Wybrane aspekty zużycia ostrzy skrawających wykonanych z PcBN.pdf

P OSTĘPY N AUKI I T ECHNIKI NR 6, 2011

Michał Dobrzyński 1) , Piotr Marszałek 2)

WYBRANE ASPEKTY ZUŻYCIA OSTRZY SKRAWAJĄCYCH

WYKONANYCH Z PcBN

Streszczenie: Obróbka materiałów twardych związana jest z obróbką materiałów o twar-

dości powyżej 50 HRC. Obróbka ta może być obróbką wykończeniową ze względu na

możliwość osiągnięcia wysokiej jakości i dokładności przedmiotów obrabianych po tej

operacji. Obróbka materiałów w stanie twardym lub utwardzonym związana jest z zasto-

sowaniem specjalnych narzędzi, które są wykonane z nowych materiałów, takich jak

PcBN. W artykule zaprezentowano wybrane wyniki z badań nad zużyciem narzędzi pod-

czas obróbki toczeniem.

Słowa kluczowe: toczenie materiałów twardych, zużycie narzędzi, regularny azotek boru

(CBN)

WSTĘP

Obróbka wykończeniowa toczeniem materiałów twardych jest alternatywą

wobec operacji szlifowania i coraz częściej zostaje wybierana przez producentów

części maszyn ze względu na szereg cech usprawniających proces produkcyjny.

Narzędzia do obróbki toczeniem dzięki zastosowania programowania CNC mogą

obrabiać złożone kształty. Zastosowanie w tym przypadku narzędzi ściernych

wymagałoby czasochłonnego i kosztownego ostrzenia, ponadto nie gwarantowa-

łoby utrzymania pożądanych tolerancji wymiarowych gotowych produktów. To-

czenie wykończeniowe charakteryzuje się prostotą operacji, elastycznością pro-

dukcji oraz pozwala uzyskać wyższą dokładność obróbki przy niższym koszcie

jednostkowym produktu. Zapewnienie oczekiwanej jakości produktu związane

jest ze ścisłą kontrolą procesu zużywania się płytki skrawającej [1, 3, 5].

MATERIAŁY W STANIE UTWARDZONYM

Obróbka stali o twardości powyżej 45 HRC, a typowo w zakresie 55÷68 HRC

jest zdefiniowana jako obróbka materiałów twardych. Do materiałów tych zali-

czamy głównie stale ulepszane cieplnie, jak również wszelkie materiały metalicz-

ne, ceramiczne oraz kompozytowe o twardości 45÷68 HRC. Powszechnie stoso-

wane w przemyśle maszynowym i najczęściej obrabiane materiały to: stal do

Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji

Produkcji.

Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Koło Naukowe „Mechanik”.

P OSTĘPY N AUKI I T ECHNIKI NR 6, 2011

nawęglania, stal łożyskowa, stal narzędziowa, żeliwo białe, stal manganowa, stel-

lit, spieki z proszków metali oraz węgliki spiekane. Metodę toczenia wykończe-

niowego najczęściej stosuje się w przemyśle motoryzacyjnym. Typowymi pro-

duktami wytwarzanymi w ten sposób są: korpusy skrzyń biegów, gniazda zawo-

rowe, przekładnie, kolumny kierownicy, tuleje cylindrowe, tarcze hamulcowe,

obudowy sprzęgieł i wały napędowe [2].

TYP I WŁAŚCIWOŚCI BADANYCH OSTRZY SKRAWAJĄCYCH

Przy toczeniu wykończeniowym materiałów twardych (powyżej 50 HRC),

najczęściej stosuje się płytki z polikrystalicznego, regularnego azotku boru

(PcBN), ponieważ materiał ten posiada szereg cech idealnie pasujących do wa-

runków panujących w obszarze skrawania. Wysoka twardość na gorąco umożli-

wia toczenie przy bardzo wysokich prędkościach skrawania, ponadto PcBN po-

siada również dobrą udarność i odporność na szok termiczny, co sprawia, że jest

on najwyższej klasy materiałem narzędziowym do obróbki tego typu materiałów

[7, 8].

Podczas prób użyto płytek 6 ostrzowych o kształcie trygonalnym, typu WN-

GA080408T01030AWH, wykonanych z materiału CB7015 i przeznaczonych do

obróbki ciągłej oraz lekko przerywanej. W zastosowanym na ostrze materiale

zawartość CBN wynosiła 50% a jako spoiwo użyto TiCN i AL 2 O 3 . Materiał ten

posiadał średnio-drobne wielkości ziarna, a pokrycie wykonane było metodą

PVD.

Płytki wykorzystywane były podczas obróbki powierzchni czołowej koła zę-

batego jak również do wytaczania otworu w dwóch przejściach. Otwór koła zęba-

tego należało wykonać w IT6 na długości powierzchni wytaczanej wynoszącej

41,6mm. Element wykonany został ze stali stopowej 14NiCrMo12-14 (DIN) na-

węglanej i hartowanej do twardości 60±2 HRC. Głębokość warstwy nawęglonej

wynosiła ≥0,86mm. Eksperyment odbywał się w stałych warunkach obróbki,

gdzie zastosowano następujące parametry wytaczania otworu w kole zębatym:

− prędkość skrawania (v c ): 130±160m/min

− posuw (f): 0,06±0,15mm/obr

− głębokość skrawania (a p ): 0,05 mm

CECHY PROCESU TOCZENIA MATERIAŁÓW W STANIE TWARDYM

W miejscu kontaktu wióra i przedmiotu obrabianego z narzędziem skrawają-

cym występuje znaczne obciążenie mechaniczne (wysokie naprężenia styczne i

normalne) oraz cieplne. Wobec tego proces zużywania się ostrza przyjmuje cha-

rakter złożony, wynikający nie tylko z oddziaływań siłowych materiału toczonego

na płytkę skrawającą, ale również oddziaływania wysokich temperatur w miejscu

skrawania, zjawisk adhezyjnych, utleniania, dyfuzji, ścierania czy wykruszeń.

P OSTĘPY N AUKI I T ECHNIKI NR 6, 2011

Zjawiska te posiadają różne nasilenie, w zależności od przyjętych parametrów i

warunków obróbki, a także właściwości materiału, z jakiego zostało wykonane

ostrze i cech materiału toczonego. Specyficzne warunki tarcia w procesie toczenia

materiałów utwardzonych to przede wszystkim bardzo duże naciski jednostkowe

na czystych chemicznie powierzchniach materiałów, odkształcenia plastyczne

warstwy wierzchniej materiału i wióra, co prowadzi do zjawiska umacniania się

materiału obrabianego. Wysokie temperatury w polu tarcia sprzyjają tworzeniu

się narostu na płytce, a brak cieczy chłodzącej uniemożliwia utworzenie warstew-

ki smarnej. Podczas obróbki materiałów utwardzonych, w przypadku powstawa-

nia wióra „odłamkowego”, inny jest procentowy udział źródeł ciepła. Dominującą

rolę w tym przypadku odgrywa tarcie powierzchni ostrza o materiał obrobiony,

natomiast praca odkształceń plastycznych i praca tarcia wióra o powierzchnię

natarcia nie odgrywają istotnej roli. Ciepło powstające w procesie skrawania jest

odprowadzane głównie przez wiór (75%) oraz przez przedmiot obrabiany (15%),

narzędzie (8%), innymi drogami (2%). Operacja toczenia materiałów utwardzo-

nych wymaga od obrabiarki wysokiej mocy, gdyż opór właściwy skrawania dla

tych materiałów wynosi 2550±4870N/mm 2 , odbywa się ona najczęściej na nowo-

czesnych centrach tokarskich sterowanych numerycznie. Kluczowymi czynnika-

mi przy tego typu obróbce jest stabilność oraz sztywność układu obrabiarki [4, 6].

POMIAR ZUŻYCIA OSTRZA SKRAWAJĄCEGO

Toczenie materiałów utwardzonych jest procesem specyficznym ze względu

na rodzaj zużycia ostrzy skrawających. Wysokie temperatury powstające w strefie

obróbki znacznie obniżają siły skrawania, przez co obróbka przy zbyt niskich

prędkościach może doprowadzić do katastroficznego zużycia ostrza w wyniku

małej ilości ciepła dostarczonego do materiału PcBN.

Dominującymi rodzajami zużycia w tej operacji są starcia na powierzchni

przyłożenia, powstałe w wyniku naturalnych procesów trybologicznych między

narzędziem a obrabianym materiałem. Wraz z wzrostem prędkości skrawania

zjawisko to maleje. Efekt ścierania nie pozwala na uzyskanie wymiarów obrabia-

nych przedmiotów w założonych tolerancjach.

Wzrost prędkości skrawania powoduje silniejsze wykruszanie (wyrywanie)

części wykonanej z polikrystalicznego regularnego azotku boru, co zmniejsza

wytrzymałość płytki i może doprowadzić do jej pęknięcia. Wykruszenia i wyrwa-

nia nie są jedynymi czynnikami decydującymi o jakości wykończenia powierzch-

ni, ponieważ podczas obróbki materiałów twardych zachodzi szereg zjawisk.

Norma PN-ISO 3685 określa sposób pomiaru zużycia ostrza. W normie tej

dokonany został podział głównej krawędzi skrawającej na trzy następujące strefy:

− strefa C obejmuje krzywoliniową część krawędzi skrawającej przy narożu.

− strefa B obejmuje pozostałą prostoliniową część krawędzi skrawającej pomię-

dzy strefami C i A.

P OSTĘPY N AUKI I T ECHNIKI NR 6, 2011

− strefa A obejmuje 1/4 długości zużytej krawędzi, najbardziej oddalonej od

naroża.

Szerokość pasm zużycia VB B powinna być badana w zakresie strefy B, w

płaszczyźnie krawędzi skrawającej, prostopadle do głównej krawędzi skrawają-

cej. Szerokość pasma zużycia powinna być mierzona względem pierwotnego

położenia krawędzi skrawającej. Typowymi kryteriami trwałości narzędzi z

ostrzy ceramicznych (norma dotyczy między innym tego typu materiału narzę-

dziowego) jest największa szerokość pasma zużycia ciernego na powierzchni

przyłożenia VB Bmax =0,6 mm - w przypadku nieregularnego pasma na powierzchni

przyłożenia w strefie B oraz średnia szerokość pasma zużycia ciernego na po-

wierzchni przyłożenia VB B =0,3 mm - w przypadku regularnego pasma zużycia na

powierzchni przyłożenia w strefie B, zgodnie z normą PN-ISO 3685 .

Rys. 1. Widok płytki

WGA080408T01030AWH

z naniesionymi wartościami

średniego zużycia w po-

szczególnych strefach

Fig. 1. View of the

WNGA080408T01030AW

H insert with mean values

of the wear in selected areas

Na rysunku 1 przedstawiono widoki badanej płytki, na których wskazano stre-

fy podziału głównej krawędzi skrawającej zgodnie z normą PN-ISO 3685 oraz

miejsca średniego zużycia jak również wartości maksymalnych wykruszeń. Wy-

niki pomiarów pasm zużycia zamieszczono w tabeli 1. Pomiary poszczególnych

wartości przeprowadzono w 6 kolejnych przekrojach kolejnych stref. Wyniki

zostały poddane ocenie poprzez obliczenia podstawowych statystyk testowych dla

błędów grubych czy też sprawdzeniu hipotezy, że mierzona cecha ma rozkład

normalny.

Do oceny błędów grubych zastosowano test Grubbsa, w którym porównano

obliczone statystyki dla największej i najmniejszej wartości z pomiaru ( B max i

B min ) z wartością krytyczną dla przyjętego poziomu istotności i liczności próby.

Dla oceny czy dana próbka ma cechy rozkładu normalnego, wykonano test nor-

malności Shapiro-Wilka . Ponieważ obliczona statystyka testowa jest większa od

wartości krytycznej odniesionej do poziomu istotności i liczność próby, to nie ma

podstaw do odrzucenia hipotezy o normalności rozkładu badanej próby. Dla wy-

ników pomiarów obliczono także podstawowe miary położenia (średnia arytme-

tyczna i mediana) oraz rozproszenia (odchylenie standardowe i rozstęp). Dla

wszystkich analiz i obliczeń przyjęto poziom istotności α=0,05. Dla tego poziomu

P OSTĘPY N AUKI I T ECHNIKI NR 6, 2011

obliczono także przedział ufności - przedział, w którym powinna mieścić się śred-

nia z populacji. Ze względu na małą liczność próby, do obliczenia przedziału

ufności posłużono się statystyką t- Studenta .

Tabela 1. Wybrane wartości zużycia ostrza skrawającego

Table 1. Selected values of the tool wear

VB A

[ µm]

VB B

[ µm]

Miary zmienności i rozproszenia

z obliczonymi statystykami

VB A

VB B

118 Średnia arytmetyczna

85.00

194.33

142

Mediana

89.50

190.50

167

Rozstęp

40.00

180.00

298

Odchylenie standard.

(skorygowane)

14.66

65.59

214

227

Przedział ufności

15.38

68.84

Wartość krytyczna testu Studenta t 0,05;5

2,571

Wartość krytyczna testu Grubbsa B 0,05;6

1,996

B max = 0,955

B min = 1,774

B max = 1,580

B min = 1,164

Statystyka testowa Grubbsa B 1 i B 2

Wartość krytyczna testu Shapiro-Wilka W 6;0,05

0,788

Statystyka testowa Shapiro-Wilka W

0,891

0,960

Rys. 2. Widok powierzchni

natarcia płytki

WNGA080408T01030AWH

Fig. 2. View of the rake sur-

face of the

WNGA080408T01030AWH

insert

Podczas obróbki materiałów twardych powstaje wyraźne zużycie w postaci

krateru na powierzchni natarcia (rys. 2). Po przekroczeniu wartości zużycia ścier-

nego VB B około 170- 200 µm następowały gwałtowne wykruszenia w pobliżu

krateru. Wykruszenia te występowały najintensywniej w strefie A (wierzchołek

ostrza) i wraz z postępem obróbki i zużycia narzędzia miały wartości kolejno

około 400 µm, 600 µm i 880µm (rys. 1). Metodyka pomiaru zużycia ostrza zdefi-

niowana w normie PN-ISO 3685 pozwala w większości badanych przypadków

wskazać maksymalną szerokość pasm zużycia ostrza VB Bmax , skupia się ona

przede wszystkim na zużyciu głównej krawędzi skrawającej oraz głównej po-

wierzchni przyłożenia. Trudno stosować normę do ostrzy wykonanych z polikry-

stalicznego regularnego azotku boru (PcBN), gdyż podczas skrawania materiałów

twardych proces zużywania następuje nie tylko na powierzchniach ujętych w

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: