Teplo a teplota pri obrában

Transcript

1 Rezné materiály a prostredie. eplo a teplota pri obrában baní. Obrábate bateľosť materiálov. Obrábanie banie a metrológia prof. Ing. Vladimír Kročko ko,, CSc.

2 Nástrojové rezné materiály - rozdielne podmienky procesov obrábania bania vyvolávaj vajú potrebu širokého sortimentu rezných materiálov rôznych chemicko-fyzik fyzikálnych, mechanických a technologických vlastností,, ktorú v súčasnosti s pokrývajú rezné materiály rôznych druhov spekaných karbidov, rýchlorezných ocelí,, keramických rezných materiálov, stellitov a veľmi tvrdých rezných materiálov, - použitie určit itého rezného materiálu je vždy závislé od charakteru operácie obrábania bania, podmienok jej realizácie a technologicko-ekonomickej ekonomickej účinnosti. Základné požiadavky na nástrojový materiál: a) tvrdosť (značne ne prevyšuj ujúca tvrdosť obrában baného materiálu, b) vysoká pevnosť (v ohybe, tlaku, proti dynamickému mu namáhaniu), b) vysoká odolnosť voči i opotrebeniu, c) tepelná vodivosť, d) vysoká stálos losť vlastností za vysokých teplôt, e) húževnatosh evnatosť,, malá náchylnosť na tepelnú únavu atď. Základné členenie rezných materiálov Nástrojové ocele: - uhlíkov kové, - legované, - rýchlorezné, - zliatinové. Spekané karbidy: - nepovlakované,, primárny rny WC, ozn. HW, - nepovlakované,, primárny rny in/ic ic, ozn. H, - povlakované,, primárny rny WC/iN in/ic, ozn. HC. Cermety: : zmes karbidov a nitridov W, i, a, Mo, Nb s kovovým spojivom Co, Ni typu H.

3 Keramika: - oxidová na báze b Al 2 O 3 CA, - zmesová Al 2 O 3 + karbid kovu - CM, - nitridová (neoxidová) ) na báze b Si 3 N 4 - CN, - povlakovaná (všetky vyšš ššie uvedené typy) - CC. mi tvrdé rezné materiály ly: polykryštalický diamant (PKD) DP, kubický nitrid bóru (KNB, CBN) BN. Veľmi tvrd NO uhlíkov kové - vysoká tvrdosť (obsah C = 0,5 1,35 %), - tvrdosť sa stráca pri 200 C v c < 12 m.min -1 iba na ručné nástroje (závitn vitníky, priebojníky, sekáče, e, pilníky, výstružníky ky,, vrtáky, meracie dotyky, nástroje n na drevo..) NO zliatinové - obsah C = 0,8 1,2 %, legujúce prvky Ni, Mn, Mo,, Si, W a Cr (vždy okolo 1 %), - tvrdšie, odolnejšie voči i opotrebeniu, - vlastnosti si udržiavaj iavajú do C v c až 2x vyšš ššie ako NO C. Použitie: závitorezné nástroje, vrtáky, frézy, rezné nástroje s malými reznými klinmi, výstružníky ky,, nástroje n na drevo. Nástrojové ocele rýchlorezné RO, HSS - najpoužívanej vanejšie, tvrdosť si zachovávaj vajú do C, v c do m.min -1 - v podstate zliatinové ocele s vysokým obsahom legúr r (W, Mo, Cr, Va, Co), Podľa a obsahu jednotlivých legúr r delíme do 3 skupín: - vysoko výkonné (kobaltové), - výkonné (základn kladné prísady W, Cr, Va a oceľ s Mo),

4 - rýchlorezné pre bežné výkony Použitie: obrábanie banie s vyšší ššími výkonmi závitorezné nástroje, frézy, tvarové nástroje, výstružníky ky,, vrtáky. Pre zvýšenie oteruvzdornosti sa povlakujú in, icn,, príp. p. kombináciou vrstiev. Spekané karbidy - vysoká tvrdosť (88 95 HRA), malá pevnosť v ohybe, - veľká odolnosť voči i opotrebeniu pri vysokých teplotách, stála tvrdosť do C, - dobré mechanické a fyzikálne vlastnosti, - zlá tepelná a elektrická vodivosť. Vzhľadom na krehkosť vyžaduj adujú tuhú sústavu stavu stroj nástroj prípravok pravok obrobok. Štruktúra ra je daná tuhým roztokom WC (základ väčšiny v SK tvrdosť,, odolnosť voči opotrebeniu, chemická stálos losť), ic (veľmi tvrdý a stály karbid, zvyšuje krehkosť), ac (podobný ako ic,, zjemňuje štruktúru) ru) a spojiva Co (tvorí húževnatú spojivovú sieť medzi kryštálmi karbidov). Výroba: - zlisovanie na patričný tvar, - predbežné spekanie pri t = 800 C, - prípadn padné mechanické obrábanie, banie, - vlastné spekanie pri teplotách C. Vyrábaj bajú sa nepovlakované a povlakované 1 alebo viacerými vrstvami s hrúbkou rádovo niekoľko µm m (povlaky in, ic, icn,, Al 2 O 3, aj diamant a CBN), povlaky nanáš ášané metódu PVD, CVD.

5 SK vrdosť HV 30 Pevnosť σ o MPa P01 až P až až 1900 M10 až M až až 2100 K01 až K až až 2200 Porovnanie SK z hľadiska ich základných vlastností 1 - odolnosť proti mechanickému porušeniu rezného klina, 2 - odolnosť proti fyzikálno-chemickému opotrebeniu rezného klina, 3 - odolnosť proti adhéznemu a abrazívnemu opotrebeniu rezného klina, 4 - odolnosť proti vymieľaniu čela rezného klina, 5 - odolnosť proti opotrebeniu chrbta rezného klina Výhody povlakovaných SK: - dobré trecie vlastnosti (zníženie trenia aža o 25%), - odolnosť voči i vzniku mikrozvarov a opotrebeniu, - vysoká mikrotvrdosť,, odolnosť voči i tlakovému namáhaniu za vysokých t, - odolnosť voči i difúzii. Nevýhodou je nemožnos nosť ostriť nástroj po opotrebení.

6 Rozdelenie SK: Skupina P (P01 aža P50): určen ené na obrábanie banie materiálov tvoriacich pri obrában baní dlhú triesku, opotrebúvaj vajúce nástroj n zväčša a chemicko-fyzik fyzikálnym spôsobom. Ich predstaviteľom sús ocele. Skupina K (K01 aža K30): určen ená na obrábanie banie materiálov tvoriacich pri obrában baní krátku triesku, pôsobiaca na nástroj n zväčša a brúsnym účinkom. Jej predstaviteľom sú liatiny. Skupina M (M10 aža M30): univerzálna skupina SK, vhodná na obrábanie banie materiálov tvoriacich pri obrában baní dlhú i krátku triesku, opotrebúvaj vajúce nástroj n za pôsobenia adhéznych síl s l eróznym spôsobom, sús však dostatočne odolné proti abrazívnemu i chemicko-fyzik fyzikálnemu spôsobu opotrebúvania, teda pre ocele, oceľoliatiny oliatiny a liatiny, ako aj väčšinu v ťažkoobrobiteľných materiálov. Cermety: - rezné materiály kovovokarbidického charakteru, - tvorené karbidmi, spojivom Co, Ni a ďalšími kovmi i, a, W, Mo, - oblasť použitia leží medzi SK a RK. Výhody: - vysoká odolnosť voči i opotrebeniu, - vysoká chemická stabilita a tvrdosť za tepla, - malý sklon k vytváraniu nárastku, - malý sklon k oxidačnému opotrebeniu, - menšie difúzne opotrebenie oproti SK, - nízka hustota, - veľmi nízky n koeficient trenia cermet kov. Vyrábaj bajú sa nepovlakované i povlakované.

7 Veľmi tvrdé rezné materiály - diamant, PKD (DP), PKNB (BN) používan vané ako práš ášky, pasty, brúsiace kotúče, segmenty na rezných nástrojoch, n orovnáva vače a povlaky, - používan vané na obrábanie banie materiálu tvrdšieho ako 48 HRC (kalená oceľ,, liatina, perlitická liatina, žiaruvzdorné zliatiny, superzliatiny, martenzitické ocele, - vyžaduj adujú ešte väčšiu v tuhosť obr. sústavy s stavy ako keramika, - dosahovaná drsnosť povrchu 0,3-0,4 µm, presnosť 0,01 mm používan vané namiesto brúsenia. Zásady pri voľbe rezného materiálu - výber je závislý z na tvare, určen ení nástroja a podmienkach jeho práce, - musí byť zabezpečen ená rovnováha medzi pevnostnými vlastnosťami ami a húževnatosťou, ou, - tvrdosť nástroja musí byť väčšia ako tvrdosť obrában baného materiálu min. o 5 6 HRC, - žiaruvzdornosť a žiarupevnosť ovplyvňuj ujú trvanlivosť a výkon rezného klina, - oteruvzdornosť zvyšuje sa použit itím povlakov, - obrobiteľnos nosť rezného materiálu hlavne pri dokončovac ovacíchch brúsnych operáci ciách ch tvarových nástrojov.

8 Rezné prostredie (rezné kvapaliny) Účel použitia rezných kvapalín a) zvýšiť úroveň ekonomického využitia nástrojov n a strojov a v tej súvislosti s zvýšiť výkon obrábania bania (Q, Q V A ), b) pri zachovaní rezných podmienok zvýšiť trvanlivosť nástroja, c) obmedziť tvorenie nárastku, d) kladne pôsobiť na integritu povrchu, e) chladiť nástroj a obrobok, f) odvod triesok z pracovného priestoru (pri vŕtanv taní hlbokých dier), g) pri brúsen sení zabráni niť zanáš ášaniu brúsneho kotúča, podobne aj pri honovaní a superfinišovan ovaní. Požadovan adované účinky RK: - chladiaci účinok (rýchly odvod tepla z oblasti jeho vzniku a tým znížiť tepelné zaťaženie nástroja), n - mazací účinok, t.j. schopnosť znížiť súčiniteľ trenia, - čistiaci účinok, - vyplachovací účinok. Chladiace a mazacie účinky rezných kvapalín n sús podmienené ich chemickými a fyzikálnymi vlastnosťami: ami: 1.vysokým merným teplom, 2.vysokým výparným teplom, 3.vysokou zmáčavos avosťou,, priľnavos navosťou ou a penetračnou nou schopnosťou ou ( schopnosťou ou prenikať),

9 4. schopnosťou ou dostatočne obrobku a nástroja, 5. malou penivosťou ou. rýchlo vytvára rať vhodné chemické zlúčeniny s kovmi Okrem uvedených vlastností,, ktoré možno označiť ako pracovné,, vyžaduje sa od nich aby boli: - chemicky stále a schopné regenerácie, - schopné aspoň krátkodobo konzervovať súčiastky proti korózii, - zdravotne nezávadn vadné, - nepoškodzovali náter n stroja, - lacné. Univerzálna rezná kvapalina nejestvuje, preto sa používa viac druhov, ktoré sa volia podľa a druhu operácie obrábania bania a pracovných podmienok. Ich účinok je značne ne ovplyvňovaný ovaný privedeným množstvom, tlakom a spôsobom prívodu. Rozdelenie RK - plyny (vzduch, niekedy CO 2 ), - hmla (roztoky rozptýlené tlakom vzduchu), - kvapaliny: roztoky vo vode, - pevné látky. emulzie (jemne dispergovaný olej vo vode), oleje,

10 eplo a teplota rezania - prakticky celá práca rezania sa premieňa a na teplo, teda Q c = F c.v c.t F c rezná zložka sily obrábania, bania, v c rezná rýchlosť, t čas rezania. eplo sa šíri kondukciou a konvekciou z miest zdrojov do triesky, obrobku,, nástroja n a okolitého prostredia vznik teplotného poľa a ustálen leného aža po istom čase rezania, v závislosti na: - fyzikálnych vlastnostiach materiálu nástroja n i obrobku, - rezných podmienkach, - spôsobe obrábania, bania, - reznom prostredí. Zdroje tepla Q 1 teplo uvoľnen nené v oblasti primárnej rnej plastickej deformácie, Q 2 teplo uvolnené pri kontakte triesky s čelom nástroja: n - premenou práce sekundárnej plastickej deformácie, - premenou práce trenia triesky po čele nástroja, n Q 3 teplo uvoľnen nené pri kontakte chrbta nástroja n s reznou plochou: - premenou práce plasticje deformácie povrchu obrobku, premenou príce trenia chrbta po obrobenej ploche.

11 Šírenie tepla Q 1 do triesky a obrobku, Q 2 do triesky a nástroja, n Q 3 do nástroja n a obrobku. Do prostredia prestupuje teplo povrchmi (triesky, nástroja, n obrobku). Rovnica tepelnej bilancie Q c = Q 1 + Q 2 + Q 3 = Q t + Q n + Q o + Q p pričom Q t > Q n > Q o > Q p eplotové pole rezného klina pri obrában baní húževnatých materiálov Vplyv teploty rezania na tvrdosť rýchloreznej ocele (RO) a spekaného karbidu (SK)

12 Vplyv podmienok obrábania bania Mechanické vlastnosti - uhlíkov ková oceľ: - legovaná oceľ: Rezná rýchlosť = c. 1 = c - teplota spočiatku rastie rýchlo, po dosiahnutí určitej teploty sa jej rast spomalí, potom smeruje asymptoticky k teplote blížiacej sa t t obrobku. pričom z má tieto hodnoty: R 0,26 m 0,28 2. HB. R 0,16 3 m = c 0, 18 = c. HB 4 = c a) v c = m.min -1 oceľ 0,5, liatina 0,35 b) v c = m.min -1 oceľ 0,23, liatina 0, v Hrúbka triesky a šírka triesky z - hrúbka triesky ovplyvňuje menej ako v c, šírka triesky ešte e menej y pre oceľ 0,3, liatinu 0,2 = c = c x pre oceľ 0,05 0,14, liatinu 0, a. b y x

13 var triesky - s rastúcim pomerom b/a teplota rezania klesá. Uhol čela - vplýva na veľkos kosť deformačnej práce a práce trenia zmenšuj ujúcom sa γ Uhol nastavenia reznej hrany a polomer hrotu zvyšovanie pri - zmenšuj ujúci sa κ r a zväčšuj ujúci ε r zväčšuj ujúca sa kontaktná dĺžka RK trieska zníženie teploty Nástroje z RO: 0,18 = c 8. κ 0, 1 r = c. rε = 0,14 c 10. κ r Nástroje z SK: 0, 06 9 = c. rε 11 Štatistické rovnice teploty rezania - empirické vzťahy pre vyjadrenie vplyvu parametrov rezného procesu na teplotu = c. h x y z. f. v. k Štatistické rovnice teploty rezania - empirické vzťahy pre vyjadrenie vplyvu parametrov rezného procesu na teplotu Napr. obrábanie banie chrómniklovej ocele 40ChN nástrojom n z RO: 0,1 0,24 0,4 = 148,8. h. f. v. k

14 Obrobiteľnos nosť Obrobiteľnosť - vlastnosti okamžit itého termodynamického stavu plasticky deformovaného materiálu v oblasti koreňa a triesky (Obr. 68), v okamihu transformácie odrezávanej vrstvy materiálu na triesku a vznikajúcich nových povrchov - reznej a obrobenej plochy, v jej prípade pade tiež vytváraj rajúca sa integrita povrchu (komplexná kvalita povrchu a povrchovej vrstvy). Koreň triesky a oblasť transformácie odrezávanej vrstvy materiálu na triesku, b, c deformácie v oblasti styku čelnej a chrbtovej plochy rezného klina s obtekajúcim materiálom obrobku, I, II zóny malých plastických deformácií Komplexná obrobiteľnosť - súhrn vlastností, ktoré nemožno vyjadriť jedným technickým parametrom či kritériom, ale viacerými dohodnutými kritériami. Každé z týchto kritérií vymedzuje pojem obrobiteľnosti na celkom určité špecifické vlastnosti obrábaného materiálu, akými sa prejavuje v procese rezania vzhľadom na technologické a ekonomické požiadavky výroby. Sú to účelovo - vzťažné kritériá a obrobiteľnosť ako technologická vlastnosť materiálu, na ktorú sa niektoré z nich vzťahuje, je účelovo - vzťažná obrobiteľnosť.

15 Účelovovzťažné kritéri riá obrobiteľnosti Pre potreby praxe i výskumu najvýznamnejšie kritéri riá obrobiteľnosti sú: 1. Rezná rýchlosť (v c (m.min -1 ))) pri dohodnutej trvanlivosti ( (min))) a zvolenom kritériu riu opotrebenia VB B (mm) resp. K (mm). Obrobiteľnos nosť podľa a reznej rýchlosti (kinetická obrobiteľnos nosť) je e tým lepšia, čím m vyšš ššia je rezná rýchlosť pri ináč rovnakých podmienkach obrábania. bania. 2. Merný rezný odpor (k( c (MPa)).). V tomto prípade pade hovoríme o obrobiteľnosti podľa rezných materiálov (dynamická obrobiteľnos nosť). Neplatí všeobecne, platí len pre chemicky príbuzn buzné materiály s rovnakým tepelným spracovaním. 3. Drsnosť obrobeného povrchu (mikrotopografia( mikrotopografia) - schopnosť vytvára rať obrában baním kvalitné povrchy v širokom rozsahu rezných rýchlostí. 4. vorenie a tvarovanie triesky - schopnosť vytvára rať pri danom spôsobe a štandardných podmienkach obrábania bania vyžadovaný tvar triesky. MáM veľký význam z hľadiska potrieb automatizácie operáci cií obrábania. bania. Vplyv chemického ho zloženia materiálu na jeho obrobiteľnos nosť - má rozhodujúci vplyv na obrobiteľnosť, -určuje chemické a fyzikálne vlastnosti a je rozhodujúcim faktorom pri procesoch tepelného spracovania pre dosiahnutie vyžadovaných mechanických a technologických vlastností. Vplyv jednotlivých prvkov na obrobiteľnosť ocelí pri obvyklom ich obsahu sa prejavuje najmä v tom, ako pôsobia na ich tepelné spracovanie a odpovedajúcu mikroštruktúru. Možno ich zaradiť do skupín: a) prvky tvoriace tuhý roztok s feritom (Cr, Ni). Zvyšujú pevnosť ocelí bez zníženia ich ťažnosti, čo má za dôsledok zhoršenie ich obrobiteľnosti. Úroveň zhoršenia závisí od ich obsahu, môže byť mierny až výrazný,

16 b) prvky tvoriace tuhý roztok s feritom, zvyšujúce pevnosť ocelí pri súčasnom znížení ich ťažnosti. Ich vplyv na obrobiteľnosť býva spravidla zanedbateľný až mierne zhoršujúci, c) karbidotvorné prvky (W, Mo, V, Cr). Zvyšujú pevnosť a tvrdosť ocelí s dôsledkom zhoršenia ich obrobiteľnosti. Úroveň zhoršenia závisí od ich obsahu, môže byť stredný až výrazný, d) prvky tvoriace nekovové tvrdé nerozpustné zlúčeniny s vysokou abrazívnou schopnosťou (oxid kremičitý SiO 2, oxid hlinitý Al 2 O 3 ), významne zhoršujú obrobiteľnosť, e) prvky (S, P) tvoriace nekovové krehké mäkké nerozpustné zlúčeniny (sírnik mangánu MnS, fosfid). Zlepšujú obrobiteľnosť, f) prvky podporujúce vznik alebo tvoriace austenitickú štruktúru ocelí (Mn, Ni, Cr- Ni, Cr-Mn). Výrazne zhoršujú ich obrobiteľnosť. Vplyv mikroštruktúry ocelí na ich obrobiteľnosť. Chemické zloženie ocelí a ich tepelné spracovanie, ovplyvnené najmä obsahom uhlíka, určujú mikroštruktúru a pomer štruktúrnych zložiek, teda aj fyzikálno - mechanické i technologické vlastnosti. Vplyv mikroštruktúry, resp. jej štrukturálnych zložiek, možno charakterizovať takto: Ferit - mäkký, tvárny a húževnatý, jeho brúsne účinky sú nepatrné (tvrdosť asi 80 HB). Nástroj opotrebúva molekulárno-adhéznym spôsobom (eróziou). Jeho vysoký podiel v štruktúre materiálu je príčinou, že pri malých rezných rýchlostiach je obrobený povrch drsný - potrhaný. Príčina je v tom, že sa nalepuje na čelo nástroja, zvyšuje koeficient trenia a teplotu rezania. Perlit - eutektoidná zmes feritu a cementitu, z hľadiska obrobiteľnosti je dôležité, v akej forme sa cementit vyskytuje. Globulárny cementit má malý brúsny účinok, cementit v tvare lamiel má značný abrazívny účinok (tvrdosť cementitu dosahuje až 1000 HV).

17 Sorbit - mikroštruktúra tvoriaca základ zušľachtených ocelí, zmes feritu a cementitu v jemnej zrnitej forme, čím je jemnejší, tým má oceľ vyššiu pevnosť a tvrdosť a schopnosť vytvárať hladšie povrchy. Martenzit - tvorí základnú štruktúru zakalených ocelí, má vysokú tvrdosť a pôsobí abrazívne na nástroj. Obrobiteľnosť materiálu s touto štruktúrou je ťažká. Bainit - štruktúra bainiticky kalených ocelí, heterogénna zmes feritu a cementitu ihlicovitého tvaru. Čím je jemnejšia, tým je tvrdšia a pevnejšia, v porovnaní s martenzitom má nižšiu pevnosť a tvrdosť, je však výrazne húževnatejšia. Vysoká tvrdosť, pevnosť a húževnatosť a abrazívny účinok robí túto štruktúru ťažkoobrobiteľnú, efektívne len spekanými karbidmi, reznou keramikou či kubickým nitridom bóru. Austenit - je mäkký (asi 150 HB), plastický a húževnatý. Materiály s austenitickou štruktúrou majú malú tepelnú vodivosť, sklon k výraznému deformačnému spevneniu (až 100 %) a značné adhézne schopnosti, čo sú príčiny ich ťažkej obrobiteľnosti. Pri oceliach podeutektoidných (s obsahom uhlíka pod 0.8%) je mikroštruktúra tvorená feritom a perlitom. Ferit je síce mäkký, ale sa "navára" na rezný klin nástroja. Je to nepriaznivý jav, lebo pri periodickom strhávaní tohto nárastku z nástroja odnáša so sebou i mikroskopické častice reznej hrany a spôsobuje tak rýchlejšie opotrebúvanie nástroja, najmä ak rezný materiál je krehký.

18 Ďakujem za pozornosť.