Ilustracje do wykładu z obróbki skrawaniem opartego na książce:
Krzysztof Jemielniak, Obróbka Skrawaniem – podstawy, dynamika, diagnostyka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2018, ISBN 978-83-7814-5
ebook dostępny na:
https://www.ibuk.pl/fiszka/201223/obrobka-skrawaniem-podstawy-dynamika-diagnostyka.html
1. Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji i Obróbki Skrawaniem
Prof. Krzysztof Jemielniak krzysztof.jemielniak@pw.edu.pl
http://www.zaoios.pw.edu.pl/kjemiel
Obróbka Skrawaniem -
podstawy, dynamika, diagnostyka
5. Proces tworzenia wióra
2. 2
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Plan wykładu Obróbka skrawaniem
1. Wstęp
2. Pojęcia podstawowe
3. Geometria ostrza
4. Materiały narzędziowe
5. Proces tworzenia wióra
6. Siły skrawania
7. Dynamika procesu skrawania
8. Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia
9. Zużycie i trwałość ostrza
10. Diagnostyka stanu narzędzia i procesu
skrawania
11. Skrawalność
12. Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle
lotniczym
Proces tworzenia wióra
strony 96-124
3. 3
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
• Budowa strefy skrawania
• Postaci wiórów i ich klasyfikacja
• Łamanie wiórów
• Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
• Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
4 Proces tworzenia wióra
Budowa strefy skrawania
4. 4
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Strefa skrawania
0,1mm
strefa wtórnego
ścinania
strefa
poślizgu
narzędzie
wiór
B C
D
powierzchni
a natarcia
powierzchnia
przyłożenia
powierzchnia skrawania
Strefa skrawania to obszar bezpośredniego
oddziaływania ostrza na materiał obrabiany –
obszar, w którym warstwa skrawana zamieniana
jest w wiór
Stan naprężeń i odkształceń w strefie skrawania
zależy od całokształtu warunków skrawania.
h
warstwa
skrawana
Ostrze działając na warstwę skrawaną…
strefa odkształceń
sprężystych i plastycznych
powoduje jej sprężyste i plastyczne odkształcenie
strefa ścinania
a następnie ścięcie wzdłuż tzw. strefy ścinania
płaszczyzna ścinania
W pewnym uproszczeniu można tę strefę
przybliżyć płaszczyzną ścinania
Warstwa skrawana po przejściu przez strefę
ścinania zamienia się w wiór o wyraźnie
ukierunkowanej strukturze
5. 5
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Geometria strefy skrawania
0.25mm
punkt stagnacji
strefa zatarcia
strefa
wtórnego
ścinania
Jaspers, S., Dautzenberg, J.,Material behaviour in metal cutting, J.Mat.Proc.Tech. 122/1,2002
Stefa
odkształceń
plastycznych
Strefa wtórnego Strefa poślizgu
ścinania
0,1mm
wiór
B C
D
strefa wtórnego
ścinania
strefa
poślizgu
h
warstwa
skrawana
strefa odkształceń
sprężystych i plastycznych
strefa ścinania
płaszczyzna ścinania
A – strefa zatarcia
B – strefa poślizgu
6. 6
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Narost
P.K. Wright, E M Trent, Metal Cutting
7. 7
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Geometria strefy powstawania wióra
Strefa
ścinania
Strefa
ścinania
h
hw
go
f
f – kąt ścinania
h – grubość warstwy skrawanej
hw – grubość wióra
hw
8. 8
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Współczynnik spęczenia wióra
Strefa
ścinania
h
hch
go
f
Lh=
hch
h
___
ρh bl
G
ρblh
ρblh
Λ
ch
ch
ch
chch
h
sin
cos
oh
o
tg
g
g
f
L
9. 9
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Pomiar długości wióra
10. 10
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zależność kąta ścinania od współczynnika
spęczenia wióra
go
go
f
Wyznacz 𝑙 𝑠ℎ z trójkątów ACB oraz ABD
𝑙 𝑠ℎ =
ℎ
sin 𝜙
=
ℎ 𝑤
cos 𝜙 − 𝛾𝑜
cos 𝜙 − 𝛾𝑜 = sin 𝜙 sin 𝛾𝑜 + cos 𝜙 cos 𝛾𝑜
𝛬ℎ =
ℎ 𝑤
ℎ
= sin 𝛾𝑜 +
cos 𝛾𝑜
tg 𝜙
tg 𝜙 =
cos 𝛾𝑜
𝛬ℎ − sin 𝛾𝑜
hw
11. 11
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zadanie
Wyznaczyć kąt ścinania
12. 12
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
• Budowa strefy skrawania
• Postaci wiórów i ich klasyfikacja
• Łamanie wiórów
• Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
• Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
4 Proces tworzenia wióra
Postaci wiórów i ich klasyfikacja
13. 13
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Podstawowe postaci wiórów – ciągły (jednolity)
Wióry ciągłe powstają przy obróbce materiałów plastycznych z wysokimi
prędkościami skrawania.
Deformacje następują wzdłuż pierwotnej strefy ścinania
14. 14
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Podstawowe postaci wiórów – schodkowy
Wióry schodkowe występują:
• przy obróbce materiałów o niskiej przewodności cieplnej i wytrzymałości
gwałtownie spadającej wraz z temperaturą
• przy bardzo niskich prędkościach skrawania
• przy dużych głębokościach i ujemnych kątach natarcia
• przy niskiej sztywności obrabiarki
• przy obróbce z bardzo wysokimi prędkościami skrawania
15. 15
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Podstawowe postaci wiórów – schodkowy
Skrawanie tytanu
W wiórach schodkowych występują strefy bardzo wysokich i bardzo niskich
naprężeń i odkształceń
Skrawanie stali nierdzewnej
Obróbka stali z wysoką
prędkością skrawania
16. 16
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Podstawowe postaci wiórów – elementowy
Wióry elementowe (odłamkowe) występują przy obróbce materiałów :
kruchych, które nie wytrzymują wysokich naprężeń ścinających,
z twardymi wtrąceniami lub zanieczyszczeniami
o strukturach takich jak żeliwo szare z płatkami grafitu
17. 17
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Podstawowe postaci wiórów
wiór ciągły z zaznaczonymi
segmentami
0.1mm
Najczęściej występują różne formy pośrednie.
18. 18
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ twardości materiału i prędkości
skrawania na postać wióra
Materiał obrabiany:
stal do kucia na
gorąco AISI H13
vc= 75m/min
Twardość 28 HRC
ciągły
segmentowy
vc= 200 m/min
ciągły z segmentami
Twardość 49 HRC
ciągły z segmentami
Eu-Gene NgFAIM 2004 Keynote 3,
19. 19
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ prędkości skrawania na postać wióra
Stal 45
Inconel 718,
CIRP Encyclopedia of Production Engineering
20. 20
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Powstawanie wióra przy obróbce z wysoką
prędkością skrawania
przedmiot
wiór
narzędzie
przedmiot
wiór
narzędzie
przedmiot
wiór
narzędzie
pęknięcie
pęknięcie
21. 21
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wióry
22. 22
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
• Budowa strefy skrawania
• Postaci wiórów i ich klasyfikacja
• Łamanie wiórów
• Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
• Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
4 Proces tworzenia wióra
Łamanie wiórów
23. 23
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Najmniejsza moc potrzebna do ich
łamania
Najmniejsze obciążenie krawędzi
skrawającej
Niewielkie wzrosty siły skrawania
towarzyszące łamaniu
Łatwe do usunięcia
Wyższa moc niezbędna do
złamania
Wyższe naprężenia na krawędzi
skrawającej
Mogą powodować drgania
Najbardziej pożądane —
Wióry łukowe luźne
Unikać —
Bardzo krótkich, ciasno zwiniętych
Bardzo trudne do usunięcia
Mogą kaleczyć przedmiot
obrabiany lub oprzyrządowanie
Pożądane i niepożądane postaci wiórów
Unikać —
Długich, taśmowych
24. 24
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Kształtowanie wiórów przy toczeniu
Niewłaściwa postać wiórów może powodować:
uszkodzenia przedmiotu, narzędzia i... operatora
zakłócenia produkcji
problemy z usuwaniem wiórów
Kształtowanie wiórów zależy od:
materiału obrabianego
geometrii narzędzia
warunków skrawania
25. 25
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Klasyfikacja wiórów wg PN-ISO 3685:1995
6.2.6
26. 26
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Dwa sposoby wymuszonego łamania wiórów
Rowek na powierzchni
natarcia
wiór
Powierzchnia natarcia
narzędzia
Zwijacz wiórów
wiór
Przedmiot
obrabiany
27. 27
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Nakładany zwijacz wiórów
6.2.6
28. 28
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zwijacz wiórów na powierzchni natarcia
Zwijacz wiórów na powierzchni natarcia
zmniejsza promień jego zakrzywienia i decyduje
o kierunku spływu
6.2.6
29. 29
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Powstawanie wiórów
2-D: 6.2.5 3-D 6.2.6
30. 30
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ posuwu i głębokości skrawania na
zwijanie wiórów
0.1mm
vc=240 m/min, f=0.2 mm/obr
0.1mm
vc=240 m/min, f=0.1 mm/obr
4.2.1 6.2.6
Jaspers, S., Dautzenberg, J.,Material behaviour in metal cutting, J.Mat.Proc.Tech. 122/1,2002
31. 31
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Diagram łamania wiórów
Zasada ogólna:
Przykład:
32. 32
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Diagram łamania wiórów
33. 33
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Dobór zwijacza wióra do operacji
34. 34
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zależność postaci wiórów od zużycia ostrza
Narzędzie ostre
6.2.6
... i po kilku minutach
6.2.5
35. 35
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
• Budowa strefy skrawania
• Postaci wiórów i ich klasyfikacja
• Łamanie wiórów
• Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
• Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
4 Proces tworzenia wióra
Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
36. 36
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Powierzchnia nominalna i rzeczywista
Powierzchnia rzeczywista – określona rzeczywistym procesem wytwarzania
• Różne procesy wytwarzania pozwalają na uzyskanie różnych charakterystyk
geometrycznych i fizycznych powierzchni obrobionych
• Rzeczywista powierzchnia nigdy nie jest idealną powierzchnią geometryczną
Powierzchnia nominalna – określona rysunkiem konstrukcyjnym
• Powierzchnie nominalne opisane są liniami prostymi, idealnymi okręgami, walcami
i innymi doskonałymi figurami geometrycznymi
37. 37
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Dlaczego powierzchnia jest ważna?
Względy estetyczne
Powierzchnia może wpływać na bezpieczeństwo
Tarcie i zużycie między niesmarowanymi powierzchniami
rośnie z chropowatością
Powierzchnia zbyt gładka nie utrzymuje filmu olejowego
Powierzchnia zbyt chropowata przebija film olejowy
Powierzchnia wpływa na właściwości mechaniczne i
fizyczne przedmiotu
Powierzchnia wpływa montaż (pasowanie) elementów
Gładkie powierzchnie mają lepszy kontakt elektryczny
.....
38. 38
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Charakterystyka powierzchni obrobionej i
warstwy wierzchniej
Gładkość powierzchni Ra, Rz...
Naprężenia resztkowe
rozkład naprężeń
ściskających i rozciągających
Zmiany struktury
występowanie austenitu lub
mertenzytu, biała warstwa,
odpuszczanie
Wady powierzchni
zadrapania, pęknięcia, otwory,
nalepy, wgniecenia
Kierunkowość
kształt śladów pozostawionych
przez narzędzie
Struktura geometryczna powierzchni
Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej
39. 39
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Struktura geometryczna powierzchni
(Surface Texture)
Pod odpowiednio silnym powiększeniem powierzchnia
obrobiona nie jest ani równa, ani prostoliniowa, walcowa,
czy co tam jeszcze byśmy po niej oczekiwali!
występuje na niej chropowatość, falistość, wady, skazy,
zadrapania....
Można także zauważyć określoną kierunkowość śladów
obróbki wynikającą z zastosowanego procesu
Charakterystyka struktury geometrycznej powierzchni
obrobionej opisuje jej powtarzalne lub losowe odchylenia
od powierzchni nominalnej
40. 40
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Charakterystyka struktury geometrycznej
powierzchni
długość falistości
krater (uszkodzenie)
odległość nierówności
wysokość nierówności
wysokość falistości
pęknięcie (wada)
kierunkowość
41. 41
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Elementy struktury geometrycznej powierzchni
Różnice między powierzchnią nominalną a rzeczywistą:
błędy kształtu – nie są zaliczane do struktury geometrycznej
powierzchni
1. falistość – gęściej lub rzadziej rozłożone odchylenia powierzchni,
spowodowane drganiami, ugięciami przedmiotu i obrabiarki itp.
2. chropowatość „nałożona” na falistość to znacznie gęściej rozłożone
nierówności bardziej lub mniej regularne, jak ślady narzędzia
Chropowatość
Falistość
Błąd kształtu (tu wypukłość)
Powierzchnia teoretyczna (płaska)
TOLERANCJAWYMIARU
42. 42
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Elementy struktury
geometrycznej
powierzchni
3. kierunkowość
dominujący kierunek lub
wzór pozostawiony przez
narzędzie (obróbkę) na
powierzchni obrobionej
4. uszkodzenia
wady występujące
nieregularnie – pęknięcia,
zarysowania, wtrącenia,
skazy, kratery, plamy itp.
Symbol Szkic Opis kierunkowości
Równoległa do linii reprezentującej
powierzchnię, przy której podano symbol
Prostopadła do linii reprezentującej
powierzchnię, przy której podano symbol
Skrzyżowana w 2 kierunkach ukośnych do
linii reprezentującej powierzchnię, przy
której podano symbol
Nieuporządkowana (wielokierunkowa)
Współśrodkowa, w przybliżeniu względem
środka powierzchni, przy której podano
symbol
Punktowa
Promieniowa, w przybliżeniu względem
środka powierzchni, przy której podano
symbol
43. 43
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Gładkość i chropowatość powierzchni
Chropowatość powierzchni – mierzalna
charakterystyka
Gładkość powierzchni – określenie subiektywne,
potoczne opisujące stan (wygląd) powierzchni w
ogólniejszym sensie
Potocznie określenie gładkość używane jest jako
odwrotny synonim chropowatości
Oba terminy odnoszą się do struktury
geometrycznej powierzchni
44. 44
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Chropowatość powierzchni
Jedną z pierwszych rzeczy, jakie zauważamy na
przedmiocie obrobionym jest
chropowatość powierzchni
Często jakość produktu jest związana z chropowatością powierzchni
Gładsza powierzchnia jest zwykle droższa w wykonaniu
Chropowatość powierzchni jest zdeterminowana przez proces obróbki
45. 45
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Pomiary chropowatości
Rzeczywista powierzchnia jest 3D
Konwencjonalne parametry chropowatości są 2D –
określane na podstawie pojedynczego profilu,
zawierającego informacje w dwóch wymiarach –
wysokość i długość (odległość w poziomie)
Pr
p
Pomiar – np. przy pomocy mikroskopu podwójnego Shmaltza
46. 46
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Profilometr
Najczęściej stosowana metoda pomiaru chropowatości
Działa na takiej samej zasadzie co adapter
Końcówka pomiarowa (igła) ślizga się wzdłuż
powierzchni, a jej ruchy są rejestrowane przez
urządzenie komputerowe
Ślizgacz nadąża za ogólnym kształtem powierzchni
eliminując wpływ np. błędów kształtu
Ślizgacz końcówka pomiarowa
powierzchnia
profil
47. 47
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Pomiar chropowatości profilometrem
48. 48
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
... lub mikroskopem interferometrycznym
49. 49
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Powierzchnia 3D i 2D
2D
3D
50. 50
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wyznaczanie parametrów chropowatości
odchylenia pionowe
powierzchnia rzeczywista
powierzchnia nominalna
Zmierzone i zarejestrowane odchylenia powierzchni rzeczywistej od linii równoległej
do powierzchni nominalnej yi w funkcji przemieszczenia x wzdłuż powierzchni
nominalnej na odcinku elementarnym le są podstawą wyznaczania parametrów
chropowatości
le
x
y
51. 51
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Linia średnia, odcinek elementarny
miny
n
1
2
i
Linia średnia:
prosta zgodna z ogólnym kierunkiem nierówności
dzieli profil tak, by suma kwadratów odchyleń profilu od linii
była najmniejsza:
le
yi
Odcinek elementarny (Le:
8, 2.5, 0.8, 0.25 lub 0.08mm
52. 52
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Linia środkowa
le
W przybliżeniu linię średnią można zastąpić
linią środkową, która dzieli profil tak, że pole
powyżej i poniżej tej linii jest równe
53. 53
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej
Ra – stosunek pola odchyleń profilu od linii średniej do
długości odcinka elementarnego
le
𝑅𝑎 =
1
𝑙𝑒
0
𝑙𝑒
𝑦(𝑥) 𝑑𝑥
54. 54
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej
Lc
yi
Równanie alternatywne (aproksymacja cyfrowa),
łatwiejsze do zrozumienia:
𝑅𝑎 =
1
𝑛
𝑖=1
𝑛
𝑦𝑖
55. 55
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Ra, AA, CLA
Średnie (arytmetyczne) odchylenie od linii średniej
Ra jest pierwszym parametrem chropowatości,
jaki został wymyślony
wciąż jest najczęściej stosowany
w Anglii oznaczany jako CLA (Centre Line
Average)
w USA oznaczany jako AA (Arithmetic Average)
56. 56
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Średnio kwadratowe odchylenie od linii średniej
Rq – inna forma określania chropowatości
W porównaniu z Ra, Rq jest bardziej czułe na rzadkie
duże wierzchołki i wgłębienia
Obecnie stosowane rzadko, zastępowane przez Rz –
najwyższą wysokość chropowatości
Wygodne przy statystycznej analizie struktury
geometrycznej powierzchni, jako że jest równe odchyleniu
standardowemu
𝑅𝑞 =
1
𝑙𝑒
0
𝑙𝑒
𝑦2(𝑥)𝑑𝑥 ≈
1
𝑛
𝑖=1
𝑛
𝑦𝑖
2
57. 57
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Długość odcięcia
Linia średnia
le le
Na wyznaczanie Ra może mieć wpływ falistość
W celu jej wyeliminowania stosuje się skrócone odcinki
elementarne (długość odcięcia)
Odcinek elementarny krótszy od długości fali eliminuje
wpływ falistości pozostawiając jedynie chropowatość
58. 58
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wady Ra
Ra jako średnia jest mało wrażliwe na uszkodzenia
powierzchni
Ra nie rozróżnia wierzchołków od wgłębień:
59. 59
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Ra a nośność
Powierzchnia korzystna Powierzchnia niekorzystna
Ra może być mylące! Obie powierzchnie mają
podobne Ra ale powierzchnia z prawej ma
praktycznie zerową powierzchnię nośną!
60. 60
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Skośność
Wzór:
Dobra powierzchnia nośna
Koncentracja materiału na szczycie profilu świadczy o plateau
Ujemna skośność
Dodatnia skośność
ujemna skośność dodatnia skośność
61. 61
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wysokość chropowatości Rz (ISO)
Średnia z sumy wysokości pięciu wierzchołków i głębokości
pięciu wgłębień względem linii średniej lub dowolnej linii
równoległej do niej:
L
c
5
1
5
15
1
i i
vipi RRRz
62. 62
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Rp, Rv, Rt
L
c
Rt
Rp
Rv
Rp – maks. wysokość wierzchołków
Rv – maks. głębokość wgłębień
Rz – największa wysokość nierówności
63. 63
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Przykładowe parametry struktury
geometrycznej powierzchni
p
m
2
1
21
n(0)21
Ra
Rz
O
Hmin
Hma
x
bi
Smi
Rt
Si
Qi
ri
Fi
Lc
x
Ra - średnie odchylenie profilu od linii
średniej,
Rz - średnia odległość pięciu najwyżej i
najniżej położonych punktów profilu,
Rt - największa wysokość nierówności,
Q - średni kąt nachylenia wierzchołków,
r - średni promień zaokrąglenia
wierzchołków,
F1 - pole profilu nad linią średnią (lub
dowolną linią do niej równoległą),
Sm - średnia odległość nierówności,
S - średnia odległość wierzchołków profilu,
m - liczba wierzchołków,
n(0) - liczba punktów przecięć profilu z
linią średnią,
Rq - średnie kwadratowe odchylenie
profilu,
64. 64
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Szerokość zastosowania parametrów
chropowatości
Liczbafirm
parametr
Wyniki ankiety przeprowadzonej
przez CIRP w 284 firmach z 18
krajów Rp – maks. wysokość wierzchołków
Rv – maks. głębokość wgłębień
Rz – średnia z 5 max-min
Rc – średnia wysokość elementów profilu
Rt – największa wysokość nierówności
Ra – średnie odchylenie od linii średniej
Rq – średniokwadratowe odchylenie od linii średniej
Rsk – skośność profilu
Rku – płaskość (kurtoza) profilu
RSm – średnia szerokość elementów profilu
.....
65. 65
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Obliczanie parametrów chropowatości
Wyznaczyć położenie linii średniej, Ra, Rz, Rp, Rv, dla noża tokarskiego
pracującego z założonym posuwem
Rozwiązanie:
Narzędzie przedstawione wyżej pozostawia na powierzchni obrobionej powtarzalny ślad,
tworzący profil chropowatości:
Przyjmijmy dane a = 0,1 mm, κ'r=30°, f =0,3mm/obr.
Największa wysokość profilu Rz wyznaczona może być bezpośrednio z zależności:
Rz=f-atanκ'r=0,115 mm
Linia średnia dzieli profil tak, że pole nad linią średnią A1 jest równe polu pod tą liną A2:
a Rp+12Rp2cotκ'r=12Rz-Rp2cotκ'r
stąd położenie linii średniej określone jest przez wysokość najwyższego wzniesienia profilu Rp:
Rp=Rz22Rz+a=0,031mm
Oczywiście tu głębokość najwyższego wgłębienia profilu Rv=Rz=Rp=0,085mm. Średnie
arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Ra możemy wyznaczyć jako stosunek sumy pól
A1 i A2 do odcinka pomiarowego, którym tu jest posuw f. Ponieważ oba pola są z definicji takie
same, można Ra określić jako
Ra=2A1f=22a Rp+Rp2cotκ'rf=0,026mm
66. 66
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zadanie
Wyznaczyć położenie linii średniej, Ra, Rz, Rp, Rv, dla narzędzia:
pracującego z posuwem f=0.9 mm/obr
k'r=45°
0,3
9
3
6
6-x
x
(6-x)2/2 = 3 x + x2/2
x = 2
Pole = 8 + 8 = 16
Ra = 16/9 =1.78
ze skalą
Ra = 178 mm
Rz = 600 mm
Rv = 400 mm
Rp = 200 mm
f=0.3m m/obr
kr =90°
k'r=30°
0,1kr=90°
67. 67
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ posuwu i promienia zaokrąglenia
naroża na teoretyczną wysokość nierówności
𝑅 𝑧𝑡 =
𝑓2
8𝑟𝜀
regularne nierówności,
większa skala
f
narzędzie
re
nieregularne nierówności,
mniejsza skala
CIRP Encyclopedia of Production Engineering
68. 68
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ posuwu i promienia zaokrąglenia
naroża na teoretyczną wysokość nierówności
Rzt =
𝑓2
8𝑟𝜀
𝜅 𝑟 = 45° ÷ 90°
𝜅 𝑟
′
= 15° ÷ 45°
𝑓 ≤ 0,8𝑟𝜀
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
Rzt(mm)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
f (mm/obr)
0,32 0,960,64
0 0,05 0,1 0,15
f (mm/obr)
Rzt
Rz
doświadczanie
teoretycznie
69. 69
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ posuwu na wysokość nierówności
f=1 mm/obr f=0.8 mm/obr
f=0.6 mm/obr f=0.4 mm/obr
Franco P.et al.Int.J.Mach.Tools&Manuf. 44, 2004, 1555–1565
70. 70
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ niekorzystnej postaci wióra na jakość
powierzchni obrobionej
C. R. Galo, M. Balazinski, Inconel 718 shaft machining
Roughing and semi finishing
71. 71
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ promienia naroża na chropowatość
Mały promień naroża
Duży promień naroża
„Wiper”
„Wiper” i płaszczyzna
72. 72
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Naroże konwecjonalne re=0.8mm
Naroże re=0.8mm
„Wiper”
WNMG080408W-M3
Wpływ geometrii naroża na chropowatość
Materiał Grupa 4
vc 260 m/min
ap 1.0 mm
f 0.3 mm
73. 73
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ geometrii naroża na chropowatość
Mat: Ck45
Frez: R220.43-003205
Płytka: OFEX05T305TN-ME07 T25M
vc: 400 m/min
fz: 0.1 mm/tooth
ap: 0.3 mm
74. 74
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Kennametal CCGT09T302HP KC5010 WS
re=0.2 mm
Wpływ szerokości starcia powierzchni przyłożenia
(VBB) na stan powierzchni obrobionej
75. 75
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ prędkości skrawania na chropowatość
powierzchni obrobionej
0 50 100 150 200 250 300
0
1
2
3
4
5
6
prędkość skrawania vc [m/min]
chropowatośćRa[µm]
100 Cr 6 (62 HRC)
CBN10
CNMA120408
f = 0,05 mm
ap = 0,05 mm
na sucho
Czas skrawania t = 0 - 30 min
(typowy przykład )
76. 76
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
• Budowa strefy skrawania
• Postaci wiórów i ich klasyfikacja
• Łamanie wiórów
• Struktura geometryczna powierzchni obrobionej
• Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
4 Proces tworzenia wióra
Warstwa wierzchnia przedmiotu obrabianego
77. 77
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej
Struktura geometryczna powierzchni nie opisuje jej w pełni
Pod powierzchnią mogą występować zmiany fizyczne mające
decydujący wpływ na właściwości mechaniczne
Właściwości fizyczne warstwy wierzchniej (surface integrity)
opisują zmiany które powstają w trakcie obróbki, a które mają
znaczenie dla właściwości użytkowych przedmiotu obrabianego
-800
-600
-400
-200
0 50 100 150 200 250
0
200
400
600
800
Głębokość pod powierzchnią (µm)
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
NprężeniaresztkoweMPa
ściskanie
rozciąganie
78. 78
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Charakterystyka warstwy wierzchniej
(Surface Integrity)
Obejmuje określenie cech fizycznych i geometrycznych zewnętrznej warstwy
przedmiotu obrobionego z uwzględnieniem jego przeznaczenia użytkowego
Proces wytwarzania oddziałuje na przedmiot obrabiany energią, która
zmienia zewnętrzną warstwę materiału, nazywaną warstwą wierzchnią
Zmiany warstwy wierzchniej wynikają z:
utwardzenia zgniotem (energia mechaniczna)
oddziaływania ciepła (energia termiczna)
wpływów chemicznych
oddziaływań energii elektrycznej
Charakterystyka warstwy wierzchniej obejmuje zarówno
strukturę geometryczną powierzchni, jak fizyczne cechy zmienionej
warstwy pod powierzchnią
79. 79
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Warstwa wierzchnia przedmiotu obrobionego
Zewnętrzna warstwa materiału obrabianego różni się od pozostałej objętości.
Jest to tzw. warstwa wierzchnia
1. Warstwa powierzchniowa:
• cząsteczki obce (pyły, ciecze, materiał
ostrza, wykruszony materiał obrabiany)
• wymiary w granicach 0.01÷0.03 mm
2. Warstwa przypowierzchniowa:
• rozdrobnione i odkształcone ziarna
materiału obrabianego
• silne umocnienie przez zgniot –twardość
znacznie wyższa od materiału rodzimego
• grubość 0.5÷500 mm
3. Warstwa podpowierzchniowa:
• graniczny obszar zalegania naprężeń
• zbliżona pod względem budowy od
materiału rodzimego
• grubość sięgać może kilku milimetrów
80. 80
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zmiany warstwy wierzchniej powodowane
przez proces obróbki
Zmiany warstwy wierzchnie wynikają z oddziaływania
różnych form energii na powierzchnię obrobioną
Np. wykorzystanie energia mechaniczna jest podstawową formą
wytwarzania
kucie, gięcie
prasowanie
skrawanie
Podstawową funkcją dostarczanej energii jest zmiana geometrii
przedmiotu obrabianego, ale powoduje ona także (najczęściej)
niepożądane zmiany warstwy wierzchniej
81. 81
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Zmiany warstwy wierzchniej powodowane
przez energię mechaniczną
Naprężenia resztkowe
Utwardzenie przez zgniot
Odkształcenia plastyczne ziaren
Pęknięcia mikro i makroskopowe
Zagniecenia, zawalcowania
Pustki i wtrącenia wprowadzone mechanicznie
82. 82
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Gniecenie powierzchni obrobionej
Cutting edge rubbing.wmv
83. 83
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Naprężenia mają zasadniczy wpływ na właściwości wytrzymałościowe
pęknięcie
ściskanie
Naprężenia w warstwie wierzchniej
rozciąganie
pęknięcie
Decydujące znaczenie mają:
• prędkość skrawania
• zużycie ostrza
• geometria ostrza
• przekrój warstwy skrawanej (ap i f)
• promień naroża
84. 84
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ szerokości starcia powierzchni
przyłożenia (VBB) na naprężenia resztkowe
warstwy wierzchniej
85. 85
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Wpływ szerokości starcia powierzchni przyłożenia
(VBB) na naprężenia resztkowe warstwy
wierzchniej
Materiał obrabiany:
100 Cr 6 V
(61 HRC)
Materiał ostrza:
CBN
(DNGA 1506125-L1)
Parametry skrawania:
vc = 140 m/min
f = 0.08 mm
ap = 0.2 mm
Odległość od powierzchni
Naprężeniaresztkowe
mikrostruktura
Röttger K., 2003, Hartwalzen hartgedrehter Oberflächen
86. 86
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Odległość od powierzchni
(Typowy przykład )
Naprężenia w warstwie wierzchniej
ściskanierozciąganie
Powierzchnia szlifowana
Powierzchnia toczona
na twardo
87. 87
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Formowanie się białej warstwy przy toczeniu
na twardo
B. Denkena, et al., 4th CIRP Int. Conf. on High Performance Cutting, 2010, paper F17
88. 88
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Zakład Automatyzacji i Obróbki SkrawaniemProf. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak
Jakieś pytania?