Tribotechnické listy

 

 

Deformačné štruktúry a opotrebenie nástroja pri vysokorýchlostnom obrábaní

V ostatných rokoch možno sledovať všeobecné tendencie k zvyšovaniu rezných rýchlostí pri obrábaní. Prvá vlna zvyšovania rezných rýchlostí prebiehala v 60-tych rokoch minulého storočia. V tom čase však neboli k dispozícii vhodné nástrojové materiály. Zvyšovanie rezných rýchlostí je možné len  v nadväznosti na vývoj rezných materiálov, odolných voči vysokým teplotám, abrazívnemu adhéznemu a difúznemu opotrebeniu. Je zrejmé, že proces tvorenia triesky, kvalita obrobeného povrchu, dynamika procesu obrábania a teplota rezania sa reznou rýchlosťou výrazne menia. Aby bolo možné aplikovať vyššie rezné rýchlosti pri produkčnom obrábaní, je potrebné poznať závislosť týchto charakteristík na reznej rýchlosti. Pokúsime sa objasniť niektoré javy, ktoré s reznou rýchlosťou súvisia.

Je známe, že rezná rýchlosť má veľký vplyv na charakter tvorenia triesky a tvorbu nárastku. Je to spôsobené skutočnosťou, že s rastom reznej rýchlosti prakticky lineárne stúpa teplota na kontaktných plochách triesky, nástroja a obrobku, ako aj v zóne šmyku. Podľa viacerých autorov, na vznik a veľkosť nárastku majú rozhodujúci vplyv vlastnosti obrábaného materiálu a teplota rezania. Tieto skutočnosti vedú k výraznej zmene  trvanlivosti rezných nástrojov v závislosti na reznej rýchlosti. Vzhľadom na zmenu teploty v kontaktných zónach mení sa aj proces plastickej deformácie triesky. Pri malých rezných rýchlostiach prebieha v podstate mechanizmom deformácie za studena. Prejavuje sa trhlinotvorný proces. Pri vysokých rezných rýchlostiach dochádza k plastickému tečeniu materiálu. Triesky je plynulá, skracuje sa dĺžka styku triesky s čelom nástroja, zlepšuje sa kvalita obrobeného povrchu. Pri voľbe reznej rýchlosti je potrebné tieto skutočnosti brať do úvahy.

Tvorenie triesky
Bolo uskutočnené detailné sledovanie štruktúry triesok, získaných pri stúpajúcej reznej rýchlosti. Na experimenty bol použitý kotúč s priemerom 500 mm s možnosťou upnutia do skľučovadla sústruhu SS 50A (obr. 1).



V tab. 1 sú pozdĺžne výbrusy triesok a pohľady na prednú a zadnú stranu triesok pod riadkovacím mikroskopom.
Štruktúra triesok pri rozličných rezných rýchlostiach



Ako vidno, pri malých rezných rýchlostiach vzniká trieska s početnými trhlinami, ktoré vedú cez celú hrúbku triesky a k jej deleniu. Strana triesky, kontaktujúca s čelom noža je drsná v dôsledku vysokého koeficientu trenia a súchytu s rezným materiálom. Trieska sa stáva súdržnou, pri vyšších rezných rýchlostiach. Pri vc 150 m.min-1 možno v sledovanom prípade pozorovať adiabatické sklzy v trieske, pričom na menej deformovaných elementoch vidno textúru menej deformovaných zŕn. Je to výrazné najmä pri reznej rýchlosti 600 m.min-1. Povrch triesky zo strany nástroja je hladký. Pri super vysokých rezných rýchlostiach (2 000 - 3 000) m.min-1 vzniká pevná, súdržná trieska, pričom v jej vnútri možno na zónach šmyku pozorovať vmesky. Textúra triesky nie je pozorovateľná. Zrejme sú jednotlivé lamely triesky pevne tavne spojené. Tento proces pripomína extrúziu. Zadná strana triesky je členitá, zložená z početných lamiel, ktoré vychádzajú na povrch. Strana triesky, priliehajúca k čelu nástroja je v celom rozsahu vysokých rezných rýchlostí hladká. Tento proces tvorenia triesky výrazne ovplyvňuje dynamiku procesu. So stúpajúcim počtom lamiel v trieske, stlačenie triesky klesá. Na obr. 1 je experimentálna závislosť stlačenia triesky na reznej rýchlosti v oblasti klasických rezných rýchlostí.
V oblasti malých rezných rýchlostí sledujeme zložitý priebeh závislosti. Je daný zrejme okamžitou pevnosťou obrábaného materiálu pri konkrétne teplote v zone šmyku. Pri minimálnych rezných rýchlostiach (do 20 m.min-1) sa prejavuje trhlinotvorný proces v trieske (tab.1). Trieska je elementárna, preto stlačenie triesky je extrémne vysoké. Postupne so zvyšovaním teploty dochádza k zväčšovaniu plasticity obrábaného materiálu. Trieska sa stáva plynulou a jej stlačenie klesá. V oblasti rezných rýchlostí, v okolo 50 m.min-1 vzniká enormný nárastok, preto stlačenie triesky znova narastá. Po odstránení nárastku stlačenie triesky postupne plynule klesá. Samozrejme, nikdy nedosiahne hodnotu 1.



Na obr. 2 je experimentálny diagram k = f(vc) vo veľkom rozsahu reznej rýchlosti. Vidno, že od reznej rýchlosti 600 m.mn-1 sa stlačenie triesky už v podstate nemení

Tvarovanie triesky
V tab. 2 sú fotografie triesok, získaných pri sústružení uhlíkovej ocele pri stúpajúcej reznej rýchlosti.. Pouźitá rezná platnička (PRAMET) s predlisovaným žilabkovým tvarovačom triesok je na obr. 3. Použitá rezná platnička (PRAMET) s predlisovaným žliabkovým tvarovačom triesok je na obr. 3.


Obr. 3 Rezná platnička

Závislosť vonkajšieho tvaru triesok na reznej rýchlosti


Tvar triesky sa s reznou rýchlosťou výrazne mení. Pri malých rezných rýchlostiach je trieska článkovitá, postupne prechádza v "šestkovú" až špirálovú. Stredné rezné rýchlosti vedú k vytváraniu skrutkovitej triesky, pričom jej polomer stúpa so stúpajúcou reznou rýchlosťou. Po dosiahnutí určitej reznej rýchlosti, v danom prípade 200 m.min-1 vzniká zmotaná a neskôr stuhovitá trieska, ktorá už svoj tvar nemení ani pri super vysokých rezných rýchlostiach, iba sa vyrovnáva (obr. 4). Je zaujímavé, že teplota triesky stúpa asi do reznej rýchlosti 500 m.min-1. Potom klesá. Pri vysokej rýchlosti pohybu triesky po čele nástroja sa zrejme teplo trenia z čela noža nestačí odviesť do triesky a ohrieva nástroj. Trvanlivosť nástroja sa preto výrazne skracuje.


Opotrebenie a trvanlivosť nástroja
Na obr.5 je krivka závislosti trvanlivosti nástrojov na reznej rýchlosti zostrojená v širokom rozsahu rezných rýchlostí.

Skrátený kontakt elementárnej triesky s čelom nástroja pri malých rezných rýchlostiach a trhlinotvorný proces v trieske spôsobuje vysokú trvanlivosť nástroja. S nárastom reznej rýchlosti, teda aj teploty v zóne kontaktu dochádza k adhéznemu kontaktu triesky a nástroja. Trvanlivosť nástroja klesá. Je známe, že spekaný karbid dosahuje minimálne hodnoty trvanlivosti pri reznej rýchlosti cca 20 m.min-1. Následne v dôsledku ochranného účinku nárastku a ďalšieho poklesu pevnosti obrábaného materiálu trvanlivosť nástrojov výrazne stúpa a dosahuje maximum pri  m.min-1. Po prekročení tejto reznej rýchlosti trvanlivosť nástrojov kontinuálne klesá v dôsledku výraznej adhézie medzi trieskou a čelom nástroja a pri vysokých rezných rýchlostiach aj difúzie prvkov nástroja do triesky.

Je zaujímavé sledovať vonkajší prejav opotrebenia pri vyšších rezných rýchlostiach. Niektoré fotografie opotrebenia na čele a chrbte nástrojov sú v tab. 3.


Tvar opotrebenia nástroja v závislosti na reznej rýchlosti


Pri malých rezných rýchlostiach dochádza v podstate k rovnomernému opotrebeniu na chrbte. Na čele nástroja vzniká plytký žliabok a posunutie reznej hrany vo smere chrbta je minimálne. Pri stredných rezných rýchlostiach, v sledovanom prípade  150 m.min-1 možno pozorovať výraznejšie rozmerové opotrebenie nástroja. Na hrote z nástroja vzniká plôška, rovnobežná so smerom posuvu nástroja, na ktorej sú početné žliabky, ktorých šírka odpovedá zvolenému posuvu nástroja (0,2 mm). Tie ovplyvňujú finálnu kvalitu obrobeného povrchu. Rezná hrana je „vlnovitá". Vznikajú nové miniatúrne hroty nástroja, ktoré odoberajú sekundárne „mikrotriesky". Na obr. 6 je fotografia primárnych a sekundárnych triesok, získaných pri reznej rýchlosti 150 m.min-1. Vidno výrazný rozdiel vo veľkosti primárnych a sekundárnych triesok. Tento jav  pokračuje aj pri vyšších rezných rýchlostiach.

Vysoké rezné rýchlosti vedú k výraznejšiemu vymieľaniu čela nástroj a poklese reznej hrany. Nástroj je značne tepelne namáhaný, preto sa prejavuje plastická deformácia hrotu nástroja. Žliabok na čele je hlboký a rezná hrana výrazne poklesla oproti pôvodnému čelu nástroja. K otupeniu nástroja dochádza v priebehu niekoľkých sekúnd. K opotrebeniu na chrbte v hodnote 1,5 mm došlo napr. pri reznej rýchlosti 2198 m.min-1 v priebehu 10 s.

Kvalita obrobeného povrchu
Na obr. 7 je typický priebeh závislosti najväčšej výšky nerovností na reznej rýchlosti pri obrábaní uhlíkovej ocele keramickým rezným nástrojom.
Priebeh kriviek kopíruje krivku stlačenia triesky. Pri malých rezných rýchlostiach je materiál v krehkom stave, vznik triesky sprevádza vznik trhlín, ktoré zasahujú aj do obrobeného povrchu, preto kvalita povrchu sa výrazne zhoršuje.. Postupne však v dôsledku vyššej plasticity obrábaného materiálu Rz prudko klesá. V nárastkovej oblasti znova stúpa a po dosiahnutí maxima pri reznej rýchlosti okolo 80 m.min-1 kontinuálne klesá. Pri vysokých rezných rýchlostiach dochádza k plastickému tečeniu v trieske v kontakte s čelom nástroja a obrokom a obrobená povrch sa plasticky vyhladzuje.


Záver
Poznanie skutočných prejavov vysoko rýchlostného obrábania dáva možnosť optimálne voliť reznú rýchlosť pre definované podmienky obrábania. Vidno, že všetky charakteristiky procesu obrábania sa so stúpajúcou reznou rýchlosťou pomerne výrazne menia. Trieska nadobúda súvislý charakter, rezné sily klesajú, stlačenie triesky sa zmenšuje, zlepšuje sa kvalita obrobeného povrchu. Naopak, výrazne stúpa teplota v zóne kontaktu nástroja, triesky a obrobku. Vplyvom zvýšenej teploty dochádza  ku znižovaniu pevnosti obrábaného aj rezného materiálu. Trvanlivosť nástroja sa výrazne skracuje. To si žiada znásobenie počtu výmien nástrojov. Táto skutočnosť spätne negatívne ovplyvňuje kusový čas.

prof. Ing. Karol Vasilko, DrSc
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií
so sídlom v Prešove

Späť

Komentáre k článku | Pridať komentár

božik miloš (26.10.2011)

jeto velice zaujmave z hladiska toho že precujem za sustruhom uz 3 roky a jeto fascinuuce ako to vypada pod mikroskopom ale co ak nož dostava vedsi zaber vo vedšej miere posuvu akoje mozne? aku ma vtedy zivotnost?

Stefan Nagy (12.04.2011)

Opotrebovaniu a predlzeniu zivotnosti ostria nastrojov vyrazne napomaha Metanova spray
www.metanova.sk

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 8 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd