Tribotechnické listy

 

 

Charakter trenia pri obrábaní podmienený zmenou reznej rýchlosti

Medzi nástrojom, trieskou a obrobkom dochádza k intenzívnemu treniu, ktoré spôsobuje opotrebenia nástroja. Jeho charakter závisí na reznej rýchlosti, v interakcii s okamžitou teplotou stýkajúcich sa povrchov. Jeho poznanie môže viesť k optimálnym podmienkam obrábania, odpovedajúcim  minimálnemu opotrebeniu nástroja.

Metodika experimentov

Aby bolo možné sledovať proces plastickej deformácie pred rezným klinom nástroja je potrebné proces obrábania okamžite zastaviť. Pretože podľa zákonov mechaniky nie je možné hmotné teleso, pohybujúce sa určitou rýchlosťou zastaviť okamžite, bola vyvinutá metóda na okamžité urýchlenie časti obrobku na reznú rýchlosť. Podstata spočíva v špeciálnej úprave obrobku podľa obr. 1.

 



V mieste vychádzania nástroja zo záberu je v obrobku navŕtaný otvor a vyrezaná drážka vo smere pohybu obrobku. Pri prechádzaní nástroja ponad otvor dôjde k pretrhnutiu zúženej časti vzorky v mieste 7. Je to podobný proces ako pri trhacej skúške. Vzorka je prudko vymrštená do priestoru rýchlosť väčšou ako je rezná rýchlosť a je zachytená. Je zrejmé, že na nej je zafixovaný proces tvorenia triesky pri skutočnej reznej rýchlosti. Dôkazom sú dynamometrické merania priebehu reznej sily na nástroji (obr. 2).
Vidno, že pokles reznej sily nastáva v nemerateľnom časovom úseku, teda prakticky okamžite. Po uskutočnení výbrusu vzorky možno na nej sledovať skutočný proces plastickej deformácie v trieske.

 



Teplotné faktory, ovplyvňujúce proces obrábania
V súčasnosti existuje dostatok experimentálneho materiálu a výpočtov, ktoré umožňujú charakterizovať zdroje tepla pri obrábaní. Za základné zdroje vzniku tepla pri obrábaní sa považuje teplo primárnej deformácie, ktoré sa šíri najmä do triesky. Intenzita šírenia tepla do obrobku však vo výraznej miere závisí na reznej rýchlosti. So zvyšovaním  reznej rýchlosti, vzhľadom na konštantnú rýchlosť vedenia tepla v materiáli množstvo tepla, odvedené do obrobku výrazne klesá. Druhý zdroj tepla je teplo trenia medzi trieskou a nástrojom. Teplo sa šíri do triesky a nástroja. Malý zdroj tepla trenia medzi nástrojom a obrokom spôsobuje zvyšovanie teploty povrchu obrobku a nástroja. Ak sú známe veľkosti všetkých troch zdrojov, teplofyzikálne charakteristiky materiálov, okrajové a hraničné podmienky, možno riešiť pre tento prípad diferenciálnu rovnicu vedenia tepla a určiť priebeh izoterm. Výsledok riešenia pre určité podmienky je napr. na obr. 3.

 



Priebeh izoterm v trieske, obrobku a nástroji ukazuje nasledovné. Pole šmykových deformácií zasahuje do nízkoteplotnej zóny. Naopak, javy ktoré prebiehajú na kontakte triesky a nástroja sú v podmienkach pomerne vysokých teplôt, čo vedie ku zmenšovaniu deformačného odporu na jednej strane, ale môže spôsobovať zvyšovanie adhéznych síl na strane druhej. Povrchová vrstva obrobku je ovplyvnená do tej miery, aký veľký je zdroj trenia medzi nástrojom a obrokom, teda aká je veľkosť opotrebenia na chrbte nástroja.

Fyzikálno-metalurgický pohľad na proces tvorenia triesky
Proces tvorenia triesky pri obrábaní kovov patrí ku zložitým heterogénnym deformačným  procesom. Pôsobenie nástroja na obrábaný materiál vyvoláva silové pôsobenie, ktoré možno charakterizovať ako silu normálneho tlaku na čele noža Fn a silu trenia Ft na ploche styku čela noža s tvoriacou sa trieskou (obr. 4).

 



Tieto zložky sa sumarizujú vo výslednú silu F, ktorá má pôsobisko približne v strede kontaktu triesky s čelom nástroja. Výsledný sila vyvoláva v obrábanom materiáli reakciu opačného znamienka F, ktorá pôsobí v strede úsečky, považovanej za rozhranie medzi základným materiálom a tvoriacou sa trieskou. Fyzikálnu podstatu sily tvorí deformačný odpor materiálu. V súlade so štruktúrnou analýzou dochádza pri obrábaní tvárnych materiálov v oblasti medznej roviny ku vysokým stupňom šmykovej deformácie, ktorá sa prejavuje tvorbou deformačnej štruktúry. Charakterizované silové pomery majú nesporné súvislosť s mechanizmom tvorby triesky, teda intenzívnou plastickou deformáciou. Detail charakterizujúci oddeľovanie triesky ocele C45 je na obr. 5.

 



Vidno, že v oblasti reznej hrany vznikajú extrémne strihové deformácie ako na obrobenom povrchu aj na vznikajúcej trieske. Ich výsledkom je špecifická deformačná štruktúra v podobe sploštených a natočených zŕn. V mieste maximálneho zúženia vlákien pri reznej hrane dosahuje stupeň deformácie kritické hodnoty, ktoré vedú k lokálnemu spevneniu materiálu. Tento mikromechanizmus deformačných javov a procesu porušovania sa pri tvorbe triesky neustále opakuje. Tvorba textúry na čele tvoriacej sa triesky má dve hlavné príčiny. Prvotný zdroj textúry vzniká bezprostredne  pred reznou hranou nástroja podľa opísaného mechanizmu. Doplnkový zdroj deformačnej textúry na čele triesky spočíva v trecom účinku triesky na čelo nástroja. Ďalším významným poznatkom je, že šmykovú deformáciu triesky podľa veľkosti možno rozdeliť do dvoch oblastí. Globálnu deformáciu triesky, vytvárajúcu sa v zóne primárnej deformácie (v okolí hranice plastickej deformácie), ktorá sa v závislosti na  deformačných odporoch prejaví rôznymi stupňami článkovitosti triesky. Zóna, ktorá sa doposiaľ v litertúre označuje ako „sekundárna" v svojej podstate súvisí s vlastným oddeľovaním triesky pred reznou hranou nástroja. V tejto súvislosti treba prehodnotiť správnosť používanej terminológie. Príspevok trenia na tvorbu textúry čela triesky je na porovnanie so strihovou deformáciou zanedbateľný. Bez uvedenej strihovej deformácie by nebolo možné postupné obnovovanie zóny primárnej deformácie, ani pohyb materiálu a jeho formovanie do triesky. Z toho vyplýva, že štruktúrna stavba materiálu, jeho plastické vlastnosti pri rovnakých rezných podmienkach, významným spôsobom kontrolujú tvorbu triesky. Ďalším dôležitým fyzikálnym parametrom, ktorý zásadne ovplyvňuje tvorbu triesky je vývoj tepla a tvar teplotného poľa v zóne rezania. Na obr. 6 je metalografický výbrus oblasti tvorenia triesky ktorý odpovedá reznej rýchlosti 5 m.min-1. Vzhľadom na nízku kontaktnú teplotu má obrábaný materiál základnú pevnosť. Proces tvorenia triesky sa riadi trhlinotvorným procesom. Trieska je elementárna, preto trenie triesky o čelo nástroja je málo intenzívne. Tomu by malo odpovedať málo intenzívne opotrebenie nástroja.
Na overenie tejto skutočnosti bol vykonaný rozsiahly experiment na detailné zistenie priebehu závislosti trvanlivosti nástroja na reznej rýchlosti. Výsledok je na obr. 7.



Vidno, že pri malých rezných rýchlostiach je trvanlivosť nástroja vysoká ale postupne prudko klesá a dosahuje minimum pri reznej rýchlosti okolo 20 m.min-1. Tvar zóny tvorenia triesky pri tejto reznej rýchlosti je na obr. 8.
Trieska začína byť celistvá. Vznikajú podmienky pre intenzívne vonkajšie trenie medzi trieskou a čelom nástroja, ako aj chrbtom nástroja a obrokom, čo je príčinou intenzívneho opotrebenia nástroja. Na obr. 9 je zóna tvorenia triesky pri reznej rýchlosti 60 m.min-1. Na nástroji vzniká nárastok, ktorý čiastočne preberá funkciu rezného klina a chráni nástroj pred opotrebením. Dochádza ku vnútornému treniu medzi nárastkom a trieskou. Trvanlivosť nástroja stúpa. Zhoršuje sa však kvalita obrobeného povrchu, pretože časti nárastku ostávajú na obrobenom povrchu.

 


Typická zóna obrábania pri reznej rýchlosti 100 m.min-1 je na obr. 4. Nad čelom nástroja sa v trieske objavuje zabrzdená vrstva z vláknitého kovu. Dochádza k vnútornému treniu medzi touto vrstvou a trieskou. Vplyvom vysokej teploty klesá pevnosť obrábaného materiálu a trvanlivosť nástroja výrazne stúpa. Posledný prípad odpovedá vysokým rezným rýchlostiam (obr. 10).
Deformačný odpor obrábaného materiálu vplyvom vysokej teploty výrazne klesol. Materiál je v plastickom stave. Pred čelom nástroja je tenká medzná zabrzdená vrstva obrábaného materiálu. Dochádza ku treniu medzi touto vrstvou a trieskou, ale aj nástrojom. Dôsledkom toho a vysokej teploty klesá aj pevnosť nástrojového materiálu, preto sa intenzívne opotrebúva. Trvanlivosť nástroja výrazne klesá.

 



Záver
V práci bol charakterizovaný proces tvorenia triesky na báze pozorovania zmien štruktúry triesky. Proces plastickej deformácie spolu s trecím účinkom vyvoláva vznik teplotných polí, ktorých tvar, intenzita, rozmery a poloha ovplyvňuje proces tvorenia triesky ako aj proces opotrebenia nástroja. Zložité zmeny štruktúry triesky     a podmienok trenia medzi nástrojom, trieskou a obrokom vedú k výraznej zmene trvanlivosti nástroja na reznej rýchlosti. Ak chceme mať vysokú trvanlivosť nástroja, musíme v danom prípade používať rezné rýchlosti 80 - 100 m.min-1. Druhá oblasť vysokej trvanlivosti je pri minimálnych rezných rýchlostiach, čo však nie je hospodárne, vzhľadom na predlžovanie strojového času.

 


Dr.h.c. prof. Ing. Karol Vasilko, DrSc.
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií
Bayerova ulica
080 01 Prešov

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
7 + 6 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd