1. BADANIE POWSTAWANIA WIÓRA 1.1 Cel ćwiczenia

(1)

1. BADANIE POWSTAWANIA WIÓRA

1.1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest praktyczna obserwacja procesu powstawania wióra oraz zbadanie wpływu wybranych parametrów skrawania na przebieg tego procesu.

1.2 Wprowadzenie

Oddzielanie warstwy skrawanej od materiału obrabianego, tworzenie się wióra oraz równoczesne powstawanie powierzchni obrobionej odbywa się w warunkach złożonego przebiegu zjawisk fizycznych i chemicznych. Zachodzą równocześnie i oddziaływują na siebie w sposób uwikłany zjawiska:

- odkształcenia sprężystego i plastycznego, - pękania materiału,

- tarcia zewnętrznego i wewnętrznego, - powstawania i rozchodzenia się ciepła, - adhezji i dyfuzji,

- przemian fazowych materiału obrabianego, - reakcji chemicznych.

Poznawanie istoty i przebiegu wyżej wymienionych zjawisk i ich skutków w trakcie obróbki odbywa się najczęściej na drodze badań i analiz zjawisk zachodzących w uproszczonych modelach procesu skrawania.

Jednym z takich uproszczonych modeli (rozpatrywanym również w tym ćwiczeniu) jest skrawanie ortogonalne. Jest to przypadek skrawania jedną, prostoliniową krawędzią skrawającą dłuższą od szerokości materiału skrawanego, a szerokość skrawania jest znacznie większa od grubości warstwy skrawanej. Wektor prędkości ruchu głównego jest prostopadły do krawędzi skrawającej. Model ten umożliwia rozpatrywanie procesu skrawania w układzie dwuwymiarowym.

Na rys. 1.1 przedstawiono schematycznie obszar odkształceń plastycznych materiału obrabianego i wióra w procesie skrawania. Obszar ten ograniczają:

- linia OP - początkowa granica odkształceń plastycznych, - linia PK - zewnętrzna granica odkształceń plastycznych, - linia OK. - końcowa granica odkształceń plastycznych.

warstwa skrawana

wiór

ostrze 0

materiał obrabiany linia skrawania





P K

Rys. 1.1 Schemat obszaru odkształceń plastycznych materiału obrabianego i wióra

(2)

Przestrzeń objęta tymi granicami nazywana jest strefą tworzenia wióra. Na skutek działania sił skrawania w strefie tworzenia się wióra następuje najpierw zgniot kryształów, następnie ich wydłużenie i pochylenie pod kątem  - zwanym kątem zgniotu. Odkształcony element zostaje przesunięty wzdłuż powierzchni zwanej powierzchnią poślizgu pochylony pod kątem  (rys. 1.1) w stosunku do linii skrawania. Intensywność tych odkształceń rośnie wraz ze zbliżeniem się do linii OK. Należy zwrócić uwagę, że krzywa OP przebiega w swej dolnej części poniżej linii skrawania, co powoduje zmiany w warstwie wierzchniej obrabianego materiału. W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że powierzchnia poślizgu jest płaszczyzną.

Proces odkształcania warstwy skrawanej, z której tworzy się wiór nie jest stabilny. Występuje okresowe narastanie naprężeń i odkształceń, któremu towarzyszą poślizgi dochodzące do zewnętrznej granicy obszaru odkształceń - linia PK.

Konsekwencją tego zjawiska jest elementowa budowa wióra. Ze względu na odkształcenia plastyczne zachodzące w strefie skrawania, wymiary wióra nie odpowiadają wymiarom warstwy skrawanej rys. 1.2. Zjawisko to nazywane jest spęczaniem wióra.

b

bch

lch

v_c

hD

h_ch

l

D

Rys. 1.2 Wymiary warstwy skrawanej i wióra

Można założyć, że objętość wióra równa jest objętości warstwy skrawanej, z której został ten wiór utworzony, wówczas:



³



ch ch ch D D

D

b l h b l mm

h 

(1.1)

a po przekształceniu zależności (1.1) otrzymuje się równanie (1.2):

l l

h h

b b

D ch

ch D

 (1.2)

Iloraz określony równaniem (1.2) nazywamy współczynnikiem spęczania:

_l  lD kl ksp lch

( ; ) (1.3)

Na podstawie (1.2) i (1.3) można napisać:

l = h  b ( ksp ka k

  b) (1.4)

gdzie:

h hch hD

 (= k_a);

b bch bD

  (= k_b)

_h (k_a) - współczynnik zgrubienia,

b (k_b) - współczynnik rozszerzenia.

Na współczynnik spęczania _l mają wpływ następujące czynniki:

1. rodzaj materiału - dla materiałów kruchych jak np. żeliwo współczynnik spęczania jest zbliżony do 1, a dla materiałów plastycznych np. aluminium współczynnik spęczania może być większy od 5,

2. parametry skrawania - v_c, f, a_p,,(patrz rysunek 1.3),

3. geometria ostrza - kąt natarcia , (rys. 1.4), kąt przystawienia , a także promień zaokrąglenia naroża r i stopień zużycia narzędzia.

(3)

0 20 40 60 80 100 120 140 V m/min 2

3 4 5 6

= 0,31

a4 a₃= 0,15

= 0,08

a2 a1 = 0,04

[ ]

c

_l

Rys. 1.3 Wpływ prędkości skrawania oraz grubości warstwy skrawanej na współczynnik spęczania

1 5 4 3 2

[m/min]

V 120 100 80

60 40 20 0

g = 45 g = 30 g = 15 g = 0

2

3 4 1

c

_l

Rys. 1.4 Wpływ prędkości skrawania na współczynnik spęczania dla różnych kątów natarcia

Wiórom, choć jest to produkt odpadowy procesu skrawania, poświęca się dość dużo uwagi. Kształt i wymiary wiórów mają decydujący wpływ na bezpieczeństwo obsługi, pracochłonność i koszty ich zagospodarowania, a często także na jakość powierzchni obrabianej. W zależności od grubości i spójności poszczególnych elementów wiórów rozróżnia się trzy podstawowe ich rodzaje (rys. 1.5).

a) b) c)



 

Rys. 1.5 Podstawowe rodzaje wiórów: a - wiór odpryskowy, b - wiór schodkowy, c - wiór wstęgowy

Podstawowe kształty i odmiany wiórów przedstawiono w tabeli 1.1, wg załącznika do PN-83/M-58350.

(4)

Tabela 1.1 Klasyfikacja wiórów

(5)

Do badania procesu tworzenia się wióra stosowane są różne metody obserwacji bezpośredniej lub badania skutków procesu skrawania. Do obserwacji bezpośredniej stosuje się albo filmowanie procesu z dużą prędkością przesuwu taśmy i odtwarzanie w zwolnionym tempie lub obserwację procesu skrawania przebiegającego powoli (z małą prędkością skrawania) przy pomocy np. kamery TV z silnie powiększającym układem optycznym. Stosuje się także materiały obrabiane o specjalnych właściwościach optycznych (aby obserwować pola odkształceń w strefie skrawania). Badanie skutków procesu skrawania prowadzi się poprzez obserwację struktury wióra, jego właściwości, stopień zgniotu, utwardzenia, itp. a także poprzez badanie współczynnika spęczania wióra.

Opis stanowiska do bezpośredniej obserwacji tworzenia się wióra

Stanowisko do obserwacji procesu tworzenia się wióra przedstawiono na rys. 1.6. Do budowy wykorzystano cyfrowy mikroskop USB-1, który został podłączony do komputera-2, za pomocą którego wyświetlono obraz z kamery na tablicy multimedialnej-3. Próby skrawania przeprowadzane są na frezarce-4, na której prędkość skrawania jest realizowana poprzez układ posuwowy stołu, dzięki czemu możemy uzyskać małe prędkości skrawania, co umożliwia bezpośrednią obserwację zachodzących zjawisk podczas powstawania wióra.

Rys. 1.6 Schemat stanowiska do obserwacji powstawania wióra

2.3 Przebieg ćwiczenia

Zadanie 1

Określić wpływ parametrów skrawania (vc - prędkości skrawania, a^p - głębokości skrawania) oraz  - kąta natarcia na:

A) - kąt poślizgu , B) - współczynnik spęczania _l,

C) - współczynnik zgrubienia _h, D) - rodzaje otrzymanych wiórów.

Zadanie 2

Dla danego materiału zmieniając parametry skrawania (vc - prędkość skrawania, a_{p } głębokość skrawania) oraz  - kąt natarcia, obserwować kształt i odmianę otrzymanych wiórów i porównać je z tabelą 1.1.

Aby wykonać ćwiczenie,

- w zadaniu 1 należy w każdej próbie:

(6)

 ustawić parametry skrawania podane przez prowadzącego ćwiczenia i wpisać je do karty pomiarów,

 włączyć program IQBOARD służący do obsługi tablicy multimedialnej, następnie na dolnym menu nacisnąć przycisk oznaczony nr 1strzałką, który znajduje się na poniższym rysunku1.7:

Rys. 1.7 Widok programu IQBOARD spowoduje to przejście programu pracy w tle windowsa,

 włączyć program Smart Analisys służacy do obsługi cyfrowego mikroskopu,

 przejść w tryb pełnoekranowy, aby to zrobić należy kliknąć na tablice w obszar wyświetlanego obrazu z mikroskopu cyfrowego,

 używając trybu ołówka(1), wybierając przy tym odpowieni jaskrawy kolor (2) zaznaczyć na tablicy multimedialnej kropką miejsca, w których zachodzą zmiany plastyczne skrawanego materiału, jak to jest pokazane na rys.1.7

Rys. 1.8 Widok ekranu z narzędziami do rysowania linii

 na tablicy multimedialnej przejść w tryb rysowania linii (3), wybierając przy tym odpowiedni jaskrawy kolor jak na powyższym rysunku,

 narysować specjalnym bezbarwnym mazakiem linie określające początkowe i końcowe granice odkształceń plastycznych,

 wyznaczyć (narysować na tablicy multimedialnej) płaszczyznę poślizgu i zmierzyć kąt poślizgu  używając do tego narzędzia do pomiaru kąta. Naciskając na ikonkę przybory(4), wyświetli się podręczne menu, na którym naciskamy ikonkę (5) rys.1.8; wyniki wpisać do karty pomiarów,

3 2

1

(7)

Rys. 1.9 Schemat stanowiska do obserwacji powstawania wióra

 zmierzyć na tablicy multimedianej lD; lch; hD; hchm aby tego dokonać należy nacisnąć ikoknę (6) w celu przejscia w tryb pomiaru odległości; wyniki zapisać w karcie pomiarów,

 obliczyć współczynniki _l i _h,

 na podstawie otrzymanych wyników wykonać wykresy l = f (); f (vc); f (a_p) i h = f (); f (vc); f (a_p),

 obserwować rodzaje powstających wiórów w zależności od rodzaju obrabianego materiału - wnioski z obserwacji zapisać w karcie pomiarów,

- w zadaniu 2 należy:

 ustawić parametry skrawania podane przez prowadzącego ćwiczenia i zapisać w karcie pomiarów; dla danego obrabianego materiału zmieniać:

a) prędkość skrawania - vc,

b) posuw – f,

c) głębokość skrawania - ap,

 porównać otrzymane wióry z tabelą 1.1.