ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7.1 ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΚΟΠΗ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7.1 ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΚΟΠΗ Κατά την μακροσκοπική κοπή το κοπτικό εργαλείο υπό την επίδραση ισχυρών δυνάμεων πιέζεται στην επιφάνεια του υπό κατεργασία μετάλλου. Η πίεση αυτή δημιουργεί τοπικά, υπερβολική παραμόρφωση του υλικού και απόσπαση κομματιών μετάλλου από το αντικείμενο. Βασική προϋπόθεση για την επιτυχία της κοπής είναι η υψηλή μηχανική αντοχή, η μεγάλη σκληρότητα και η ανθεκτικότητα σε επιφανειακή φθορά του κοπτικού εργαλείου. Οι μηχανικές αυτές ιδιότητες του κοπτικού εργαλείου πρέπει να είναι συγκριτικά ανώτερες των αντίστοιχων του υπό κατεργασία αντικειμένου. Τα χαρακτηριστικά αυτά, όπως θα δούμε, δεν είναι παρά μέρος των αναγκαίων προϋποθέσεων για την επιμελημένη κοπή μετάλλων. Σοβαρότατος παράγοντας επίσης είναι η γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου. Στο σχήμα 103 είναι σαφής η διαφορά της κοπής με οξύ ή αμβλύ κοπτικό εργαλείο. Στη δεύτερη περίπτωση, οι κοπτικές δυνάμεις είναι υπερβολικές, η επιφάνεια κακής ποιότητας και το απόβλητο ακανόνιστο. Επίσης, έχουμε υπερβολική φθορά του κοπτικού εργαλείου και μεγάλη παραγωγή θερμότητας λόγω της τριβής του απόβλητου στην επιφάνεια του μετάλλου. Σχήμα 103

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 104 Κατά την εισχώρηση του κοπτικού εργαλείου στη μάζα του μετάλλου δημιουργείται τοπικά μεγάλη παραμόρφωση, όπως δείχνει το σχήμα 104. Ειδικά στην κόψη του κοπτικού εργαλείου στο σημείο Α δημιουργείται μια ρωγμή, η οποία με την προώθηση του εργαλείου διαδίδεται κατά τη διεύθυνση ΑΒ αποσπώντας ένα κομμάτι απόβλητου. Σχήμα 104 Κατόπιν το κοπτικό εργαλείο δημιουργεί άλλη ρωγμή κ.ο.κ. ώστε τελικά η κατεργασμένη επιφάνεια να διευθύνεται κατά τη διεύθυνση AD. Σε άλλες περιπτώσεις η ρωγμή διευθύνεται κατά τη διεύθυνση AD, οπότε δεν έχουμε απόσπαση του απόβλητου αλλά συνεχές απόβλητο υπό τη μορφή σύρματος. Γενικά η μορφή του απόβλητου εξαρτάται από τις μηχανικές ιδιότητες του κατεργαζομένου υλικού, τη γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου και τις συνθήκες κοπής. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας για την επιτυχία της κοπής είναι η θέση του κοπτικού εργαλείου ως προς το υπό κατεργασία αντικείμενο. Στο σχήμα 105, το κοπτικό εργαλείο είναι τοποθετημένο σε λανθασμένη γωνία με αποτέλεσμα να εισχωρεί διαρκώς και βαθύτερα στο αντικείμενο. Σχήμα 105

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 105 Κατά τη διάρκεια της κατεργασίας το κοπτικό εργαλείο υφίσταται φθορά με αποτέλεσμα την άμβλυνση του. Αποτέλεσμα της άμβλυνσης του κοπτικού εργαλείου είναι η αύξηση των κοπτικών δυνάμεων και η πτώση της ποιότητας της κατεργασμένης επιφάνειας. Η τυχόν συνέχιση της κατεργασίας με αμβλύ κοπτικό εργαλείο θα οδηγήσει στη θραύση του εργαλείου ή του αντικειμένου. Σχήμα 106 Σε πολλές εργαλειομηχανές όπως π. χ. στις φρέζες, δράπανα κλπ. τα τοπικά εργαλεία έχουν καθορισμένη γεωμετρία και θέση ως προς το αντικείμενο. Αντίθετα σε άλλες εργαλειομηχανές, κυρίως στους τόρνους, υπάρχει δυνατότητα ρύθμισης και της γεωμετρίας και της θέσης του κοπτικού εργαλείου από τον τεχνίτη, ανάλογα με τη συγκεκριμένη εργασία και το υλικό του αντικειμένου. Το ακόνισμα του κοπτικού εργαλείου γίνεται στο σμυριδοτροχό. Με την πρόοδο της μηχανουργικής τεχνολογίας υπάρχει η τάση της εξειδίκευσης των εργαλείων για κάθε συγκεκριμένη εργασία. Έτσι χρησιμοποιούνται εργαλεία με εναλλάξιμη κοπτική επιφάνεια (ένθετα) τα οποία θα μελετήσουμε στη συνέχεια εκτενέστερα. Με τα εργαλεία αυτά αποφεύγεται η καθυστέρηση της παραγωγής λόγω της ακινητοποίησης της εργαλειομηχανής, το χρόνο που ο τεχνίτης ακονίζει το εργαλείο. Η διαδικασία της ρύθμισης της γεωμετρίας του κοπτικού εργαλείου είναι μία λεπτή εργασία πού χρειάζεται χρόνο και μεγάλη επιδεξιότητα και πείρα από τον τεχνίτη. Ένας άλλος καθοριστικός παράγοντας των συνθηκών κοπής είναι και η ύπαρξη ψυκτικού υγρού. Το ψυκτικό υγρό είναι συνήθως ένα υδατικό διάλυμα ή αιώρημα κατάλληλου λιπαντικού ελαίου. Το ψυκτικό υγρό διοχετεύεται στο σημείο κοπής και μειώνει την τριβή μεταξύ του κοπτικού εργαλείου και του αντικείμενου, συγχρόνως δε απομακρύνει και τα ποσά θερμότητας πού παράγονται κατά την κοπή. Σε ορισμένες περιπτώσεις κατεργασίας ψαθυρών υλικών, όπως ο χυτοσίδηρος, η παρουσία του ψυκτικού δεν είναι επιθυμητή. Αντίθετα, σε όλκιμα υλικά όπως ο χάλυβας, το ψυκτικό υγρό είναι, ιδίως για μεγάλες ταχύτητες κοπής. Κάθε κατεργασία μακροσκοπικής κοπής έχει σαν χαρακτηριστικό τη σχετική κίνηση μεταξύ του κοπτικού εργαλείου και του κατεργασμένου αντικειμένου. Οι κινήσεις αυτές είναι συνήθως περιστροφικές ή ευθύγραμμες ή συνδυασμός και των δύο αυτών κινήσεων. Συνήθως η σχετική αυτή κίνηση είναι δυνατό να αναλυθεί στην κύρια κίνηση κοπής κατά τη διεύθυνση διάδοσης της ρωγμής, και στην δευτερεύουσα κίνηση με την οποία μετακινείται το εργαλείο προς την ακατέργαστη περιοχή του αντικειμένου.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 106 Η ταχύτητα C με την οποία κινείται το κοπτικό εργαλείο σχετικά με το αντικείμενο της κατεργασίας, κατά την κύρια κίνηση κοπής ονομάζεται κοπτική ταχύτητα και εκφράζεται σε m/s η ft/min. Η απόσταση s την οποία διανύει το κοπτικό εργαλείο κατά τη δευτερεύουσα κίνηση του ως προς το αντικείμενο, κατά μία περιστροφή του κοπτικού εργαλείου η του αντικειμένου, ονομάζεται πρόωση και εκφράζεται σε mm/στροφή ή in/rev. Το βάθος d στο οποίο εισχωρεί το κοπτικό εργαλείο ονομάζεται βάθος κοπής και εκφράζεται σε mm ή in. Το γινόμενο Α=d.s ονομάζεται επιφάνεια κοπής και αντιπροσωπεύει τη διατομή του υλικού που κόβεται ανά περιστροφή του εργαλείου ή του αντικειμένου. Το γινόμενο v=cds αντιπροσωπεύει τον όγκο του παραγόμενου απόβλητου στη μονάδα του χρόνου. Ο όγκος v είναι ένα μέτρο της παραγωγικότητας της μηχανής. Για την αύξηση του όγκου του απόβλητου πρέπει κάθε ένας από τού παράγοντες C,d,s να αυξηθεί. Οι δυνατότητες αύξησης της πρόωσης s και του βάθους κοπής d περιορίζονται από την αντοχή του κοπτικού εργαλείου, του αντικειμένου και της εργαλειομηχανής. Επίσης υπερβολική αύξηση των δύο αυτών παραγόντων μειώνει τη ποιότητα της κατεργασίας και συντελεί στη μείωση της διάρκειας ζωής του κοπτικού εργαλείου. Έτσι, ο μόνος παράγοντας πού είναι δυνατό να αυξηθεί αισθητά είναι η κοπτική ταχύτητα C. Από την αρχή του αιώνα μας έχουν αρχίσει έντονες προσπάθειες για την αύξηση της κοπτικής ταχύτητας των εργαλείων με εντυπωσιακά αποτελέσματα. Πραγματικά, εάν μία εργασία εκχόνδρισης χρειαζόταν 100 λεπτά το 1900 με κοπτικά εργαλεία από ανθρακούχο χάλυβα, η ίδια εργασία χρειαζόταν: 26 min το 1910 με εργαλείο από ταχυχάλυβα (ΗSS) 15 min το 1920 με εργαλείο από στελίτη 6 min το 1930 με εργαλείο από καρβίδιο βολφραμίου 3 min το 1950 με εργαλείο από καρβίδιο τιτανίου 1.5 min το 1969 με εργαλείο με επικάλυψη καρβιδίων 1.0 min το 1970 με εργαλείο με επικάλυψη Al 2 O 3 (κορούνδιο) Η πρόοδος στον τομέα αυτό συνεχίζεται με ταχύ ρυθμό όπως είναι σαφές και από τον παραπάνω πίνακα. Ανάλογη πρόοδος έχει βέβαια επιτευχθεί και στη σχεδίαση και κατασκευή των εργαλειομηχανών, διαφορετικά θα ήταν αδύνατη η επίτευξη της κοπτικής

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 107 ταχύτητας, πρόωσης και βάθους κοπής που απαιτούνται για μία τόσο σύντομη κατεργασία. Για, τους ταχυχάλυβες και τις μεθόδους κατασκευής τους έχουμε ήδη μιλήσει στο κεφάλαιο περί υλικών. Στο κεφάλαιο αυτό δίνουμε μερικά στοιχεία για τα καρβίδια και τα κεραμικά πού αποτελούν και τους πιο σύγχρονους τύπους κοπτικών υλικών. Τα καρβίδια παρουσιάστηκαν πρώτα στη Γερμανία το 1926, και αποτελούντο από μίγματα καρβιδίου του βολφραμίου, και τιτανίου σε αναλογίες 94% WC, 6%Co ή 87% WC και 13% Cο. Από τότε έχει παρουσιασθεί μια μεγάλη ποικιλία συνθέσεων με βασικά χαρακτηριστικά υψηλή μηχανική αντοχή και αντοχή στη φθορά και μεγάλη σκληρότητα. Ειδικά για την κοπή κραμάτων χάλυβα έχουν δημιουργηθεί συνθέσεις πού παρουσιάζουν μικρότερη μηχανική αντοχή, αλλά μεγάλη σκληρότητα και ανοχή στη φθορά ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Ταυτόχρονα αναγνωρίσθηκε η κοπτική ικανότητα εργαλείων από κεραμικά υλικά όπως το κορούνδιο (Al 2 O 3 ) το οποίο παράγεται με μεθόδους κονιομεταλλουργίας. Βασικό μειονέκτημα των κεραμικών υλικών είναι η μικρή αντοχή, τους σε κρουστικά φορτία. Αντίθετα τα κεραμικά υλικά έχουν μεγάλη σκληρότητα, κατώτερη μόνο από το διαμάντι, μεγάλη αντοχή σε φθορά κατά την κοπή με το εργαλείο σε διάπυρη κατάσταση. Κατά το έτος 1969 παρουσιάσθηκαν για πρώτη φορά τα κοπτικά εργαλεία από καθαρό καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με επικάλυψη καρβιδίου του τιτανίου (ΤiC) σε μια προσπάθεια συνδυασμού των καλών μηχανικών ιδιοτήτων του WC με τη μεγάλη σκληρότητα του ΤiC. Από τότε έχουν χρησιμοποιηθεί ποικίλα υλικά σαν επικαλύψεις όπως το νιτρίδιο του τιτανίου (ΤiΝ), το καρβονιτρίδιο του τιτανίου (ΤiC-Ν) και το κορούνδιο (Al 2 O 3 ), Οι χημικές αυτές ενώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης σε συνδυασμό, με τη μορφή διαδοχικών επικαλύψεων, για την περαιτέρω βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων και ιδίως της σκληρότητας, της μειώσεως της τριβής και της χημικής αδράνειας στις υψηλές θερμοκρασίες που δημιουργούνται με την ταχεία κοπή. Βασικό μειονέκτημα των κοπτικών εργαλείων με επικάλυψη καρβιδίου είναι η σχετικά μικρή αντοχή τους στη διακοπτόμενη κοπή και στις συνθήκες υψηλής επιφανειακής φθοράς πού παρουσιάζονται κατά την κοπή χυτοσιδήρου, αλουμινίου και άλλων μη σιδηρούχων μετάλλων. Υπό τις συνθήκες αυτές η επικάλυψη φθείρεται γρήγορα με αποτέλεσμα την αχρήστευση του εργαλείου. Για την κοπή των μετάλλων αυτών χρησιμοποιούνται κυρίως κοπτικά εργαλεία από καρβίδιο του τιτανίου που είναι και το σκληρότερο μεταλλικό καρβίδιο, ή ειδικά κράματα ταχυχαλύβων τα οποία διαμορφώνονται σε κοπτικά εργαλεία με τη βοήθεια μεθόδων της κονιομεταλλουργίας. Με την κονιομεταλλουργία είναι επίσης δυνατή η διαμόρφωση κεραμικών κοπτικών εργαλείων από κορούνδιο 99.9% Al 2 O 3 ή κεραμομεταλλικών από Al 2 O 3 70% και ΤiC 30%. Τα εργαλεία αυτά έχουν μεγάλη σκληρότητα και αντοχή σε επιφανειακή φθορά αλλά μικρή μηχανική αντοχή ιδίως σε κρουστικά φορτία. Για τον περιορισμό του χρόνου παραγωγής, την διευκόλυνση του τεχνίτη και τη μείωση των δαπανών για κοπτικά εργαλεία, σύγχρονη τάση της μηχανουργικής τεχνολογίας είναι η χρησιμοποίηση κοπτικών εργαλείων με ανταλλάξιμες κοπτικές ακμές, τα λεγόμενα ένθετα. Τα ένθετα είναι κομμάτια καρβιδίου, κεραμικού ή ταχυχάλυβα σε διάφορα σχήματα, όπως δείχνει το σχήμα 107 τα οποία προσαρμόζονται στον κορμό του κοπτικού εργαλείου.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 108 Σχήμα 107 Τα ένθετα αυτά, τα οποία είναι προϊόντα κονιομεταλλουργίας, έχουν την κατάλληλη γεωμετρία για την συγκεκριμένη μηχανουργική επεξεργασία και προσαρμόζονται στον κορμό των κοπτικών εργαλείων, τόρνου, δραπάνου, φρέζας κλπ. Μετά τη χρησιμοποίηση τους, όταν η φθορά υπερβεί τα καθορισμένα όρια, αντικαθίστανται με καινούργια σε μικρό χρονικό διάστημα, χωρίς να απαιτείται τρόχισμα του κοπτικού εργαλείου. Η χρησιμοποίηση των ένθετων δημιούργησε επανάσταση στη μηχανουργική τεχνολογία και δεν νοείται σήμερα κατεργασία με μεγάλο όγκο παραγωγής πού να χρησιμοποιεί τα παλαιού τύπου εργαλεία. Περισσότερα στοιχεία για τους τρόπους προσαρμογής των ένθετων στα κοπτικά εργαλεία των διαφόρων εργαλειομηχανών κοπής θα αναφέρουμε στα αντίστοιχα κεφάλαια. Η χρησιμοποίηση υγρού ψύξης κατά τη διάρκεια της κοπής με ένθετα δημιουργεί μερικές φορές προβλήματα, γι αυτό συνήθως την αποφεύγουμε. Ο κυριότερος λόγος είναι η πιθανότητα στιγμιαίας διακοπής ή μειώσεως της παροχής του υγρού ψύξης η οποία δημιουργεί συνθήκες θερμικού κλονισμού του κοπτικού εργαλείου. Ο θερμικός κλονισμός είναι η κατάσταση εκείνη κατά την οποία το κοπτικό εργαλείο σε υψηλή θερμοκρασία λόγω της διακοπής της παροχής του κοπτικού υγρού, υφίσταται, απότομη ψύξη λόγω της επαναλειτουργίας του ψυκτικού κυκλώματος, με αποτέλεσμα τη φθορά ή θραύση της κοπτικής ακμής. Εάν είναι δυνατή η συνεχής παροχή κοπτικού υγρού, τότε είναι ωφέλιμη η χρησιμοποίηση του, γιατί μειώνει τη φθορά του κοπτικού εργαλείου στις υψηλές θερμοκρασίες κοπής. Στην περίπτωση αυτή το υγρό πρέπει να παρέχεται σε μεγάλες ποσότητες ώστε να διαβρέχει το κοπτικό εργαλείο και το υπό κατεργασία αντικείμενο. Στα κοπτικά εργαλεία από κεραμικό δεν χρησιμοποιείται υγρό κοπής. Κατά τη διάρκεια της κοπής, με την πάροδο του χρόνου το κοπτικό εργαλείο υφίσταται σταδιακή φθορά, η οποία δημιουργεί άμβλυνση και αλλοίωση της γεωμετρίας του ή και θραύση τμημάτων των κοπτικών επιφανειών. Η φθορά των μηχανημάτων είναι ένα γενικό φαινόμενο το οποίο ακολουθεί συνήθως την καμπύλη του σχήματος 108. Στην αρχή έχουμε μια σύντομη περίοδο απότομης φθοράς (α), κατά την οποία απαλείφονται οι τυχόν μικρές επιφανειακές ανωμαλίες ή στρογγυλεύουν οι κοπτικές

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 109 ακμές και στη συνέχεια ακολουθεί η περίοδος της χρήσιμης ζωής του κοπτικού εργαλείου (β), όπου υπάρχει μεν φθορά αλλά αυτή διατηρείται σε μικρά επίπεδα. Την περίοδο αυτή ακολουθεί το τελικό στάδιο της ζωής του εργαλείου (γ) όπου έχουμε εκ νέου μια περίοδο απότομης φθοράς η οποία τερματίζεται με την καταστροφή του εργαλείου. Η χρήσιμη διάρκεια της ζωής του κοπτικού εργαλείου αποτελείται από τα δύο πρώτα στάδια (Δ.Ζ.), και πρακτικά από το δεύτερο στάδιο το όποιο είναι και το μεγαλύτερο. (α) περίοδος "στρωσίματος" (β) Περίοδος κανονικής λειτουργίας (γ) Περίοδος καταστροφής (Δ.Ζ) Διάρκεια ζωής Σχήμα 108 Η διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής Τ του. Κατά σειρά σπουδαιότητας οιμπαράγοντες αυτοί είναι: α. Η κοπτική ταχύτητα C β. Η πρόωση s γ. Και το βάθος κοπής d Ήδη από τις αρχές του αιώνα μας, ο F.W. Taylor είχε προτείνει τη σχέση: CT n =Constant πού συνέδεε τη διάρκεια ζωής Τ με την κοπτική ταχύτητα με μια σχέση αναλογίας. Τα τελευταία χρόνια ο Β.Κ. Srinivas κατόπιν σειράς πειραμάτων προτείνει τη σχέση: C=kT n s a d b όπου κ σταθερή εξαρτόμενη από το υλικό, το ένθετο, τη γεωμετρία του κλπ.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 110 n,a,b εκθέτες προσδιοριζόμενοι κατόπιν πειραμάτων Οι εκθέτες n,a,b που προτείνονται από τον Srinivas είναι: n a b Καρβίδιο WC -0.30-0.31-0.13 Καρβίδιο με επικάλυψη TiC -0.27-0.43-0.15 Καρβίδιο Tic -0.31-0.41-0.23 Νιτρίδια -0.38-0.40-0.17 Al2o3-0.38-0.48-0.12 Το θέμα των κοπτικών εργαλείων δεν εξαντλείται με τη σύντομη αυτή ανάλυση. Στον τομέα αυτό διεξάγονται εκτεταμένες έρευνες από τη βιομηχανία και τα ερευνητικά κέντρα για τη βελτίωση των κοπτικών υλικών και την αύξηση της παραγωγικότητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι κοπτικές κατεργασίες είναι η σημαντικότερη επιβάρυνση του κόστους παραγωγής, γιατί απαιτούν και ειδικευμένο προσωπικό, και μεγάλη τεχνολογική υποδομή και δαπάνη υλικού και εργαλείων και μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Κάθε μείωση, λοιπόν του κόστους της μηχανουργικής κατεργασίας αντανακλά σημαντικά στο συνολικό κόστος παραγωγής. Περισσότερα για τα κοπτικά εργαλεία θα αναφερθούν στα επιμέρους κεφάλαια των εργαλειομηχανών. Στο σύγγραμμα αυτό θα εξετασθούν οι ακόλουθοι βασικοί τύποι εργαλειομηχανών: α. Τόρνοι β. Δράπανα γ. Πλάνες δ. Πριόνια ε. Φρέζες στ. Μηχανές Όλκης ζ. Φρεζοδράπανα η. Εργαλειομηχανές Προτύπων θ. Έργαλειομηχανές Οδοντωτών Τροχών. Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή, η σύγχρονη τάση στις εργαλειομηχανές είναι η διαμόρφωση τους ως Κέντρων Μηχανουργικών Κατεργασιών, δηλαδή ως συνθέτων εργαλειομηχανών στις οποίες να είναι δυνατές κατεργασίες που παλαιότερα απαιτούσαν την χρησιμοποίηση δυο ή περισσοτέρων απλών εργαλειομηχανών των ανωτέρω τύπων. Για τις μηχανές αυτές θα αναφέρουμε περισσότερα στοιχεία στις ενότητες περί εργαλείομηχανών με Αριθμητικό Έλεγχο.