Obróbka Skrawaniem 11 Skrawalność

1. Obróbka Skrawaniem Część 11 Skrawalność

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 strony 336-352 Skrawalność

3. 11Skrawalność materiałów konstrukcyjnych • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności

4. Skrawność, skrawalność • Skrawność jest to zdolność narzędzia do wykonywania obróbki skrawaniem. • Skrawalność jest to podatność na obróbkę skrawaniem. • Skrawność jak i skrawalność określane mogą być w oparciu o te same kryteria opisujące wielkości ważne z użytkowego punktu widzenia.

5. Kryteria skrawności i skrawalności Siły skrawania Jakość powierzchni obrobionej 3120 3100 800 800 Fy 600 600 3080 400 400 3060 200 200 0 0 3040 Fx -200 -200 -400 -400 3020 Fz -600 -600 3000 -800 -800 0 50 100 150 200 250 2980 0 2 4 6 8 10 Łamanie wiórów Trwałość ostrza f vc

6. Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalność Poszczególnym kryteriom odpowiadają wskaźniki skrawności i skrawalności, będące miarami ocenianych cech.

7. Dotyczy materiału obrabianego! Skrawalność Przewodność cieplna Skład chemiczny Właściwości mechaniczne wtrącenia Stan materiału Utwardzenie Struktura Non-alloy steel and cast steel. Low-alloy steel and cast steel High-alloy steel and cast steel Stainless steel and cast steel (fer/mar) P M Stainless steel (austenitic) Grey cast iron Ductile cast iron Nodular cast iron (ferritic/perlitic) K Non-Ferrous metals Aluminium and aluminium alloys N Superalloys Titanium and Titanium alloys S Hard cast iron Hardened steel H

8. Klasyfikacja twardych materiałów narzędziowych wg ISO 513:2004 odporność na zużycie udarność prędkość skrawania posuw, głębokość kierunek zmian właściwości Grupa ISO Materiał obrabiany parametry skrawania P01 : : : P50 M10 : : M40 K01 : : K40 N01 : : N30 S01 : : S30 H01 : : H30 Stale i staliwa z wyjątkiem austenitycznych, żeliwa ciągliwe P niebieski M żółty K czerwony N zielony S brązowy H biały Stale nierdzewne, austenityczne, austenityczne-ferrytyczne, staliwa Żeliwa: szare, sferoidalne,ciągliwe Materiały nieżelazne: aluminium i inne, tworzywa sztuczne, drewno Trudnoobrabialne, żarowytrzymałe stopy oparte na żelazie, niklu i kobalcie, tytan i jego stopy Hartowana stal, hartowane żeliwo, żeliwo białe

9. Skojarzenie materiałów ostrza z obrabianymi (Typical example )

10. Ocena skrawalności Numer grupy Nazwa grupy 1 to 6 Stale niskowęglowe i niskostopowe 7 Stale utwardzane 8 to 11 Stale nierdzewne 11 to 15 Żeliwa 16 to 19 Stopy nieżelazne 20 to 21 Super stopy, stopy żaroodporne 22 Stopy tytanu Reguła kciuka: w ramach jednej rodziny materiałów obrabianych skrawalność pogarsza się wraz z rosnącym numerem

11. Ocena punktowa skrawalności

12. Ocena skrawalności

13. Materiał obrabiany Stal węglowa - automatowa Stal węglowa Stal stopowa Stal nierdzewna Stopy tytanu Skrawalność Stopy niklu Stopy kobaltu Stopy żaroodporne Stale ogólno konstrukcyjne Przemysł chemiczny, petrochemiczny, medyczny, papierniczy Produkcja energii, przemysł lotniczy i kosmiczny

14. Materiał obrabiany Trudno (źle) skrawalne Stal utwardzona Super stopy niklu Stopy tytanu Siła skrawania (wytrzymałość na rozciąganie) Stal wysoko stopowa Żeliwo szare Stainless steel Żeliwo ciągliwe Stal nisko stopowa Lane stopy Al Aluminium Łatwo (dobrze) skrawalne Długie wióry (plastyczność)

15. Materiał obrabiany DO LO Materiały o dużej plastyczności • Stal niskowęglowa, aluminium • Miękkie • Ciągłe wióry, trudne do obróbki • W celu podwyższenia skrawalności obniżyć plastyczność DO LO D1 L1 Materiały o małej plastyczności • Żeliwo szare • Twarde • Wióry odpryskowe • W celu podwyższenia skrawalności podwyższyć plastyczność

16. Temperatura w strefie skrawania • Temperatura zależy od: • Przewodności cieplnej materiału ostrza i obrabianego • Prędkości skrawania • Geometrii ostrza Temperatura decyduje o zużyciu i trwałości ostrza

17. Przewodność cieplna Materiały o dobrej przewodności cieplnej • Miedź • Aluminium, • Stal niskowęglowa Materiały o złej przewodności cieplnej • Tytan • Super stopy

18. 11Skrawalność materiałów konstrukcyjnych • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności Stale konstrukcyjne

19. Skrawalność stali • Czynniki wpływające na skrawalność stali: • właściwości mechaniczne, • skład chemiczny (dodatki stopowe), • struktura i stan materiału obrabianego, • wtrącenia niemetaliczne, • skłonność do umocnienia • przewodność cieplna

20. Skrawalność stali - właściwości mechaniczne • Twardość i wytrzymałość zwykle są przeciwstawne ciągliwości i udarności. • Dla skrawalności korzystne są małe wartości wszystkich tych wielkości: potrzebny kompromis. • Przy obróbce narzędziami z węglików spiekanych najkorzystniejsza jest twardość ~200HB. • Stale znacznie twardsze: • duże siły skrawania, • silne zużycie ostrza. • Stale znacznie miększe: • bardzo ciągliwe • skłonne do tworzenia narostu i zadziorów • trudno łamiące się wióry. • podwyższenie twardości przez np. ciągnienie na zimno daje pozytywne efekty.

21. Skrawalność stali – zawartość węgla • Wzrost zawartości węgla powoduje: • wzrost wytrzymałości i twardości • spadek ciągliwości i udarności. • Stale nisko węglowe (<0.3% C) są źle skrawalne: • duża ciągliwość powoduje skłonność do tworzenia narostu i duża chropowatość powierzchni obrobionej. • Stale średnio węglowe (0.3-0.6% C) są dobrze skrawalne, • niska ciągliwość • twardość i wytrzymałość umiarkowana • Stale wysoko węglowe (>0.6% C) są źle skrawalne • wysoka twardość, • wysoka wytrzymałość powodująca duże zużycie ostrza.

22. Skrawalność stali – dodatki stopowe • Dodatki Mn, Ni, Co, Cr, Mo i W powodują, że stale stopowe są bardziej wytrzymałe i twardsze niż węglowe, a co za tym idzie gorzej skrawalne • Dodatki S, P i Pb mają korzystny wpływ. • W stalach o podwyższonej skrawalności występuje ok. 0.015% siarki. • W stalach automatowych stosuje się 0.12-0.6% S, ok. 1.2% Mn, do 0.07% P i 0.2-0.3% Pb. • Siarka musi być związana z manganem (MnS) i równo rozprowadzona. • W strefie ścinania odkształca się plastycznie tworząc płaszczyzny o niskiej wytrzymałości: • łatwiejsze inicjowanie i propagacja pęknięć i poślizgów. • obniżenie oporu ścinania i sił skrawania. • MnS działa na powierzchni natarcia jak smar powodując: • obniżenie współczynnika tarcia wióra o powierzchnię natarcia • wzrost kąta ścinania i dalsze obniżenie sił skrawania, • obniżenie temperatury ostrza • obniżenie skłonności to tworzenia narostu, • obniżenie chropowatości powierzchni obrobionej. • Ołów działa podobnie jak MnS jednakże nie rozpuszcza się w stali i trudno go równomiernie rozprowadzić. • Ołów w stalach z dużą zawartością siarki przykleja do MnS. • Stal z ołowiem jest droższa ok. 10%, trudna do wykonania ze względów BHP.

23. Skrawalność stali – dodatki stopowe • Krzem, aluminium i wapń tworzą wtrącenia w postaci tlenków, które zwiększają zużycie. • wtrącenia w stali wpływają istotnie na skrawalność nawet gdy stanowią niewielki procent całkowitego składu. • Ten wpływ może być zarówno negatywny, jak i pozytywny. • Na przykład, aluminium (Al) używane do odtleniania roztopionego żelaza tworzy twardy, ścierny tlenek aluminium (Al2O3), który ma szkodliwy wpływ na skrawalność. • Można temu przeciwdziałać przez dodanie wapnia (Ca), który tworzy miękką skorupkę wokół cząstek ściernych • Dodatki S, P i Pb mają korzystny wpływ.

24. Skrawalność stali – struktura • Poszczególne struktury nie występują z reguły oddzielne, jednakże opis ich skrawalności pozwala na ocenę skrawalności stali, w której one dominują. • Ferryt jest bardzo miękki (60-90HB), • bardzo dobrze skrawalny pod względem trwałości ostrza (wysoka vcT), • ma dużą skłonność to tworzenia narostu co pociąga za sobą niską gładkość. • tworzy trudne do łamania wióry. • poprawę można uzyskać przez hartowanie i odpuszczanie lub zgniot na zimno. • Perlit (ok. 200HB) i zwłaszcza drobnoziarnisty jest dobrze skrawalny z punktu widzenia wszystkich kryteriów.

25. Skrawalność stali – struktura cd. • Sorbit (ok. 300HB) oraz troostyt (ok. 420HB) są źle skrawalne zwłaszcza jeśli chodzi o trwałość ostrza. • Martenzyt (ok. 650HB) można obrabiać tylko szlifowaniem lub przy użyciu narzędzi CBN (z małymi naddatkami). • Austenit ma twardość ok. 200HB (w stalach stopowych, nierdzewnych z Mn, Cr i Ni) jest źle skrawalny (omówimy szczegółowo) • ma on także dużą podatność na umocnienia zgniotem, co powoduje wzrost sił skrawania, • ma dużą skłonność do tworzenia narostu bardzo silnie przywartego do ostrza, co może powodować wyłamywanie fragmentów ostrza przy jego wychodzeniu z materiału.

26. Skrawalność stali – stan materiału • Skrawalność stali zależy także od stanu przygotówki wynikającego z uprzedniej obróbki. • Walcowanie na gorąco powoduje niejednorodność i gruboziarnistość struktury - jest niekorzystne. • Wyżarzanie normalizujące ma na celu ujednolicenie struktury i własności, ujednolica także skrawalność - jest korzystne. • Wyżarzanie zmiękczające powoduje przemianę cementytu płytkowego w sferyczny: • perlit pasemkowy przekształca się w znacznie miększy ferryt z równomiernie rozproszonym cementytem. • stosuje się dla stali o zawartości >0.5% węgla, ( im mniej węgla, tym bardziej pożądany perlit). • Uwaga: wyżarzania zmiękczającego nie należy mylić z odprężającym (niskotemperaturowym), które nie wpływa na strukturę, a więc i na skrawalność.

27. Skrawalność stali – stan materiału cd. • Przeróbka plastyczna na zimno (np. ciągnienie): • powoduje wzrost wytrzymałości, • spadek plastyczności czyli zmniejszenie skłonności do tworzenia narostu i zadziorów, • poprawę gładkości, • spadek sił skrawania dzięki obniżeniu długości kontaktu wióra z powierzchnią natarcia, • spadek temperatury ostrza. • Warstwy zewnętrzne odkuwek i odlewów są źle skrawalne: okresowa prędkość skrawania może być niższa o 10-20% (dla odlewów piaskowych nawet o 50%) w stosunku do materiału pod tą warstwą.

28. Skrawalność stali – wtrącenia niemetaliczne • Należy odróżnić makro (>150mm) i mikro wtrącenia. • Makrowtrącenia są często bardzo twarde i mają właściwości ścierne, są niekorzystne • należy je zwalczać, • występowanie makrowtrąceń świadczy o złej jakości stali. • Mikrowtrącenia występują zawsze • związki aluminium (Al2O3) i wapnia są twarde i ścierne, a więc niekorzystne. • tlenki żelaza i manganu (FeO i MnO) są mniej twarde i mniej szkodliwe. • krzemki są korzystne przy wysokich prędkościach skrawania, bo w znacznych temperaturach miękną i tworzą warstewkę ochronną na ostrzu. • Zawartość mikro wtrąceń zależy w m.in. od technologii wykonywania stali, np. odtlenianie stali przy pomocy aluminium powoduje powstawanie Al2O3 co jest niekorzystne dla trwałości ostrza. • Użycie do odtleniania związków wapnia, manganu, krzemu powoduje powstawanie na narzędziu warstewki ochronnej zmniejszającej zużycie ostrza, a więc poprawia skrawalność stali.

29. Skrawalność stali – skłonność do umocnienia Materiał obrabiany samoutwardzalnie • Zgniot w strefie skrawania powoduje umocnienie materiału. • Generalnie wpływa niekorzystnie na skrawalność: • powoduje wzrost sił i mocy skrawania. • Zmniejsza skłonność do powstawania narostu, co jest oczywiście korzystne. • Dużą skłonność do umocnienia mają stale austenityczne, nierdzewne oraz szereg stopów żaroodpornych.

30. 11Skrawalność materiałów konstrukcyjnych • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności Stale nierdzewne

31. Stale nierdzewne • Grupy 8 do 11 • Właściwości rosnące z numerem grupy: • odporność na korozję • odporność na utlenianie • twardość • żaroodporność

32. Stale nierdzewne Cr2O3 Stale stopowe o zawartości węgla do 1.2% i chromu co najmniej 10.5% Chrom tworzy szczelne warstewki tlenku Cr2O3, które utrudniają dyfuzję tlenu w głąb materiału, przeciwstawiając się w ten sposób korozji – powstawaniu tlenku żelaza FeO. Struktura stali nierdzewnych Struktura i składniki stopowe decydują zarówno o właściwościach jak i o skrawalności! Ferrytyczna Martenzytyczna Austenityczna Austenityczno-ferrytyczna (Duplex)

33. Stale nierdzewne – wpływ struktury na skrawalność

34. Stale nierdzewne - wpływ składników Mo Cr N Ni C Ti Mn S Ca Pb Skrawalność                       • Powstawanie narostu • Twarda, bardzo homogeniczna struktura (płatkowa) • Zła jakość powierzchni obrobionej • Powstawanie zadziorów • Niekorzystne, trudne do usunięcia wióry

35. Stale nierdzewne Współczynnik PRE (Pitting Resistance Equivalent) określa odporność na korozję wżerową PRE = % Cr + 3.3 x % Mo + 30 x % N PRE = % Cr + % Ni (gdy nie ma Mo lub N) Współczynnik PRE bardzo silnie wpływa na skrawalność

36. Stale nierdzewne Martenzytyczne Martenzytyczno - austenityczne Duplex Austenityczne Okresowa prędkość skrawaniav30 (m/min) Okresowa prędkość skrawania: - Trwałość ostrza 30 - b/h = 10 - Płaska płytka - Niepokrywany węglik grupy P20 Współczynnik PRE (Typowy przykład

37. Stale nierdzewne Niska przewodność cieplna Słabe odprowadzanie ciepła w głąb wióra i przedmiotu obrabianego prowadzi do wysokiej temperatury ostrza

38. Stale nierdzewne Samo utwardzanie powierzchni obrobionej Gdy naprężenia stali nierdzewnej przekraczając granicę plastyczności, pojawia się samo utwardzanie Tak się dzieje w strefie ścinania! Twardość (typowy przykład ) Odległość od powierzchni

39. Toczenie stali nierdzewnych Obrabiarka Wybierz obrabiarkę o największej stabilności i mocy. Unikaj wyeksploatowanej obrabiarki, zwłaszcza do dokładnej obróbki.

40. Toczenie stali nierdzewnych Wybierz największy możliwy przekrój chwytu. Wybierz pewny system mocowania płytki Zminimalizuj wysięg chwytu. Zapewnij silne zamocowanie. Oprawka

41. Toczenie stali nierdzewnych Strategia obróbki Obróbka zgrubna z kątem przystawienia 75° lub 45°. Następnie obróbka wykończeniowa z kątem 90°. Przy obróbce zgrubnej długich, dużych naddatków stosuj zmienną głębokość skrawania.

42. Toczenie stali nierdzewnych Strategia obróbki Przy ciężkiej obróbce zgrubnej stosuj zmienną głębokość skrawania.

43. Toczenie stali nierdzewnych Masywne przedmioty obrabiane • Jeśli to możliwe, zawsze zaczynaj od wykonania fazy • Jeśli na przedmiocie są zadziory po poprzedniej operacji, zacznij od ich usunięcia

44. Toczenie stali nierdzewnych Płytki Wybieraj mocne płytki z małym kątem przystawienia Wybieraj duży promień naroża Do obróbki wewnętrznej stosuj płytki jednostronne, o g0>0 Do obróbki zewnętrznej stosuj płytki dwustronne, o g0<0

45. Toczenie stali nierdzewnych Stosuj duże głębokości skrawania Stosuj duże posuwy Nie pozwalaj na nadmierne zużycia ostrza Parametry skrawania

46. Frezowanie stali nierdzewnych – dobre rady • Duży kąt natarcia, lecz wzmocniona krawędź przez niewielką fazę lub honowane zaokrąglenie • Zadbać o dobre usuwanie wiórów • Skrawanie pod powierzchnią utwardzoną • Stosuj frezowanie współbieżne • Ogranicz temperaturę w strefie skrawania • wydajne chłodzenie • duża grubość warstwy skrawanej (hm>0.08 mm) by uzyskać dużą masę wióra zabierającego dużo ciepła • Średnia grubość warstwy skrawanej (bardzo ważne) • położenie głowicy (10% D po wyjściowej stronie przedmiotu) • posuw => fazy lub zaokrąglenia krawędzi skrawającej • Głębokość skrawania co najmniej 1mm, bez przejść wykańczających (o ile to możliwe) • Masywne płytki skrawające (odprowadzanie ciepła)

47. 11Skrawalność materiałów konstrukcyjnych • Kryteria i wskaźniki skrawności i skrawalności • Stale konstrukcyjne • Stale nierdzewne • Żeliwa • Metale nieżelazne • Super stopy • Badania skrawności i skrawalności Żeliwa

48. Żeliwo • Stop żelaza z węglem, C 2-4% • Węgiel występuje w postaci cementytu (Fe3C) lub grafitu, w zależności od: • zawartość innych dodatków stopowych • prędkość chłodzenia. • Tworzeniu grafitu sprzyja przede wszystkim krzem (1-3%) • także nikiel, aluminium, miedź i tytan. • Żeliwo o dużej zawartości krzemu może zawierać prawie wyłącznie grafit, prawie bez cementytu. • jest to tzw. żeliwo szare

49. Żeliwo • Żeliwo o niskiej zawartości Si, w którym dominuje cementyt to tzw. żeliwo białe. • Formowaniu cementytu sprzyjają dodatki Cr, Co, Mn, Mo i V. • Mimo iż zawartość Si ma najważniejszy wpływ na strukturę żeliwa, szybkie chłodzenie może uniemożliwić rozkład cementytu przez krzem i formowanie grafitu. • grube elementy odlewu mogą mieć strukturę żeliwa szarego podczas gdy cienkie ściany, krawędzie czy zwężenia strukturę żeliwa białego. • żeliwo białe może wystąpić na powierzchni odlewu, zaś szare wewnątrz.

50. Twardość jako wskaźnik skrawalność żeliwa • Niezłym wskaźnikiem skrawalności żeliwa jest twardość Brinella. • Nie obejmuje ona jednakże dwu istotnych czynników: • w większości operacji obróbczych najtwardsze i sprawiające największe problemy są krawędzie i rogi, których twardość nie jest mierzona, • twardość Brinella nic nie mówi o ścierności żeliwa zależnej nie od twardości zasadniczej struktury lecz od twardości wolnych cząsteczek cementytu. • Wtrącenia węglików lub piasku mają bardzo negatywny wpływ na skrawalność, nie wpływając na twardość Brinella.