Tribotechnické listy

 

 

Dva lokálne extrémy reznej rýchlosti

Súčasné tendencie v technológii obrábania materiálov smerujú k zvyšovaniu rezných rýchlostí. Je známe, že pri vyšších rezných rýchlostiach sa zlepšuje kvalita obrobeného povrchu, klesajú rezné sily, výrazne však klesá trvanlivosť nástrojov. Dokumentovali sme to v príspevku uverejnenom v TriboTechnike 1/2011. Pri štúdiu charakteristík procesu obrábania v súvislosti s reznou rýchlosťou sa však ukazuje ešte jedna oblasť rezných rýchlostí, ktorá je z hľadiska výsledkov obrábania zaujímavá. Pokračujeme v úvahách v tomto smere.

Priebeh rezných síl v závislosti od reznej rýchlosti
Experiment spočíval v sledovaní všetkých troch zložiek reznej sily pri stúpajúcej reznej rýchlosti. Výsledok je na obr. 1.

 

v1

Obr. 1   Experimentálna závislosť zložiek reznej sily od reznej rýchlosti


Priebeh závislosti ukazuje, že pri minimálnych rezných rýchlostiach dochádza v dôsledku intenzívneho vonkajšieho trenia medzi čelom nástroja a trieskou k extrémnemu nárastu reznej sily. Pri ďalšom zvyšovaní reznej rýchlosti sa obrábaný materiál stáva plastický, koeficient vonkajšieho trenia výrazne klesá, preto rezná sila ma minimálne hodnoty v oblasti rezných rýchlostí okolo 20 m.min-1. Pri ďalšom zvyšovaní reznej rýchlosti pevnosť materiálu klesá a zvyšuje sa jeho plasticita. Lokálne maximum reznej rýchlosti je v danom prípade pri vc okolo 60 m.min-1. Je to oblasť nárastku. Po prekročení tejto reznej rýchlosti  všetky zložky reznej sily plynule mierne klesajú. Kontakt nástroja a triesky sa  presúva do oblasti vnútorného trenia medzi zabrzdenou vrstvou triesky a trieskou. Krivka má teda dva lokálne extrémy, minimum pri reznej rýchlosti cca 20 m.min-1 a maximum pri vc = 60 m.min-1.

 

Kvalita obrobeného povrchu
Ďalší experiment bol zameraný na sledovanie závislosti kvality obrobeného povrchu od reznej rýchlosti. Na obr. 2 je závislosť najväčšej výšky nerovnosti povrchu Rz od reznej rýchlosti pri sústružení dvoch uhlíkových ocelí nástrojom zo spekaného karbidu.

 

v2


Priebeh závislosti je nápadne podobný obr. 1. Obsahuje dva lokálne extrémy. Pri minimálnych rezných rýchlostiach je obrábaný materiál krehký, pri tvorení triesky a obrobeného povrchu prevláda trhlinotvorný proces. Trhliny sa šíria aj do obrobe-ného povrchu. S rastom reznej rýchlosti sa kvalita obrobeného povrchu zlepšuje a dosahuje minimum pri cca 30 m.min-1. Obrobený povrch je v podstate hladký, kopíruje len nerovnosti reznej hrany (obr. 3). Potom však v dôsledku vzniku nárastku na reznom kline Rz stúpa a dosahuje maximálne hodnoty pri vc ≈ 40 - 60 m.min-1. Povrch je tvorený stopami odchádzajúcej časti nárastku a vykazuje značné nerovnosti. Na obr. 4 je pohľad na takýto obrobený povrch pod elektrónovým mikroskopom, ktorý odpovedá reznej rýchlosti 50 m.min-1.

 

v3


Pri ďalšom zvyšovaní reznej rýchlosti nerovnosť obrobeného povrchu kontinuálne klesá, tak ako klesá pevnosť obrábaného materiálu v dôsledku nárastu teploty rezania. Obrobený povrch sa plasticky vyhladzuje. Na obr. 5 je pohľad do zóny  tvorenia obrobeného povrchu pri reznej rýchlosti  100 m.min-1. Vidno, že obrobený povrch je hladký, obsahuje len lineárne stopy po mikronerovnostiach reznej hrany nástroja.

 

v4


Ešte názornejší je priebeh tejto závislosti pri obrábaní ocele C45 reznou keramikou (obr. 6). Absolútne hodnoty Rz sú pochopiteľne vyššie v celom rozsahu rezných rýchlostí, ale charakter závislosti je rovnaký. Hodnoty maxima a minima sú posunuté k vyšším rezným rýchlostiam. Rz od reznej rýchlosti vc ≥90 m.min-1 kontinuálne klesá a pri 500 m.min-1 dosahuje hodnotu len 5 mm. Treba poznamenať, že v oboch prípadoch ide o dokončovacie sústruženie s malými hĺbkami rezu a posuvmi. Pri hrubovaní budú výsledky odlišné, najmä pri malých rezných rýchlostiach vzniká sklon k vyštrbovaniu reznej hrany  keramického nástroja.

 

Opotrebenie a trvanlivosť nástroja
Rozhodujúcou charakteristikou z hľadiska hospodárnosti obrábania je trvanlivosť nástroja. Preto boli vykonané rozsiahle experimenty na zistenie trvanlivosti nástrojov od minimálnej reznej rýchlosti po maximálnu dosiahnuteľnú. Závislosť získaná pri sústružení nástrojmi zo spekaného karbidu je na obr. 7.

 

v5

 

Priebeh závislosti je charakterom podobný ako vyššie. Pri minimálnych rezných rýchlostiach, keď je materiál v krehkom stave a odchádza elementárna trieska, ktorá sa málo dotýka čelom nástroja, teda ho minimálne opotrebuje. Trvanlivosť je extrémne vysoká. Pri postupnom vzniku plynulej triesky dochádza k intenzívnemu oteru rezného klina, čo vedie k výraznému znižovaniu trvanlivosti nástroja. Dosahuje minimum v danom prípade pri vc = 20 m.min-1, iba 40 min. V ďalšej fáze v dôsledku vzniku nárastku, ktorý čiastočne  chráni rezný klin pred opotrebením trvanlivosť stúpa a dosahuje maximum pri vc  ≈ = 80 - 100 m.min-1. Trvanlivosť dosahuje hodnoty až 220 min. Pri ďalšom zvyšovaní reznej rýchlosti trvanlivosť prudko klesá v dôsledku silnej adhézie medzi nástrojovým a obrábaným materiálom a v dôsledku znižovania pevnosti rezného materiálu vplyvom vysokej teploty rezania. Pri reznej rýchlosti 300 m.min-1 je len 12 min.
Podobný priebeh má aj závislosť, získaná pri obrábaní čistou keramikou Al2O3 (na obr. 8).
Oproti spekanému karbidu sú minimum a maximum trvanlivosti mierne posunuté k vyšším rezným rýchlostiam. Absolútne hodnoty trvanlivostí sú v celom rozsahu rezných rýchlosti nižšie. Charakter závislosti je však  rovnaký. Pri ďalšom zvyšovaní reznej rýchlosti trvanlivosť kontinuálne klesá. Pri extrémnych rezných rýchlostiach dosahuje hodnoty niekoľko minút (napr. pri vc = 500 m.min. je T = 3 min).
Na analytický opis týchto závislostí nemožno použiť klasický Taylorov vzťah, pretože matematický model takejto závislosti je nelineárny. Pokúsime sa napísať rovnicu pre priebeh z obr. 6. Platí:

v100

 

Nelineárna funkcia T= f(vc) závisí od nelineárnych parametrov. Z uskutočnených n experimentálnych závislostí trvanlivosti nástroja T1, T2 , ... Tn na reznej rýchlosti je možné štatisticky analyzovať závislosť:

v101

kde v102 ,  je vektor navrhnutých parametrov.

 

Rezná rýchlosť vc je vyjadrená jednostĺpcovým vektorom;

 

ε1 je požadovaná presnosť:

v104

t = 1, ...n, parciálne derivácie

v000

sú spojité funkcie.


Pôvodný vzťah môžeme vyjadriť v tvare:

v32

Jeho grafické vyjadrenie je na obr. 8.

 

v8

 

Uvedený priebeh možno využiť pri voľbe reznej rýchlosti v závislosti od požadovaného výsledku obrábania.
Optimálnu reznú rýchlosť možno stanoviť deriváciou rovnice (3) podľa vc. a postavením derivácie rovnej jedna, teda zostrojením dotyčnice ku krivke pod uhlom - 45 °.

v31



dostaneme dve riešenia. Prvé zodpovedá maximálnej, druhé minimálnej trvanlivosti. Po úprave riešime rovnicu

v30

Rovnica má dve riešenia.
V danom prípade:
vc opt = 100 m.min-1 a
vc min = 22 m.min-1.
Prvá rezná rýchlosť teda zabezpečuje maximálnu trvanlivosť nástroja, ale málo kvalitný povrch. Druhá naopak.

 

Záver
Sledovanie závislostí charakteristických pa-rametrov obrábania na reznej rýchlosti v jej širokom rozsahu ukazuje, že existuje významná oblasť malých rezných rýchlostí, kde sa dosahuje veľmi dobrá kvalita obrobeného povrchu. Oblasť sa však vyznačuje minimálnou trvanlivosťou nástrojov. Túto reznú rýchlosť možno teda odporúčať v prípade, ak záleží na kvalite obrábania, bez ohľadu na trvanlivosť nástroja. Ak je rozhodujúcim kritériom trvanlivosť nástroja, je potrebné voliť rezné rýchlosti v okolí lokálneho maxima krivky trvanlivosti (80-120 m.min-1). Oblasť extrémne vysokých rezných rýchlostí dáva dobrú kvalitu obrobeného povrchu, minimálne rezné sily, ale výrazne zmenšenú trvanlivosť nástroja.

 


Dr.h.c. prof. Ing. Karol Vasilko, DrSc.,
PaedDr Anna Macurová, PhD.
Fakulta výrobných technológií
Technickej univerzity v Košiciach
so sídlom v Prešove

 

 

Späť

Komentáre k článku | Pridať komentár

Stanislav Halčin (30.05.2017)

Super dobrý článok. Začínam so štúdiom obsluhy a programovania CNC strojov. Mám Mechanizačnú fakultu VŠP v Nitre a tento článok je veľmi dobre napísaný. Trošku jednoduchej teória a potom výborný záver. Ešte raz ďakujem tvorcom článku.

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd