Systemy narzędziowe
1. Narzędzia skrawające - podstawowe zagadnienia:
1.1 Podział narzędzi skrawających (ze względu na różne kryteria):
a) ze względu na rodzaj części chwytowej:
- narzędzia trzpieniowe - część chwytowa w postaci trzpienia
- narzędzia nasadzane - część chwytowa w postaci otworu
b) ze względu na sposób łączenia roboczej z częścią chwytową
- narzędzia jednolite
- narzędzia łączone
- narzędzia łączone w sposób trwały
- narzędzia składane
c) ze względu na stopień specjalizacji
- narzędzia standardowe
- narzędzia specjalizowane
- narzędzia specjalne
d)wg sposobu skrawania:
-noże tokarskie, wytaczadła, noże strugarskie, wiertła, nawiertaki, pogłębiacze, rozwiertaki, gwintowniki, narzynki, frezy, przeciągacze, piły, pilniki…
e) wg sposobu kształtowania obrabianej powierzchni
- narzędzia punktowe kształtujące powierzchnię narożem ostrza przemieszczającym się wzdłuż linii obrabianej powierzchni np. nóz tokarski
- narzędzia kształtowe nadające wymagany kształt powierzchni poprzez odwzorcowanie zarysu krawędzi skrawającej w obrabianym przedmiocie np. noże lub frezy do gwintów, frezy modułowe do obróbki kół zębatych
- narzędzia obwiedniowe nadające skomplikowane kształty poprzez tworzenie zarysu obwiedni wynikającego ze zmiany położenia krawędzi skrawających względem obrabianego przedmiotu np. dłutowniki Fellowsa do obróbki kół zębatych, frezy ślimakowe
- narzędzia wymiarowe, w których jeden z wymiarów części roboczej bezpośrednio wpływa na wymiar kształtowanej powierzchni, np. wiertła, rozwiertaki, frezy trzpieniowe
f)wd liczby krawędzi skrawających (liczby wierzchołków)
- narzędzia jednokrawędziowe
- narzędzia wielokrawędziowe
g) sposobu mocowania:
- narzędzia jednolite wykonane w całości z materiału narzędziowego, np. wiertła z węglików spiekanych, ceramiki..
- narzędzia łączone w sposób trwały zbudowane z co najmniej dwóch różnych materiałów. Część robocza narzędzia, czasami samo ostrze, wykonane są z materiału narzędziowego, a pozostała część narzędzia z materiału tańszego
- narzędzia składane mają ostrza mocowane w sposób rozłączny, mechanicznie, za pomocą śrub, klinów, kołków, dźwigni itp.
h) wg rodzaju obróbki:
- narzędzia do obróbki zgrubnej
- narzędzia do obróbki kształtującej
- narzędzia do obróbki wykańczającej
i) wg ruchu głównego
- narzędzia obrotowe np. wiertła, rozwiertaki, frezy
- narzędzia nieobrotowe np. noże tokarskie, strugarskie, dłutaki
1.2 Części składowe narzędzi trzpieniowych
- A -część robocza - obejmująca wszystkie elementy narzędzia, związane z procesem skrawania
- A1 -część skrawająca, wykonująca główną pracę skrawania
- A2 - część wykańczająca
- A3 -część prowadząca
- B -część chwytowa - służąca do zamocowania narzędzia w obrabiarce
- C - część łącząca - występująca tylko w pewnej grupie narzędzi trzpieniowych z przyczyn: technologicznych (ułatwia wykonanie narzędzia; część łącząca jest wówczas krótka i nosi nazwę szyjki np. w wiertłach) lub funkcjonalnych (powoduje odsunięcie części roboczej od chwytowej np. w nożach tokarskich)
1.3. Elementy części roboczej narzędzia (pow. natarcia, przyłożenia, naroże, itp.)
Ostrze skrawające składa się z następujących elementów:
- powierzchnia natarcia, na którą naciera i po której przesuwa się wiór. Na powierzchni tej może znajdować się łamacz lub zwijacz wiórów.
- powierzchnia przyłożenia, znajdującą się od strony powierzchni obrabianej i powierzchni stycznej do niej w czasie skrawania, ograniczona główną krawędzią skrawającą.
– pomocnicza powierzchnia przyłożenia, znajdującą się od strony powierzchni obrabianej i ograniczona pomocniczą krawędzią skrawającą.
Zarówno powierzchnia natarcia jak i przyłożenia (główna i pomocnicza) może składać się ze zbioru przecinających się powierzchni cząstkowych, które w przypadku powierzchni ścinowych nazywane są ścinami powierzchni natarcia i analogicznie powierzchni przyłożenia.
S – główna krawędź skrawająca, jest to linia przecięcia powierzchni natarcia z główną powierzchnią przyłożenia. Służy ona do oddzielania materiału w procesie skrawania.
S’ – pomocnicza krawędź skrawająca, jest to linia przecięcia powierzchni natarcia z pomocniczą powierzchnią przyłożenia. Służy ona do wykańczania powierzchni obrobionej.
Krawędź skrawająca może być prostoliniowa lub krzywoliniowa. W przypadku narzędzi nie mających naroży (np. noże tokarskie do gwintu, frezy kątowe dwustronne) cała krawędź skrawająca jest główną krawędzią skrawającą.
Punkt przecięcia krawędzi skrawających głównej z pomocniczą nazywamy narożem (wierzchołkiem).
1.4. Materiały narzędziowe - podział, skład, właściwości, zastosowanie.
a) stale szybkotnące (HS)
Stalami szybkotnącymi nazywa się stale wykazujące wysokie własności skrawne przy prędkościach skrawania i przekrojach wiórów wywołujących nagrzewanie się ostrza do 6500C. Osiągają twardość po hartowaniu 64 do 66 HRC i z niewielkimi zmianami zachowują ją do temperatur od 550 do 650oC.
Zawartość węgla zmienia się od 0,75 do 1,45%. Dodatki stopowe stanowią różny udział procentowy w stopie i alfabetycznie najczęściej są to: chrom, kobalt, molibden, wanad, wolfram.
Właściwości - zalety:
- bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe na zginanie i dobra udarność
- dobra szlifowalność
- niska cena w porównaniu z innymi narzędziami
- dobre właściwości skrawania dla małych prędkości skrawania
Wady:
-stosunkowo niska temperatura ok. 650C, po której tracą one swoje własności skrawające
- stosunkowo mała odporność na zużycie ścierne w porównaniu z innymi narzędziami
-mała twardość w porównaniu z innymi narzędziami
- skłonność do segregacji węglików, powodująca nierównomierność właściwości w obrębie ostrza; Można ją niwelować stosując metalurgię proszków.
b) Spiekane stale szybkotnące (PM)
W porównaniu ze stalami konwencjonalnymi, wykazują wiele korzystnych własności technologicznych: dobrą plastyczność, dobrą obrabialność mechaniczną, bardzo dobrą szlifowalność, dużą stabilność wymiarową po hartowaniu i odpuszczaniu, w przeważającej liczbie przypadków lepsze własności użytkowe.
Narzędzia wykonane z tych stali mają lepsze własności skrawne od wykonanych ze stali konwencjonalnych o analogicznym składzie, szczególnie w przypadku obróbki stali trudno obrabialnych i przy większej prędkości skrawania.
Ich wadą jest dwu- lub nawet trzykrotnie większa cena niż stali konwencjonalnych.
Spiekane stale szybkotnące są głównie przeznaczone na narzędzia skrawające do obróbki materiałów trudnoskrawalnych, jak np. stali stopowych, stali o dużej wytrzymałości s tali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie, do obróbki wykańczającej z zastosowaniem narzędzi pracujących z dużą wydajnością, automatycznej obróbki skrawaniem, przy wymaganych zwiększonych współczynnikach niezawodności pracy narzędzi, a więc głównie narzędzia montowane w obrabiarkach sterowanych numerycznie, centrach i liniach obróbkowych oraz obrabiarkach zespolonych.
c) węgliki spiekane (HW)
Węgliki spiekane stosuje się obecnie niemal wyłącznie do produkcji płytek wieloostrzowych, mocowanych mechanicznie w gnieździe korpusu narzędzia. Stosuje się je także na ostrza świdrów i narzędzi górniczych, narzędzia do obróbki plastycznej i inne narzędzia lub elementy o dużej twardości i odporności na ścieranie.
Płytek wieloostrzowych z reguły nie ostrzy się. Stąd są one produkowane w przygniatającej mierze jako płytki powlekane, gdzie węgliki spiekane są materiałem rdzenia i zapewniają wymaganą wytrzymałość płytki, a cienka zewnętrzna powłoka z materiałów trudnościeralnych zapewnia odporność płytki na ścieranie.
Ostrza z węglików spiekanych odznaczają się bardzo wysoką twardością i odpornością na ścieranie oraz wytrzymują temperatury skrawania do 900oC (a niekiedy nawet do 1000oC), co umożliwia 3-4 krotne zwiększenie prędkości skrawania w stosunku do narzędzi ze stali szybkotnących oraz pozwala skrawać tak twarde materiały jak żeliwo białe, hartowaną stal, porcelanę lub szkło. Ponadto skrawanie z użyciem narzędzi z węglików spiekanych nie wymaga stosowania cieczy obróbkowych, co jest korzystne zarówno z przyczyn ekonomicznych jak i ekologicznych. Ujemną cechą węglików jest ich wysoka cena.
Korzystne właściwości skrawalne i wytrzymałościowe. Są bardzo trwałe i odporne na zużycie, choć nie tak, jak materiały supertrwarde i ceramika, oraz mają dość dobre właściwości wytrzymałościowe, choć nie tak jak stale szybkotnące. Na uniwersalność zastosowań narzędzi wykonanych z węglików spiekanych dość znacznie wpływają powłoki ochronne nanoszone na ostrze.
Węgliki spiekane są materiałami składającymi się głównie węglika wolframu WC o udziale objętościowym ok. 65-95% oraz węglików innych metali trudno topliwych: tytanu Ti, tantalu Ta i niobu Nb, oraz metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt Co (od 5-10%). Ponadto mogą być produkowane węgliki spiekane, w których metalem wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z kobaltem.
Węgliki spiekane otrzymuje się metalurgią proszków
Węglików spiekanych nie poddaje się obróbce cieplnej, gdyż metal wiążący nie podlega przemianom fazowym. Węglików spiekanych nie poddaje się również do obróbki plastycznej i mechanicznej polegającej na toczeniu i frezowaniu. Mogą być jednak szlifowane lub docierane.
d) cermetale
Podobnie jak węgliki spiekane są wytwarzane na drodze metalurgii proszków.
Głównym składnikiem pierwszych cermetali były węgliki i azotki tytanu TiC i TiN, brak w nich było WC. Jednak współczesne cermetale w swoim składzie zawierają węgliki wolframu . Należy wspomnieć , że WC w cermetalach nie występuje w postaci wolnej.
Mała wytrzymałość na zginanie i stosunkowo duża twardość i kruchość cermetali sytuuje je między takimi materiałami jak: węgliki spiekane a ceramika. Cermetale są często stosowane do obróbki wykańczającej różnych gatunków stali, żeliw sferoidalnych i stopów metali nieżelaznych. Nie poleca się obrabiać cermetali żeliw szarych, dających kruchy, łamliwy wiór. Cermetale są głównie wykorzystywane do toczenia, wytaczania a także frezowania. Z uwagi na dobrą wytrzymałość i małą przewodność cieplną cermetale nadają się do obróbki na sucho.
Cermetale w porównaniu z węglikami spiekanymi wykazują większą wytrzymałość na zginanie, mniejszą przewodność cieplną i są nieco twardsze. Mają lepsze właściwości skrawne wynikające zarówno z większej odporności na zużycie ścierne i adhezyjne oraz na utlenianie w wysokich temperaturach. Do wad cermetali należy mała odporność na szoki cieplne, co ogranicza ich stosowanie w warunkach wymaganej wysokiej niezawodności.
Mogą być pokrywane warstwami zwiększającymi ich odporność na zużycie.
e) ceramika narzędziowa
Spiekami ceramicznymi nazywają się takie materiały spiekane, w których w składzie nie ma metalowej fazy wiążącej.
Materiały ceramiczne mają wiele pożądanych cech dla narzędzi skrawających:
- duża twardość i odporność na ścieranie
- małą przewodność elektryczną i cieplną
- dużą wytrzymałość w wysokich temperaturach
- bardzo dużą odporność chemiczną
- duża kruchość
- mała odporność na zmienne obciążenia mechaniczne i na gwałtowne zmiany temperatury
Wyróżnia się:
-ceramikę tlenkową (białą) której podstawowym składnikiem jest stabilny chemicznie i cieplnie tlenek aluminium (Al2O3). Ma dużą twardość i odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Ponieważ nie zawierają metalu jako fazy wiążącej, są przez to bardziej kruche i mniej odporne na szoki mechaniczne i termiczne niż węgliki i cermetale. Dodanie niewielkiej ilości tlenku cyrkonu (ZrO2) znacznie poprawia wytrzymałość na zginanie i odporność na kruche pękanie.
Narzędzia z ceramiki tlenkowej mogą stosowane przy 2-3-krotnie większych prędkościach niż węgliki spiekane. Wykorzystuje się je głównie do obróbki żeliwa szarego, gdy wymagana jest wysoka gładkość powierzchni.
- ceramikę mieszaną, tlenkowo-węglikowa, zwana czarną - powstała na bazie ceramiki tlenkowej w wyniku dodania do jej składu węglika tytanu w ilości 30-40%. Dodatek TiC spowodował zmianę zabarwienia ceramiki z białej na grafitowo-czarną. Węglik tytanu wpłynął na podwyższenie twardości, odporności na ścieranie, a także na zwiększenie ich przewodności cieplnej.
ceramika mieszana w porównaniu z tlenkową odznacza się znacznie większą odpornością cieplną i mniejszą rozszerzalnością cieplną.
Ceramika mieszana jest stosowana z powodzeniem do obróbki twardych żeliw i zahartowanych stali.
- ceramika azotkowa - jej głównym składnikiem jest azotek krzemu Si3N4. Odznaczają się dobrą przewodnością cieplną i bardzo małą rozszerzalnością cieplną., co czyni je odpornymi na szoki termiczne. Swoje korzystne właściwości Si3N4 zachowuje także w wysokich temperaturach. Jednak ulegają one pogorszeniu na skutek niekorzystnego wpływu dodatków koniecznych w procesie spiekania. Dodatkami tymi są: MgO lub Y2O3. Tworzą one z warstewką tlenków SiO2, znajdującą się na powierzchni cząstek Si3N4 tzw. fazę szklistą, ułatwiającą spiekanie.
Ceramika azotkowa jest stosowana do toczenia, frezowania, a także wiercenia żeliwa sferoidalnego i stopowego oraz żaroodpornych stopów na bazie niklu.
- sialon - nazwa pochodzi od liter wzoru roztworu Al2O3 w Si3N4
Otrzymuje się je przez prasowanie na gorąco w formach grafitowych w temperaturze 1700-1750oC lub spiekanie w atmosferze azotu w temperaturach 1750-1850oC. Przed spiekaniem produkty z sialonu są formowane na zimno lub gorąco przez prasowanie, wyciskanie, formowanie wtryskowe lub odlewanie. Mogą być potem obrobione toczeniem, frezowaniem, wierceniem, szlifowaniem i poddane cięciu za pomocą konwencjonalnych narzędzi. Natomiast po spieczeniu można je jedynie szlifować ściernicami diamentowymi, polerowaniu ultradźwiękowemu i cięciu z wykorzystaniem lasera.
Narzędzia wykonane ze sialonu stosuje się do toczenia i frezowania stali i stopów trudno obrabialnych m.in. żeliwa, stali ulepszanych cieplnie, stopów niklu, tytanu i aluminium oraz stopów wysoko żarowytrzymałych. Bardzo pozytywną cechą tych materiałów jest zmniejszanie się zużycia narzędzia wraz ze wzrastającą prędkością skrawania.
Sialony łączą w sobie korzystne właściwości dużej odporności chemicznej w wysokich temperaturach, jaką ma ceramika Al2O3, oraz dobre właściwości wytrzymałościowe Si3N4.
f) materiały supertwarde
Podobnie jak węgliki spiekane oraz cermetale, należą do grupy materiałów ceramicznych, jednak tradycyjnie wyróżnia się jako osobną grupę. Powodem tego jest ich znaczna twardość
-diament naturalny - czysty węgiel w postaci krystalicznej - jest najtwardszym z wszystkich znanych materiałów i przy tym bardzo odporny na ścieranie. Odznacza się także, bardzo dobrą przewodnością cieplną, kilkakrotnie przewyższającą przewodność węglików spiekanych. Wadą jest wysoka cena, duża reaktywność z żelazem i niklem w podwyższonej temperaturze, co przyspiesza zużycie dyfuzyjne podczas skrawania stopów tych metali oraz mała odporność na wysokie temperatury: w temp ok. 700C przemienia się w grafit, który nie jest twardy.
Ostrza diamentowe mocowane są w oprawkach za pomocą lutowania twardego bądź w sposób mechaniczny.
Zazwyczaj niewielkie rozmiary kryształów diamentu powodują że nie nadają się do obróbek z większymi naddatkami, a więc kształtujących i zgrubnych.
- diament polikrystaliczny (PD) - otrzymywany przez spiekanie drobnych monokryształów diamentu sztucznego, z udziałem kobaltu jako materiału wiążącego.
Ostrza z PD stosuje się do obróbki różnych materiałów. Szczególnie nadaje się do obróbki stopów aluminium bogatych w krzem, gdzie obok miękkiego Al występują twarde kryształy Si. PD odporny na ścieranie i dostatecznie wytrzymały, dobrze znosi agresywne działanie mikrokryształów krzemu. Mając małą zdolność do adhezji, nie powoduje przylepiania się miękkiego Al do powierzchni roboczych ostrza i wgniatania narostu w powierzchnię obrobioną. Daje zatem powierzchnię o małej chropowatości. Te cechy umożliwiają stosowanie PD do obróbki również metali nieżelaznych (stopów miedzi, magnezu, cynku, cyny), a także węglików spiekanych i materiałów niemetalowych, jak tworzywa sztuczne zbrojne, porcelana, kamień.
Stosowana prawie wyłącznie do obróbki wykończeniowej, ale ostatnio też coraz częściej do obróbki kształtującej.
- regularny azotek boru (BN) - materiał syntetyczny o regularnej strukturze krystalicznej. Otrzymuje się go poprzez poddawanie miękkiego azotku boru odpowiednio wysokiemu ciśnieniu i temperaturze. Pod względem twardości ustępuje nieco diamentowi, ale jest znacznie twardszy od materiałów ceramicznych. Ma małą rozszerzalność i dużą przewodność cieplną, jest odporny na ścieranie, adhezję i dyfuzję. Właściwości te zachowuje w temperaturach do ok. 1000C również w kontakcie ze stopami żelaza, niklu i kobaltu.
2. Narzędzia skrawające z płytkami wymiennymi (narzędzia składane)
2.1 Postać płytek wieloostrzowych (?), powierzchnie bazowe
- równoległoboczna
- prostokątna
- rombowa
- trójkątna
- kwadratowa
- sześciokątna
- ośmiokątna
- pięciokątna
- okrągła
Powierzchnie bazowe:
2.2 Ustalanie i mocowanie płytek, rodzaje gniazd płytek skrawających, funkcje gniazd
a) Płytki skrawające są ustalane i mocowane bezpośrednio w gniazdach korpusów narzędzi lub pośrednio poprzez wkładki.
Płytka ma odebrane wszystkie stopnie swobody. Główna powierzchnia ustalająca płytkę usytuowana jest prostopadle do kierunku działania siły skrawania Fc i jest dużą, płaską powierzchnią. Odbiera ona płytce trzy stopnie swobody. Boczna powierzchnia płytki (pomocnicza powierzchnia ustalająca) , przeciwległa do główniej krawędzi skrawającej, opiera się o dwa punkty oporowe wyznaczające jedną z pomocniczych powierzchni bazowych, która odbiera dwa kolejne stopnie swobody. Ostatni stopień swobody odbiera punkt oporowy, który styka się z płytką na powierzchni przeciwległej do pomocniczej krawędzi skrawającej.
Główna płaska powierzchnia ustalająca w swojej centralnej części ma wybranie przy otworze na śrubę, które powoduje dobre przyleganie podstawy płytki skrawającej, a także zmniejsza wrażliwość na zabrudzenia powierzchni kontaktowych.
Punkty oporowe, ustalające płytkę na bocznych powierzchniach obrysu płytki, powinny znajdować się nieco poniżej krawędzi skrawającej, poza obszarem, w którym pojawia się zużycie płytki oraz nalepy i narosty, mogące oddziaływać niekorzystnie na dokładność jej ustalania w gnieździe oprawki. Ustalanie płytki przez opieranie jej boków o punkty oporowe, a nie powierzchnie, jest korzystniejsze z punktu widzenia dokładności i powtarzalności pozycjonowania. Niemniej jednak, ze względu na występowanie dużych sił skrawania i możliwości wyrabiania się powierzchni stykowych punktów oporowych, których nie reguluje się, konstruktorzy narzędzi często przyjmują jako bazę nie punkty, ale powierzchnie usytuowane wzdłuż całego boku płytki.
Ustalanie płytek w gniazdach otwartych, jest na ogół prostszy konstrukcyjnie i bardziej technologiczny do ustalania, jest znacznie mniej korzystny z punktu widzenia dokładności i powtarzalności położeń naroża ostrza. Nie jest w nim bowiem odebrany stopień swobody płytki w kierunku zgodnym z boczną powierzchnią oporową. Położenie płytki po zamocowaniu zależy od warunków tarcia i początkowego położenia ustalanej płytki. Zwiększenie powtarzalności położenia płytki można uzyskać przez ścięcie czopa mocującego. Uzyskuje się wówczas znacznie większą, niż w przypadku czopa pełnego, siłę składową S, odpowiedzialną za centrowanie płytki w osi symetrii. Innym sposobem zwiększenia powtarzalności ustalania w gniazdach otwartych przedstawiono na rys. 12.30c. W tym przypadku klin, przesuwając się wzdłuż powierzchni oporowej oprawki, wywiera nacisk na płytkę skrawającą, dociskając ją do czopa kołka oporowego i równocześnie, za każdym razem, przesuwa ją w tym samym kierunku i kasuje luzy.
Główne powierzchnie ustalające gniazd często są wyposażone w płytki podporowe, które chronią korpus narzędzia przez wyrabianiem się gniazda i zabezpieczają go przed skutkami zużycia katastroficznego ostrza.
Jeśli narzędzie składane nie ma płytki podporowej to na powierzchnia główna gniazda oprawki powinna być utwardzona i nieznacznie wklęsła, tak aby po niewielkim zgniocie nierówności powierzchni w początkowym etapie eksploatacji narzędzia, gniazdo stało się płaskie. Wypukłość gniazda jest bowiem bardzo niekorzystna z uwagi na możliwość powstawania drgań i zginanie płytki skrawającej, mogące prowadzić do jej pęknięcia.
b)Gniazdo - miejsce niezmiennego usytuowania i zamocowania kolejnych płytek wieloostrzowych w tylu pozycjach ile jest do wykorzystania krawędzi. Płytka wieloostrzowa jest najlepiej usytuowana wówczas, gdy siły skrawania dociskają ją do odpowiednich powierzchni bazowych:
- składowa Fc do bazy głównej
- składowe Ff i Fp do baz pomocniczych
Rodzaje gniazd:
-gniazda zamknięte - w których bazy pomocnicze, odbierające 3 stopnie swobody i przenoszące siły, są sztywnymi częściami korpusu.
- gniazda otwarte - w których elementy mocujące spełniają rolę baz pomocniczych w granicach jednego lub dwóch stopni swobody
c) Funkcje gniazd:
- powtarzalnie ustalić i odebrać 6 stopni swob...
bartoszek20