ODREZAVANJE KOVIN Teorije v praksi
Patrick De Vos SECO TOOLS AB
V sodelovanju z
Jan‐Ericom Ståhlom
Založnik: PROFIDTP, d. o. o. Škofljica, 2019
Naslov publikacije:
METAL CUTTING – Theories in Practice ODREZAVANJE KOVIN – Teorije v praksi
Avtor:
Patrick De Vos
Soavtor:
Jan‐Eric Ståhl
Prevod knjige:
Marko Oreškovič
Lektoriranje besedila:
Poceni lektoriranje Grega Rihtar, s. p.
Prelom in priprava za tisk:
PROFIDTP, d. o. o., Škofljica
Založnik in izdajatelj:
PROFIDTP, d. o. o., Škofljica
Naklada:
150 izvodov
Tisk:
Camera, d. o. o., Ljubljana
Cena:
29 EUR
Leto izida:
2019
CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 621.9(075) DE Vos, Patrick Odrezavanje kovin : teorije v praksi / Patrick De Vos ; [prevod knjige Marko Oreškovič]. - Škofljica : Profidtp, 2019 Prevod dela: Metal cutting ISBN 978-961-94025-6-6 299285248
Patrick De Vos patrick.de.vos@secotools.com
Jan‐Eric Ståhl jan‐eric.stahl@iprod.lth.se
Seco Tools AB Fagersta, Švedska
Oddelek za proizvodno inženirstvo in materiale Univerza v Lundu Lund, Švedska
Predgovor Pričujočo knjigo je izdalo podjetje SECO TOOLS AB v sodelovanju z Oddelkom za proizvodno inženirstvo in materiale na Univerzi v Lundu, Švedska. Delo izčrpno obravnava glavne postopke obdelave kovin z odrezavanjem ter jih analizira po teoretični in praktični plati. Avtorja ne zatrjujeta, da bi bilo obravnavane teoretične modele v povezavi s privzetimi domnevami mogoče ubraniti pred vsako kritiko, izpeljano iz znanstvene literature s tega področja. Knjiga podaja celovit pregled nad različnimi vidiki odrezavanja kovin in povezanimi osnovnimi mehanizmi. Vključenih je tudi več teorij in modelov, ki jih je mogoče uporabiti na obravnavanih področjih, končni cilj pa je čim boljše razumevanje procesov obdelave z odrezavanjem. Večina opisanih relacij je bila tudi eksperimentalno preverjena in teorije so obdelane na način, ki najbolje ustreza potrebam prakse. Knjiga je strnjena različica dela Metal Cutting, Theories and Models (Obdelava kovin z odrezavanjem – Teorije in modeli), ki jo je napisal prof. Ståhl z Oddelka za proizvodno inženirstvo in materiale na Univerzi v Lundu in v angleškem prevodu izdalo podjetje SECO TOOLS AB. Delo podrobno razgrinja vsa matematična in fizikalna ozadja modelov, ki so predstavljeni v tem skrajšanem učbeniku. Seco kot pomemben del svoje strategije tehničnega trženja že od nekdaj izvaja tudi izobraževanje, usposabljanje in obveščanje kupcev o kar najučinkovitejši in najuspešnejši uporabi rezalnih orodij. Osnovno izhodišče tega pristopa je naše prepričanje, da je rezalno orodje dobro le toliko kot oseba, ki ga uporablja, Seco pa je zato v zadnjem desetletju vložil veliko sredstev v razvoj izobraževalnih programov STEP (programi tehničnega izobraževanja Seco, angl. Seco Technical Education Programmes) za naše kupce po vsem svetu. Programi STEP so namenjeni strokovnjakom v kovinskopredelovalni industriji, vključujejo pa izobraževanja in usposabljanja za učinkovito in donosno uporabo rezalnih orodij. Uporabniki izvejo, kaj delati in kako delati, da bodo procesi obdelave kovin z odrezavanjem zanesljivi, produktivni in donosni. Ta knjiga skupaj s pripadajočim izobraževalnim paketom STEP zagotavlja podporo pri izobraževanju strokovnjakov za odrezavanje kovin in predstavlja vir dopolnilnih informacij. Seco jo uporablja pri izobraževanju strokovnjakov po vsem svetu, da lahko bolje razumejo procese obdelave kovin z odrezavanjem. Avtorja se zahvaljujeta Volodymyru Bushlyi, Fredriku Schultheissu, Sörenu Hägglundu in Bengtu Högreliusu za dragoceno pomoč pri izboljševanju vsebine knjige Metal Cutting, Theories and Models. Več poglavij iz te knjige izvira neposredno iz raziskovalnega projekta ShortCut‐SPI, ki je bil financiran iz programa SSF ProViking in s strani agencije VINNOVA v okviru sodelovanja med Univerzo v Lundu in Tehniško univerzo Chalmers. Hvala tudi Christini Windmark, Jannici Ståhl in Agnes den Besten za pomoč pri pripravi in popravkih slikovnega gradiva.
Patrick De Vos in Jan‐Eric Ståhl
Uvod Želja avtorjev te knjige je bila oblikovati koherenten opis procesa odrezavanja kovin na trdnih fizikalnih temeljih. Lastnosti in zmogljivost obdelovalnega procesa so rezultat soodvisnosti med a) obliko in lastnostmi obdelovanega materiala, b) geometrijo rezalnega orodja in lastnostmi rezalnega materiala, c) lastnostmi obdelovalnega stroja ter d) pogoji pri odrezavanju in rezalnimi parametri. Za opis teh interakcij je nujno poznavanje razmer, ki se oblikujejo med obdelovancem in rezalnim robom pri različnih parametrih procesa. Te razmere lahko določimo in opišemo s preučitvijo kombiniranih mehanskih, toplotnih in triboloških obremenitev. Pri opisovanju obremenitvenih razmer je pomembno, da uporabljamo fizikalne parametre, saj lahko že sprememba enega samega parametra vpliva na mehanske obremenitve in temperaturo orodja, temperature v procesu in obrabo orodja. Le z dobrim razumevanjem teh dogajanj lahko oblikujemo seznam zahtev glede geometrije in materialnih lastnosti orodja za dano nalogo. Lastnosti rezalnega materiala vključujejo tudi fizikalne lastnosti, kot so natezna in tlačna trdnost, trdota in toplotna prevodnost. Med lastnosti obdelovanega materiala, ki vplivajo na obremenitve med obdelavo, prištevamo napetost tečenja, raztezek pri porušitvi idr. Od interakcij med obremenitvenimi razmerami v procesu odrezavanja in lastnostmi rezalnega orodja je odvisna tudi njegova obstojnost. Ta določa skupno količino materiala, ki ga lahko rezalni rob odstrani z obdelovanca v danih pogojih procesa. Iz teh pogojev izhaja čas obdelave, ki je potreben za dokončanje obdelovanca z zahtevano kakovostjo in od katerega so odvisni proizvodni stroški. Celosten model procesa odrezavanja omogoča optimizacijo obdelave za kakovost in nizke proizvodne stroške, izbrane lastnosti orodja in parametre procesa pa lahko na najboljši način prilagodimo lastnostim obdelovanega materiala.
VSE PRAVICE PRIDRŽANE. Nobenega dela te publikacije ni dovoljeno reproducirati, prenesti v sistem za shranjevanje ali posredovati v kakršnikoli obliki in na kakršenkoli način – elektronsko, mehansko, s fotokopiranjem, snemanjem ali drugače – brez predhodnega pisnega dovoljenja izdajatelja in nosilca avtorskih pravic Seco Tools AB. Ta knjiga je strnjena različica Secovega učbenika Metal Cutting, Theories and Models. Za vse vire in podrobnejši opis teorij in modelov, predstavljenih v tej knjigi, je bralec napoten na učbenik Metal Cutting, Theories and Models.
Zgornji diagram predstavlja popoln pregled nad današnjim stanjem na področju tehnologije odrezavanja, ki ga Seco razgrinja v svoji seriji knjig. Poglavja 1–9 v učbeniku A Metal Cutting, Theories and Models (Obdelava kovin z odrezavanjem – Teorije in modeli) na znanstven način opisujejo procese obdelave kovin z odrezavanjem. Knjiga B Metal Cutting, Theories in Practice (Odrezavanje kovin – Teorije v praksi) gradi most med znanstvenimi modeli ter praktično tehnološko in inženirsko dejavnostjo v sodobnih delavnicah. V tretji knjigi C iz te serije, Metal Cutting – Best Practice (Odrezavanje kovin – Najboljše prakse), je predstavljena vsakodnevna uporaba načel iz prvih dveh knjig pri različnih postopkih obdelave z odrezavanjem. Vsebina te knjige je izobraževalne narave ter podaja splošne smernice za analizo in vrednotenje postopkov odrezavanja kovin, oblikovana pa je na podlagi dolgoletnih izkušenj družbe Seco na področju proizvodnje rezalnih orodij in njihove uporabe v delavnicah naših kupcev. Pri tem ne gre za toge prakse, saj niso vsa rezalna orodja narejena po enakih standardih kot naša, rezultati obdelave pa so lahko odvisni od stanja obdelovalnega stroja, kakovosti rezalnega orodja, ustreznosti postopkov izbire orodij ter nenazadnje tudi od splošnih pogojev, v katerih uporabljamo rezalna orodja.
Vsebina PREDGOVOR ........................................................................................................................... 3 UVOD ..................................................................................................................................... 5 VSEBINA ................................................................................................................................. 9 1 UVOD V POSTOPKE ODREZAVANJA KOVIN ....................................................................... 13 1.1 Proizvodnja in obdelovalni postopki ............................................................................... 13 1.2 Operativni cilji proizvodnih postopkov ........................................................................... 14 1.3 Postopki odrezavanja iz zgodovinske perspektive .......................................................... 17 2 OSNOVNA NAČELA ODREZAVANJA KOVIN ....................................................................... 21 2.1 Razvrstitev postopkov odrezavanja kovin ....................................................................... 21 2.1.1 Različne vrste postopkov odrezavanja kovin ........................................................... 21 2.1.2 Rezalna orodja ......................................................................................................... 22 2.1.3 Definicija koordinatnega sistema in ravnin .............................................................. 22 2.2 Rezalni parametri, prerez odrezka in pretok odrezkov ................................................... 23 2.3 Geometrija rezalnega orodja .......................................................................................... 25 2.3.1 Osnovna geometrija orodja ..................................................................................... 25 2.3.2 Standardizirana področja uporabe .......................................................................... 28 2.3.3 Teoretična površinska hrapavost ............................................................................. 29 2.3.4 Geometrijske spremembe rezalnega roba zaradi obrabe ........................................ 30 2.4 Parametri procesa odrezavanja ...................................................................................... 31 2.4.1 Koeficient nakrčenja in hitrost odrezka ................................................................... 31 2.4.2 Deformacijske cone in kontaktne dolžine ................................................................ 32 2.4.3 Zastojna cona v procesu odrezavanja ...................................................................... 33 2.4.4 Ekvivalentna debelina odrezka he ............................................................................ 34 2.4.5 Minimalna teoretična debelina odrezka .................................................................. 35 2.4.6 Maksimalna debelina odrezka h1max za ap ≤ r ........................................................... 37 3 MEHANSKA ANALIZA ....................................................................................................... 39 3.1 Statične rezalne sile ........................................................................................................ 39 3.1.1 Merjenje statičnih rezalnih sil .................................................................................. 39 3.1.2 Modeliranje statičnih rezalnih sil ............................................................................. 39 3.2 Upor pri odrezavanju in poraba moči ............................................................................. 44 3.2.1 Upor pri odrezavanju in specifična rezalna sila ........................................................ 44 3.2.2 Poraba moči pri odrezavanju ................................................................................... 47 3.3 Dinamične rezalne sile .................................................................................................... 48 3.3.1 Merjenje dinamičnih rezalnih sil .............................................................................. 48 3.3.2 Opisovanje dinamičnih rezalnih sil ........................................................................... 48 3.4 Postopki odrezavanja s prekinitvami .............................................................................. 50 3.4.1 Faza vstopa (I) .......................................................................................................... 51 3.4.2 Stacionarna faza (II) ................................................................................................. 55 3.4.3 Faza izstopa (III) ....................................................................................................... 56 3.4.4 Brezdelna faza (IV) ................................................................................................... 59 3.5 Dinamika na cepilni ploskvi ............................................................................................. 59 3.6 Mehanske napetosti v rezalnem orodju ......................................................................... 60 4 TOPLOTNA ANALIZA ......................................................................................................... 63 4.1 Poraba energije med procesom odrezavanja ................................................................. 63 4.2 Adiabatna temperatura .................................................................................................. 64 4.3 Temperature v procesu odrezavanja .............................................................................. 66
4.4 Sestavljena temperatura θC ............................................................................................ 69 4.5 Analiza prehodnih toplotnih pojavov in toplotne napetosti ........................................... 73 5 TRIBOLOŠKA ANALIZA ...................................................................................................... 75 5.1 Kontaktne razmere ......................................................................................................... 75 5.2 Nalepek, nalepljena plast in TPL ..................................................................................... 75 5.2.1 Vpliv poškodb rezalnega roba na obdelano površino .............................................. 79 5.2.2 Temperaturno območje lomljivosti v modrem ........................................................ 80 5.3 Tribološki vplivi na površinah rezalnega orodja .............................................................. 81 6 OBLIKOVANJE ODREZKOV ................................................................................................ 83 6.1 Klasične teorije oblikovanja odrezkov ............................................................................. 83 6.2 Vrste odrezkov ................................................................................................................ 87 6.2.1 Oblikovanje in segmentacija odrezkov..................................................................... 87 6.2.2 Segmentacija in frekvenca segmentacije ................................................................. 88 6.2.3 Rezalne sile in obdelana površina ............................................................................ 90 6.3 Kritične vibracije pri obdelavi ......................................................................................... 91 6.3.1 Vibracije v povezavi s procesom odrezavanja (drdranje) ......................................... 92 6.3.2 Variabilna debelina odrezkov .................................................................................. 94 6.3.3 Vibracije obdelovanca.............................................................................................. 94 6.3.4 Kritične rezalne hitrosti............................................................................................ 96 6.3.5 Kritične vibracije ...................................................................................................... 97 6.3.6 Deformacije obdelane površine ............................................................................... 99 6.4 Mikrogeometrija rezalnega roba in dinamika odrezavanja ............................................. 99 6.4.1 Dušenje procesa odrezavanja .................................................................................. 99 6.4.2 Praktični prikaz deformacijskega dušenja .............................................................. 101 6.4.3 Vibracije in pojav nalepka ...................................................................................... 104 6.5 Oblikovanje in lomljenje odrezkov................................................................................ 105 7 OBDELOVANI MATERIALI IN NJIHOVA ODREZOVALNOST ............................................... 109 7.1 Koncept odrezovalnosti in njegova kompleksnost ........................................................ 109 7.1.1 Odrezovalnost in stroški obdelave ......................................................................... 110 7.1.2 Relacije med postopki odrezavanja in odrezovalnostjo ......................................... 111 7.1.3 Lastnosti materiala in proces odrezavanja ............................................................. 112 7.1.4 Prikaz materialnih faktorjev v polarnem diagramu ................................................ 114 7.1.5 Materialni faktorji, rezalni parametri in geometrija rezalnega orodja ................... 117 7.2 Sestavine materiala in odrezovalnost ........................................................................... 121 7.2.1 Zlitinski elementi pri jeklih ..................................................................................... 122 7.2.2 Mikrostruktura....................................................................................................... 123 7.2.3 Toplotna prevodnost ............................................................................................. 124 7.2.4 Vključki .................................................................................................................. 125 7.2.5 Deformacijsko utrjevanje ....................................................................................... 126 7.2.6 Trdota, trdnost in duktilnost .................................................................................. 126 7.2.7 Stanje obdelovanega materiala ............................................................................. 126 7.3 Različni materiali in njihova odrezovalnost ................................................................... 127 7.3.1 Siva litina, 100–260 HB .......................................................................................... 129 7.3.2 Nodularna litina, 135–430 HB ................................................................................ 130 7.3.3 Bainitno poboljšana duktilna litina, 270–550 HB ................................................... 131 7.3.4 Litina z vermikularnim grafitom CGI, 200–280 HB ................................................. 132 7.3.5 Bela litina in karbidno jeklo, 50–62 HRC ................................................................ 132 7.3.6 Malolegirano jeklo ................................................................................................. 133 7.3.7 Jekla za delo v hladnem, 45–65 HRC ...................................................................... 134
7.3.8 Jekla za delo v vročem, 45–65 HRC ........................................................................ 135 7.3.9 Hitrorezna jekla, 58–66 HRC .................................................................................. 135 7.3.10 Jekla za kroglične ležaje, 58–65 HRC ..................................................................... 136 7.3.11 Jekla za cementiranje, 55–62 HRC ........................................................................ 136 7.3.12 Sintrane kovine, 45–70 HRC .................................................................................. 137 7.3.13 Nerjavno jeklo ....................................................................................................... 137 7.3.13.1 Feritna in martenzitna nerjavna jekla ............................................................. 138 7.3.13.2 Avstenitna nerjavna jekla, 180–220 HB .......................................................... 138 7.3.13.3 Dupleksna nerjavna jekla, < 300 HB ................................................................ 139 7.3.14 Superzlitine ........................................................................................................... 140 7.3.15 Titan in titanove zlitine ......................................................................................... 142 7.3.16 Aluminij in aluminijeve zlitine ............................................................................... 142 7.4 Nastanek srha, integriteta površin in okoljski vidiki ...................................................... 143 7.5 Celotna odrezovalnost materiala .................................................................................. 145 8 REZALNI MATERIALI IN NJIHOVO SLABŠANJE ................................................................. 147 8.1 Osnovne vrste slabšanja rezalnega orodja .................................................................... 147 8.2 Lastnosti rezalnih materialov ........................................................................................ 152 8.2.1 Zahteve za rezalne materiale ................................................................................. 152 8.2.2 Sestava rezalnih materialov ................................................................................... 156 8.2.3 Karbidna trdina ...................................................................................................... 158 8.2.4 Kermet ................................................................................................................... 162 8.2.5 Keramike ................................................................................................................ 163 8.2.6 pcBN, cBN in wBN .................................................................................................. 164 8.2.7 PKD ........................................................................................................................ 166 8.2.8 Prevleke ................................................................................................................. 167 8.3 Kriteriji obstojnosti in obrabe orodja ............................................................................ 168 8.4 Slabšanje orodja v povezavi z obrabo ........................................................................... 170 8.5 Plastična deformacija.................................................................................................... 173 8.6 Zlom in nastanek razpok ............................................................................................... 174 9 EKONOMSKI VIDIKI PROCESOV ODREZAVANJA .............................................................. 179 9.1 Prekinitve in motnje procesov odrezavanja .................................................................. 179 9.2 Klasični modeli gospodarnosti proizvodnje................................................................... 184 9.2.1 Stroški na izdelek pri spremenljivih vrednostih vc in T ........................................... 184 9.2.1.1 Zagotavljanje minimalnih stroškov na izdelek ................................................ 184 9.2.1.2 Maksimalna zmogljivost proizvodnje .............................................................. 185 9.2.2 Coldingova enačba pri spremenljivih vrednostih vc, he in T ................................... 185 9.2.2.1 Največja količina odrezkov na rezalni rob ....................................................... 187 9.2.2.2 Največji volumski pretok odrezkov pri dani obstojnosti orodja ...................... 187 9.3 Simulacije ekonomike proizvodnje ............................................................................... 188 9.3.1 Časi in zmogljivost pri serijski proizvodnji .............................................................. 188 9.3.2 Časi in zmogljivost pri tekoči proizvodnji ............................................................... 189 9.3.3 Osnovni izračuni proizvodnih stroškov .................................................................. 190 SKLEP .................................................................................................................................. 195 STVARNO KAZALO .............................................................................................................. 197