttingof Magnesium Alloy

18. Pirometr dwukolorowy przedmiot obrabiany dwukolorowy filtr rozdzielający soczewka punkt pomiarowy • pomiar dwóch długości fali świetlnej: 1.7mm i 2 mm • duża rozdzielczość w czasie (ok. 2 ms) • niezależność od emisyjności (zbędna kalibracja) • szeroki zakres pomiarowy (250-1200°C) • pomiar bezdotykowy włókno szklane (∅ = 0.42 mm) fotodioda wzmacniacz

19. Pirometr dwukolorowy – toczenie

20. Pirometr dwukolorowy - frezowanie InSb - antymonek indu InAs - arsenek indu

21. Kamera termowizyjna 3 składowy siłomierz dysk 152x3 mm kamera na podczerwień narzędzie

22. Kamera termowizyjna Termograf procesu skrawania dla vc= 250m/min if = 0.3 mm/obr. Maksymalna zaobserwowana temperatura 445ºC.

23. Badanie rozkładu temperatur – zmiany struktury

24. Badanie rozkładu temperatur – zmiany twardości

25. 5Siły, moc i ciepło w procesie skrawania • Rozkład sił w strefie skrawania • Modelowanie siły skrawania, rola kąta ścinania • Opór właściwy skrawania i moc skrawania • Bilans cieplny w strefie skrawania • Wpływ parametrów na temperaturę ostrza • Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania • Charakterystyka płynów obróbkowych • Sposoby podawania płynów obróbkowych Charakterystyka płynów obróbkowych

26. Wymagania stawiane płynom obróbkowym tworzyć mgły być toksyczne, śmierdzące, szkodliwe dla zdrowia być szkodliwe dla układu chłodzącego i całej obrabiarki (rozpuszczać lakiery) powodować korozji różnych materiałów obrabianych tworzyć osadów, powodować sklejanie wiórów rozkładać się pod wpływem domieszek oleju maszynowego z wycieków pienić się Ciecze chłodząco-smarujące nie mogą: Powinny być trwałe, stabilne i tanie

27. Zadania płynów obróbkowych • Obniżenie temperatury narzędzia i przedmiotu obrabianego przez zwiększone odprowadzanie ciepła • podwyższenie dokładności wymiarowej • podwyższenie trwałości ostrza • Obniżenie tarcia materiału obrabianego i wióra o narzędzie • redukcja sił i mocy skrawania  redukcja ilości wytwarzanego ciepła • poprawa jakości powierzchni obrobionej • Ułatwienie usuwania wiórów ze strefy skrawania • Przeciwdziałanie powstawaniu narostu • Zabezpieczenie antykorozyjne przedmiotu i obrabiarki

28. Płyny obróbkowe dobrze odprowadzać ciepło mieć dobre właściwości smarne • emulsje olejowe • czyste oleje W celu spełnienia podstawowych wymagań funkcjonalnych płyn obróbkowy powinien: WODA OLEJ Płyny obróbkowe można podzielić na dwie grupy:

29. Emulsje olejowe Mieszaniny oleju (zwykle mineralnego) z wodą (w proporcji 1:10÷1:60) plus emulgatory, inhibitory korozji i środki bakteriobójcze. Mają dobre właściwości chłodzące wody i znacznie lepsze od niej zdolności smarne. Poprawę własności smarnych można uzyskać dzięki dodaniu olejów roślinnych lub zwierzęcych. Dostarczane są w postaci koncentratów, które należy zmieszać z wodą.

30. Syntetyczne płyny obróbkowe • Uzupełnieniem emulsji olejowych są syntetyczne płyny obróbkowe - roztwory wodne np. glikolu (bez oleju). • Mają właściwości podobne do emulsji olejowych. • Są przeźroczyste, co ułatwia obserwację strefy obróbki.

31. Oleje • Oleje tłuszczowe (roślinne i zwierzęce), mineralne oraz mieszane. • Najczęściej stosowane są oleje mineralne, jako najtańsze i najbardziej efektywne. • W porównaniu z emulsjami: • znacznie słabsze właściwości chłodzące, • lepsze właściwości antykorozyjne i smarne, • mogą być jeszcze poprawione przez dodatki aktywne lub domieszki olejów tłuszczowych • Płyny oparte na olejach tłuszczowych: • bardzo efektywne także pod względem właściwości chłodzących, • ulegające łatwej biodegradacji

32. Dobór cieczy obróbkowej Właściwości chłodzące decydują przy obróbce materiałów łatwo obrabialnych z wysokimi prędkościami skrawania, przy prostych operacjach (szlifowanie, toczenie, wiercenie, frezowanie) – mniej oleju, mniejsza koncentracja emulsji. Właściwości smarne są bardzie pożądane przy niskich prędkościach skrawania, dla trudnych operacji (gwintowanie, obróbka uzębień, rozwiercanie, wytaczanie), przy materiałach trudno obrabialnych i gdy wymagana jest wysoka jakość powierzchni obrobionej. K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004

33. Chłodzenie zalewowe • Współcześnie najczęściej stosowane jest chłodzenie konwencjonalne, zalewowe. • Ciecz dostarczana jest pod niskim ciśnieniem na całą strefę obróbki • Ciągły przepływ chłodziwa ułatwia zmywanie i usuwanie wiórów • Efektywność zależy od geometrii procesu obróbki • Ciecz jest zbierana, filtrowana i pompowana ponownie do dyszy wylotowej

34. Wady chłodzenia zalewowego • Chłodzenie konwencjonalne, zalewowe sprowadza się do niekontrolowanego, zalewania wierzchniej, zewnętrznej strony wióra, podczas gdy obszar w pobliżu krawędzi skrawającej i na powierzchni natarcia, gdzie występują najwyższe temperatury nie jest penetrowany przez chłodziwo • Wysokie temperatury w strefie skrawania prowadzą do odparowywania chłodziwa i tworzenia bariery z pary, która przy chłodzeniu zalewowym przeciwdziała efektywnemu chłodzeniu rejonu krawędzi skrawającej. • Aktualną tendencją jest obróbka wysokowydajna (HPC- high-performance cutting), która prowadzi do wzrostu temperatur skrawania • Stąd konieczność stosowania zaawansowanych techniki chłodzenia R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

35. Alternatywne podejścia • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Chłodzenie kriogeniczne • ciekłym azotem (LN2) • ciekłym dwutlenkiem węga (CO2) • Skrawanie na sucho lub minimalne - MQL (Minimum QuantityLubrication) • MQL - skrawanie niemal na sucho: przepływ na poziomie ml/min, ciecz rozpylana i podawana w postaci aerozolu do strefy obróbki • Akceptowalne w niektórych warunkach, ale… • skraca żywotność narzędzia • wiercenie/gwintowanie – możliwe zapychanie się wiórami – brak smarowania • odkształcenia cieplne • zanieczyszczenie powietrza • gorsze usuwanie wiórów

36. 5 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem

37. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie obfite (zalewowe) • wydatek > 4 l/min, ciecz zalewa cały przedmiot i strefę obróbki • pod wysokim ciśnieniem • przepływ na poziomie l/min, ciecz podawana na strefę obróbki pod podwyższonym ciśnieniem

38. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Atrakcyjną alternatywą jest podawanie chłodziwa między spodnią powierzchnią wióra, a powierzchnią natarcia, pod podwyższonym ciśnieniem i wydatkiem • Tworzy się klin z cieczy obróbkowej, który efektywnie chłodzi i smaruje strefę skrawania • występuje także podawanie cieczy od strony powierzchni przyłożenia, z obu kierunków lub przez płytkę skrawającą R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

39. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Zastosowanie chłodzenia pod wysokim ciśnieniem powoduje usunięcie bariery parowej i umożliwienie dotarcia chłodziwa bliżej krawędzi skrawającej, znacznie zwiększając efektywność chłodzenia • Siła strumienia cieczy działająca na spodnią część wióra działa jak płynny zwijacz wiórów, obniżając promień ich zakrzywienia. • prowadzi to do redukcji długości kontaktu wióra z powierzchnią natarcia o połowę • Wióry unoszone przez chłodziwo mogą uderzać w powierzchnię obrobioną uszkadzając ją. • należy temu przeciwdziałać przez odpowiednie usytuowanie dyszy R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

40. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem chłodziwo Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem od strony powierzchni natarcia oddziałuje na proces skrawania na trzy sposoby: Oddziaływanie mechaniczne Oddziaływanie termiczne Oddziaływanie trybologiczne Wyższa wydajność Wyższa stabilność Mniejsza długość kontaktu wiór - Ag Mniejsze tarcie postaciowe Większa trwałość ostrza Większa krzywizna wióra Mniejsza temp. w strefie skrawania Mniejsze tarcie ślizgowe Lepsze łamanie wiórów Wyższe param. skrawania Mniejsze zużycie ostrza lub R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

41. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem Ciśnienie i wydatek chłodziwa ma znaczący wpływ na formowanie się wiórów (kształt i łamanie) Poprawa w łamaniu wiórów dzięki chłodzeniu pod wysokim ciśnieniem przy nacinaniu rowków w Inconel 718 Lauwers B, et al. CIRP Annals, (2014)63:561–583.

42. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Korzystne oddziaływanie chłodzenia pod wysokim ciśnieniem umożliwia zautomatyzowaną obróbkę trudnoobrabialnych materiałów lotniczych, zwiększa wydajność i stabilność procesu. • Wymaga jednak • zamknięcia przestrzeni obróbkowej • systemu odsysania powstającej mgły aerozolowej • pompy wysokiego ciśnienia z filtrami • Odpowiednie narzędzia ze zintegrowanymi dyszami są już dostępne komercyjnie na rynku Noże tokarskie przystosowane do chłodzenia pod wysokim ciśnieniem (a) do toczenia (b) do przecinania R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

43. Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem \Dropbox\!Teksty\Dydaktyka\!TeWy mgr\HPC vs FC.avi

44. 5 Ciepło w strefie skrawania, metody chłodzenia • Generowania ciepła i temperatura w strefie skrawania • Ciecze obróbkowe, chłodzenie zalewowe • Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Chłodzenie kriogeniczne • Ekologiczne metody chłodzenia • Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem

45. Wady stosowania cieczy obróbkowych • Koszty (zakupu, utrzymania, usuwania oparów, filtry, itp.) • zanieczyszczenie wody • zanieczyszczenie powietrza • zmniejszenie elastyczności ustawienia obrabiarki

46. Alternatywne podejście zatrucie środowiska regulacje prawne wycieki obróbka na sucho lub z minimalnym smarowaniem (MQL) wizerunek firmy wzrost satysfakcji z pracy obniżenie kosztów

47. Ekologiczne metody chłodzenia • Współczesną tendencją jest dążenie do wytwarzania zrównoważonego, nieszkodliwego dla środowiska naturalnego. • Niegraniczone, obfite stosowanie chłodziwa przy chłodzeniu zalewowym drastycznie kłóci się z tymi wymaganiami • Stąd alternatywne podejścia: Chłodzenie kriogeniczne Obróbka na sucho Obróbka z minimalnym smarowaniem Jawahir IS, et al. Cryogenic manufacturing processes. CIRP Annals 2(2016)

48. W skrawaniu na sucho podstawowe funkcje chłodziwa nie są realizowane X smarowanie tarcie adhezja wpływ narzędzie (zużycie, odkształcenia plastyczne, formowanie wióra) przedmiot obrabiany (dokładność kształtu i wymiaru, powierzchnia, krawędź) obrabiarka (dokładność, usuwanie wiórów) X X chłodzenie usuwanie wiórów wpływ wpływ obciążenie cieplne usuwanie wiórów z mat. obr. narzędzia obrabiarki narzędzia, mat. obrabianego, obrabiarki Problem w skrawaniu na sucho: Zastąpienie funkcji chłodziwa © K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004

49. Zależność możliwości zastosowania obróbki na sucho lub MQL od sposobu obróbki • Obróbka na sucho i MQL najłatwiej może być zastosowana przy frezowaniu – przerwy w skrawaniu sprzyjają łamaniu wiórów i chłodzeniu ostrzy. • Przy toczeniu dostęp do strefy skrawania jest dobry, co sprzyja redukcji ilości cieczy obróbkowej • Wykonywanie otworów (wytaczanie, wiercenie, rozwiercanie, gwintowanie) jest trudne bez przynajmniej niewielkiej ilości cieczy, ze względu na zasłonięcie strefy skrawania i trudne odprowadzanie wiórów • Wysoka gęstość energii, niedostępność strefy skrawania i wysokie wymagania dotyczące powierzchni powodują konieczność stosowania cieczy obróbkowych w procesach o geometrycznie nieokreślonych ostrzach konieczne stosowanie cieczy procesy z geometrycznie określonymi ostrzami docieranie honowanie szlifowanie rozwiercanie wiercenie toczenie frezowanie piłowanie procesy z geometrycznie nieokreślonymi ostrzami możliwa obróbka na sucho lub MQL K. Weinert et al. Dry Machining and MQL, Annals of the CIRP 2004

50. Chłodzenie minimalne - definicja G. Eisenblätter, I. Palm, HPC-CIRP 2002 • Chłodzenie minimalne (Minimum Quantity Lubrication - MQL) jest ważnym elementem współczesnej obróbki wysoko produktywnej. • pozwala na uniknięcie szoku termicznego narzędzia i przedmiotu obrabianego • redukuje koszty produkcji • wspiera wytwarzanie ekologiczne • Definicja: • Dostarczanie minimalnych ilości chłodziwa wprost do strefy skrawania przez strumień sprężonego powietrza (aerozol) • Przy optymalnym dostrojeniu systemu chłodzącego wydatek chłodziwa jest znacznie niższy niż 50 ml na godzinę