Jest to czwarty z serii artykułów dotyczących stosowania narzędzi do skrawania metali i obciążeń generowanych w procesach obróbki skrawaniem. W pierwszym artykule skupiono się na podstawowych pojęciach związanych ze skrawaniem metali oraz na zależności pomiędzy geometrią narzędzia, prędkościami posuwu i obciążeniami mechanicznymi w operacjach toczenia. W następnych dwóch artykułach przeanalizowano mechaniczne i termiczne obciążenia występujące podczas frezowania. W obecnym artykule objaśniono wzajemne oddziaływanie pomiędzy skrawanym wiórem a narzędziem za pomocą teorii trybologii — względnie nowej dziedziny analizy obciążeń występujących podczas skrawania metali. W trybologii badane i analizowane jest wzajemne oddziaływanie stykających się powierzchni poddanych określonym naciskom w pewnych temperaturach.
Teorie zużycia narzędzia
W operacji skrawania metalu narzędzie odkształca materiał elementu obrabianego i ścina go w postaci wiórów. Proces odkształcania generuje ciepło i nacisk, tj. obciążenia, które w końcu powodują zużycie lub uszkodzenie narzędzia. Tradycyjna teoria zużycia głosi, że uszkodzenia są spowodowane tarciem pomiędzy wiórem a narzędziem, które stykają się ze sobą, ale nie są ze sobą połączone.
Jednak ostatnie badania mechanizmów uszkodzeń narzędzi skrawających ujawniły, że wielkość nacisków i temperatur wytwarzanych podczas skrawania metali (zwłaszcza skrawania materiałów wysokiej jakości) jest taka, iż procesy zachodzące na styku wióra i narzędzia nie mogą zostać w pełni opisane przez tradycyjną teorię zużycia.
Badania trybologiczne wykazały, że proces skrawania nie składa się tylko z pojedynczego zdarzenia ścinania i następującego po nim rozłączenia wióra i narzędzia. W rzeczywistości dochodzi także do drugiego i trzeciego połączenia i rozłączenia. Wiór zostaje ścięty, potem przywiera do powierzchni natarcia, a następnie zostaje ścięty ponownie zanim ostatecznie ześlizgnie się z narzędzia. Głównym mechanizmem zużycia jest kilkakrotne ścinanie, a nie tarcie.
Rysunki 1 i 2 ilustrują proces skrawania metalu opisany za pomocą trybologii. Na rysunku 1 pokazano wstępne odkształcenie materiału elementu obrabianego w strefie 5. Strefa 3 jest strefą rozdzielania, nazywaną także punktem stagnacji, ponieważ względne przemieszczenie materiału i narzędzia w tym obszarze jest w gruncie rzeczy zerowe. Początkowe ścinanie odbywa się w głównej strefie ścinania 1, w której odrywa się materiał i tworzy się wiór. Następnie w dodatkowej strefie ścinania 2 wiór styka się z powierzchnią natarcia. Wysokie naciski powodują przywarcie wióra do powierzchni natarcia narzędzia.
Na rysunku 2 można bliżej przyjrzeć się procesowi zachodzącemu w strefie 2. W strefie A materiał elementu obrabianego napiera na krawędź skrawającą z ekstremalną siłą i zaczyna przylepiać się do narzędzia. W strefie B materiał przywiera do powierzchni natarcia. W strefie C wiór zostaje ścięty przy powierzchni natarcia i przesuwa się po niej, po czym przestaje się stykać z narzędziem.
Na rysunku 1 pokazano także dodatkowe ścinanie zachodzące na powierzchni przyłożenia narzędzia w strefie 4. Ta sama sekwencja ścinania i przywierania odbywająca się w strefie 2 na powierzchni natarcia zachodzi także na powierzchni przyłożenia. Proces odbywający się w strefie 4 powoduje zużycie powierzchni przyłożenia, które jest bardziej przewidywalne niż zużycie powierzchni natarcia w strefie 2 i jest względnie nieszkodliwe. Jednak w przypadku niektórych obrabianych materiałów ścinanie odbywające się na powierzchni przyłożenia skutkuje utwardzeniem powierzchniowym lub umocnieniem niekorzystnie wpływającym na narzędzie skrawające i element obrabiany.
Narost na krawędzi
Przywieranie materiału elementu obrabianego do powierzchni natarcia narzędzia rozpoczyna się od cienkich warstw, na których następnie gromadzą się kolejne. Proces ten może prowadzić do negatywnego zjawiska zwanego narostem na krawędzi. Jeśli znaczna ilość materiału nagromadzi się na narzędziu, może zmienić się profil krawędzi skrawającej. Nagromadzony materiał może się również odrywać i uszkadzać krawędź. W prawdopodobnie najgorszym przypadku narost na krawędzi może osadzić się na elemencie obrabianym. W każdej z tych sytuacji narost na krawędzi powoduje, że proces skrawania jest nieprzewidywalny i niekontrolowany. Głównym zadaniem trybologii jest poszukiwanie przyczyny tworzenia się narostu na krawędzi i środka zaradczego minimalizującego ten problem.
Dwa czynniki procesu skrawania przyczyniają się do przywierania wióra do powierzchni natarcia. Pierwszy z nich to bardzo wysokie naciski i temperatury istniejące w strefie skrawania. Drugim czynnikiem jest względnie niska prędkość przemieszczania się wióra po powierzchni natarcia narzędzia, rozpoczynająca się od zera w punkcie stagnacji. Gdy dwa materiały stykające się ze sobą pod dużym naciskiem w wysokiej temperaturze powoli się względem siebie przesuwają, powstają idealne warunki do ich wzajemnego przywierania i tworzenia się narostu na krawędzi.
Zminimalizowanie przywierania i sprzyjających warunków do tworzenia się narostu na krawędzi wymaga skrócenia czasu styku wióra z powierzchnią natarcia. Najprostszym rozwiązaniem jest zwiększenie prędkości skrawania i użycie ostrzejszego narzędzia. Wyższe prędkości skrawania skracają czas styku narzędzia z materiałem elementu obrabianego. Wynikowe wyższe temperatury procesu mogą również zmniejszyć wytrzymałość narostu na krawędzi lub całkowicie wyeliminować narost. Ostrzejsze narzędzie ma większy kąt przystawienia, co zmusza wiór do pokonywania większej odległości w ustalonym okresie czasu, tj. do szybszego przemieszczania się.
Tendencje materiałowe
Ostatnio wzrosło zainteresowanie trybologią, ponieważ prawdopodobieństwo tworzenia się narostu na krawędzi podczas skrawania materiałów, które nie były powszechnie obrabiane 20 lat temu, jest dużo większe. Na przykład zjawisko narostu na krawędzi występuje, ale nie było krytycznym problemem w znanych materiałach, takich jak stale wysokowęglowe. Zastosowanie prawidłowych parametrów obróbki zazwyczaj eliminuje przywieranie i zapobiega tworzeniu się narostu na krawędzi. Ponadto nie ma żadnego problemu podczas obróbki materiałów tworzących bardzo krótkie wióry, takich jak żeliwo. Z drugiej strony w przypadku obróbki materiałów tworzących długie wióry czas styku wióra z narzędziem automatycznie się wydłuża, co zwiększa niebezpieczeństwo ich przywierania. Podczas obróbki takich materiałów jak stale niskowęglowe i aluminium, prawdopodobieństwo tworzenia się narostu na krawędzi jest większe.
Narost na krawędzi występuje najczęściej podczas obróbki materiałów o wysokiej ciągliwości, o dużej skłonności do przywierania i o własnościach ściernych. Klasycznym przykładem jest grupa materiałów wykorzystywanych w przemyśle lotniczym i astronautycznym i w przemyśle energetycznym zawierająca tytan, stopy o podstawie niklowej i stopy żaroodporne. Dodatkowymi czynnikami sprzyjającymi tworzeniu się narostu na krawędzi są wysokie naciski i temperatury wytwarzane podczas obróbki tych twardych materiałów o niskiej przewodności cieplnej. I na ogół prędkości skrawania tych materiałów są niższe niż średnie.
Oprócz metod ograniczania narostu na krawędzi poprzez maksymalizację prędkości skrawania i ostrości narzędzia istnieją metody skupiające się na stanie powierzchni narzędzia. Dość nieoczekiwanie istnieją dwie, w gruncie rzeczy przeciwstawne, szkoły myślenia w tej kwestii. W myśl pierwszego podejścia wiór prześlizgujący się po gładszej powierzchni narzędzia wytwarza mniej energii. Niższe temperatury i mniejszy styk zmniejszają tendencję do tworzenia się narostu na krawędzi. Przeciwstawna teoria głosi, że w przypadku bardziej chropowatej powierzchni narzędzia, złożonej z nierówności lub elementów o wielkościach rzędu mikrometrów, styk wióra z powierzchnią natarcia jest mniejszy, co zmniejsza prawdopodobieństwo przywierania.
Wniosek: postęp nastąpił dzięki wykorzystaniu trybologii
Badania i teorie trybologiczne oraz procesy i rozwiązania narzędziowe opracowywane do pokonywania takich problemów jak narost na krawędzi (patrz pasek boczny) skupiają się na celu, jakim jest utworzenie obrobionej powierzchni o jakości spełniającej wymagania klienta. Elementem, od którego zależy jakość części, oprócz wymiarów i kształtu, jest bardzo często chropowatość powierzchni. Zwłaszcza w zastosowaniach z przemysłu lotniczego i astronautycznego oraz jądrowego gładkość powierzchni ma bezwzględne pierwszeństwo, ponieważ niedoskonałości obróbki mogą być miejscami zapoczątkowującymi pęknięcia krytycznych podzespołów samolotów i urządzeń wytwarzających energię elektryczną.
Narost na krawędzi jest przyczyną niedostatecznej gładkości powierzchni i konieczności częstej wymiany narzędzia. Dzięki wysiłkom, w tym badaniom trybologicznym, poczyniono postęp w ograniczaniu występowania i oddziaływania narostu na krawędzi. Postęp ten można wyrazić ilościowo jako stosunek kosztu do wykonanej pracy, w szczególności: jako koszt wykonania jednego milimetra kwadratowego prawidłowo obrobionej powierzchni obrabianego elementu. Na przestrzeni ostatnich pięciu lat stosunek kosztu do wykonanej pracy w przypadku obróbki wykańczającej tytanu poprawił się (tj. zmniejszył się) około dwudziestokrotnie. Do tego sukcesu przyczynił się postęp jaki dokonał się zarówno w dziedzinie materiałów narzędzi skrawających, jak i w dziedzinie geometrii narzędzi, ale najważniejszą rolę odgrywają starannie opracowane kombinacje wykorzystujące osiągnięcia obu tych dziedzin. Znajomość mechanizmów trybologicznych towarzyszących pracy narzędzia może umożliwić operatorom obrabiarek ograniczanie takich zjawisk jak tworzenie się narostu na krawędzi oraz tańsze wytwarzanie powierzchni o żądanej gładkości, a tym samym maksymalizowanie produktywności i dochodowości.
Autor: Patrick de Vos, menedżer ds. korporacyjnej edukacji technicznej, Seco Tools
