Obróbka Skrawaniem 09 Zużycie i trwałość ostrza

1. Obróbka Skrawaniem -podstawy, dynamika, diagnostyka 9. Zużycie i trwałość ostrza

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 Zużycie i trwałość ostrza strony 242-275

3. 9 Zużycie i trwałość ostrza • Zjawiska powodujące zużycie ostrza • Wskaźniki zużycia ostrza • Okres trwałości ostrza • Zależność okresu trwałości ostrza od parametrów skrawania • Trwałość ostrza przy zmiennych parametrach skrawania • Dobór parametrów skrawania Zjawiska powodujące zużycie ostrza

4. Zużycie i stępienie ostrza • Obciążenie mechaniczne, chemiczne i cieplne ostrza w procesie skrawania powoduje • zmiany właściwości ostrza, • ubytki jego materiału, • Wynika stąd pogorszenie zdolności ostrza do wykonywania obróbki skrawaniem • Postępującą w czasie utratę właściwości skrawnych ostrza nazywamy zużyciem ostrza. • Zużycie ostrza jest procesem trwającym od początku jego pracy – ostrze, które pracowało choćby kilkanaście sekund już jest w jakimś stopniu zużyte • Stan ostrza, który czyni go nieprzydatnym do dalszej pracy nazywamy stępieniem ostrza.

5. Typowe objawy zużycia ostrza zużycie wrębowe krater na powierzchni natarcia starcie powierzchni przyłożenia zużycie wrębowe

6. Zjawiska powodujące zużycie ostrza • ścieranie mechaniczne 2. adhezja 3. dyfuzja 5. odkształcenia plastyczne 4. utlenianie (erozja) • pęknięcia • wykruszenia • wyłamania 6. zużycie wytrzymałościowe

7. Ścieranie narzędzie ze stali szybkotnącej narzędzie ceramiczne S.Hogmark, HSS FORUM, 2005, Germany V.P. Astakhow, Drills, CRC Press, 2014

8. Ścieranie Narzędzie z węglików spiekanych. • Twarde wtrącenia w materiale ścierają ostrze. • Małe fragmenty pokrycia oderwanego od narzędzia również ścierają ostrze. • Miękki kobalt wyciera się spomiędzy ziaren węglików, pozbawiając je oparcia, stąd i one są usuwane Przeciwdziałanie • Obniżyć prędkość skrawania • Dobrać gatunek bardziej odporny na zużycie ścierne Zużycie powierzchni przyłożenia

9. Adhezja

10. Adhezja Geometria ostrza ao= 8º, go= 10º, er = 90º, kr = 60º, re= 1 mm, czas skrawania tc= 30min Materiał obrabiany: C53E Materiał ostrza: HW=P30 Parametry skrawania: ap= 2mm, f = 0,315 mm/obr zużycie ostrza VBB (mm) Prędkość skrawania vc (m/min) F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

11. Zużycie adhezyjne narzędzia ze stali szybkotnącej S.Hogmark, HSS FORUM, 2005, Germany

12. Adhezja narost Przeciwdziałanie • Zwiększyć prędkość skrawania • Zastosować chłodziwo, albo wręcz przeciwnie • Zastosować większe kąty natarcia • Zwiększyć posuw

13. Dyfuzja Fe C Co Obróbka stali narzędziem z węglików spiekanych rozkład WC i powstawanie złożonych związków żelaza wolframu i węgla: Fe3W3C, (FeW)6C, (FeW)23C6 TiC-WC kobalt

14. Dyfuzja – krater na powierzchni natarcia krater

15. Dyfuzja Przeciwdziałanie: • Wybrać gatunek ostrza bardziej odporny na zużycie – z niższym numerem z grupy P • Obniżyć prędkość skrawania • Zmienić geometrię zwijacza wiórów • Zastosować chłodzenie Krater

16. Utlenianie zużycie wrębowe

17. Utlenianie, zużycie wrębowe • Utlenianie i koncentracja naprężeń powoduje, że tworzące się związkiWaFebCocOdsą ścierane. • Dodatkowe znaczenie ma utwardzanie powierzchni obrobionej w poprzednim przejściu Przeciwdziałanie: • Wybrać gatunek ostrza bardziej odporny na utlenianie • Obniżyć prędkość skrawania • Obniżyć posuw • Wybrać bardziej wytrzymały gatunek ostrza • Obniżyć kąt przystawienia Zużycie wrębowe

18. Zużycie wrębowe zużycie wrębowe • Zwłaszcza przy obróbce stopów niklu występują mechanizmy prowadzące do zużycia wrębowego: • zmęczenie, pękanie spowodowane wysokimi zmiennymi obciążeniami termicznymi i mechanicznymi • adhezja spowodowana przez mikroprzypawanie i wystrzępienie krawędzi wióra spływającego poprzecznie do wrębu wraz z cząstkami materiału ostrza • ścieranie spowodowane przez zestalone zadziory o zębatej krawędzi pozostawione na powierzchni obrobionej i pchane na powierzchni obrabianej przed narzędziem • utlenianie spowodowane reakcją chemiczną materiału obrabianego i/lub ostrza z otaczającym medium F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

19. Zużycie wrębowe Zużycie wrębowe głównej i pomocniczej krawędzi skrawającej znacznie wpływa na jakość powierzchni obrobionej F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

20. Wpływ promienia naroża na zużycie ostrza przy toczeniu stopu niklu narzędziem PCBN F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

21. Redukcja zużycia wrębowego przez zmienną ap F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

22. Deformacje plastyczne

23. Deformacje plastyczne stali szybkotnącej S.Hogmark, HSS FORUM, 2005, Germany

24. Deformacje plastyczne węglików spiekanych Przeciwdziałanie • Obniżyć prędkość skrawania • Obniżyć posuw • Wybrać wytrzymalszy gatunek ostrza • Zastosować chłodziwo • Zwiększyć promień naroża Deformacje plastyczne Ciepło zmiękcza strukturę, zwłaszcza kobalt – ostrze się deformuje

25. Wytrzymałościowe zużycie ostrza

26. Pęknięcia termiczne Przeciwdziałanie: • Zastosuj obwite chłodzenie • Nie stosuj chłodzenia • Obniż prędkość skrawania • Zredukuj posuw • Wybierz twardszy i bardziej wytrzymały gatunek • Zastosuj inną metodę obróbki – zmień stosunek czasu przebywania narzędzia w materiale i poza nim Pęknięcia grzebieniowe Wywołane nagłymi zmianami temperatury ostrza – wchodzenie i wychodzenie z materiału

27. Wykruszenia ostrza ze stali szybkotnącej S.Hogmark, HSS FORUM, 2005, Germany

28. Wykruszenia ostrza z węglików Spowodowane zużyciem ściernym i lokalną koncentracją naprężeń pochodzących od: • twardych wtrąceń w materiale obrabianym • obróbki przerywanej • drgań Przeciwdziałanie: • Zwiększ prędkość skrawania • Obniż posuw (szczególnie przy wejściu i wyjściu) • Dobierz silniejszą geometrię ostrza (większy promień zaokrąglenia krawędzi • Dobierz wytrzymalszy gatunek węglika • Zredukuj drgania wykruszenia

29. Wykruszenia spowodowane wiórami Zużycie ścierno-wytrzymałościowe. Wióry kolidują z krawędzią i uszkadzają ją. Typowe dla obróbki Inconeli Przeciwdziałanie: • Zmień posuw • Zmień głębokość skrawania • Dobierz kąt przystawienia • Dobierz inny zwijacz wióra • Dobierz wytrzymalszy gatunek węglika Uderzenia wióra

30. Wykruszenia frezu równomierne wzdłuż krawędzi przypadkowe

31. Wyłamanie ostrza • Przeciążenie mechaniczne. Kombinacja mechanicznego i termicznego obciążenia ostrza prowadzi do jego wyłamania nawet podczas pierwszych sekund pracy • Zbyt duże zużycie ostrza Przeciwdziałanie: • Zredukuj posuw • Zredukuj głębokość skrawania • Dobierz wytrzymalszy gatunek węglika • Dobierz płytkę z silniejszą krawędzią skrawającą lub zwijaczem wiórów do większych posuwów • Dobierz grubszą płytkę • Sprawdź przygotówkę z punku widzenia twardych wtrąceń i trudności w wejściem ostrza w materiał Wyłamanie ostrza

32. 9 Zużycie i trwałość ostrza • Zjawiska powodujące zużycie ostrza • Wskaźniki zużycia ostrza • Okres trwałości ostrza • Zależność okresu trwałości ostrza od parametrów skrawania • Trwałość ostrza przy zmiennych parametrach skrawania • Dobór parametrów skrawania Wskaźniki zużycia ostrza

33. Wskaźniki zużycia ostrza • Bezpośrednie wskaźniki zużycia ostrza – geometryczne miary zużycia • Pośrednie wskaźniki zużycia ostrza – zmiany wielkości fizycznych spowodowane zużyciem ostrza, na podstawie których można ocenić to zużycie • jakość powierzchni obrobionej, • kształt i kolor wióra, • siły skrawania, • drgania i hałas, • emisja akustyczna, • inne, odpowiednie dla danych warunków skrawania

34. Bezpośrednie wskaźniki zużycia - toczenie KT KM __ K=

35. Bezpośrednie wskaźniki zużycia - frezowanie VBN - zużycie wrębowe VBB – zużycie równomierne VBBmax – zużycie nierównomierne VBC - zużycie naroża

36. Bezpośrednie wskaźniki zużycia - wiercenie VBcl - zużycie ścina (chisel) VBBmax – zużycie nierównomierne VBC - zużycie naroża VBmg - zużycie łysinki (margin) V.P. Astakhow, Drills, CRC Press, 2014

37. Przykładowe zużycie ostrza z WS powierzchnia przyłożenia – starcie, zużycie wrębowe powierzchnia natarcia – krater

38. Przykładowe zużycie ostrza z WS c) a) VBB=0,04 VBC=0,24 VBB=0,28 VBC=0,38 Materiał obrabiany stal 60 (215-255 HB), Narzędzie hR 117.26-2020 z płytką TNMG 160408-M4 z lewej niepokrywana SECO S4 z prawej pokrywana SECOTIC TP 1,5*0,24 d) b) KT=0,25

39. Przykładowe wyglądy zużycia ostrza

40. 9 Zużycie i trwałość ostrza • Zjawiska powodujące zużycie ostrza • Wskaźniki zużycia ostrza • Okres trwałości ostrza • Zależność okresu trwałości ostrza od parametrów skrawania • Trwałość ostrza przy zmiennych parametrach skrawania • Dobór parametrów skrawania Okres trwałości ostrza

41. Okres trwałości ostrza dopuszczalna (krytyczna) wartość zużycia (stępienie ostrza) wk zużycie przyspieszone zużycie jednostajne docieranie T Czas skrawania do stępienia ostrza nazywamy okresem trwałości ostrza T zużycie ostrza (w) czas skrawania (t)

42. Przyczyny zakończenia trwałości ostrza nieokreślona niewykorzystane wyłamania rzeczywistość wykruszenia Zużycie powierzchni przyłożenia (VBB) Zużycie powierzchni natarcia (KT)

43. Zalecane dopuszczalne wartości zużycia Wartość dopuszczalna Materiał ostrza Wskaźnik stępienia VBB 0,2 do 1 mm Starcie powierzchni przyłożenia VBBmax 0,35 do 1 mm Stal szybkotnąca Głębokość krateru KT 0,1 do 0,3 mm VBB 0,3 do 0,5 mm Starcie powierzchni przyłożenia Węgliki spiekane 0,5 do 0,7 mm VBBmax Głębokość krateru KT 0,1 do 0,2 mm Starcie powierzchni przyłożenia VBB 0,15 do 0,3 mm Materiały ceramiczne 0,1 mm Głębokość krateru KT F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

44. Losowy charakter zużycia i trwałości ostrza • Zużycie ostrza jest do pewnego stopnia zjawiskiem losowym. • nie da się z góry przewidzieć ile czasu wyniesie okres trwałości w określonej próbie • można przewidzieć, w jakim przedziale się on znajdzie z założonym prawdopodobieństwem: - odchylenie standardowe okresu trwałości ostrza - kwantyl rzędu a rozkładu normalnego – poziom prawdopodobieństwa (że okres trwałości wykroczy poza zakres) Z reguły odchylenie standardowe okresu trwałości ostrza jest proporcjonalne do jego wartości średniej , stąd wygodniej jest posługiwać się współczynnikiem zmienności: • co prowadzi do:

45. Losowy charakter zużycia i trwałości ostrza Jeśli średnia i odchylenie standardowe zostało wyznaczone z niewielkiej liczby prób, są one obarczone niepewnością. Wtedy zamiast rozkładu normalnego () stosuje się rozkład t-Studenta (): gdzie N-1 –liczba stopni swobody przy wyznaczaniu średniej, N - liczba pomiarów wzięta do wyznaczania średniej William SealyGosset (1876 -1937) – angielski statystyk. Publikował pod pseudonimem Student (stąd nazwa wprowadzonego przez niego w roku 1908 rozkładu prawdopodobieństwa: rozkład Studenta). Przez większość życia pracował w browarach Guinnessa w Dublinie i w Londynie. Zajmował się tam m.in. kontrolą jakości piwa i surowców do jego produkcji, co doprowadziło go do rozważań nad statystyką i szacowaniem nieznanych parametrów. pl.wikipedia.org/wiki/William_Sealy_Gosset

46. Niezawodny okres trwałości ostrza Skoro okres trwałości opisujemy zależnością: to okres trwałości ostrza, który zostanie osiągnięty z założonym prawdopodobieństwem (niezawodny okres trwałości ostrza): Np. jeśli zależy nam, by nie więcej niż 1% ostrzy uległo stępieniu przed czasem… a dysponujemy danymi z 20 prób (k = 19), to: 2,539

47. Zadanie Średni okres trwałości Liczba prób N=20 Współczynnik zmienności Określić okres trwałości ostrza który będzie osiągnięty z prawdopodobieństwem 95% =0.05 poziom prawdopodobieństwa =0.1 ; Liczba stopni swobody k=N-1=19 Wartość rozkładu t-Studenta

48. Określanie końca trwałości ostrza 1) Laboratorium 3) Produkcja seryjna Czas, liczba sztuk Wskaźnikibezpośrednie 2) Produkcja jednostkowa, bezpośredni nadzór operatora 4) Zautomatyzowane systemy wytwarzania Wskaźnikipośrednie Wskaźnikipośrednie

49. 9 Zużycie i trwałość ostrza • Zjawiska powodujące zużycie ostrza • Wskaźniki zużycia ostrza • Okres trwałości ostrza • Zależność okresu trwałości ostrza od parametrów skrawania • Trwałość ostrza przy zmiennych parametrach skrawania • Dobór parametrów skrawania Zależność okresu trwałości ostrza od parametrów skrawania

50. ZależnośćT(vc) toczenie stali 40H, narzędzie węglik spiekany H05, ap=1 mm, f=0.1 mm/obr Opadające fragmenty zależności w układzie podwójnie logarytmicznym można opisać prostymi • przeciąganie, gwintowanie, rozwiercanie, obróbka uzębień • toczenie, wiercenie, frezowanie