ΤΟΡΝΕΥΣΗ (TURNING) ΟΡΙΣΜΟΣ Είναι κατεργασία κοπής µε κύρια κίνηση την περιστροφική κίνηση της ατράκτου, όπου προσδένεται κατάλληλα το ΤΕ, και δευτερεύουσα τη µεταφορική κίνηση της πρόωσης (κίνηση του ΚΕ), εκτελείται δε µε ΚΕ καθορισµένης γεωµετρίας και απλής σηµειακής επαφής. Σχηµατική παράσταση της κατεργασίας και τυποποιηµένη µορφή του ΚΕ τόρνευσης παρουσιάζονται στα Σχ. 1 και 2, αντίστοιχα. Σχήµα 1: Τόρνευση Σχήµα 2: Ορολογία κοπτικού εργαλείου τόρνευσης ΕΙ Η ΤΟΡΝΕΥΣΗΣ Α. Ανάλογα µε τη διάταξη του άξονα τόρνευσης: Οριζόντια (οριζόντιος άξονας) Κατακόρυφη (κατακόρυφος άξονας). Β. Ανάλογα µε τη θέση της κατεργαζόµενης επιφάνειας: Εξωτερική Εσωτερική. Γ. Ανάλογα µε την αµοιβαία σχέση κύριας και δευτερεύουσας κίνησης: ιαµήκης τόρνευση, µε κίνηση πρόωσης παράλληλη προς τον άξονα τόρνευσης, βλ. Σχ. 3. Εγκάρσια τόρνευση, µε κίνηση πρόωσης κάθετη προς τον άξονα τόρνευσης., η οποία διακρίνεται µε τη σειρά της σε: Μετωπική, βλ. Σχ. 4(α). Ακτινική (τόρνευση αποκοπής και τόρνευση µορφής, βλ. Σχ. 4(β) και 4(γ)). Κωνική τόρνευση, µε την διεύθυνση της κίνησης πρόωσης να τέµνει τον άξονα τόρνευσης (Σχ. 5).. Ειδικές τορνεύσεις (Σχ. 6): Σπειροτόµηση (εξωτερική ή εσωτερική). Τόρνευση µε πολλά ΚΕ, είτε µε διαιρούµενη πρόωση, είτε µε διαιρούµενο βάθος κοπής. 1
(α) (β) Σχήµα 3: ιαµήκης τόρνευση (α) Εξωτερική (β) Εσωτερική. (α) (β) (γ) Σχήµα 4: Εγκάρσια τόρνευση (α) Μετωπική (β) Αποκοπής (γ) Μορφής 2
(α) (β) Σχήµα 5: Κωνική τόρνευση (α) Εξωτερική (β) Εσωτερική (α) (β) (γ) Σχήµα 6: Ειδικές τορνεύσεις (α) Σπειροτόµηση (β) Με διπλό ΚΕ και διαιρούµενη πρόωση (γ) Με διπλό ΚΕ και διαιρούµενο βάθος κοπής 3
ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Ταχύτητα κοπής, v (m/min): v = π D n (1) όπου: D η αρχική διάµετρος ΤΕ, n η ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου*. Είναι η σχετική ταχύτητα µεταξύ ΤΕ και ΚΕ αναφεροµένη στην κύρια κίνηση κοπής. Βάθος κοπής, a (mm) Είναι το βάθος διείσδυσης του ΚΕ µέσα στο ΤΕ. Πρόωση, s (mm/rev) Είναι η κατά τη διεύθυνση του άξονα περιστροφής του ΤΕ µετακίνηση του ΚΕ ανά στροφή της ατράκτου. * Oι µονάδες που χρησιµοποιούνται στην πράξη είναι D (mm) και n (rpm), οπότε η εξ. (1) παίρνει τη µορφή v = π D n /1000 (mm/min) ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΚΟΠΗΣ Από το συνδυασµό των v, s και a εξαρτώνται κατά κύριο λόγο: Η ποιότητα της κατεργασµένης επιφάνειας. Ο χρόνος κατεργασίας. Οι αναπτυσσόµενες δυνάµεις και η καταναλισκόµενη ισχύς κοπής. Η διάρκεια ζωής ( Ζ) του ΚΕ. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΑΠΟΒΛΙΤΤΟΥ (Σχ. 1) Πλάτος αποβλίττου, b: b = a / sin κ (2α) Πάχος αποβλίττου, h ή t 1 : h = s sin κ (2β) ιατοµή αποβλίττου, Α: A = b h = s a (2γ) όπου κ η γωνία τοποθέτησης της κόψης του ΚΕ. ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΚΟΠΗΣ H συνολική δύναµη κοπής F αναλύεται στις ακόλουθες συνιστώσες, ανά δύο κάθετες µεταξύ τους, βλ. Σχ. 7: F H ή F T : Κύρια συνιστώσα δύναµης κοπής F V : ύναµη πρόωσης F A ή F R : ύναµη άπωσης του KE Προφανώς, ισχύει: 2 2 2 F = FH + FV + FA (3) Στη συνέχεια, θα επικεντρωθούµε στον υπολογισµό της κύριας συνιστώσας της δύναµης κοπής F H, δεδοµένου ότι η δύναµη αυτή καταναλώνει το µέγιστο ποσοστό της προσφερόµενης ισχύος και µάλιστα στην περίπτωση της διαµήκους τόρνευσης για λόγους καλλίτερης εποπτείας του προβλήµατος. 4
(α) (β) Σχήµα 7: Αναπτυσσόµενες δυνάµεις κατά την τόρνευση (α) ιαµήκης τόρνευση, (β) Εγκάρσια τόρνευση Υπολογισµός της κύριας συνιστώσας της δύναµης κοπής 1. Βάσει του προτύπου της λοξής κοπής Κατά την ανάλυση της λοξής κοπής (βλ. σχετικό Κεφάλαιο ) η συνολική δύναµη κοπής F αναλύθηκε στις συνιστώσες F 1, F 2 και F 3, οι οποίες συνδέονται µε τις F H, F V και F A µέσω των σχέσων (βλ. Σχ. 8): F H = F 1 (4α) F 3 V = F2 sin κ + F cos κ (4β) FA = F2 cos κ F3 sin κ (4γ) 5
Σχήµα 8: Υπολογισµός της κύριας συνιστώσας της δύναµης κοπής βάσει του προτύπου της λοξής κοπής 2. Η ηµιεµπειρική µέθοδος Kienzle Εισάγεται η έννοια της ειδικής αντίστασης κοπής, k S που ορίζεται από τη σχέση: k s FH FH = = (5) A h b Πειραµατικά έχει αποδειχθεί ότι, για σταθερή διατοµή αποβλίττου, η ειδική αντίσταση κοπής εξαρτάται από το πάχος αποβλίττου σύµφωνα µε τη σχέση: k 1 ζ s = k h (6) όπου: k 1 η ειδική αντίσταση κοπής του υλικού ΤΕ για διατοµή αποβλίττου Α=1mm 2 (b=h=1mm) και ζ σταθερά. Άρα, η κύρια συνιστώσα της δύναµης κοπής θα υπολογίζεται από τη σχέση: F H = k s A = k s b h = b k 1 h ( 1 ζ ) (σε dan) (7) Τιµές των k 1 και ζ δίνονται στον Πίν. 1. H πειραµατική εργασία του Kienzle έλαβε χώρα υπό τις εξής συνθήκες κοπής: υ = 90125 m/min h = 0.062.5 mm 6
γ = 6 ο για χάλυβα και γ = ±2 ο για χυτοσίδηρο α = 5 ο Υλικό ΚΕ: Σκληροµέταλλο. Για διαφορετικές συνθήκες κοπής πρέπει να γίνει διόρθωση της τιµής F H σύµφωνα µε τη σχέση: FHδ = K γ K υ K ε K φ F H (8) όπου: Κ γ συντελεστής διόρθωσης λόγω διαφορετικής γωνίας αποβλίττου του ΚΕ, η οποία κυµαίνεται µεταξύ των τιµών 20 ο και +30 ο, σύµφωνα µε τη σχέση γ γ K 1 o γ = (9) 66.7 όπου: γ η τρέχουσα τιµή της γωνίας του χρησιµοποιούµενου ΚΕ. γ ο =+6 ο για διαµήκη τόρνευση χάλυβα και γ ο =+2 ο για διαµήκη τόρνευση χυτοσιδήρου. Κ υ συντελεστής διόρθωσης λόγω ταχύτητας κοπής στην περιοχή τιµών 20600m/min, τιµές του συντελεστή λαµβάνονται από το Σχ. 9 συναρτήσει της πραγµατικής ταχύτητας κοπής υ. Σχήµα 9: Υπολογισµός του συντελεστή διόρθωσης Κ υ Κ ε συντελεστής διόρθωσης λόγω υλικού ΚΕ, µε τιµές 0.900.95 για ΚΕ από κεραµεικό υλικό και 1 για ΚΕ από ταχυχάλυβα και σκληροµέταλλο. Κ φ συντελεστής διόρθωσης λόγω φθοράς του ΚΕ, µε τιµές 1.301.50, ανάλογα µε την έκταση του πεδίου φθοράς. Εµπειρικός υπολογισµός των υπολοίπων συνιστωσών δυνάµεων Για τόρνευση χαλύβων: F H : F A : F V = 10 : (4 6) : (2 3) Για τόρνευση χυτοσιδήρων: F H : F A : F V = 10 : (3 6) : (1.5 3) (10α) (10β) 7
Ισχύς κοπής F υ F υ = = W] (11) 4500 6120 H H P C [PS] [k όπου οι δυνάµεις εκφράζονται σε [dan] και οι ταχύτητες σε [m/min]. Ισχύς πρόωσης P F υ F υ = [PS] = [kw] (12) 4.5 10 6.12 10 V V V V V 6 6 όπου οι δυνάµεις εκφράζονται σε [dan] και οι ταχύτητες πρόωσης σε [mm/min]. Ισχύς κύριου ηλεκτροκινητήρα της εργαλειοµηχανής P C P e = (13) η e όπου η e ο µηχανικός βαθµός απόδοσης της εργαλειοµηχανής (0,7 0.8). 8
ΒΑΣΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ Πίν. 1. Πίν. 2. Πίν. 3. Τιµές της σταθεράς k 1 και του εκθέτη (1ζ) της σχέσης Kienzle Ενδεικτικές τιµές των ταχυτήτων κοπής υ 60, υ 240 και υ 480 για εκχόνδριση Συνιστώµενες τιµές γωνίας ελευθερίας (α) και γωνίας αποβλίττου (γ) Πίν.3(α) Συνιστώµενες τιµές γωνίας ελευθερίας (α) και γωνίας αποβλίττου (γ) κατά τη διαµήκη τόρνευση µε ΚΕ από ταχυχάλυβα Πίν.3(β) Συνιστώµενες τιµές γωνίας ελευθερίας (α) και γωνίας αποβλίττου (γ) κατά τη διαµήκη τόρνευση µε ΚΕ από σκληροµέταλλο Πίν. 4. Πίν. 5. Πίν. 6. Πίν. 7. Πίν. 8. Πίν. 9. Συνιστώµενες τιµές πρόωσης Συντελεστές διόρθωσης της ταχύτητας κοπής συναρτήσει της γωνίας τοποθέτησης του ΚΕ Συντελεστές διόρθωσης των ταχυτήτων κοπής ανάλογα µε το βάθος κοπής και τον τύπο ΚΕ (για σκληροµέταλλα) Τιµές της ταχύτητας κοπής υ Τ για Ζ=Τ και του εκθέτη n του τύπου Taylor κατά την κατεργασία διαφόρων χαλύβων Συστάσεις για την διαµήκη τόρνευση χυτοσιδήρου Συνιστώµενα υγρά κοπής για διάφορες κατεργασίες και κατεργαζόµενα υλικά Πίν. 10. Συνιστώµενες τιµές γωνιών κοπής για εσωτερική τόρνευση Πίν. 11. Ταχύτητες κοπής και προώσεις σε κατεργασίες εκτελούµενες σε ηµιαυτόµατους τόρνους Πίν. 12. Ταχύτητες κοπής και προώσεις σε κατεργασίες εκτελούµενες σε πυργωτούς αυτόµατους τόρνους 9
Πίν. 1. Τιµές της σταθεράς k 1 και του εκθέτη (1ζ) της σχέσης Kienzle Υλικό ΤΕ k 1 (dan/mm 2 ) 1ζ Ανθρακούχοι χάλυβες St 34, St 37, St 42 St 50 St 60 St 70 C 15 C 35 Ck 45 Ck 60 Χαλυβοκράµατα 16 MnCr 5 20 MnCr 5 60 MnCr 5 37 MnSi 5 37 MnV 5 15 CrMo 5 20 CrMo 4 34 CrMo 4 42 CrMo 4 18 CrNi 6 50 CrV 4 30 CrNiMo 8 55 NiCrMoV 6N 55 NiCrMoV 6V EC Mo 80 Χυτοσίδηροι Φαιός Μαλακτοποιηµένος Κράµατα Cu Κρατέρωµα Ορείχαλκος 178 199 211 226 182 186 222 213 210 214 210 226 181 229 207 224 250 226 222 260 174 192 229 116 127 178 78 0.83 0.74 0.83 0.70 0.78 0.80 0.86 0.82 0.74 0.75 0.74 0.86 0.74 0.83 0.75 0.79 0.74 0.70 0.74 0.80 0.76 0.76 0.83 0.74 0.74 0.83 0.82 10
Πίν. 2. Ενδεικτικές τιµές των ταχυτήτων κοπής υ 60, υ 240 και υ 480 για εκχόνδριση Υλικό ΤΕ σ Β (dan/mm 2 ) Υλικό ΚΕ υ 60 (m/min) υ 240 (m/min) υ 480 (m/min) Ανθρακούχος χάλυβας C 35 5565 P10 P20 P30 * 160200 150180 120150 4045 120140 100120 7090 3035 80100 6080 5060 Ανθρακούχος χάλυβας C 45 6575 P10 P20 P30 Ανθρακούχος χάλυβας C 60 7590 P10 P20 P30 Χάλυβας MnSi 8090 P10 P20 P30 Χάλυβας CrMo 8090 P10 P20 P30 Χάλυβες ενανθράκωσης 5070 P10 P20 P30 Χυτοσίδηρος GG 18 1520 Κ10 Χυτοσίδηρος GG 26 ~26 Κ10 Χαλκός Κ20 Μπρούντζος Κ20 Χυτός µπρούντζος Κ20 Κράµατα Al Κ20 Κράµατα AlSi Κ20 150180 120150 100120 3540 110130 90110 7090 2530 150170 120140 90110 2025 140160 110130 80100 2025 160200 140180 120160 4050 80120 3035 6075 2530 110130 90110 6080 2833 7090 5060 3040 1822 100120 80100 6070 1520 90110 7090 4060 1520 110140 100130 70100 3045 6090 2025 4050 1520 350450 3050 300400 3550 250350 3045 200500 3060 100160 2050 6070 5060 5060 7080 6070 3545 7080 6070 3545 70100 6090 5070 1518 3040 11
Πίν. 3. Συνιστώµενες τιµές γωνίας ελευθερίας (α) και γωνίας αποβλίττου (γ) Υλικό ΤΕ Γωνία ελευθερίας, α Γωνία αποβλίττου, γ HM ΗΜ Χάλυβες (σ Β 60daN/mm 2 ) 8 ο 6 ο 8 ο 10 ο 20 ο 10 ο 15 ο Χάλυβες (σ Β >60daN/mm 2 ) 8 ο 6 ο 8 ο 10 ο 15 ο 0 ο 10 ο Χαλυβοκράµατα (σ Β 100daN/mm 2 ) 8 ο 6 ο 8 ο 10 ο 15 ο 6 ο 8 ο Ανοξείδωτος χάλυβας 8 ο 6 ο 8 ο 15 ο 20 ο 10 ο 20 ο Χυτοσίδηρος (ΒΗΝ 250daN/mm 2 ) 6 ο 8 ο 6 ο 8 ο 0 ο 10 ο 15 ο Κράµατα χυτοσιδήρου (ΒΗΝ=250400daN/mm 2 ) 6 ο 6 ο 8 ο 15 ο 25 ο 0 ο 5 ο Χαλκός, ορείχαλκος (BHN 85daN/mm 2 ) 14 ο 10 ο 15 ο 10 ο 15 ο 10 ο 20 ο Oρείχαλκος (BHN>85daN/mm 2 ) 6 ο 8 ο 10 ο 10 ο 20 ο 5 ο 10 ο Κράµατα Al (BHN=60daN/mm 2 ) 10 ο 10 ο 40 ο 20 ο 35 ο Κράµατα AlSi [π(si)=913%] 6 ο 8 ο 10 ο 10 ο 18 ο 8 ο 15 ο Κράµατα Al (BHN=60110daN/mm 2 ) 10 ο 8 ο 10 ο 25 ο 10 ο 20 ο Τεχνητά υλικά, σκληρό χαρτί 6 ο 10 ο 12 ο 14 ο 18 ο 30 ο 0 ο 12
Πίν. 3(α). Συνιστώµενες τιµές της γωνίας ελευθερίας (α) και της γωνίας αποβλίττου (γ) κατά τη διαµήκη τόρνευση µε ΚΕ από ταχυχάλυβα Πίν. 3(β). Συνιστώµενες τιµές γωνίας ελευθερίας (α) και γωνίας αποβλίττου (γ) κατά τη διαµήκη τόρνευση µε ΚΕ από σκληροµέταλλο 13
Πίν. 4. Συνιστώµενες τιµές πρόωσης 14
Πίν. 5. Συντελεστές διόρθωσης της ταχύτητας κοπής συναρτήσει της γωνίας τοποθέτησης (κ) του ΚΕ Πίν. 6. Συντελεστές διόρθωσης των ταχυτήτων κοπής ανάλογα µε το βάθος κοπής και τον τύπο ΚΕ (για σκληροµέταλλα) 15
Πίν. 7. Τιµές της ταχύτητας κοπής υ Τ για Ζ=Τ και του εκθέτη n του τύπου Taylor κατά την κατεργασία διαφόρων χαλύβων 16
Πίν. 8. Συνιστώµενες συνθήκες κοπής για την διαµήκη τόρνευση χυτοσιδήρου 17
Πίν. 9. Συνιστώµενα υγρά κοπής για διάφορες κατεργασίες κοπής και κατεργαζόµενα υλικά Πίν. 10. Συνιστώµενες τιµές γωνιών κοπής για εσωτερική τόρνευση 18
Πίν. 11. Ταχύτητες κοπής και προώσεις σε κατεργασίες εκτελούµενες σε ηµιαυτόµατους τόρνους 19
Πίν. 12. Ταχύτητες κοπής και προώσεις σε κατεργασίες εκτελούµενες σε πυργωτούς αυτόµατους τόρνους 20