Lab technologii ćw 6

LABORATORIUM TECHNOLOGII
6
Analiza wpływu parametrów skrawania na
temperaturę skrawania
oraz siły i momenty dla
toczenia i wiercenia
Jarosław Małkiński
Cel ćwiczenia:
o
wyznaczenie zależności pomiędzy wartością siły Pz
przy toczeniu a parametrami skrawania:
− głębokością skrawania g,
− posuwem p.
o
zbadanie wpływu parametrów skrawania (p, g, v) na
temperaturę skrawania przy toczeniu bez użycia cieczy chłodzącej, za pomocą pirometru.
o
badanie momentów i sił skrawania przy wierceniu i
rozwiercaniu.
Strona
6-1
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
6.1 SIŁY SKRAWANIA W PROCESIE TOCZENIA
6.1.1 Wprowadzenie do ćwiczenia
Miarą całkowitego oporu skrawania jest wypadkowa siła skrawania, w którą z uwagi na jej działanie a takŜe i pomiar wygodniej jest rozłoŜyć na trzy wzajemnie prostopadłe składowe.
Siły te rozpatrujemy w przestrzennym układzie osi prostokątnych związanych z przedmiotem obrabianym lub narzędziem.
W układzie narzędzia (rysunek 6.1.1) wyróŜnia się:
−
−
−
składową Pz (siła obwodowa lub główna siła skrawania)
działającą zgodnie z wektorem szybkości obwodowej, przyłoŜoną w punkcie styczności wierzchołka noŜa z przedmiotem obrabianym, ,
składową Px (posuwowa) równoległą do kierunku posuwu
narzędzia,
składową Py (odporowa, a przy toczeniu wzdłuŜnym promieniowa) normalną do powierzchni obrobionej i pozostałych dwóch składowych.
Siła Pz powoduje uginanie narzędzia w kierunku działania siły,
siła Px obciąŜa mechanizm ruchu posuwowego oraz usiłuje obrócić imak narzędziowy wokół jego pionowej osi, natomiast siła
odporowa (promieniowa) Py usiłuje odepchnąć nóŜ od, przedmiotu obrabianego.
Rozpatrując siły składowe w układzie przedmiotu obrabianego
wyróŜnia się:
−
−
−
Strona
6-2
składową pionową Pn prostopadłą do osi toczenia,
składową osiową Po równoległą do osi toczenia,
składową poprzeczną Pr prostopadłą do osi toczenia i dwóch
pozostałych sił.
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
Siła Pn powoduje uginanie przedmiotu obrabianego w płaszczyźnie pionowej, analogicznie składowa poprzeczna Pr z tym,
Ŝe w płaszczyźnie poziomej. Składowa osiowa Po obciąŜa łoŜyska oporowe wrzeciona lub tulei konika.
a)
b) A - A
Rysunek 6.1.1 Siły składowe a) w układzie narzędzia, b) w układzie
przedmiotu obrabianego
Przy toczeniu wzdłuŜnym powierzchni cylindrycznych, gdy
wierzchołek narzędzia znajduje się w osi toczenia (rys. 1), pomiędzy siłami składowymi w układzie obrabiarki i narzędzia
zachodzą następujące związki:
Pn = –Pz;
Pr = –Py;
Po = –Px
Pewne róŜnice pomiędzy kierunkami działania sił składowych
w układzie obrabiarki i narzędzia występują przy toczeniu powierzchni kształtowych oraz przy ustawieniu ostrza narzędzia
nie w osi toczenia.
Wzajemny stosunek siły składowych Px, Py i Pz moŜna określić
w przybliŜeniu za pomocą następujących wzorów:
Px = (0,15 ÷ 0,3) Pz
Py = (0,3 ÷ 0,5) Pz
Znając składowe siły Px, Py, Pz moŜna obliczyć wypadkową siły
skrawania:
2
2
2
W = P x + P y + P z [N]
Moc skrawania Ne obliczymy wg następującego wzoru:
N
e
=
P ⋅v
z
60 ⋅ 1000
+
P ⋅v
x
x
60 ⋅ 1000
[kW]
Strona
6-3
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
gdzie: v = π ⋅ d ⋅ n [m/min] - szybkość skrawania
v
1000
p ⋅n
=
1000
x
[m/min] - szybkość ruchu posuwowego
PoniewaŜ vx << v, moc posuwu stanowi znikomy ułamek mocy
głównej i dlatego przy obliczeniach praktycznych drugi składnik wyraŜenia na moc skrawania Ne jest pomijany.
W praktyce, do wyznaczenia wartości sił składowych Px, Py, Pz
[N], stosuje się następujące wzory empiryczne:
a
b
P =C ⋅g ⋅ p ⋅K
z
z
z
a
b
P =C ⋅g ⋅ p ⋅K
y
z
z
y
y
a
b
P =C ⋅g ⋅ p ⋅K
z
y
y
z
z
z
z
gdzie:
Cx, Cy, Cz
az, ay, ax
bz, by, bx
Kz, Ky, Kx
- stałe skrawania,
- wykładniki potęgowe charakteryzujące wpływ
głębokości skrawania
- wykładniki potęgowe charakteryzujące wpływ posuwu
- współczynniki poprawkowe charakteryzujące
wpływ róŜnych czynników (twardość materiału,
kąta przystawienia, kąta natarcia, kąta pochylenia głównej krawędzi skrawającej itp.) na wartość sił skrawania.
6.1.2 Wykonanie ćwiczenia
1. Przeprowadzenie skrawania przy go = const.
Po zadaniu parametru go naleŜy przeprowadzić 5 prób przy
zmienianych kolejno posuwach i stałej szybkości. Zmiana
posuwu następuje po zarejestrowaniu odczytu.
2. Przeprowadzenie skrawania przy po = const,
Przyjęty posuw powinien być jedną z wartości posuwów zadanych poprzednio przy ustalonym parametrze go = const.
Dalszy tok postępowania podobny jak w p. 1.
3. Opracowanie wyników. Wykresy Pz = f(g) i Pz = f(p)
Na podstawie odczytów przeprowadzonych w czasie prób wg
punktów 1 i 2 naleŜy znaleźć wartość sił Pz korzystając ze
wzoru:
Strona
6-4
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
a
b
P =C ⋅g ⋅ p
z
z
z
z
[N]
(6.1.1)
i po ustaleniu wartości go zaleŜność (6.1.1):
bz
P = Cz ⋅ p
'
z
[N]
1
(6.1.2)
zaś po ustaleniu wartości po
P = Cz ⋅ g
''
z
az
[N]
2
(6.1.3)
Logarytmując wzory (6.1.2) i (6.1.3) otrzymamy
log Pz' = log Cz1 + bz log p
log Pz" = log Cz2 + az log g
(6.1.4)
Mając dane Pz’ i Pz’’ oraz p i g moŜna sporządzić wykres w
skali logarytmicznej.
4. Obliczenie wielkości cz, az i bz
Z (6.1.4) wynika, Ŝe zaleŜności Pz’ = f(p) i Pz’’ = f(g) są zaleŜnościami liniowymi. Wartość stałej cz1 odczytuje się z wykresu dla wartości rzędnej p = 1 gdyŜ wtedy log p = log 1 = 0
i stąd Pz = cz1. Wartość odczytuje się cz2 dla rzędnej g = 1.
Wartość wykładników potęgowych moŜna teŜ ustalić na
podstawie wykresu a z = tg α 2 i b z = tg α 1
Z równań (6.1.1–3) wynika, Ŝe:
a
c z = g ⋅c
z
1
stąd:
c
z
=
cz = cz
g a pb
1
z
i
b
cz = p ⋅ c
z
2
o
z
2
z
o
o
z
o
Strona
6-5
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
6.2 BADANIE TEMPERATURY W
PROCESIE SKRAWANIA
6.2.1 Wprowadzenie do ćwiczenia
Ciepło wydzielające się przy skrawaniu metali ma bardzo waŜne znaczenie ze względu na trwałość narzędzi, dokładność obróbki, własności warstwy wierzchniej itp.
Źródłem ciepła w procesie skrawania jest praca skrawania niezbędna do przekształcenia warstwy metalu w wiór.
Pracę skrawania moŜna przedstawić jako sumę prac cząstkowych:
L = LP + LT + LS + LD + LZ
gdzie:
L
LP
LT
LS
LD
–
–
–
–
–
LZ
–
całkowita praca skrawania
praca odkształceń plastycznych
praca tarcia wióra i materiału obrabianego
praca odkształceń spręŜystych
praca niezbędna do rozdrobnienia kryształów i
utworzenia nowych powierzchni kryształów
praca zwijania wióra.
Największy wpływ na ilość wydzielanego ciepła w procesie
skrawania ma praca odkształceń plastycznych LP i praca tarcia
LT .
Przy tworzeniu się wiórów odpryskowych głównym źródłem
ciepła jest praca tarcia. Natomiast przy wiórach wstęgowych i
schodkowych dominującą rolę odgrywa praca odkształceń plastycznych.
W przybliŜeniu moŜna przyjąć, Ŝe cała praca skrawania przekształcona zostaje w ciepło. Wówczas ilość ciepła wydzieloną w
jednostce czasu moŜna określić na podstawie wzoru:
Q = Pz⋅v
Strona
6-6
[J/min]
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
gdzie: Pz - główna siła skrawania w N
v - szybkość skrawania w m/min.
Ciepło wydzielane w strefie skrawania rozchodzi się trzema
sposobami: drogą przewodnictwa, konwekcji i promieniowania
Ciepło przenika, w wiór, w materiał obrabiany, narzędzie i atmosferę otoczenia, co moŜna wyrazić symbolicznie równaniem
bilansu cieplnego:
Q = Ql + Q2 + Q3 + Q4
gdzie:
Q
Q1
Q2
Q3
Q4
–
–
–
–
–
całkowita ilość wydzielonego ciepła
ilość ciepła unoszonego przez wiór
ilość ciepła przechodzącego w narzędzie
ilość ciepła pozostającego w materiale obrabianym
ilość ciepła przechodzącego w atmosferę otoczenia
Całkowita ilość ciepła wydzielającego się w strefie skrawania
oraz wzajemny stosunek składowych bilansu cieplnego, zaleŜne
są głównie od parametrów skrawania (głównie szybkość skrawania), geometrii ostrza i własności (przewodność cieplna
i ciepło właściwe) materiału obrabianego i materiału narzędzia.
Przy obróbce materiałów. miękkich podstawową rolę odgrywa
praca odkształceń plastycznych w warstwie skrawanej, dlatego
teŜ największa ilość ciepła wydziela się i zostaje unoszona
przez wiór (≈ 50÷80% ilości wydzielonego ciepła unoszone jest
przez wiór, 20÷30% przechodzi w narzędzie, 10÷40% w materiał obrabiany, 1% przenika w atmosferę otoczenia).
Przy obróbce materiałów kruchych ilość ciepła prze noszonego
przez materiał obrabiany jest znacznie większa (np. obróbka
aluminium z v = 100 m/min, ilość ciepła pozostającego w materiale ponad 70%, a unoszonego przez wiór około 20%).
6.2.2 Wykonanie ćwiczenia
1. Przeprowadzenie skrawania przy go = const i vo = const
Po zadaniu parametru g naleŜy przeprowadzić 5 prób przy
zmienionych kolejno posuwach i stałej szybkości skrawania.
2. Przeprowadzenie skrawania przy po = const i vo = const
Strona
6-7
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
Przyjęty posuw powinien być jedną z wartości posuwów zadanych poprzednio przy ustalonym parametrze go = const.
Dalszy tok postępowania podobny jak w p. 1.
3. Przeprowadzenie skrawania przy po = const i go = const
Przyjęte parametry go i po winny być wartościami ustalonymi w p. 1 i 2. Próby przeprowadzamy zmieniając prędkość skrawania v.
4. Opracowanie wyników. Wykresy to’ = f(p); to’’ = f(g); to’’’ = f(v).
Na podstawie odczytów zarejestrowanych w czasie prób naleŜy określić wpływ parametrów skrawania na temperaturę
skrawania korzystając ze wzoru:
x
y
t = C ⋅ g ⋅ p ⋅v
z
(6.2.1)
o
Po ustaleniu wartości go i vo mamy:
t =C ⋅ p
zaś po ustaleniu wartości po i vo
t =C ⋅g
'
o
''
o
(6.2.2)
x
(6.2.3)
2
'''
t =C ⋅v
oraz po ustaleniu go i po:
y
1
o
z
(6.2.4)
3
Logarytmując wzory 6.2.2 - 6.2.4 otrzymamy:
log to' = log C1 + y ⋅ log p
log to" = log C2 + x ⋅ log g
log to' ' ' = log C3 + z ⋅ log v
(6.2.5)
Mając dane to', to’’, to’’’ oraz p, g i v, interpolując noŜna sporządzić wykres w skali logarytmicznej.
Wartości wykładników x, y, z moŜna ustalić na podstawie
wykresu gdyŜ:
y = tg α 1
x = tg α 2
z = tg α 3
Z równań 6.2.2 - 6.2.5 wynika, Ŝe:
x
z
o
o
C = g ⋅ v ⋅C
1
stąd:
C
2
=
y
z
o
o
p ⋅ v ⋅C
x
y
o
o
C = g ⋅ p ⋅C
3
1
3
C= C
= Cy 2 z = C
x z
y x
g o ⋅v o p o ⋅v o p o ⋅ g o
Przebieg pomiarów oraz sposób opracowania wyników opracować wg punktów 1÷4.
Strona
6-8
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
log C3
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
Strona
6-9
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
6.3 BADANIE MOMENTÓW I SIŁ
SKRAWANIA PRZY WIERCENIU I ROZWIERCANIU
6.3.1 Wprowadzenie do ćwiczenia
Proces wiercenia moŜe odbywać się w dwojaki sposób: wiercenie w pełnym materiale lub powiększanie średnicy otworu wykonanego wcześniej: ten drugi przypadek ma duŜo cech wspólnych z rozwiercaniem zgrubnym.
a)
b)
Rysunek 6.3.1 Parametry skrawania technologiczne (v, p, g) i geometryczne (bz, az) mające wpływ na wielkość sił i momentów
skrawania w czasie obróbki: a) przy wierceniu, b) wierceniu wtórnym (powierceniu)
W procesie wiercenia i rozwiercania na kaŜde ostrze działa
pewna wypadkowa siła skrawania zaczepiona umownie w połowie długości ostrza. Podobnie jak przy toczeniu moŜemy rozpatrywać trzy składowe tej siły działającej na kaŜdą z dwóch
krawędzi skrawających wiertła:
−
Strona
6 - 10
składowa Pz działająca w płaszczyźnie prostopadłej do osi
wiertła, zgodnie z kierunkiem wektora szybkości ruchu
głównego;
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
−
−
składowa Pv działająca prostopadle do osi wiertła i składowej Pz,
składowa Px działająca w kierunku równoległym do osi
wiertła.
JeŜeli wiertło jest zaostrzone prawidłowo (krawędzie skrawające zajmują symetryczne połoŜenie względem osi wiertła), wypadkowa sił Py równa się zeru.
Przy asymetrii krawędzi skrawających: ∑ p y ≠ 0 ∑ p y ≠ 0
powstaje siła boczna powodująca ugięcie wiertła i skrzywienie
osi wierconego otworu.
Siły PX działające na główne krawędzie skrawające oraz siła Ps działająca na ścianę tworzą siłę wypadkową P nazywaną
siłą posuwową, która jest przenoszona przez mechanizm ruchu
posuwowego wiertarki:
P = P +2 ⋅P
S
[N]
X
Moment skrawania w procesie wiercenia pochodzi od siły Pz:
⋅D
M = Pz
2
[Nm]
Moc skrawania przy wierceniu i rozwiercaniu
moŜe być określona z wzoru:
N = M ⋅ω =
e
M ⋅n⋅π
30
[W]
zaś moc pobierana od silnika obrabiarki:
N
S
=
N
η
e
gdzie: ω – prędkość kątowa w 1/sek
n – prędkość obrotowa w obr/min
η – sprawność obrabiarki.
Do waŜniejszych czynników wywierających wpływ na wielkość
momentu skrawania M i siły posuwowej P przy wierceniu moŜna zaliczyć:
−
−
−
własności materiału obrabianego,
posuw i głębokość skrawania,
długość poprzecznej krawędzi skrawającej (ścina),
Strona
6 - 11
LABORATORIUM TECHNOLOGII
−
−
ĆWICZENIE 6
kąt wierzchołkowy 2χ,
kąt pochylenia linii śrubowej rowka wiórowego α1.
Własności materiału obrabianego mające wpływ na wartość siły poosiowej i momentu skrawania M to przede wszystkim własności wytrzymałościowe (wytrzymałość na rozciąganie) lub
twardość. Wpływ tych wielkości uwzględnia się za pomocą odpowiednich współczynników poprawkowych.
Posuw i głębokość skrawania (średnica wiertła) wiąŜe się z
przekrojem warstwy skrawanej. Tak więc przy wzroście jednego z tych parametrów wzrasta przekrój warstwy skrawanej a
zatem rośnie siła posuwowa P i moment M. JednakŜe wzrost
głębokości skrawania przy tym samym posuwie powoduje
większy wzrost momentu niŜ siły posuwowej, gdyŜ przy zmianie średnicy wiertła zmienia się równieŜ długość ramienia pary
sił Pz.
Długość poprzecznej krawędzi skrawającej wiąŜe się z geometrią narzędzia. Ujemny kąt natarcia oraz szybkości skrawania
bliska zeru powodują gniecenie i skrobanie materiału przez
ścin. JednakŜe długość ścina ma większy wpływ na wartość siły
posuwowej P niŜ na moment skrawania M. Poprzez odpowiednie zaostrzenie wiertła, mające na celu skrócenie długości ścina
moŜna osiągnąć zmniejszenie siły posuwowej P o około 30 ÷
40%.
Kąt wierzchołkowy 2χ, jako jeden z parametrów geometrycznych wiertła, wykazuje w granicach zalecanych wartości kąta,
niewielki wpływ na wartość momentu i siły posuwowej i moŜe
być przy wyznaczaniu P i M pomijany. NaleŜy jednak zaznaczyć, Ŝe przy zmniejszaniu kąta 2χ, siła posuwowa P maleje a
moment skrawania M wzrasta.
Kąt pochylenia, linii śrubowe j rowka wiórowego α1 ściśle wiąŜe
się z kątem natarcia γ Zatem wzrost kąta α1 powoduje wzrost
kąta γ i odwrotnie tzn. jeśli kąt α1 maleje to maleje równieŜ kąt
γ. PoniewaŜ wraz ze wzrostem kąta natarcia γ siły skrawania
maleją, stąd moŜna wnioskować, Ŝe wzrost kąta pochylenia linii śrubowej rowka wiórowego α1 powoduje zmniejszenie siły
posuwowej P i momentu skrawania M. Dla wierteł ze stali
szybkotnącej wzrost kąta α1 powyŜej 30° nie powoduje prawie
Strona
6 - 12
ANALIZA WPŁYWU PARAMETRÓW SKRAWANIA NA TEMPERATURĘ SKRAWANIA
ORAZ SIŁY I MOMENTY DLA TOCZENIA I WIERCENIA
Ŝadnego wpływu na wartość siły posuwowej P i momentu
skrawania M, stąd teŜ dla tych wierteł kąt α1 przy wierceniu w
stali i Ŝeliwie wynosi najczęściej 25÷30°
Oprócz wymienionych wyŜej czynników, wpływ na wartość siły
posuwowej P i momentu skrawania M mają ciecze charakteryzujące się dobrymi własnościami smarującymi. Tak np. oleje
mineralne aktywowane związkami siarki powodują zmniejszenie siły i momentu o 30÷35%.
Wyprowadzone uprzednio wzory na siłę i moment skrawania
nastręczają pewne trudności przy obliczaniu tych wielkości,
poniewaŜ nie zawierają parametrów technologicznych jak posuw p i głębokość skrawania g.
W praktyce do obliczania sił posuwowych i momentów skrawania przy wierceniu pełnym, wierceniu wtórnym i rozwiercaniu
słuŜą wzory empiryczne:
−
wiercenie w materiale pełnym:
yp
P = C ⋅ Dz ⋅ p ⋅ K
p
p
−
o
[N]
ym
M = C ⋅ Dz ⋅ p ⋅ K
m
m
[Nm]
m
wiercenia wtórne i rozwiercanie:
P = C ⋅ Dz ⋅ g
p
p
xp
y
⋅ p p⋅Ko
[N]
ym
x
M = C ⋅ Dz ⋅ g ⋅ p ⋅ K [Nm]
m
m
m
m
gdzie:
Ko = Kok ⋅ Koh ⋅ Kom
Km = Kmk ⋅ Kmh ⋅ Kmm
Cp, Cm – stałe zaleŜne od warunków obróbki
D – średnica wiertła, rozwiertaka w mm
p – posuw w mm/Obr
g – głębokość skrawania w mm
zp, yp, zm, ym, xp, xp – wykładniki potęg zaleŜne od warunków obróbki
Kok, Kmk – współczynniki charakteryzujące wpływ
kształtu części skrawającej
Koh, Kmh – współczynniki uwzględniające wpływ stępienia wierteł
Kom, Kmm –współczynniki uwzględniające wpływ własności mechanicznych materiału obrabianego.
Pomiar momentów skrawania M i siły posuwowej przy wierceniu i rozwiercaniu dokonujemy siłomierzem wiertarskim zamoStrona
6 - 13
LABORATORIUM TECHNOLOGII
ĆWICZENIE 6
cowanym do stołu wiertarki. Moment skrawania i siła posuwowa powstające w procesie skrawania oddziaływają na element
pomiarowy, którym jest rura cienkościenna z naklejonymi tensometrami.
6.3.2 Wykonanie ćwiczenia
Po zamocowaniu próbki w uchwycie trójszczękowym przetwornika przystępujemy do badań prowadzonych w dwu kierunkach:
−
−
zmieniając średnice wierteł (4; 6; 8 mm) przy stałej wartości
posuwu p i moŜliwie stałej prędkości skrawania v
zmieniając posuw p przy stałych D i v.
Wartości mierzonych wielkości uzyskamy mnoŜąc odpowiednie
stałe przez zanotowane wartości.
Po sporządzeniu wykresów M = f(D), P = f(D), M = f(p), P = f(p)
w skali podwójnie logarytmicznej naleŜy określić stałe i wykładniki potęgowe we wzorach na moment i siłę skrawania. W
podobny sposób postępujemy w przypadku pomiaru momentów
i sił przy wierceniu wtórnym i rozwiercaniu.
Literatura:
1. Dmochowski J.- Podstawy skrawania WPW, Warszawa
1975 r.
2. Dmochowski J., Czechowski Zb.- Ćwiczenia laboratoryjne z
obróbki skrawaniem i narzędzi skrawających WPW, Warszawa 1973 r.
Strona
6 - 14