ODREZAVANJE KOVIN - TEORIJE V PRAKSI

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

1 Uvod v postopke odrezavanja kovin Procesi obdelave z odrezavanjem predstavljajo eno glavnih skupin postopkov v proizvodnji kovinskih izdelkov. V to skupino med drugim spadajo struženje, izstruževanje, frezanje, vrtanje, posnemanje in povrtavanje. Cilj vseh teh procesov je, da je proizvod izdelan kar se da učinkovito, z zahtevano ravnjo kakovosti, v želenem času in za primerno ceno. Razvoj tehnologij odrezavanja kovin je usmerjen predvsem v izboljševanje učinkovitosti proizvodnje in zmogljivosti različnih procesov odrezavanja ter išče možnosti za zvišanje kakovosti, skrajšanje obdelovalnega časa in zmanjšanje stroškov obdelave. K temu v veliki meri prispeva tudi razvoj na drugih področjih, kot je tehnologija materialov. Sicer pa se osnovni izzivi in razvojni cilji v tej panogi zadnjih 100 let niso bistveno spreminjali.

1.1 Proizvodnja in obdelovalni postopki Pojem »proizvodni postopki« se v veliki meri prekriva s pojmom »obdelovalni postopki«. O univerzalni klasifikaciji postopkov ni mogoče govoriti, lahko pa jih razvrstimo v skupine po določenih kriterijih: ̶ ̶

uporabljeni postopki in cilji, obdelovani material in njegova stanja v različnih fazah proizvodnje.

Vsem postopkom odrezavanja je skupno delovanje rezalnega roba, ki povzroča deformacijo in odstranitev odvečnega materiala z obdelovanca v obliki odrezkov. Proces odrezavanja ni funkcionalen, če reakcijske sile v obdelovancu ne morejo uravnotežiti sil zaradi delovanja rezalnega orodja tako, da bi predmet po obdelavi ohranil svojo obliko.

Slika 1.1: Osnovno načelo procesa odrezavanja; M. Agmell, Univerza v Lundu (2012)

Slika 1.2: Primeri različnih operacij struženja in frezanja

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 13

Množico nastavitev proizvodne opreme, torej hitrosti, temperature idr., imenujemo procesni pogoji, rezalni parametri pa tvorijo podmnožico procesnih pogojev. Odrezovalnost materiala nam sporoča primernost materiala za obdelavo z določenim postopkom.

1.2 Operativni cilji proizvodnih postopkov Uspešnost proizvodnje lahko opišemo s tremi osnovnimi parametri rezultatov: stopnja zavrnitve izdelkov, prekinitve in zmogljivost proizvodnje. Prva parametra sta povezana z ravnjo kakovosti in s kontinuiteto proizvodnje. Kot je razvidno na Sliki 1.3, vsako povečanje zmogljivosti proizvodnje zahteva tudi tehnične izboljšave in dodatne kompetence osebja, če se želimo izogniti motnjam proizvodnega procesa (zavrnjenim izdelkom ali prekinitvam). Zmogljivost proizvodnje, zahteve glede proizvodne opreme in osebja ter motnje proizvodnje tvorijo trikotnik medsebojnih odvisnosti. Slika 1.3 poleg tega prikazuje, kako se lahko ob povečanju proizvodnih zmogljivosti povišajo stroški zaradi motenj, ki vodijo do prekinitev, in zaradi težav s kakovostjo, ki privedejo do povišanja stopnje zavrnitve izdelkov.

Slika 1.3: Odvisnosti med zmogljivostjo proizvodnje, težavami s kakovostjo, prekinitvami in proizvodnimi stroški

Omenjene osnovne parametre lahko neposredno ali posredno opisujemo z učinkovitostjo proizvodnje, ki vključuje te tri dejavnike: ̶

̶

Kakovost – zahtevana stopnja kakovosti, opredeljena predvsem z dimenzijami in kakovostjo površine izdelka, pa tudi z drugimi lastnostmi, kot sta funkcionalnost in zmogljivost.

Proizvodni čas – dobava izdelkov v načrtovanem roku.

Stroški – sposobnost proizvodnje izdelka v okviru kalkulacij oz. normiranih stroškov.

̶

Rezultate vsake faze proizvodnje je mogoče opisati z različnimi parametri. Pri tem je osrednjega pomena gotovo učinkovitost proizvodnje, ki zajema zbirni vpliv različnih parametrov rezultatov.

Te običajno podajamo kot absolutne številčne vrednosti in jih lahko razdelimo v tri skupine: ̶

̶ ̶

Parametri kakovosti se nanašajo na zahteve glede dimenzij, kakovosti površin in drugih lastnosti, v to skupino pa sodijo tudi morebitne zahteve glede funkcionalnosti in zmogljivosti: Q1, Q2 …

Parametri prekinitev se nanašajo na prekinitve zaradi dogodkov, ki so povezani s procesom: S1, S2 …

Parametri zmogljivosti proizvodnje so lahko izraženi npr. kot število dokončanih izdelkov ali količina odrezkov, odstranjenih v danem časovnem obdobju: P1, P2 …

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 14

Zaradi ohranitve okolja in trajnostne rabe naravnih virov so vse večje pozornosti deležni tudi okoljski vidiki in recikliranje. Pri vrednotenju obremenitev okolja zaradi proizvodnje je pomembno upoštevanje celotnega življenjskega cikla izdelkov. Pozornost je treba posvetiti tako materialu, iz katerega je izdelek narejen, kakor tudi orodjem, proizvodni opremi in vsem dodatnim snovem, ki sodelujejo v procesu. V industriji tako denimo že dolgo obstajajo prizadevanja za zmanjšanje uporabe ali celo odpravo hladilnih tekočin.

Tradicionalni koncepti odrezovalnosti se postopoma dopolnjujejo z okoljskimi kriteriji, in tako se klasičnim parametrom rezultatov pridružujejo razni okoljski parametri in parametri recikliranja, ki dajejo širšo sliko o vplivih proizvodnje nekega izdelka: ̶

̶

Okoljski parametri in parametri recikliranja, ki vključujejo uporabljeno orodje, opremo in pomožne snovi, porabo energije, odpadke iz proizvodnje in možnost recikliranja škarta: ER1, ER2 …

Posebna skupina okoljskih parametrov so varnostni parametri. Proizvodni obrat mora biti urejen tako, da bo zagotovljena najvišja stopnja varnosti delavcev.

Izgube na področju kakovosti opišemo s stopnjo zavrnitve izdelkov qQ, pri čemer je vsak posamezen primer zavrnitve v kontroli kakovosti označen s qQi. Za vsak izdelek lahko poleg kakovostnih veljajo tudi funkcijske zahteve, običajno takrat, ko ta sestoji iz več komponent. Za izpolnjevanje le‐teh pa ni dovolj, da je ustrezna vsaka posamezna komponenta, saj morajo biti komponente tudi pravilno sestavljene.

Prekinitve lahko nastopijo zaradi motenj zunanjega ali notranjega izvora, ki privedejo do zaustavitve proizvodnje, ločimo pa med načrtovanimi in nenačrtovanimi prekinitvami.

Načrtovane, denimo za vzdrževalna dela, imajo blažje posledice kot nenačrtovane prekinitve, npr. zaradi okvare strojev. Primera motnje zunanjega izvora sta izpad električnega omrežja in zamujanje podizvajalcev z dobavami. Razsežnosti prekinitve obratovanja proizvodnega sistema oz. posameznega stroja opišemo s stopnjo prekinitev qS, vsako konkretno prekinitev obdelave pa označimo s qSi. Med možnimi vzroki za prekinitev postopkov odrezavanja kovin so odpoved orodja ter težave z oblikovanjem in odvajanjem odrezkov.

Parametre zmogljivosti proizvodnje lahko izrazimo v obliki stopnje (število dokončanih izdelkov ali opravljenih operacij določene vrste v časovnem obdobju: Rp) ali kot trajanje obdelave določene vrste: tp. Spremembe stopnje proizvodne zmogljivosti lahko opišemo s povečanjem ali zmanjšanjem stopnje (qP) ali pa s faktorjema razvoja procesa (xp in xsu). Dejanska stopnja oz. rezultati razvoja procesa so odvisni od časa cikla in nazivnega pripravljalnega časa. »Nazivni čas« je v tem primeru referenčni čas, ki je opredeljen vnaprej ali v skladu s trenutnimi okoliščinami.

Spremembe nazivnih časov med proizvodnjo so pogoste in povzročijo tudi spremembe vrednosti stopnje proizvodnje in razvoja procesa. Vrednosti v različnih trenutkih oz. fazah proizvodnega procesa je zato težko primerjati, če niso opredeljene popolnoma transparentne osnove za primerjavo. Variiranje stopnje proizvodnje pri obdelavi kovin z odrezavanjem je pogosto povezano tudi z odrezovalnostjo obdelovanih materialov. Če se ta močno poslabša, je treba zmanjšati hitrost obdelave (oz. ustrezne rezalne parametre).

Za različne obdelovalne postopke lahko identificiramo več skupin faktorjev (A–G v spodnji preglednici). Faktorji v teh skupinah vsak posebej in v kombinaciji z drugimi vplivajo na učinkovitost proizvodnje in parametre rezultatov proizvodnih procesov. Pri odrezavanju kovin tako ni nenavadno, da na rezultate proizvodnje vpliva tudi 50–70 posameznih dejavnikov.

Učinkovit in optimalen pristop k izboljševanju rezultatov proizvodnje zahteva sistematizacijo množice vplivnih faktorjev.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 15

Glavne skupine faktorjev z nakazanimi možnostmi delitve v podskupine so: A. Orodja in orodni sistemi: geometrijski faktorji (makro‐ in mikrogeometrija), faktorji površine (lastnosti površine, prevleke itd.), materialni faktorji (trdota, žilavost itd.).

B. Obdelovanec in obdelovani material: fizikalni faktorji (togost, toplotna kapaciteta itd.), faktorji, povezani s površino (topografija, kemična sestava, struktura, trdota itd.), faktorji, povezani z materialom in njegovo mikrostrukturo (odrezovalnost).

C. Proces in parametri procesa: faktorji opreme (togost, učinek dušenja itd.), faktorji parametrov procesa (rezalni parametri), pomožne snovi (maziva itd.), proceduralni faktorji (delovni postopki, menjave orodij itd.).

D. Kadri in organizacija: standardni delovni postopki, vodilne funkcije, ukrepi v primeru odpovedi procesov itd.; struktura dela, odgovornosti, prostor za osebno iniciativo itd.

E. Vzdrževanje in servis: faktorji, povezani z orodji, faktorji, povezani s procesom in opremo, redno in izredno vzdrževanje in popravila.

F. Posebni faktorji: vsak obdelovalni postopek ima edinstvene značilnosti, npr. pojav nalepka ali razenja površin.

G. Periferna oprema: naprave za strego materiala, prijemala, transportni trakovi itd.

Faktorji v skupinah A–D in G so vhodi proizvodnega sistema, medtem ko skupini faktorjev E in F zadevata posledice in potrebe, ki se pojavljajo med proizvodnjo. Predstavljena klasifikacija faktorjev je zelo splošne narave in je tako uporabna za praktično vsak proizvodni proces.

Faktorji v skupini D, ki jo lahko poimenujemo tudi človeški faktor, so pomembnejši, kot bi sprva pomislili. Ključnega pomena so v učečih se organizacijah, ki so osredotočene na stalen razvoj kompetenc svojih zaposlenih. Uspeh teh podjetij je odvisen predvsem od dveh faktorjev iz skupine D: povprečnih kompetenc zaposlenih in prisotnosti kadrov z vrhunskimi kompetencami. Različne parametre rezultatov in naštete skupine faktorjev lahko sestavimo v matriko, ki je prikazana v Preglednici 1.1. Skupine faktorjev so nanizane v vrsticah, parametri rezultatov pa v stolpcih. To matriko imenujemo matrika uspešnosti proizvodnje (angl.: Production Performance Matrix, PPM).

Povezave med določenim parametrom rezultatov in izbrano skupino faktorjev so lahko kvantitativne ali kvalitativne narave. Naštejmo glavna področja uporabe matrike PPM: ̶ ̶ ̶

̶

Spremljanje tekoče proizvodnje za razkritje kritičnih segmentov proizvodnega procesa, ki bi jih bilo treba izboljšati, in iskanje možnosti za izboljšave.

Vpogled v trenutno delovanje proizvodnega sistema za pomoč pri razvoju novih proizvodnih sistemov.

Pripomoček pri vrednotenju vpliva različnih ukrepov za izboljšanje proizvodnega sistema, kot so izbira orodij, obdelovalnih postopkov in materiala obdelovancev ter opredelitev procesnih pogojev.

Podlaga za dokumentiranje in vrednotenje spoznanj, pridobljenih pri preučevanju proizvodnje, ter kompetenc kadrov, ki so vključeni v proizvodni proces.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 16

Preglednica 1.1: Osnovna struktura matrike uspešnosti proizvodnje (PPM – Production Performance Matrix) Skupine faktorjev A–H A

Orodje in orodni sistemi

B

Obdelovani materiali

C

Proces in parametri procesa

D

Osebje in organizacija

E

Vzdrževanje in servis

F

Posebni faktorji

G

Periferna oprema

H

Neznani faktorji

Parametri kakovosti, Q1, Q2 ... Qn

Parametri prekinitev, S1, S2 ... Sn

Parametri zmogljivosti proizvodnje, P1, P2 ... Pn

Okolje in recikliranje, ER1, ER2 ... ERn

 faktorja

 parametrov uspešnosti

Za večino obdelovalnih postopkov so značilna posebna vedenja, ki so zbrana v skupini faktorjev F in predstavljajo rezultat faktorjev iz skupin A–D. Pojavi, kot so oblikovanje nalepka, udarci odrezkov in nenadzorovano oblikovanje odrezkov, negativno vplivajo tako na izvedbo procesov kakor tudi na njihove rezultate.

1.3 Postopki odrezavanja iz zgodovinske perspektive Razvoj postopkov odrezavanja je tesno povezan tudi z vzporednimi in ne nujno koordiniranimi razvojnimi dejavnostmi na drugih področjih. Področja, ki so povezana z obravnavanimi skupinami faktorjev, so: 1. Orodja: lastnosti, način izdelave orodij in njihov prispevek k proizvodnim sistemom.

2. Obdelovani materiali: vedenje med procesom odrezavanja oz. njihova odrezovalnost.

3. Obdelovalni stroji: kako delujejo, konstrukcija in materiali, iz katerih so izdelani, integrirani merilni sistemi, krmiljenje same obdelave in vodenje procesov med zaporednimi obdelovalnimi operacijami.

4. Kompetence, znanje in veščine osebja, ki dela z rezalnim orodjem in je vključeno v izvedbo procesov odrezavanja, s tem pa nosi velik del odgovornosti za doseženo učinkovitost proizvodnje.

Rezalna orodja so se iz ročnih pripomočkov postopoma razvila v komponente sodobnih obdelovalnih strojev. Lastnosti rezalnega materiala so odločilne za njegovo uporabnost; zelo pomembno je npr. ravnovesje med trdoto in žilavostjo rezalnega orodja. Materialu, ki je zelo trd in obstojen proti obrabi, pogosto manjka žilavosti, posledica tega pa je lahko nastanek razpok in končno zlom orodja. Eno samo orodje le težko izpolni zahteve po visoki žilavosti in dobri obstojnosti proti obrabi, eden glavnih izzivov pri razvoju orodij pa je zato ravno vprašanje, kako vdelati obe nasprotujoči si lastnosti. Eden od pristopov k zagotavljanju želene rezalne zmogljivosti za potrebe danih nalog je razvoj ustreznih geometrij orodja in rezalnih materialov. Včasih zadostuje, da ima orodje visoko obstojnost proti obrabi ob razmeroma majhni žilavosti, če je to pomanjkljivost mogoče kompenzirati z ustrezno obliko.

Odličnost sodobnih orodnih materialov temelji predvsem na razvoju in optimizaciji pravih kombinacij gradiv, mikrostrukture, lastnosti površin in morebitnih prevlek. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 17

Prve karbidne trdine za rezalna orodja so bile razvite v 20. letih prejšnjega stoletja, v komercialno uporabo pa so prešle desetletje pozneje. K razvoju za te namene je pripomoglo dejstvo, da je bil volfram kot glavna sestavina karbidnih trdin dolga leta surovina za izdelavo nitk električnih žarnic.

S postopnimi izboljšavami postopkov proizvodnje karbidnih trdin so občutno napredovale tudi njihove lastnosti in njihova natezna trdnost se je tako od 30. let prejšnjega stoletja povečala kar za trikrat, s 1000 N/mm2 na 3000 N/mm2. Pomembna novost je bila tudi uvedba oslojenih karbidnih trdin, ki so omogočile velikansko povišanje rezalnih hitrosti.

Inovacije, ki so zbrane v Preglednici 1.2, ostajajo pomembne tudi za sodobne proizvodne postopke. Kot odgovor na najrazličnejše zahteve le‐teh in vse večje število aplikacij se je izjemno povečala tudi paleta substratov in prevlek, ki se uporabljajo v proizvodnji rezalnih orodij. Nove prevleke so omogočile učinkovitejšo uporabo substratov, novi postopki metalurgije prahov in postopki brušenja pa izdelavo rezalnih orodij naprednejših geometrijskih oblik. Napredek na področju vodenja procesov in tehnologij zagotavljanja kakovosti pa je končno privedel do večje točnosti in izboljšane standardizacije.

Zahteve, ki jih morajo izpolnjevati rezalna orodja v sodobni proizvodnji, so odvisne od vsakokratne delovne naloge. Pri razvoju rezalnih orodij moramo zato upoštevati pogoje in zahteve proizvodnje. Stroji z manj togo konstrukcijo tako zahtevajo drugačna rezalna orodja kot zelo togi stroji.

Preglednica 1.2: Razvoj in pomembne inovacije na področju postopkov obdelave z odrezavanjem

Leto

Inovacije in novi rezalni materiali

1906

Hitrorezno jeklo (HSS): zlitina na osnovi jekla s približno 20‐odstotnim deležem karbidov, visoko obstojnostjo proti obrabi in boljšo trdoto v vročem kot pri ogljikovih jeklih.

1915

Steliti: skupina livnih zlitin, ki vsebujejo približno 50 % karbidov. Kljub večji obstojnosti proti obrabi in trdoti v vročem kot pri HSS je bila njihova uporaba razmeroma omejena.

1929

Karbidne trdine: umeten material, ki vsebuje približno 90 % karbidov v kombinaciji s kovinsko zlitino, sprva na osnovi železa in pozneje kobalta. Leta 1929 jih je komercializiral nemški industrijski koncern Krupp, temu pa je sledil začetek proizvodnje za trg v podjetju Fagersta Bruk (danes SECO TOOLS AB) leta 1932 in v podjetju Sandvikens Jernverk (danes Sandvik Coromant) leta 1942.

1955

V drugi polovici 50. let prejšnjega stoletja so na trg prišle obračalne ploščice. Z nadaljnjim razvojem se je njihova cena občutno zmanjšala, s tem pa tudi del stroškov obdelave, ki je povezan z orodjem.

1969

Karbidne trdine s prevleko iz trdih karbidov. Prve prevleke so bile izdelane iz titanovega karbida, pozneje pa tudi iz drugih materialov, in so odigrale ključno vlogo v razvoju sodobnih rezalnih orodij.

F. W. Taylor (1856–1915) je bil raziskovalec na področju odrezavanja kovin, ki je bil citiran pogosteje kot katerikoli drug raziskovalec. Leta 1907 je objavil znano enačbo za napovedovanje obstojnosti rezalnega orodja, danes pa je precej bolj znan po svojih razmišljanjih o načelih organizacije dela, ki jih poznamo pod imenom taylorizem. Taylorjeva enačba je bila teoretična podlaga za številne poznejše raziskave. Mnogi raziskovalci so predstavili svoje različice Taylorjeve enačbe in v zvezi s tem moramo omeniti pomembno delo Coldinga in Hägglunda36.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 18

Slika 1.4: Zgodovinski razvoj rezalnih materialov: prikazana sta relativni čas, potreben za določen korak obdelave, in sposobnost odvzemanja materiala (v cm3 odrezkov na minuto in mm rezalnega roba).

Za primerjavo so prikazane tudi vrednosti za ogljikovo jeklo.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 19

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 20

2 Osnovna načela odrezavanja kovin V tem poglavju je predstavljena vrsta konceptov in pojmov kot osnova za obravnavo različnih procesov in teorij odrezavanja. Vsebina ne zahteva posebnih predznanj s tega področja.

2.1 Razvrstitev postopkov odrezavanja kovin Drugo poglavje obravnava načela, ki jih uporabljamo pri razvrščanju postopkov odrezavanja kovin.

Pri preučevanju procesov postavimo obdelovanec in orodje v prostorski koordinatni sistem in definiramo ravnine, ki ležijo na dveh od treh izbranih prostorskih osi. Za lažje razumevanje so pri vseh razlagah v tem poglavju uporabljene enake osi, ravnine in definicije pojmov, razen kjer je posebej označeno drugače.

2.1.1 Različne vrste postopkov odrezavanja kovin Orodja za obdelavo z odrezavanjem lahko imajo eno ali več rezil. Večrezilni postopki obdelave, kot je frezanje, izkoriščajo skupni učinek delovanja več rezil. Ta je odvisen od geometrijske oblike, natančnosti pozicioniranja in stanja posameznih rezalnih robov med odrezavanjem. Primer enorezilnega postopka, pri katerem reže en sam rezalni rob, je struženje.

Ločimo tudi med postopki obdelave brez in s prekinitvami. Pri obdelavah s prekinitvami, kot je denimo frezanje, vsako rezilo periodično vstopa v rez in izstopa iz reza. Rezalni rob med procesom frezanja, ki je prikazan levo na Sliki 2.1, reže največ 50 % časa enega vrtljaja oz. periode frezala.

Primera postopkov neprekinjene obdelave sta struženje in izstruževanje. Tudi pri postopkih obdelave, ki so v osnovi neprekinjeni, se lahko pojavljajo prekinitve zaradi oblike obdelovanca.

Rezanje se tako denimo prekinja pri vzdolžnem struženju obdelovancev z utori (Slika 2.1 desno).

Ko se lotimo razvrščanja postopkov odrezavanja, si torej lahko postavimo naslednja vprašanja: ̶ Ali osnovni proces odrezavanja poteka s prekinitvami ali brez prekinitev? ̶ Ali reže eno samo rezilo ali več rezil? ̶ Ali je površina obdelovanca neprekinjena ali prekinjena?

Našteta načela razvrščanja postopkov odrezavanja povzema Slika 2.2. Od mesta določenega postopka v preglednici so neposredno odvisne tudi obremenitve rezalnega orodja. V splošnem velja, da neprekinjeni postopki odrezavanja zahtevajo kar se da visoko obstojnost orodja proti obrabi in dobro odvajanje toplote, medtem ko sta pri postopkih s prekinitvami pomembnejši visoka žilavost in upogibna trdnost rezalnega orodja.

Slika 2.1: Frezanje in vzdolžno struženje s prekinitvami

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 21

Slika 2.2: Sistem razvrstitve postopkov odrezavanja

2.1.2 Rezalna orodja Rezalna orodja so lahko izdelana iz polnega materiala ali pa imajo obračalne ploščice. Pri slednjih obstaja možnost izbire najprimernejše ploščice za dano nalogo. Zaradi zmanjševanja stroškov obdelave je po daljši uporabi običajna izvedba obnove rezalnega orodja iz polnega materiala. Ta vključuje brušenje ali drugo pripravo rezalnih robov ter nanos nove prevleke. Rezalne ploščice se pritrdijo na držalo s spono, vijakom ali na kak drug način.

Poimenovanje dela, ki nosi rezalne ploščice, je odvisno od postopka – pri struženju je to npr. držalo in pri frezanju frezalo.

2.1.3 Definicija koordinatnega sistema in ravnin Za opis procesa odrezavanja moramo najprej določiti koordinatni sistem in ravnine. Tri glavne osi koordinatnega sistema oz. smeri so pravokotne druga na drugo in jih označimo s T, A in R (T je tangencialna, A aksialna in R radialna os oz. smer). Smeri T in R običajno uporabljamo pri rotacijsko simetričnih obdelovancih in rezalnih orodjih. Aksialna os je pravokotna na drugi dve osi in vzporedna z osjo obdelovanca oziroma rezalnega orodja. Slika 2.4 prikazuje ravnine TA, AR in TR, ki jih tvorimo iz parov treh koordinatnih osi.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 22

Slika 2.3: Smeri T, A in R pri struženju (levo) in frezanju (desno)

Slika 2.4: Definicija ravnin TA, AR in TR pri struženju

2.2 Rezalni parametri, prerez odrezka in pretok odrezkov Z rezalnimi parametri označujemo veličine, od katerih je odvisna odstranjena količina materiala na časovno enoto. Izbrane vrednosti parametrov nastavljamo na obdelovalnem stroju.

Rezalna hitrost vc [m/min] je definirana kot hitrost, s katero se rezalno orodje premika po površini obdelovanca med procesom odrezavanja. Gre za relativno hitrost oz. hitrost gibanja orodja glede na površino obdelovanca, ne glede na to, ali se giblje samo orodje oz. obdelovanec ali sta v gibanju oba. Od rezalne hitrosti sta v veliki meri odvisni stopnja odvzema materiala in potrebna moč.

Podajanje f [mm/vrt] je aksialni ali radialni pomik obdelovanca oz. rezalnega orodja na en vrtljaj orodja ali obdelovanca. Gre torej za medsebojni premik orodja in obdelovanca v danem časovnem obdobju. V praksi podajamo njegovo velikost tudi v mm/min, denimo pri frezanju. Pri večrezilnih postopkih, kot sta vrtanje in frezanje, lahko navajamo podajanje na rezilo ali celotno podajanje rezalnega orodja kot vsoto podajanj vseh aktivnih rezil.

Globino prodiranja rezalnega orodja v površino obdelovanca, ki je prikazana na primeru struženja na Sliki 2.6, imenujemo globina rezanja ap [mm]. Globino rezanja merimo pravokotno glede na smer podajanja.

Za vsak proces odrezavanja lahko določimo tri osnovne parametre: teoretično debelino odrezka h1, teoretično širino odrezka b1 in teoretično hitrost odrezka. Hitrost odrezka vch je manjša _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 23

od rezalne hitrosti vc zaradi zavornega delovanja na stiku med rezalnim orodjem in obdelovancem.

Slika 2.5 ilustrira parametre procesa v prerezu, ki je pravokoten na rezalni rob. Podoben prerez bi dobili v poljubni točki na rezalnem robu oz. v poljubnem trenutku procesa odrezavanja in je v grobem reprezentativen za vse postopke odrezavanja. Če glavna dimenzija rezalnega roba ni pravokotna na os R, je dolžina aktivnega dela rezalnega roba večja od globine rezanja, enako pa velja tudi za teoretično širino odrezka b1. Kot med rezalnim robom in osjo obdelovanca v ravnini AR imenujemo nastavni kot κ.

Glavne veličine, s katerimi računamo prerez odrezka, so za primer struženja prikazane na Sliki 2.6.

Nastavni kot lahko identificiramo za vsak postopek odrezavanja.

h2

vc

h1 Slika 2.5: Parametri procesa odrezavanja v prerezu A‐A (Slika 2.6), projiciranem na ravnino TA: debelina odrezane plasti oz. teoretična debelina odrezka h1, debelina odrezka h2 in rezalna hitrost vc

Slika 2.6: Definicija glavnih veličin za določanje prereza odrezka v ravnini AR pri struženju

Prerez odrezka A predstavlja obliko in dimenzije materiala, ki se pretvori v odrezek, in sicer tik pred deformacijo (Slika 2.6). Če ima orodje nastavni kot κ, je širina odrezka večja od radialne globine rezanja, debelina odrezka pa manjša od nastavljenega podajanja. Enačba 2.1 približno opisuje relacije med rezalnimi parametri in osnovnimi parametri procesa:

h1  f  sin  b1 

ap

Enačba 2.1

sin 

Za približen izračun prereza odrezka lahko uporabimo Enačbo 2.2: A  a p  f  b1  h1

Enačba 2.2

Približna formula za prerez odrezka A je le omejeno uporabna za grobe obdelave, kjer je globina rezanja ap razmeroma velika v primerjavi s podajanjem f.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 24

Iz rezalnih parametrov lahko izračunamo količino odrezkov, ki jih orodje odstrani v časovni enoti (stopnja odvzema materiala: dV/dt = ap ∙ f ∙ vc, tudi MRR (angl.: Metal Removal Rate)). Oglejmo si primer najpreprostejšega izračuna za vzdolžno struženje. Enačba 2.3 podaja količino odstranjenih odrezkov v časovnem obdobju: V  a p  f  vc  t  b1  h1  vc  t

Enačba 2.3

Količina odrezkov, odstranjenih na časovno enoto, je spremenljivka izjemnega pomena v raziskavah in razvoju procesov odrezavanja. Pri tem je treba omeniti tudi to, da obstojnost orodja pri mnogih postopkih nima pomembnejše vloge v celotnih stroških obdelave.

Ločimo grobe in fine obdelave. Cilj prvih je odstranitev čim večje količine materiala na časovno enoto s čim nižjimi stroški, izbrani rezalni parametri pa so zato tako visoki, kot jih dopuščajo stroj, rezalno orodje in obdelovanec.

Pri finih obdelavah je drugače, saj morajo izpolnjevati tudi zahteve glede točnosti dimenzij, lastnosti površine izdelka idr. Zanje zato izbiramo manjše vrednosti podajanja in globine rezanja, kakor tudi razmeroma visoke rezalne hitrosti.

Rezalni parametri za grobe in fine obdelave so tesno povezani tudi s težavnostjo obdelave materiala. Ni nenavadno, da so rezalni parametri, ki so najprimernejši za grobo obdelavo enega materiala, hkrati tudi najboljša izbira za fino obdelavo drugega materiala. Rezalni parametri so odvisni od obdelovanega materiala, obdelovalnega postopka, stopnje prekinjenosti procesa odrezavanja, pričakovane obstojnosti orodja, geometrije obdelovanca, zahtevane ravni kakovosti obdelave ter stabilnosti procesa in obdelovalnega sistema, nenazadnje pa tudi od razpoložljivih orodnih materialov in geometrij.

2.3 Geometrija rezalnega orodja Geometrija rezalnega orodja pomeni značilno obliko in dimenzije orodja, opisujemo pa jo z različnimi koti. Njen opis je zahtevnejši pri orodjih ukrivljenih oblik. Razvoj na področju izdelave rezalnih orodij je omogočil vse kompleksnejše geometrije. Ločimo makrogeometrijo in mikrogeometrijo rezalnega orodja: prva zajema vse poglavitne geometrijske značilnosti, medtem ko se druga nanaša predvsem na obliko rezalnega roba oz. linije roba. Geometrija orodja neposredno vpliva na proces odrezavanja in primerna geometrija je zato zelo pomembna za doseganje želenih rezultatov obdelave.

2.3.1 Osnovna geometrija orodja Na področju označevanja geometrije rezalnih orodij za obdelavo kovin veljajo različni standardi.

Dva pomembna kota sta kot klina  in kot pri vrhu ε, ki vplivata na delovanje rezalnega orodja na dva načina: večja ko sta, močnejši je rezalni rob in boljše je odvajanje toplote oz. hlajenje rezalnega roba.

Radij roba rβ pogosto opisujemo kot idealen krožni odsek, v resnici pa lahko linija roba (geometrijska linija, ki poteka vzdolž aktivnega dela rezalnega roba) tudi odstopa od idealne oblike. Ni nenavadno, da se radij roba povečuje od cepilne proti prosti ploskvi in tako dobi obliko, ki je podobna evolventi. Radij zaokrožitve se lahko spreminja tudi vzdolž linije roba in je nekoliko večji v vogalih in na konveksnih prehodih, denimo na zaokroženi konici stružnega orodja. Točno izvedbo radija in oblike roba imenujemo tudi mikrogeometrija rezalnega orodja.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 25

      b r

prosti kot kot klina cepilni kot kot konice nagibni kot nastavni kot stranski nastavni kot radij konice

Slika 2.7: Koti in druge geometrijske značilnosti stružnega orodja; po Viereggeju1

Cepilni in prosti kot sta odvisna od medsebojne lege rezalnega orodja in obdelovanca. Prosti kot rezalnemu orodju zagotavlja dostop do površine obdelovanca ter neovirano gibanje glede na obdelovanec in nastajajočo površino. Velikost prostega kota je delno odvisna od tega, ali gre za notranjo ali zunanjo obdelovalno operacijo. Dejanski oz. efektivni prosti kot se zmanjšuje s povečevanjem podajanja, mora pa biti tudi večji od kota podajanja, da orodje lahko reže. Prosti kot se lokalno zmanjšuje zaradi postopne obrabe na prosti ploskvi orodja, in če se to dogaja dovolj dolgo, doseže vrednost 0°. V primeru zelo močne obrabe lahko postane prosti kot celo negativen.

Takšno zmanjševanje prostega kota zaradi obrabe na prosti ploskvi je dejavnik, ki vpliva tako na zmogljivost kakor tudi na obstojnost orodja.

Cepilni kot vpliva na polmer nastalih odrezkov: negativen cepilni kot daje manjši, pozitiven pa večji polmer. Vpliva tudi na velikost in smer rezalnih sil: pri pozitivnem cepilnem kotu so te sile manjše, rezalni rob pa je šibkejši in se lahko prej poškoduje, npr. med obdelavo s prekinitvami.

Cepilni kot lahko odločilno vpliva na dinamiko procesa odrezavanja.

Trdnost rezalnega roba je mogoče izboljšati s pripravo posnetja pod določenim kotom in na določeni širini. Na ta način se poveča kot klina in izboljša obremenljivost rezalnega roba. Posnetja so pogosta pri rezalnih robovih orodij, ki so namenjena prekinjenim obdelavam. Geometrijska oblika posnetja se lahko spreminja vzdolž rezalnega roba, to pa je odvisno od namena uporabe orodja (Slika 2.8).

Slika 2.8: Rezalni rob z geometrijo za lomljenje odrezkov (a), s posnetjem (b), z umetno obrabno ploskvijo VBs ter (c) s kombinacijo posnetja in umetne obrabne ploskve VBs

1

Vieregge G., Zerspanung der Eisenwerkstoffe, Verl. Stahleisen, Düsseldorf, 1959.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 26

Podobno kot cepilni in prosti kot sta tudi nastavni kot κ in stranski nastavni kot κb odvisna od lege rezalnega orodja. Od izbranega nastavnega kota sta odvisni teoretična debelina odrezka h1 in z njo povezana teoretična širina odrezka b1 (Slika 2.9). Glavni razlogi za izbiro nastavnega kota, manjšega od 90°, so: ̶ Zmanjšanje h1 in povečanje b1 za ugodnejšo razporeditev obremenitev po večjem delu rezalnega roba, kar je pomembno predvsem pri grobih obdelavah. ̶ Ugodnejša smer odvajanja odrezkov, ki pomaga pri lomljenju. ̶ Zmanjšanje obremenitev na zaokrožitvi konice, saj se mesto prvega stika med rezalnim robom in obdelovancem odmakne od nje. ̶ Več prostora za povečanje kota pri vrhu ε in s tem izboljšanje trdnosti orodja.

Radij konice r je zaokrožitev rezila, ki zagotavlja ustrezno trdnost orodja v predelu konice, skupaj s podajanjem pa določa teoretično hrapavost površine.

Nagibni kot λ vpliva na rezalne sile in odvajanje odrezkov in je lahko pozitiven, negativen ali nevtralen. Najugodnejše obremenitvene pogoje dosežemo pri negativnem nagibnem kotu, kar je še posebej pomembno pri rezanju s prekinitvami. Negativen nagibni kot pa povzroči tudi odvajanje odrezkov v smeri obdelovanca in s tem tveganje poškodb njegove površine. Dejanska rezalna geometrija se lahko spremeni med samim procesom odrezavanja zaradi lepljenja obdelovanega materiala na rezalno orodje ter zaradi oblikovanja nalepljene plasti in nalepka.

Glavni rezalni rob je tisti del rezila, ki pri odrezavanju opravi glavnino dela. Sosednji del orodja je stranski rezalni rob, prehod med glavnim in stranskim rezalnim robom pa je običajno izveden v obliki radija, pri stružnem orodju kot zaokrožena konica. Možne so tudi druge geometrije prehoda, npr. dvojni radiji ali evolventne krivulje v kombinaciji s posnetji. Najustreznejša geometrija je odvisna od vsakokratne naloge.

Slika 2.9: Vpliv nastavnega kota na teoretično debelino odrezka h1 in na obliko prereza odrezka (pri konstantnem podajanju f)

Cepilna ploskev je površina rezalnega orodja, po kateri drsijo odrezki, prosta ploskev pa je površina orodja, ki je v stiku z obdelano površino.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 27

2.3.2 Standardizirana področja uporabe Namembnosti orodij iz karbidnih trdin delimo v šest glavnih razredov: P, M, K, N, S in H (Preglednica 2.1). Ti se nato delijo še v podrazrede glede na zahtevano obstojnost proti obrabi in žilavost. Protiobrabna obstojnost orodja je odvisna tako od rezalnega materiala kakor tudi od prevlek. Žilavost oz. žilavostne lastnosti so predvsem funkcija lastnosti obdelovanega materiala ter mikro‐ in makrogeometrije rezalnega orodja.

Razred P pokriva aplikacije obdelave materialov, ki tvorijo dolge odrezke: dinamične obremenitve rezalnega roba so majhne, materiali pa so nagnjeni k lepljenju na rezalni rob. Rezalno orodje je izpostavljeno majhnim tlačnim napetostim, majhno pa je tudi tveganje plastične deformacije.

Aplikacije v tem razredu imajo oznake od P01 do P50: obdelave v skupini P01 zahtevajo največjo obstojnost proti obrabi, tiste iz skupine P50 pa največjo žilavost.

V razred K uvrščamo obdelave materialov, ki tvorijo kratke odrezke, povezane pa so z razmeroma velikimi dinamičnimi obremenitvami rezalnega roba. Podskupine (K01, K10 ... K40) se znatno razlikujejo po statičnih obremenitvah rezalnega roba. V skupini K01 so aplikacije obdelave kaljenih materialov z velikimi kontaktnimi pritiski, skupina K40 pa nasprotno zahteva žilavost orodja, še posebej pri obdelavah s prekinitvami.

Aplikacije razreda M so nekje med razredoma P in K. Podrazredi nosijo oznake M10, M20, M30 in M40. Obremenitve rezalnega roba pri aplikacijah M10 so nekje med ravnema obremenitev K01 in K10, medtem ko so pri aplikacijah M30 zelo podobne ravni obremenitev razreda P30. Razredi N, S in H, ki so bili uvedeni leta 2004, pokrivajo zelo široko področje uporab: poleg karbidnih trdin vključujejo tudi trše rezalne materiale, kot so rezalne keramike, cBN in diamantna orodja (Diamond Containing Composites, DCC). Aplikacije razreda N vključujejo neželezne zlitine aluminija in magnezija ter nekovinske materiale. Razred S pokriva obdelavo toplotno obstojnih zlitin (superzlitine in titanove zlitine), aplikacije razreda H pa obdelavo trdih železovih zlitin, kaljenega jekla in trdih ali kaljenih ulitkov.

Rezalna orodja lahko danes po zaslugi sodobnih prevlek in substratov pogosto izkoristimo za različne aplikacije in stari način razvrščanja orodij po namembnosti v luči tega razvoja tako ni vedno primeren.

Da bi izpolnili vse zahteve glede rezalnega orodja za določen namen uporabe, moramo upoštevati naslednje parametre: ̶ sestava in mikrostruktura rezalnega materiala; ̶ vrste prevlek oz. lastnosti, vrstni red in način nanosa posameznih slojev; ̶ makrogeometrija in lega rezalnega roba; ̶ mikrogeometrija rezalnega orodja, vključno z lastnostmi površine; ̶ oblika in lastnosti orodnega držala.

Naštetim konstrukcijskim parametrom se pridružujejo zahteve v zvezi z naslednjimi lastnostmi, ki jih mora izpolnjevati držalo orodja oz. druga priprava, v katero je pritrjeno orodje ali ki le‐tega drži: ̶ natančno pozicioniranje aktivnega dela rezalnega roba; ̶ mehanska stabilnost; ̶ toplotne lastnosti; ̶ druge funkcionalne lastnosti.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 28

Preglednica 2.1: Področja uporabe (po ISO 513): A) intenzivnejši razvoj toplote in višje temperature, B) večje rezalne sile; 1) večja obstojnost rezalnega materiala proti obrabi, 2) večja žilavost rezalnega materiala

2.3.3 Teoretična površinska hrapavost Teoretična površinska hrapavost je odvisna od podajanja in geometrijske oblike rezila, vključno z obliko glavnega in stranskega rezalnega roba. Pri struženju je odvisna od zaokrožitve konice orodja. Odvisnost med Rmax, radijem konice r in podajanjem f prikazuje Slika 2.10.

Slika 2.10: Teoretična največja višina profila Rmax pri struženju

Teoretično najvišjo višino profila Rmax lahko izračunamo po Enačbi 2.4: Rmax  r  r 2  Rmax

f2  8r

f2 4

Enačba 2.4

Ta velja v primeru, da obliko površine določa samo zaokrožena konica rezalnega orodja. Če ta pogoj ni izpolnjen, npr. zaradi visoke vrednosti f ali majhnega radija konice, enačba ne daje točnih vrednosti za Rmax. Pri struženju z različnimi vrednostmi podajanja f sta geometrija obdelane površine in vrednost Rmax določeni z delovanjem glavnega rezalnega roba, stranskega rezalnega roba in/ali konice (Slika 2.11): (a) površino oblikuje le zaokrožena konica, (b) površino oblikujeta stranski rezalni rob in zaokrožena konica, (c) površino oblikujejo glavni rob, stranski rob in zaokrožena konica. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 29

Slika 2.11: Pri različnih vrednostih podajanja f nastanejo površine z različnimi vrednostmi Rmax; po Puhasmägiju2

Ståhl3 je z analizo geometrije v okolici zaokrožene konice orodja prišel do Enačbe 2.5 za računanje teoretične vrednosti Ra:   f   2r r Ra  0.77  1   arcsin  f       2  r  

Enačba 2.5

2.3.4 Geometrijske spremembe rezalnega roba zaradi obrabe Obrabljanje rezalnega orodja med drugim povzroča tudi spremembe geometrije. Značilna vzorca obrabe, ki se pojavljata na rezalnem robu zaradi razmer med procesom odrezavanja, sta obraba na prosti ploskvi (VB) in kotanjasta obraba (KT).

KT

h2



vc h1

Fp Fc



VB Ff

Slika 2.12: Obraba na prosti ploskvi VB in obraba v obliki kotanje KT povzročita spremembo prostega kota α, cepilnega kota γ in prereza A‐A

Obraba na prosti ploskvi (VB) povzroči povečanje kontaktne dolžine med prosto ploskvijo rezalnega orodja in obdelovanim materialom. Prosti kot z napredovanjem obrabe proste ploskve postopoma izginja in se približa vrednosti α = 0° ali postane celo negativen. Istočasno se povečuje kot klina β. Obraba na prosti ploskvi vpliva na proces odrezavanja na različne načine, med drugim se povečajo mehanske obremenitve proste ploskve, kar vodi do povečanja upora proti odrezavanju.

2 Puhasmägi V., Finsvarvning med hårdmetall, licentiatrapport vid Institutionen för mekanisk teknologi vid, Tekniska Högskolan i Lund, Lund, 1973 (v švedščini).

3 Ståhl J.‐E., Schultheiss F., Hägglund S., Analytical and Experimental Determination of the Ra Surface Roughness during Turning, Proceedings of the 1st CIRP Conference on Surface Integrity, Bremen, 2012.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 30

Kotanjasta obraba (KT) povzroči povečanje cepilnega kota v bližini linije roba in primerljivo zmanjševanje cepilnega kota proti cepilni ploskvi. Zaradi povečanja cepilnega kota v bližini linije roba se zmanjša upor pri odrezavanju, vendar na škodo obremenljivosti rezalnega roba, ker se zmanjša kot klina β. V ustreznih okoliščinah se lahko cepilni kot po določenem času stabilizira in zavzame konstantno vrednost (t. i. naravni cepilni kot). Kotanjasta obraba se lahko pojavi na različnih razdaljah od linije roba, mesto nastanka obrabe pa je odvisno od kombinacije rezalnih parametrov in obdelovanega materiala. Pri materialih, ki tvorijo krhke in kratke odrezke, se lahko tovrstna obraba oblikuje zelo blizu linije roba in sovpade z obrabo na prosti ploskvi.

Zaradi obrabe na prosti ploskvi se obrablja konica rezalnega orodja in povečuje površina kontakta med konico in obdelovancem, posledično pa se povečuje ekvivalentni radij konice. Pri tovrstni obrabi je lahko hrapavost obdelane površine tudi manjša od teoretične, pogoj za to pa je odsotnost vseh motenj, npr. vibracij.

Med uporabo rezalnega orodja se včasih spreminja radij roba, kar pa ni pravilo. Rob se lahko v neugodnih okoliščinah zaradi hitro napredujoče obrabe ali deformacije močno poškoduje že v nekaj sekundah ali pa ostane nespremenjen praktično celo življenjsko dobo orodja. Z vzpostavitvijo naravnega radija roba oz. s konstantno velikostjo in obliko roba, ki bi se stabilizirali po postopni obrabi, praktično ni mogoče računati.

2.4 Parametri procesa odrezavanja Na dosegljive parametre rezultatov pomembno vplivajo različna dogajanja med procesom odrezavanja. Nekatera so primerna za geometrijski opis in meritve, pri čemer pa lahko nastopijo tudi težave zaradi vpliva merilne opreme na proces.

2.4.1 Koeficient nakrčenja in hitrost odrezka Odrezki se oblikujejo zaradi stika materiala z rezalnim orodjem in zaradi sil na cepilni ploskvi rezalnega orodja, ki omejijo gibanje materiala (Slika 2.13). Hitrost odrezka vch je manjša od rezalne hitrosti vc. Privzamemo lahko, da je obdelovani material nestisljiv in da mora biti debelina odrezka h2 zato večja od debeline odrezane plasti h1. Koeficient nakrčenja λh definira Enačba 2.6:

h 

h2 h1

Enačba 2.6

Odrezek se lahko tudi nekoliko razširi, toda običajno je dejanska širina enaka teoretični širini odrezka. Hitrost odrezka je torej: vch 

vc

h

Enačba 2.7

Slika 2.13: Debelina odrezka h2, hitrost odrezka vch in reakcije med rezalnim orodjem in obdelovanim materialom

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 31

2.4.2 Deformacijske cone in kontaktne dolžine Večina energije, vložene v proces odrezavanja, se pretvori v toploto zaradi plastične deformacije in trenja v treh deformacijskih conah, ki so prikazane na Sliki 2.14.

V primarni deformacijski coni (cona I) se material ločuje od obdelovanca in odstranjuje v obliki odrezkov. V sekundarni deformacijski coni (coni II) odrezki drsijo po cepilni ploskvi rezalnega orodja. V terciarni deformacijski coni (coni III) obdelovanec drsi proti prosti ploskvi rezalnega orodja in oblikuje se nova površina. Za vse tri je značilno povišanje temperature, ki je sorazmerno s prostornino cone in z množino energije, ki se tam pretvarja v toploto. Širino deformacijske cone I (εI) lahko ocenimo s hipno prekinitvijo odrezavanja in pripravo obruskov (Slika 2.16). Širina εI neposredno vpliva na hitrost deformacije med odrezavanjem.

Primerjalni širini sekundarne deformacijske cone (εII) in terciarne deformacijske cone (εIII) sta prikazani na Sliki 2.14. Obe močno vplivata na obstojnost rezalnega orodja: če sta coni ozki, je nastajanje toplote lokalizirano in nastopi znatno povišanje temperature, rezalno orodje pa se pospešeno obrablja. Dva različna obdelovana materiala lahko izkazujeta identično vedenje na prosti strani rezalnega orodja oz. imata enako vrednost εIII, medtem ko se močno razlikujeta v vrednosti εII. Obraba orodja na prosti ploskvi bo torej pri obeh materialih podobna, medtem ko se bo hitrost napredovanja kotanjaste obrabe močno razlikovala. Obstaja tudi odvisnost med širino deformacijske cone εIII in napetostnim stanjem obdelane površine izdelka. To še posebej velja za materiale, pri katerih zaradi deformacije nastopijo fazne premene. Za deformacijsko utrjene materiale je treba izbrati takšno velikost podajanja, da bo širina odrezane plasti h1 večja od εIII in rezalni rob ne bo rezal deformacijsko utrjene površinske plasti.

II III 

 III

Slika 2.14: Tri deformacijske cone med procesom odrezavanja (levo) ter njihove širine εI, εII in εIII (desno)

Na Sliki 2.15 desno je vidna deformacijsko utrjena plast na obdelani površini, ki lahko poškoduje oz. skrha rezalni rob. Širino deformacijske cone je mogoče določiti vizualno z mikroskopom, vendar z znatno merilno negotovostjo. Vizualno določena širina deformacijske cone je manjša (včasih precej manjša) od dejanske širine, ki jo lahko določimo denimo z meritvami mikrotrdote. Za materiale, kot je avstenitno nerjavno jeklo, ki se deformacijsko utrjujejo, je značilno povišanje trdote do globine približno 2 εIIIm. Pri materialih, kot je Alloy 718, ki so bolj nagnjeni k deformacijskemu utrjevanju, ugotavljamo povečanje trdote vse do globine 5 ∙ εIIIm (70–80 µm). Širina deformacijske cone, vtiski od meritev mikrotrdote v deformacijski coni III in tamkajšnje razpoke so prikazani na Sliki 2.15.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 32

Slika 2.15: Levo: prerez deformirane in obdelane površine evtektoidnega jekla velikosti 0,05 × 0,06 mm, globina deformirane cone εIII je približno 0,01 mm. Desno: prerez skozi površino evtektoidnega jekla z razpokami in poškodbami v deformacijski coni III.

2.4.3 Zastojna cona v procesu odrezavanja Zastojne cone oz. »mrtve točke« srečujemo v mnogih znanstvenih disciplinah, še posebej pri obravnavi dinamičnih tokovnih pojavov. Zastojna cona v procesu odrezavanja se oblikuje nekje na cepilni ploskvi. Obdelovani material je pritisnjen ob orodje in se mora premakniti bodisi proti cepilni bodisi proti prosti ploskvi. Kjer se tok materiala razcepi, se oblikuje zastojna cona (Sliki 2.16 in 2.17).

Zastojne cone se razlikujejo po velikosti in stabilnosti, delno zaradi lepljenja materiala na rezalno orodje in delno zaradi deformacijskega utrjevanja obdelovanega materiala. Središče zastojne cone v procesu odrezavanja imenujemo tudi zastojna točka. V tej točki nastopajo tudi spremembe predznaka strižnih napetosti glede na smer toka materiala. Glavni dejavniki, ki vplivajo na lego zastojne cone glede na linijo rezalnega roba, so cepilni kot γ, radij roba rβ in teoretična debelina odrezka h1. Njena lega je tako lahko pod radijem rβ, lahko pa je tudi nad koto 0,25 h1 (kota 0 je obdelana površina). Velikost in položaj zastojne cone sta povezana s širino deformacijske cone εIII. Vsi dejavniki, ki prispevajo k širitvi zastojne cone, prispevajo tudi k rasti vrednosti εIII in s tem k večjim preostalim napetostim v obdelanih površinah (Preglednica 2.2). Iz preglednice je razvidno, ali se zaradi določenega dejavnika povečajo ali zmanjšajo absolutne ravni napetosti, tj. ali dejavnik povzroča natezne ali tlačne napetosti, ni pa podatkov o velikosti območja, ki je odvisna predvsem od stabilnosti procesa.

Preglednica 2.2: Vpliv različnih dejavnikov na lego zastojne cone, širino deformacijske cone na površini εIII in absolutno raven preostalih napetosti na obdelani površini (+ pomeni povečanje, – pa zmanjšanje vrednosti)

Dejavnik

Lega zastojne cone

Velikost εIII

Preostale napetosti

Teoretična debelina odrezka, h1

+

+

+

+

Cepilni kot, γ

+

‐

‐

‐

Posnetje roba

+

+

+

+

Radij roba, rβ

+

+

+

+

+

+

+

+

Vedenje procesa Koeficient nakrčenja odrezka, λh

Fotografija na Sliki 2.16 je bila posneta s tehniko hipne prekinitve odrezavanja, pri kateri pridobimo »zamrznjeno« sliko procesa tako, da orodje s pomočjo vžiga smodniške polnitve hitro odmaknemo od obdelovanca. Odrezek ostane pritrjen na obdelovanec in ga lahko pripravimo za preiskavo pod mikroskopom.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 33

Slika 2.16: Zastojna cona na cepilni ploskvi (določena eksperimentalno in s simulacijo po metodi končnih elementov)

Slika 2.17: Zastojna cona na cepilni ploskvi (levo) in vpliv geometrije posnetja na zastojno cono (desno); M. Agmell, Univerza v Lundu, 2014

2.4.4 Ekvivalentna debelina odrezka he Prerez odrezka A lahko približno izračunamo kot zmnožek ap × f. Napaka zaradi te poenostavitve včasih ni zanemarljiva in Woxén4 je za take primere vpeljal ekvivalentno debelino odrezka he, ki jo prikazuje Enačba 2.8: he 

ap  f A  l b a p  r (1  cos  ) f  r  sin  2

Enačba 2.8

A = Aw je prerez odrezka (Enačba 2.2) in lb je aktivna dolžina rezalnega roba.

Slika 2.18: Prerez odrezka Aw po Woxénu in ekvivalentna debelina odrezka he

4

Woxén R., Theory and an Equation for the Life of Lathe Tools, Ingenjörsvetenskapsakademin, Handling 119, Stockholm, 1932.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 34

2.4.5 Minimalna teoretična debelina odrezka Pri odrezavanju kovin obstaja spodnja meja teoretične debeline odrezka h1 = h1min, pri kateri še deluje proces oblikovanja odrezkov. Ta mejna vrednost h1min je odvisna predvsem od radija roba rezalnega orodja rβ. Kot je razvidno na Sliki 2.19, postane efektivni cepilni kot γe pri preveliki vrednosti radija roba glede na debelino odrezka h1 zelo negativen. Taka geometrija ovira oblikovanje zastojne cone, ki je nujno za ločevanje materiala od obdelovanca. Odrezavanje brez zastojne cone je namreč možno le v posebnih okoliščinah, npr. pri obdelavi krhkih materialov.

Razmere, kjer niso več izpolnjeni pogoji za oblikovanje zastojne cone, prikazuje primer d) na Sliki 2.19. Površina obdelovanca se zgolj deformira, odrezki pa se ne oblikujejo več in ni ločevanja materiala, kar kažejo tudi rezultati simulacij po metodi končnih elementov na Sliki 2.20.

Slika 2.19: Delovanje procesa odrezavanja pri različnih kombinacijah radija roba in teoretične debeline odrezka do vrednosti h1 < h1min. Označen je tudi cepilni kot.

Za ostro rezalno orodje je značilen pojav samopodajanja, ki je odvisen od stabilnosti obdelovalnega stroja in upora proti podajanju, ki ga mora premagovati rezalni rob med obdelavo.

Sam upor je odvisen od površine stika med rezalnim robom in obdelovanim materialom. Na Sliki 2.21 je podana minimalna teoretična debelina odrezka pri različnih radijih roba za tri vrste jekel.

Najmanjša možna teoretična debelina odrezka h1min znaša približno 75 % radija roba pri stabilnih pogojih obdelave. Učinek samopodajanja je intenzivnejši pri bolj duktilnih materialih. Večji ko je prosti kot α, večje je tveganje samopodajanja zaradi manjšega upora proti podajanju v aksialni smeri. Obstaja tudi odvisnost med uporom proti podajanju in dinamičnim dušenjem procesa odrezavanja. Pozitiven cepilni kot v kombinaciji z materialom, ki povzroča visokodinamične rezalne sile, občutno poveča tveganje samopodajanja.

Slika 2.20: Simulacija minimalne debeline odrezkov h1min po metodi končnih elementov, Schultheiss5 et al.

V praksi se je izkazalo, da lahko pri mnogih obdelovalnih operacijah dosežemo zadovoljive rezultate tudi pri vrednostih h1, manjših od 50 % radija roba. Tedaj se namreč oblikuje stabilen nalepek iz deformiranega in utrjenega obdelovanega materiala, ki deluje kot umeten rezalni rob.

5

Schultheiss F., Agmell F., Högrelius B., Bushlya V., Ståhl J.‐E., Proceedings of Advanced manufacturing systems and technology AMST’11, 2011, str. 175–189.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 35

Tak nalepek, ki nastane v zastojni coni, ima lahko radij, manjši od radija roba orodja rβ. Nalepek se oblikuje predvsem pri materialih, ki so nagnjeni k deformacijskemu utrjevanju, in pri nizkih temperaturah, ki ne dopuščajo normalizacije obdelovanega materiala.

Obliko prehoda med glavnim in stranskim rezalnim robom rezalnega orodja lahko opišemo z radijem. Teoretična debelina odrezka se spreminja vzdolž radija od nazivne vrednosti po Enačbi 2.1 do vrednosti 0 (Slika 2.22).

0.10

h1min [mm]

0.08

0.06

0.04 G B A

0.02

0.00 20

40

60

80

100

120

rm]

140

Slika 2.21: Odvisnost minimalne teoretične debeline odrezka h1min [mm] od radija roba rβ [μm] pri struženju avstenitnega nerjavnega jekla (A), legiranega jekla (B) in cementiranega jekla (G)

Osnovni pogoji za odrezavanje izginejo, ko teoretična debelina odrezkov doseže kritično vrednost h1min. Obdelovani material se zdaj le še plastično deformira, odrezki pa ne nastajajo več. Plastično deformacijo je mogoče delno obvladati s podaljšanjem kontaktne površine na stranskem rezalnem robu, npr. z gladilno geometrijo. Tako rezalno orodje ustvarja bolj fino površino, vendar le pod pogojem, da povečanje kontaktne površine med rezalnim orodjem in obdelovancem ne privede do vibracij. Obdelovani material se giblje nasproti smeri podajanja (Slika 2.23), kar imenujemo bočno odtekanje in je tesno povezano z nastankom srha. Pojav bočnega odtekanja izravnava topografijo obdelane površine. Na notranjem robu odrezkov lahko občasno najdemo delce materiala, ki je bil odstranjen, ne da bi med procesom potoval preko strižne ravnine.

Slika 2.22: Teoretična debelina odrezkov (na skali m) vzdolž zaokrožene konice orodja; r = 1,2 mm, nastavni kot  = 90°, podajanje f = 0,4 mm/vrt.

Slika 2.23: Vplivi bočnega odtekanja in minimalna debelina odrezka h1min pri struženju materiala Alloy 718.

Levo: bočno odtekanje po obdelani površini, desno: delci na odrezkih (f = 0,2 mm/vrt, ap = 0,5 mm in r = 1,2 mm)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 36

0.8

h1(

f = 0.6

0.6

f = 0.4

0.4 f = 0.2

0.2

0.0 -20

0

20

40

60

80



100

Slika 2.24 Teoretična debelina odrezkov vzdolž konice za tri različne velikosti podajanja (radij pri vrhu r = 1,2 mm, in nastavni kot κ = 90°) Preglednica 2.3: Vpliv različnih dejavnikov na minimalno globino odrezka h1min, (+ povečanje vrednosti, – zmanjšanje vrednosti, 0 – brez vpliva)

Dejavnik

h1min

Radij roba, rβ Cepilni kot, γ Posnetje na robu Rezalna hitrost, vc Podajanje, f, (< 4 rβ) Prosti kot, α

+ + + + + +/‐

+ ‐ + ‐ (0) + 0

+

(‐)

Vedenje procesa Oblikovanje nalepka

2.4.6 Maksimalna debelina odrezka h1max za ap ≤ r Maksimalno teoretično debelino odrezka h1max za vrednosti ap ≤ r lahko izračunamo po Enačbi 2.9: h1 max  r  f2  ap  r 8 r

f 2  r 2  2 f 2a p  r  a p

2

Enačba 2.9

Na Sliki 2.25 je primer za radij zaokrožitve konice r = 0,8 mm. Na grafu lahko odčitamo maksimalno teoretično debelino odrezkov pri dani globini rezanja in velikosti podajanja. Ko pri globini rezanja ap = 0,1 mm dosežemo maksimalno debelino odrezka, enako ap, ta nato tudi pri večjih vrednostih podajanja f ostane konstantna.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 37

Slika 2.25: Maksimalna teoretična debelina odrezka h1max kot funkcija podajanja f za različne globine rezanja ap, r = 0,8 mm

Pri velikih obremenitvah, kot se npr. pojavljajo pri obdelavi kaljenega jekla, je lahko vrednost maksimalne debeline odrezka h1max odločilna za obstojnost rezalnega orodja.

Kontaktna dolžina med orodjem in obdelovanim materialom v predelu h1max

Slika 2.26: Obraba na prosti ploskvi VB in krušenje v predelu h1max po grobem struženju orodnega jekla Vanadis 4E v trdo z orodjem iz materiala cBN brez veziva (vc = 70 m/min, f = 0,5 mm/vrt, ap = 1 mm)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 38

3 Mehanska analiza Analiza mehanskih obremenitev vključuje velikost, značilnosti in porazdelitev rezalnih sil med procesom odrezavanja, kakor tudi odvisnosti med rezalnimi silami in obdelovanim materialom, geometrijo rezalnega orodja in drugimi dejavniki. Mehanske obremenitve kot omejitveni dejavnik vplivajo na rezultate procesov odrezavanja. Za vsako nalogo obstaja optimalno ravnovesje med rezalnim materialom, geometrijo orodja in rezalnimi parametri, ki je med drugim odvisno tudi od velikosti in narave mehanskih obremenitev.

Večina modelov procesa odrezavanja in pričakovanih rezultatov vključuje mehanske obremenitve.

Te delujejo na rezalni rob, povzročajo reakcijske sile v obdelovanem materialu in s tem vplivajo na dimenzije in lastnosti površine obdelovanca (topografija površine, mikrostruktura in napetosti).

Mehanske obremenitve zaradi rezalnih sil odločajo tudi o učinkovitosti pritrditve in deformacijah obdelovanca.

3.1 Statične rezalne sile Ločimo statične in dinamične komponente rezalnih sil. Statične so povprečne vrednosti rezalnih sil v času, dinamično spreminjanje rezalnih sil pri konstantnih rezalnih parametrih pa izhaja iz spremenljivega upora pri odrezavanju, npr. zaradi nehomogene mikrostrukture obdelovanega materiala. Pri obdelovalnih postopkih, kot je frezanje, kjer iz same narave postopka izhaja variabilnost teoretične debeline odrezka, lahko govorimo o trenutnih rezalnih silah, ki pri določenem položaju rezalnega roba glede na obdelovanec zavzamejo določeno vrednost.

Povprečne rezalne sile so tako odvisne od spremenljive teoretične debeline odrezkov (zaradi relativnega položaja rezalnega roba glede na obdelovanec) in spremenljivega upora (zaradi neenakomerne strukture materiala).

3.1.1 Merjenje statičnih rezalnih sil Meritve rezalnih sil so v veliko pomoč pri razvoju rezalnega orodja. Zmogljivost senzorjev za merjenje rezalnih sil je odvisna od njihovih dinamičnih lastnosti, občutljivosti in lezenja signala. Vsak senzor ima pasovno širino, s katero je določena sposobnost registracije visokofrekvenčnih dinamičnih komponent sile.

Točnost rezultatov meritev amplitude in frekvence rezalnih sil je odvisna tudi od lastnih frekvenc senzorja. Tukaj opisani senzorji se uporabljajo predvsem za meritve statičnih rezalnih sil. Računalniki so danes že dovolj zmogljivi, da ne predstavljajo ozkega grla pri zbiranju in analizi signalov senzorjev za merjenje rezalnih sil.

3.1.2 Modeliranje statičnih rezalnih sil V tem podpoglavju si bomo ogledali model mehanskih obremenitev pri stacionarnem odrezavanju. Model opisuje sile, ki delujejo na rezalno orodje v različnih pogojih, ne upošteva pa položaja zastojne točke na cepilni ploskvi rezalnega roba. Če cepilni kot ni enak 0°, je potreben popravek, saj se smer aksialnih rezalnih sil na cepilni ploskvi ne ujema s smerjo odtekanja odrezkov. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 39

Model je uporaben za naslednje namene:

̶ ̶ ̶

modeliranje toplotnega stanja procesa odrezavanja, modeliranje napetostnega stanja na rezalnem robu, modeliranje makro‐ in mikrodeformacij obdelovanca.

Model temelji predvsem na meritvah rezalnih sil. Rezalne sile lahko opišemo s tremi medsebojno pravokotnimi komponentami Fc, Ff in Fp.

h2

h1

Fc

vc

Fp Ff

Slika 3.1: Sile med procesom struženja (κ < 90o) v ravnini TA (levo) in v ravnini AR (desno)

Rezultanto rezalnih sil F lahko izračunamo kot: F  F f2  Fp2  Fc2

Enačba 3.1

Velikost rezalnih sil je predvsem funkcija prereza odrezkov (tj. podajanja in globine rezanja) ter lastnosti obdelovanega materiala. Nanje lahko v manjši meri vplivajo tudi drugi dejavniki, kot so cepilni kot, nagibni kot, rezalna hitrost, temperature v procesu, rezalni material in hladilno sredstvo.

Slika 3.2: Komponente in rezultanta sil F pri struženju

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 40

Komponente sile Fc, Ff in Fp lahko pogosto modeliramo z linearnimi funkcijami (Enačba 3.2). To še posebej velja za rezalna orodja s konstantnim cepilnim kotom γ.

Fc  C2  C1  h1 F f  D2  D1  h1

Enačba 3.2

Fp  E2  E1  h1

Slika 3.3: Primeri statičnih rezalnih sil Fc in Ff (prikazane so minimalna, srednja in maksimalna vrednost) pri vzdolžnem struženju staranega materiala Alloy 718 kot funkcija majhnih vrednosti teoretične debeline odrezka h1; vc = 200 m/min, b = 2,5 mm

Kontaktna dolžina na prosti ploskvi je običajno opisana z radijem roba rβ in velikostjo obrabe na prosti ploskvi VB. Model velja za vrednosti kontaktne dolžine, ki presegajo minimalno kritično kontaktno dolžino, običajno vsaj 80 μm.

Slika 3.4: Komponente rezalne sile Fc, Ff in Fp pri struženju jekla (vc = 100 m/min, h1 = 0,5 mm, ap = 3 mm), izmerjene z visokofrekvenčnimi merilniki

Za približen izračun vrednosti rezalnih sil C2, D2 in E2 v odvisnosti od povprečne obrabe na prosti ploskvi VB vzdolž aktivnega rezalnega roba lahko uporabimo Enačbo 3.3: C2  C22  C21  VB D2  D22  D21  VB

Enačba 3.3

E2  E22  E21  VB

Konstante v Enačbi 3.3 so odvisne od geometrije proste ploskve (radij roba, posnetje), prevlek in lahko tudi od prostega kota α. Sile, ki delujejo na prosto ploskev, so približno sorazmerne z vrednostjo VB, ko ta preseže kritično kontaktno dolžino. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 41

F

D2

Fc Ff

C2 h1 Slika 3.5: Rezalni sili Fc in Ff kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 (levo), konstanti C2 in D2 kot funkcija obrabe na prosti ploskvi VB (desno)

Enačbi 3.2 in 3.3 lahko povežemo v linearen model za opis rezalnih sil pri različnih obdelovanih materialih, stanjih orodja in teoretičnih debelinah odrezka h1: Fc  C22  C21  VB  C1  h1 F f  D22  D21  VB  D1  h1

Enačba 3.4

Fp  E22  E21  VB  E1  h1

Na Sliki 3.7 so predstavljene rezalne sile Fc, Ff in Fp pri obdelavi različnih materialov z rezalnim robom, ki je namenjen srednje fini obdelavi. Slika 3.8 prikazuje rezalne sile Fc, Ff in Fp pri obdelavi istega materiala s tremi različnimi geometrijami za fino obdelavo (f = 0,05–0,3 mm, ap < 2 mm), srednje fino obdelavo (f = 0,2–0,4 mm, ap > 1 mm) in grobo obdelavo (f = 0,3–0,6 mm, ap > 2 mm).

Na Sliki 3.8 je razvidno, da so rezalne sile najmanjše pri fini obdelavi, kjer je najmanjša tudi teoretična debelina odrezka. Z večanjem vrednosti h1 sledi izhod iz predvidenega področja uporabe, cepilni kot γ postane bolj negativen zaradi vpliva geometrije za lomljenje odrezkov in rezalne sile naraščajo. Geometrije ploščic se razlikujejo predvsem po radiju roba in obliki geometrije za lomljenje odrezkov na cepilni ploskvi. Osnovna geometrija ploščic je prikazana na Sliki 3.6. Linearizacija po modelu iz Enačbe 3.2 je prikazana na Sliki 3.10. Koeficienti veljajo za neobrabljene robove, kar pomeni, da je kontaktna dolžina na prosti ploskvi približno enaka radiju roba, v tem primeru rβ = 50 μm.

Koeficienti C2, D2 in E2 so odvisni od triboloških razmer na prosti ploskvi. Ko se poveča obraba VB, se povečajo tudi koeficienti v Enačbi 3.4. Koeficiente določamo z meritvami rezalnih sil na rezalnem robu pri različnih kontaktnih dolžinah in vrednostih obrabe na prosti ploskvi.

Linearizacija po modelu iz Enačbe 3.3 je prikazana na Sliki 3.9.

V Preglednici 3.1 so zbrane konstante iz Enačbe 3.4 za različne obdelovane materiale. Primerjava pričujočih rezultatov z rezultati podobnih preiskav bi gotovo razkrila razlike zaradi drugačnih rezalnih robov in rezalnih hitrosti.

Slika 3.6: Oblika cepilne ploskve na ploščicah za fino obdelavo (F), srednje fino obdelavo (M) in grobo obdelavo (R)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 42

Preglednica 3.1: Primeri konstant v modelu rezalnih sil za različne obdelovane materiale, globino rezanja ap = 3 mm ter priporočena orodja in rezalne parametre C22

C21

C1

D22

D21

D1

E22

E21

E1

[N]

[N/mm]

[N/mm]

[N]

[N/mm]

[N/mm]

[N]

[N/mm]

[N/mm]

Siva litina SS 0125

230

‐

3137

260

‐

590

45

‐

310

Litina z vermikularnim grafitom CGI

250

‐

3270

298

‐

745

60

‐

380

Nodularna litina SS 0737

240

‐

3630

290

‐

760

45

‐

350

Obdelovani material

Cementirno jeklo SS 2172

230

1270

4710

120

4310

1480

40

‐

760

Jeklo za poboljšanje SS 2244

275

1530

5490

550

5630

1750

40

1525

1115

Nerjavno jeklo SS 2353

190

1350

5485

280

3625

1790

35

‐

515

Kaljeno jeklo za kroglične ležaje SS 2258, 100Cr6, 60 HRC

450

‐

12000

‐

‐

‐

‐

‐

‐

3000

Fp, Ff, Fc

Fc

2500

2000

1500

Ff 1000

Fp

500

0 0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

h1

0.45

Slika 3.7: Rezalne sile Fc, Ff in Fp pri obdelavi materialov SS 2244 (rdeče krivulje), SS 2172 (prekinjene modre krivulje) in SS 2353 (črne krivulje) z rezalnim robom za srednje fino obdelavo; vc = 240 m/min, ap = 3 mm in r = 0,8 mm 3000

Fp, Ff, Fc

Fc

2500

2000

1500

Ff 1000

Fp

500

0 0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

h1

0.45

Slika 3.8: Rezalne sile Fc, Ff in Fp pri obdelavi materiala SS 2244 s tremi različnimi ploščicami za fino obdelavo (črne krivulje), srednje fino obdelavo (prekinjene modre krivulje) in grobo obdelavo (rdeče krivulje); vc = 240 m/min, ap = 3 mm in r = 0,8 mm

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 43

5000

D2, C2, E2 4000 D2

3000

2000

C2

1000

E2

0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

VB

1.0

Slika 3.9: Izmerjene konstante rezalnih sil [N] kot funkcija obrabe na prosti ploskvi VB [mm] in regresijske linije po linearnem modelu 3000

Fc, Ff, Fp 2500

Fc

2000

1500 Ff

1000

500 Fp

0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

h1

0.5

Slika 3.10: Eksperimentalno določene rezalne sile [N] pri obdelavi materiala SS 2244 s ploščico za srednje fino obdelavo (vc = 240 m/min, ap = 3 mm in r = 0,8 mm) in regresijske linije po linearnem modelu

3.2 Upor pri odrezavanju in poraba moči Procese odrezavanja lahko opisujemo tudi s porabo energije na določeno količino odrezkov ali z močjo, ki je potrebna za odrezavanje. Poraba energije je neposredno povezana z obremenitvami rezalnega orodja oz. rezalnimi silami ter s povišanjem temperature.

3.2.1 Upor pri odrezavanju in specifična rezalna sila Upor pri odrezavanju je sila upora po celotnem prerezu odrezka, ki jo izkazuje obdelovani material pri dani aplikaciji z izbranim rezalnim orodjem in rezalnimi parametri. Odvisen je od geometrije rezalnega orodja in njenih sprememb v dobi obstojnosti. Statični upor pri odrezavanju Cr izračunamo kot količnik statične glavne sile in prereza odrezka (Enačba 3.5): Cr 

Fc h1  b

Enačba 3.5

Z vstavitvijo Enačbe 3.2 v Enačbo 3.5 lahko izračunamo upor pri odrezavanju kot funkcijo teoretične debeline odrezka h1. Z združitvijo Enačb 3.4 in 3.5 lahko opišemo odvisnost upora pri odrezavanju od teoretične debeline odrezka h1 in obrabe na prosti ploskvi VB: Cr 

C2  C1  h1 C1 C Cr   2  Cr1  2 h1  b b h1  b h1

Enačba 3.6

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 44

Upor pri odrezavanju karakterizirata parametra Cr1 in Cr2. Parameter Cr1 opisuje obremenitve in porabo energije na cepilni ploskvi, parameter Cr2 pa porabo energije na prosti ploskvi. Če se poveča dolžina stika med obdelovanim materialom in prosto ploskvijo, npr. zaradi povečanja obrabe na prosti ploskvi, se poveča tudi parameter Cr2. Vpliv obrabe na prosti ploskvi na upor pri odrezavanju lahko opišemo takole: Cr 

C22  C21  VB  C1  h1 Cr  Cr1  2 h1  b h1

F c C2  C1  h1  C22  C21  VB  C1  h1 C1 b C  C21  VB Cr2  22 b Cr1 

Enačba 3.7

Kot je razvidno iz Enačbe 3.6, je parameter Cr2 obratno sorazmeren s teoretično debelino odrezka h1, njegovo zmanjšanje pa lahko običajno kar zanemarimo. Parametra Cr1 in Cr2 se nekoliko zmanjšata tudi v območju lahkotnega odrezavanja (z minimalnimi obremenitvami in obrabo rezalnega roba) zaradi povišanja procesne temperature. V splošnem vsi parametri, ki vodijo k povišanju temperature v procesu, zmanjšajo upor pri odrezavanju (pri nespremenjeni geometriji rezalnega orodja).

Upor pri odrezavanju merimo z enoto N/mm2 ali Nmm/mm3, [mJ/mm3]. Ena enota Nmm/mm3 predstavlja količino energije, ki je potrebna za odstranitev 1 mm3 odrezkov. Iz Enačbe 3.6 sledi, da je poraba energije odvisna od teoretične debeline odrezka h1. Povečanje h1 vodi v zmanjšanje energije, ki jo porabimo za izdelavo določene količine odrezkov, saj se poraba energije na prosti ploskvi porazdeli po večji količini odrezkov. Porabljena energija na prosti ploskvi Cr2/h1 ne gre v oblikovanje odrezkov, ampak v deformacijo površine obdelovanca.

Upor pri odrezavanju lahko določimo po metodi meritve rezalnih sil s postopnim povečevanjem vrednosti podajanja. Pri tem je pomembno, da geometrija rezalnega orodja med meritvami ostane nespremenjena. Na Sliki 3.11 je prikazan statični upor pri odrezavanju za različne materiale, izračunan na osnovi podatkov v Preglednici 3.1.

Pojem »upor pri odrezavanju« je v terminologijo ponovno uvedel Ståhl6 in se pridružuje pojmoma »preoblikovalni odpor« za plastično preoblikovanje in »strižni odpor« za strig. Upor pri odrezavanju je parameter procesa, katerega pomen je do neke mere odvisen tudi od postopka odrezavanja, zato ga ne smemo obravnavati zgolj kot materialno konstanto. Sestavljata ga osnovna parametra Cr1 in Cr2, kjer Cr1 predstavlja materialno lastnost, Cr2 pa je bolj povezan z vrsto postopka in mikrogeometrijo rezalnega orodja.

V tehnični literaturi pogosto zasledimo pojem specifične rezalne sile kc, ki ga je uvedel Kienzle.

Njena osnovna definicija je enaka kot za upor pri odrezavanju. Specifično rezalno silo pogosto opisujemo z eksponencialno krivuljo, ki jo prikazuje Enačba 3.8. V modelu sta uporabljeni konstanti kc1.1 in mc, ki določata odvisnost specifične rezalne sile od teoretične debeline odrezka h1 oz. od ekvivalentne debeline odrezka he. Fizikalna interpretacija specifične rezalne sile kc je težavna, saj ta veličina zajema delovanje sil tako na cepilni kot na prosti ploskvi.

6

J.‐E. Ståhl, Skäreggars spontanhaverier, doktorska disertacija, Oddelek za proizvodno inženirstvo in materiale, Univerza v Lundu, Švedska, 1986 (v švedščini).

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 45

kc 

Fc b  kc1.1  h11 mc   kc1.1  h1 mc A b  h1

Enačba 3.8

1 mc 1

Fc  b  kc1.1  h

Specifično rezalno silo lahko opišemo na različne načine. Običajno privzamemo, da poteka linija Fc skozi koordinatno izhodišče in zato v Enačbi 3.2 določimo vrednost C2 = 0. Nato narišemo ravno linijo od koordinatnega izhodišča do sile Fc(h1 = 0,4). Slika 3.12 prikazuje primerjavo izmerjene glavne rezalne sile in glavne sile, izračunane na osnovi upora pri odrezavanju Cr po poenostavljeni krivulji kc, kjer smo privzeli, da je vrednost m enaka 0. Pripadajoči upor pri odrezavanju in specifične rezalne sile prikazuje Slika 3.13. Odvisnost med parametroma upora pri odrezavanju (Cr1 in Cr2) in parametroma specifične rezalne sile (kc1.1 in mc) je prikazana na Sliki 3.14.

Kot je razvidno, je vrednost kc1.1 približno enaka vrednosti Cr1, zato lahko vrednost kc1.1 povezujemo s porabo energije na cepilni ploskvi. Vrednosti parametrov kc1.1 in mc skupaj opisujeta porabo energije na prosti ploskvi. Kot je razvidno na Sliki 3.14, pri vrednosti mc = 0 ni porabe energije na prosti ploskvi, torej je Cr2 = 0.

Edini način za določitev upora pri odrezavanju oziroma specifične rezalne sile je z meritvijo rezalnih sil. Za približno oceno lahko merimo tudi moč, ki jo potrebuje motor vretena; gl. tudi Enačbo 3.10 in Enačbo 3.11.

Slika 3.11: Statični upor pri odrezavanju Cr [N/mm2] kot funkcija teoretične debeline odrezkov h1 za različne obdelovane materiale, določen na osnovi podatkov iz Preglednice 3.1 3000

Fc 2500 2000 1500 1000 500 0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

h1

0.5

Slika 3.12: Glavna rezalna sila Fc kot funkcija teoretične debeline odrezka h1: izmerjene vrednosti so označene s kvadratki, rdeča linija je linearna regresijska krivulja, modra linija je prilagojena krivulja rezalnih sil, ki poteka skozi koordinatno izhodišče in merilno točko Fc(h1 = 0,4)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 46

Cr, kc [N/mm 2]

4000

Cr

3500

kc 3000 2500 2000 1500 1000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

h1 [mm]

Slika 3.13: Upor pri odrezavanju Cr in specifična rezalna sila kc kot funkciji teoretične debeline odrezka: izmerjene vrednosti Fc/A (kvadratki), izračunan upor pri odrezavanju Cr (rdeča krivulja), izračunana specifična rezalna sila kc (črna krivulja) in aproksimacija Cr1 za primer poteka krivulje Fc skozi koordinatno izhodišče (modra vodoravna linija) Cr1

3200

400

Cr2

mc = 0.20

2800 mc = 0.30

kc1.1 = 3000

300

2000

2400 200

1500

2000

1000

100

1600 1200 1200

1600

2000

2400

2800

3200

kc1.1

0 0.0

0.1

0.2

0.3

mc

Slika 3.14: Odvisnost med parametroma upora pri odrezavanju (Cr1 in Cr2) in parametroma specifične rezalne sile (kc1.1 in mc)

3.2.2 Poraba moči pri odrezavanju Porabo moči Pt v procesu odrezavanja lahko izračunamo iz znanih rezalnih sil, rezalnih hitrosti in podajanj. Prispevek komponent rezalne sile k porabi moči opisuje Enačba 3.9: Pt  v f  F f  v p  F p  v c  Fc  Pc  v c  Fc

Enačba 3.9

Porabo energije v zvezi s podajanjem lahko običajno kar zanemarimo, saj znaša manj kot 1 % skupne porabe. Pri znani vrednosti upora pri odrezavanju Cr oz. specifične rezalne sile ks lahko izračunamo glavno silo Fc in moč po Enačbi 3.10: Pc  v c  Fc  v c  h1  b  Cr  v c  f  a p  Cr

Enačba 3.10

V vsakem obdelovalnem stroju prihaja do mehanskih izgub na zobniških prenosnikih in v drugih sistemih za prenos gibanja. Električna moč, ki jo obdelovalni stroj odjema iz omrežja, je zato vedno večja od moči, ki se rabi v procesu odrezavanja. Pri znanem izkoristku η lahko izračunamo celotno porabo moči z Enačbo 3.11:

Pm 

Pc



Enačba 3.11

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 47

Kadar smo omejeni z razpoložljivo močjo stroja, moramo izbrati maksimalno teoretično debelino odrezka in ne maksimalne rezalne hitrosti, saj se upor pri odrezavanju zmanjšuje s povečevanjem teoretične debeline odrezka.

3.3 Dinamične rezalne sile Potrebna moč za odrezavanje variira v odvisnosti od dejavnikov, kot so lastnosti obdelovanega materiala, geometrija rezalnega orodja in rezalni parametri. Statične rezalne sile smo si že podrobneje ogledali v poglavju 3.1, pri večini postopkov odrezavanja pa imamo opravka z dinamičnimi rezalnimi silami, kjer sta pomembni amplituda in frekvenca sile.

3.3.1 Merjenje dinamičnih rezalnih sil Merjenje dinamičnih rezalnih sil z ustrezno točnostjo je velik tehnični izziv. Naprave za merjenje rezalnih sil morajo imeti zelo visoke lastne frekvence oz. morajo biti zelo toge, prav tako pa morajo biti nameščene v neposredni bližini območja odrezavanja. Če je merilni sistem zelo tog, so signali razmeroma šibki, razmerje med signalom in šumom je majhno, stopnja občutljivosti na magnetne ali električne motnje, ki vplivajo na kakovost signala, pa je visoka. Bližje kot je senzor območju, kjer poteka proces odrezavanja, večje je tudi tveganje temperaturnega lezenja signala, ki ga ni težko pomotoma zamenjati za znak obrabe rezalnega orodja.

Slika 3.15: Napravi za meritev dinamičnih sil pri frezanju (Andersson7, Adolfsson8, levo) in pri struženju (desno)

3.3.2 Opisovanje dinamičnih rezalnih sil Amplitude komponent rezalnih sil opisujemo s faktorjem variabilnosti, ki je tako pri glavni sili npr. 𝜓 𝑡 .

Dinamika rezalnih sil (Slika 6.9) izhaja predvsem iz procesa oblikovanja odrezkov in je v veliki meri posledica variabilnih sil na cepilni ploskvi rezalnega orodja. Ta domneva je podprta z dejstvom, da se s približevanjem teoretične debeline odrezka h1 vrednosti nič tudi faktor variabilnosti približuje vrednosti nič. Pri majhnih vrednostih h1 so rezalne sile skoraj popolnoma statične. Faktor variabilnosti pri večini obdelovanih materialov raste s povečevanjem vrednosti h1. Ko se povečuje rezalna hitrost vc, se poveča tudi variabilnost frekvenčnega spektra rezalnih sil. Frekvence so sorazmerne z rezalno hitrostjo vc nad razmeroma širokim intervalom rezalnih hitrosti. V intervalu, kjer je ekvivalentna debelina odrezka he praktično konstantna, je faktor variabilnosti neodvisen od globine rezanja ap. Variabilnost frekvenčnega spektra rezalnih sil ter povezave med njo, segmentacijo in lomljenjem odrezkov si bomo ogledali pozneje. Faktor variabilnosti je delno 7 Carin Adolfsson/Andersson, Intermittenta flereggsprocesser – Modeller och metoder för belastningsanalys, Oddelek za proizvodno inženirstvo in materiale, Univerza v Lundu, Švedska, 1986 (v švedščini).

8 Adolfsson C., Ståhl J.‐E., Cutting force model for multi‐toothed cutting processes and force measuring equipment for face milling, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 35, str. 1715–1728, 1995.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 48

odvisen tudi od stopnje obrabe na prosti ploskvi, saj je dinamika procesa odrezavanja povezana z glavno silo.

Spremembe na prosti ploskvi imajo le omejen vpliv na faktor variabilnosti in vpliv obdelovanega materiala je torej večji od vpliva mikrogeometrije rezalnega roba. Primeri vrednosti faktorja variabilnosti za različne obdelovane materiale so zbrani v Preglednici 3.2.

Slika 3.17 prikazuje upor pri odrezavanju kot funkcijo h1. Črtkani liniji prikazujeta zgornjo in spodnjo ovojnico dinamičnega upora pri odrezavanju. Amplituda faktorja variabilnosti znaša ψcr,max = 0,2. Faktorji variabilnosti omogočajo izračun maksimalne ravni sil. Pri vrednosti ψcr = 0,2 je maksimalna obremenitev cepilne ploskve za 20 % večja od povprečne obremenitve, ki je enaka zmnožku C1 ∙ h1.

Preglednica 3.2: Primeri vrednosti faktorja variabilnosti rezalne sile (Fc) pri različnih obdelovanih materialih, h1 = 0,2–0,4 in b > 4 mm Faktor variabilnosti, ψCr,max

Vrsta materiala

Opombe

Siva litina

0,2–0,5

Fragmentacija odrezkov

Malolegirano jeklo

0,05–0,1

Deformiranje odrezkov

Visokolegirano jeklo

0,1–0,2

Segmentacija odrezkov

Feritno nerjavno jeklo

0,15–0,25

Segmentacija odrezkov

Avstenitno nerjavno jeklo

0,15–0,3

Segmentacija odrezkov

Povečanje faktorja variabilnosti je jasno povezano s povišanim tveganjem odpovedi rezalnega orodja zaradi nastanka razpok, zloma, krušenja ali luščenja, večje pa je tudi tveganje vibracij in nestabilnosti zaradi vzbujanja mehanskega sistema.

Slika 3.16: Glavna rezalna sila Fc(t), vsa dinamična dogajanja so na cepilni ploskvi orodja 4000

Cr 3500 3000 Cr, max = 0.2

2500 2000 1500 1000 0.0

Cr, max = -0.2

0.1

0.2

0.3

0.4

h1

0.5

Slika 3.17: Upor pri odrezavanju Cr (polna linija) ter zgornja in spodnja ovojnica dinamičnega upora pri odrezavanju (črtkani liniji) za amplitudo, ki ustreza vrednosti ψcr,max = 0,2

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 49

3.4 Postopki odrezavanja s prekinitvami V drugem poglavju smo uvedli razlikovanje med postopki odrezavanja brez prekinitev in s prekinitvami. Pri postopkih s prekinitvami, kot je denimo frezanje, rezalni rob ciklično vstopa in izstopa iz obdelovanca. Prekinitve odrezavanja lahko nastopijo tudi pri sicer neprekinjenih postopkih zaradi prekinjene površine obdelovanca. Tak primer je vzdolžno struženje gredi z utori za moznike. Postopki odrezavanja s prekinitvami imajo štiri faze:  faza vstopa, rezalna faza I;  stacionarna faza, rezalna faza II;  faza izstopa, rezalna faza III;  brezdelna faza, rezalna faza IV. Za vsak obdelovalni postopek, s prekinitvami ali brez, lahko okarakteriziramo relativni pomen posameznih rezalnih faz ter njihovo vlogo pri delovanju in obrabljanju rezalnega orodja. Faze I, III in IV močno vplivajo na delovanje in obrabljanje rezalnega orodja pri postopkih s prekinitvami. Pri neprekinjenih postopkih, kot je vzdolžno struženje, ima največji vpliv na delovanje in obrabljanje rezalnega orodja stacionarna faza. Velikostni razred hitrosti naraščanja rezalnih sil pri obdelavah s prekinitvami je 106–107 N/s, pri neprekinjenih obdelavah pa 102–104 N/s, denimo v fazi vstopa pri vzdolžnem struženju.

Na Sliki 3.18 je prikazan časovni potek sil Fc(t) in Ff(t) med odrezavanjem s prekinitvami. Faze I–IV so označene na časovni osi. Med fazo vstopa/rezalno fazo I se obremenitev aktivnih površin rezalnega orodja poveča od nič do vrednosti, ki presega srednjo vrednost obremenitev med stacionarno fazo/rezalno fazo II. V stacionarni fazi se nato odvije večina procesa oblikovanja odrezka. Če je debelina odrezka konstantna, npr. pri vzdolžnem struženju gredi z utorom za moznik, rezalne sile v tej fazi nihajo okrog stacionarne vrednosti.

Stacionarna faza pri frezanju je lahko zelo kratka, saj se teoretična debelina odrezka spreminja v odvisnosti od položaja rezalnega roba glede na obdelovanec. V fazi izstopa/rezalni fazi III se nato rezalno orodje razbremeni sil, ki jim je bilo izpostavljeno v stacionarni fazi. Ko se sile zmanjšajo na vrednost nič, se začne brezdelna faza, v kateri orodje ni več mehansko obremenjeno. Brezdelna faza traja pri frezanju vsaj 50 % časa enega vrtljaja orodja, točno trajanje faze pa je odvisno od premera frezala in širine obdelovanca. Stopnjo prekinjenosti lahko opišemo s količnikom aktivnosti orodja.

Slika 3.18: Rezalni sili Fcdyn in Ffdyn pri obdelavi s prekinitvami kot funkcija časa t (skala na osi y: Fi = 0,1–530 N)

Količnik aktivnosti orodja nam pove, kolikšen delež delovnega časa orodja predstavlja oblikovanje odrezkov. Pri frezanju je manjši od 0,5, kar pomeni, da prevladuje brezdelna faza. Vrednost _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 50

količnika pri postopkih odrezavanja s prekinitvami je vedno manjša od 1, pri neprekinjenih postopkih pa je enaka 1.

Posamezne faze lahko identificiramo tudi na diagramu poteka obremenitev, ki je prikazan na Sliki 3.19. Krivulja rezalnih sil se začne s fazo vstopa v koordinatnem izhodišču. Sila hitro naraste, najprej komponenta v osi T in nato še komponenta v osi A. Sledi stacionarna faza in začetek oblikovanja odrezkov. Temu sledita faza izstopa in nato brezdelna faza nazaj v koordinatnem izhodišču.

Potek krivulje obremenitev od koordinatnega izhodišča do začetka stacionarne faze je v veliki meri odvisen od geometrijske oblike rezalnega orodja in obdelovanca ter izbranih rezalnih parametrov.

Izogniti se je treba kakršnimkoli dogodkom, ki bi lahko privedli do poškodb rezalnega orodja, v prvi vrsti z izbiro ustreznega orodja. Tipi obremenitvenih vzorcev so povezani z vrstami poškodb rezalnega orodja, ugodne obremenitvene vzorce pri odrezavanju s prekinitvami pa lahko zagotovimo s primerno mikrogeometrijo rezalnega orodja.

V nadaljevanju sledi analiza štirih faz obdelav s prekinitvami. Potek sil je močno odvisen od izvedbe rezalnega roba in lastnosti rezalnega materiala. Za optimalno ravnovesje med žilavostjo in trdoto (krhkostjo) rezalnega orodja je treba skrbno preučiti delovanje rezalnih sil v fazah vstopa in izstopa. Če bi hipotetično odpravili ti dve fazi, bi lahko shajali z bistveno manj rezalnimi geometrijami in rezalnimi materiali.

Slika 3.19: Obremenitveni vzorec postopka obdelave s prekinitvami (skala na osi x: 0,1–530 N, skala na osi y: 0,1–265 N)

3.4.1 Faza vstopa (I) Porast sil v fazi vstopa obdelave s prekinitvami lahko razdelimo v več podfaz. Faza vstopa po formalni definiciji, ki sicer nima večjega praktičnega pomena, traja vse dokler rezalne sile ne dosežejo srednje vrednosti sil med stacionarno fazo. Ločimo te podfaze:  začetna plastična deformacija in začetni razvoj zastojne točke,  razvoj kontaktne dolžine,  podaljšanje kontaktne dolžine do vzpostavitve stacionarne faze.

V prvi podfazi se geometrija obdelovanca prilagodi geometriji rezalnega orodja z lokalno deformacijo obdelovanca in razvojem začasne zastojne točke na rezalnem orodju. Kje se bo oblikovala zastojna točka, je v veliki meri odvisno od geometrije rezalnega roba. Če ima ta pozitivno geometrijo, je zastojna točka sprva blizu linije roba, nato pa se med fazo vstopa postopoma premakne proti mestu, ki ga zaseda pozneje, v stacionarni fazi. Pri rezalnem orodju z negativno geometrijo je začasna zastojna točka sprva višje na cepilni ploskvi in se nato postopoma _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 51

premakne proti mestu, kjer bo v stacionarni fazi. Obremenitev cepilne ploskve je takrat največja (Slika 3.20). Izračuni kažejo, da je raven napetosti v tem trenutku največja. Amplituda rezalnih sil se med celotno fazo razvoja kontaktne dolžine postopoma povečuje, dokler ni dosežena stacionarna faza. Na to povečanje rezalnih sil, ki se nadaljuje do trenutka t2, vpliva tudi toplotno neravnovesje v fazi vstopa.

Pot, ki jo orodje opravi med vstopom do trenutka t2 na Sliki 3.20, lahko izračunamo in znaša približno 6 mm.

Na Sliki 3.21 so prikazane različne vrste stikov, ki izhajajo iz geometrije rezalnega orodja in obdelovanca: površina na površino, linijski stik in točkovni stik med orodjem in obdelovancem.

Stik je lahko na liniji roba, ob liniji ali na določeni razdalji od nje (višje na cepilni ploskvi).

Primerjava različnih situacij na Sliki 3.21 pokaže, da je povečanje sil največje v primeru b zaradi neposrednega stika površin, pri katerem se deformira največja količina materiala. Sila v osi A se lahko poveča šele, ko je material deformiran po osi T.

Slika 3.20: Dinamične rezalne sile v fazi vstopa orodja pri struženju materiala AISI 4340 s prekinitvami, (f = 0,5 mm/vrt, ap = 3 mm in vc = 100 m/min); Zhou9

Obremenitvene razmere omogočajo povečanje sile v osi T, ki ni povezano s povečanjem sile v osi A. Rezalni sili Fc in Ff torej na začetku faze vstopa nista povezani oz. se razvijeta z določenim časovnim zamikom. Za bolj uravnoteženo oz. hkratno povečanje sil v oseh T in A so ugodnejše razmere pod točko d.

Točkovni in linijski stik povzročata visoke lokalne napetosti, medtem ko je globalna raven napetosti manjša zaradi sinhronega razvoja rezalnih sil. Pojav lokalnih kontaktnih napetosti povečuje tveganje krušenja rezalnega roba in luščenja različnih vrst. Stik med velikima ploskvama v fazi vstopa iz primera b na Sliki 3.21 povzroči neželene napetosti, zaradi katerih se poveča tveganje popolne porušitve rezalnega orodja, medtem ko lokalne napetosti v tem oziru niso nevarne.

Na Slikah 3.22 in 3.23 so prikazani obremenitveni diagrami za različne kombinacije vstopnega kota i in cepilnega kota . Cepilni kot na Sliki 3.22 je pozitiven in vedno enak ( = +5°).

Neposreden polni kontakt površin nastane pri vstopnem kotu i = –5°. Za kratek čas se pojavi negativna sila v osi A, ki deluje zelo neugodno. V takih razmerah obstaja znatno tveganje razvoja kritičnih nateznih napetosti, ki lahko privedejo do porušitve rezalnega orodja.

Zaradi stabilnosti obdelovalnega sistema je prisotno tudi tveganje samopodajanja. Negativne podajalne sile prispevajo k povečanju teoretične debeline odrezka h1 in tako v pozitivni povratni 9

Zhou J., Mechanical Load Identification for Spontaneous Tool Failure Monitoring, Oddelek za proizvodno inženirstvo in materiale, Univerza v Lundu, 1996.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 52

zanki še povečajo obremenitve, proces odrezavanja pa lahko zato uide izpod nadzora. Nagnjenost k samopodajanju se povečuje z večanjem cepilnega kota  in zmanjševanjem radija roba r. Kot vidimo na Sliki 3.22, je očitno povečanje rezalnih sil pri vstopnem kotu, ki je večji od približno 10°.

Slika 3.23 prikazuje razmere pri negativnem cepilnem kotu  = –7°. V tem primeru pri nobenem od vstopnih kotov i ni popolnega stika med vzporednima ploskvama, kot je pod točko b na Sliki 3.21. Rezultati so ugodni za vse vstopne kote: jasno povečanje in nobenih večjih padcev rezalnih sil. Absolutna sprememba vrednosti rezalnih sil je večja (in ima pozitiven predznak) kot pri približno enako velikem pozitivnem cepilnem kotu. Elastičnost stroja med rastjo rezalnih sil v fazi vstopa privede do zmanjšanja teoretične debeline odrezka in rezalne sile se stabilizirajo v negativni povratni zanki.

Slika 3.21: Geometrija kontakta pri obdelavah s prekinitvami za nagibni kot  = 0° ter različne vrednosti vstopnega kota i in cepilnega kota 

Slika 3.22: Obremenitveni vzorci za cepilni kot  = +5° v kombinaciji z različnimi vrednostmi vstopnega kota i pri obdelavi sive litine s prekinitvami (f = 0,5 mm/vrt, ap = 4 mm, vc = 70 m/min; skala na osi x: Fc = 0,1–580 N, skala na osi y: Ff = 0,1–290 N)

Pri ostrem orodju, npr. s prostim kotom  > 5°, cepilnim kotom  > 5° in r < 40 m, se lahko velik del sile, usmerjene v cepilno ploskev, razvije, še preden zrase aksialna komponenta rezalne sile.

Za bolj sinhroniziran razvoj rezalnih sil oz. odpravo časovnega zamika pri razvoju komponent rezalne sile lahko uporabimo večji radij roba r, manjši cepilni kot , manjši prosti kot  ali večjo kontaktno dolžino na prosti ploskvi.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 53

Slika 3.23: Obremenitveni vzorci za cepilni kot  = –7° v kombinaciji z različnimi vrednostmi vstopnega kota pri obdelavi sive litine s prekinitvami (f = 0,5 mm/vrt, ap = 4 mm, vc = 70 m/min; skala na osi x: Fc = 0,1–1080 N, skala na osi y: Ff = 0,1–540 N)

Slika 3.24 ilustrira vpliv posnetja na rezalno orodje. Posnetje zagotavlja orodju negativno rezalno geometrijo v prvem delu faze vstopa in s tem bolj sinhroniziran razvoj komponent rezalne sile. Pri ostrih rezalnih robovih brez posnetij lahko opazimo določen časovni zamik pri razvoju teh komponent, medtem ko podajalne sile v prisotnosti posnetja zelo tesno sledijo glavni rezalni sili.

Potek sil v polovici prve milisekunde faze vstopa prikazuje Slika 3.25 in očiten je ugoden vpliv posnetja na razvoj rezalnih sil med vstopom.

Slika 3.24: Časovni potek razvoja rezalnih sil v fazi vstopa za rezalni rob s posnetjem in za oster rezalni rob pri struženju jekla s prekinitvami (f = 0,4 mm/vrt, ap = 3 mm in vc = 100 m/min)

Slika 3.25: Razvoj rezalnih sil v prvih 0,5 ms faze vstopa za rezalni rob s posnetjem in za oster rezalni rob pri struženju jekla s prekinitvami (f = 0,4 mm/vrt, ap = 3 mm in vc = 100 m/min)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 54

3.4.2 Stacionarna faza (II) Primerjava diagramov na Sliki 3.24 pokaže, da ima rezalni rob s posnetjem ugodnejši obremenitveni vzorec v fazi vstopa kot oster rezalni rob brez posnetja. To pa na velja za obremenitvene razmere v stacionarni fazi, kjer so povprečne sile večje pri orodju s posnetjem, posledično pa se povečajo tudi toplotne obremenitve in tveganje dinamičnih nestabilnosti.

Nekateri postopki odrezavanja s prekinitvami, kot je frezanje, imajo zelo omejeno stacionarno fazo, saj se debelina odrezka nenehno spreminja. Njeno trajanje je odvisno od položaja frezala glede na obdelovanec. Na Sliki 3.26 sta prikazani dve situaciji pri frezanju, ki se v stacionarni fazi močno razlikujeta. V primeru A prevladuje faza vstopa in o stacionarni fazi pravzaprav sploh ni mogoče govoriti. V primeru B orodje vstopa v obdelovanec z osrednjim delom in na diagramu lahko razmejimo štiri dobro razvite rezalne faze. Najdaljša med njimi je stacionarna faza, za obrabo orodja pa sta pomembnejši fazi I in III. Stacionarna faza pri obdelavah s prekinitvami ni neposredno primerljiva s stacionarno fazo pri obdelavah brez prekinitev. Pri teh jo merimo v minutah, medtem ko pri obdelavah s prekinitvami traja le od nekaj milisekund do največ ene sekunde. Pri procesih brez prekinitev se lahko razvije stacionarna temperatura oz. stacionaren temperaturni vzorec, medtem ko pri obdelavah s prekinitvami to ni mogoče. Rezalne sile v stacionarni fazi obdelav s prekinitvami so nekoliko večje zaradi višjih temperatur. Obstajajo tudi dokazi o vplivu procesov tribološke obrabe na raven rezalnih sil v stacionarni fazi neprekinjenih obdelav. V nobenem primeru pa ni mogoče jasno napovedati razvoja rezalnih sil le na osnovi topografije površine rezalnega orodja. Prav tako ni samoumevno, da bodo rezalne sile manjše pri orodjih z bolj gladko površino, ki imajo navadno slabšo obstojnost.

Slika 3.26: Glavna sila med frezanjem za dva različna položaja frezala glede na obdelovanec; po Adolfssonu7

Slika 3.27 prikazuje časovni potek glavne sile pri struženju jekla. Razvoj glavne sile je značilen, interpretiramo pa ga lahko na različne načine. Lahko domnevamo, da se proces v prvih dveh do treh sekundah toplotno stabilizira in da rezalna sila Fc upada, vse dokler narašča temperatura v procesu. Prav tako lahko privzamemo, da se topografija površine rezalnega orodja z začetno obrabo postopoma prilagodi obdelovanemu materialu. Ob širitvi aktivne kontaktne površine se _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 55

obdelovani material vse bolj lepi na aktivne površine rezalnega orodja, posledično pa se povečuje rezalna sila, ki po približno 20 sekundah neprekinjenega rezanja postane konstantna. Variacije glavne sile so navadno velikostnega reda 2 %, obraba in plastične deformacije pa lahko povzročijo tudi izrazitejše spremembe rezalnih sil.

Na Sliki 3.28 je orodje, ki je rezalo 20 sekund. Topografija površine orodja je spremenjena, ni pa mogoče opaziti drugih poškodb. Vidne spremembe so povezane s časom rezanja in z rezalno silo, ki je prikazana na Sliki 3.27.

Fc

1030

Neprekinjeno vzdolžno struženje jekla SS 1672 (AISI 1045)

[N] 1010 990

Toplotna nestabilnost

970 950 930

Toplotna in tribološka stabilnost

Tribološka nestabilnost 0

5

10

15

20

t [s]

Slika 3.27: Časovni potek glavne sile Fc pri struženju jekla; h1 = 0,1 mm, ap = 4 mm in vc = 300 m/min

Slika 3.28: V 20 sekundah rezanja se je spremenila topografija površine rezalnega orodja. Orodje pri tem ni utrpelo poškodb, ki bi neposredno vplivale na njegovo obstojnost.

3.4.3 Faza izstopa (III) Med fazo izstopa/rezalno fazo III izginejo vse obremenitve, ki jim je bilo rezalno orodje izpostavljeno v stacionarni fazi, sestavljena pa je iz petih zaporednih podfaz:  Zaradi plastične deformacije zunanje površine obdelovanega materiala se zmanjšata glavna in podajalna sila.  Začne se razvoj negativne strižne ravnine.  Strižna napetost na cepilni ploskvi spremeni smer.  Obremenitve cepilne ploskve izginejo.  Obremenitve proste ploskve prenehajo.

Podfaze se lahko prekrivajo v različnem obsegu. Na Sliki 3.29 je prikazan potek rezalnih sil v fazi izstopa pri obdelavi visokoduktilnega materiala. Ilustracije na desni ponazarjajo dogajanje v prvih štirih podfazah. Za fazo izstopa je značilno zmanjševanje obremenitev v nasprotni smeri kot med fazo vstopa.

V fazi izstopa se najprej zmanjša in izgine glavna sila, temu pa sledi razbremenitev proste ploskve rezalnega orodja, kot je razvidno iz obremenitvenega vzorca na Sliki 3.31.

Prva podfaza izstopa se začne, ko se rezalno orodje približa zunanji površini obdelovanca in se ta deformira. V drugi in tretji podfazi se razvije negativna strižna ravnina. Zdaj se odtrga odrezek v _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 56

bližini mejne površine obdelovanca, ta pa se še dodatno deformira. Spremeni se tudi smer odtekanja odrezkov, ki se sukajo čez radij rezalnega roba.

Med tem procesom se spremeni tudi smer strižnih napetosti, zastojna cona pa izgine. V četrti podfazi preneha tudi stik med odrezki in cepilno ploskvijo, dotikata pa se le še površina obdelovanca in prosta ploskev orodja. V peti podfazi se prosta ploskev končno razbremeni aksialnih in radialnih obremenitev, obdelovanec pa skoči nazaj kot vzmet. Za fazo izstopa so značilni odrezki v obliki škornja (Slika 3.29).

Slika 3.29: Dinamične rezalne sile v prvih štirih podfazah izstopa pri struženju jekla s prekinitvami (f = 0,5 mm/vrt, ap = 3 mm in vc = 100 m/min)

Ločevanje odrezkov od obdelovanca je lahko duktilno ali krhko (Slika 3.30). Pri duktilnem izhodu obstaja znatno tveganje deformacije robov obdelovanca.

Slika 3.30: Duktilni in krhki izhod rezalnega orodja iz obdelovanca

Pri krhkem izhodu, ki je verjetnejši pri odrezavanju krhkih materialov, npr. železove litine, lahko na enem ali več robovih obdelovanca namesto deformacije nastopi zlom. Takšne poškodbe lahko povzroči glavni ali stranski rezalni rob orodja in so zelo pogoste pri obdelavi sive litine v primeru močne obrabe na prosti ploskvi orodja (npr. VB > 0,4 mm). Te težave lahko po izkušnjah odpravimo z izdelavo posnetja na izhodni površini obdelovanca, ki zagotovi primeren izstopni kot (Slika 3.32). S pripravo posnetij na vogalih ulitkov ne povzročimo dodatnega povečanja proizvodnih stroškov, lahko pa izboljšamo proces odrezavanja, podaljšamo obstojnost orodja in preprečimo motnje v procesu. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 57

Ostri vogali in robovi pogosto povzročijo tudi hitrejše ohlajevanje in s tem povečanje trdote in krhkosti obdelovanega materiala, posledično pa večje obremenitve rezalnega orodja. Zato je smiselno, da pred neprekinjeno obdelavo zaokrožimo robove in vogale na obdelovancu.

Primer poteka rezalnih sil v fazi krhkega izhoda prikazuje Slika 3.33. Zaradi krhkosti obdelovanega materiala ni mogoče identificirati zmanjšanja pritiska glavne rezalne sile v prvih dveh podfazah, pred razvojem negativnega striga pa ni opazne deformacije robov obdelovanca.

Slika 3.31: Obremenitveni vzorec značilne faze izstopa, v kateri se cepilna ploskev pretežno razbremeni glavne sile, medtem ko prosta ploskev ostaja polno obremenjena v aksialni smeri (skala na osi x: Fc = 0,1–530 N, skala na osi y: Ff = 0,1–270 N)

Slika 3.32: Vstopni i in izstopni kot o pri obdelavi s prekinitvami

Slika 3.33: Dinamične rezalne sile med krhkim izhodom rezalnega roba pri obdelavi sive litine (f = 0,5 mm/vrt, ap = 3 mm in vc = 60 m/min)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 58

3.4.4 Brezdelna faza (IV) To je faza brez mehanskih obremenitev in napetosti povzroča le še ohlajevanje rezalnega orodja.

Kljub temu lahko tudi v tej fazi nastopijo določene mehanske obremenitve, kot je prikazano na Sliki 3.34 za primer neprekinjenega struženja. Če rezalni parametri pri šibkejšem obdelovalnem sistemu povzročijo elastične deformacije približno enakega velikostnega reda, kot je nazivna velikost podajanja, na obdelovanec in rezalno orodje delujejo preostale elastične sile tudi po prenehanju podajalnega gibanja. Te običajno niso dovolj velike, da bi lahko nastali odrezki ali da bi prišlo do odstranjevanja materiala s površine obdelovanca, še posebej v primeru izrazite obrabe na prosti ploskvi, ki zahteva večjo silo za oblikovanje odrezkov.

Tako vedenje ni edinstveno za struženje in je prisotno pri praktično vseh obdelovalnih postopkih. Čeprav ni dokumentiranih primerov poškodb rezalnega orodja zaradi teh elastičnih sil, je treba vedeti, da se pri obdelavi trdih materialov na strojih, ki niso dovolj togi, pogosto pojavlja luščenje in krušenje rezalnega roba, predvsem na prosti ploskvi. Tovrstnih poškodb zaradi prisotnosti sil v brezdelni fazi ni mogoče izključiti, zato je smiselno odmakniti rezalno orodje od obdelovalnega stroja takoj po tem, ko se prenehajo oblikovati odrezki.

Slika 3.34: Primer rezalnih sil, ki se pojavijo v brezdelni fazi neprekinjenega vzdolžnega struženja zaradi elastičnosti obdelovalnega sistema

3.5 Dinamika na cepilni ploskvi Dinamične normalne sile, ki delujejo na cepilno ploskev rezalnega orodja, imajo tangencialno in aksialno komponento (Slika 3.35). Pri pozitivnem cepilnem kotu prevladujejo dinamične normalne sile v aksialni smeri. Stroj in rezalno orodje sta v stanju elastičnega ravnotežja, zato se rezalno orodje samo podaja v material. Posledično nastopi dinamično povečanje teoretične debeline odrezka h1 in okrepitev normalnih sil v tangencialni smeri, kar povzroči še dodatno povečanje negativne sile v aksialni smeri. Pojav skupnega delovanja dinamičnih normalnih sil pri pozitivnem cepilnem kotu in povečanja teoretične debeline odrezka imenujemo samopodajanje.

Moč povezave med rezalno geometrijo in teoretično debelino odrezkov lahko zmanjšamo tako, da povečamo upor proti podajanju rezalnega orodja v aksialni smeri. Ena od možnosti je dodatna priprava, npr. zaokrožitev robov. Orodje je tako manj nagnjeno k samopodajanju in sistem postane stabilnejši.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 59

Slika 3.35: Dinamične normalne rezalne sile na cepilni ploskvi pri pozitivnem in negativnem cepilnem kotu 

Pri rezalnem orodju z negativnim cepilnim kotom prihaja do samopodajanja v nasprotni smeri.

Dinamična normalna sila odriva rezalno orodje od obdelovanca in dinamične rezalne sile se povečajo v manjši meri kot pri rezalnem orodju s pozitivnim cepilnim kotom. Negativna geometrija orodja torej deluje kot stabilizator. Znano je, da ima negativna geometrija rezalnega orodja prednost pri obdelavi krhkih materialov z visoko vrednostjo faktorja variabilnosti ψc.

3.6 Mehanske napetosti v rezalnem orodju Geometrija rezalnega orodja vpliva tako na obremenitve kakor tudi na obremenljivost rezalnega orodja. Manj ostra (bolj topa) oblika, ki nastane z radijem zaokrožitve ali velikim kotom klina rezalnega orodja, povzroči večje mehanske obremenitve orodja in obenem zagotavlja večjo obremenljivost. Obratno velja za ostro orodje: manjše so tako obremenitve kot tudi obremenljivost. Izbira prave geometrije rezalnega orodja ob upoštevanju obdelovanega materiala in rezalnih parametrov je zato kompleksen optimizacijski problem. Težave niso zgolj mehanske, ampak tudi toplotne in tribološke narave. Topo rezalno orodje lažje odvaja toploto, ki nastaja med procesom odrezavanja. Večja ko je toplotna prevodnost obdelovanega materiala, nižja je temperatura orodja. Toplotna prevodnost obdelovanega materiala lahko zato odločilno vpliva na delovanje in zmogljivost rezalnega orodja. Podobni razmisleki veljajo tudi za vidike obrabe orodja.

Mehanske obremenitve rezalnega orodja lahko neposredno ali posredno vplivajo na različne vrste obrabe in odpovedi. Mehanske napetosti nastanejo zaradi kontaktnih napetosti, ki vplivajo na rezalno orodje in so neposredne povzročiteljice razpok, luščenja, krušenja, loma in plastičnih deformacij.

Slika 3.36: Največje glavne napetosti 6 µs po vstopu orodja v obdelovanec – analiza po metodi končnih elementov; Agmell, Univerza v Lundu, 2014

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 60

Slika 3.37: Von Misesove napetosti 6 µs (levo) in 45 µs (desno) po vstopu orodja v obdelovanec – analiza po metodi končnih elementov; Agmell, Univerza v Lundu, 2014

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 61

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 62

4 Toplotna analiza Temperature, ki se razvijejo med procesom odrezavanja, odločilno vplivajo na kakovost izdelkov in zmogljivost proizvodnje ter tudi na prekinitve. Vse oblike obrabe orodja so namreč neposredno povezane s kombiniranim vplivom mehanskih in toplotnih obremenitev, ki jim je izpostavljeno orodje. Povišanje temperature v deformacijskih conah med procesom odrezavanja je mogoče oceniti z analizo prehajanja toplote med deformacijskimi conami ter prevoda toplote iz orodja na obdelovanec in odrezke. Predstavljen je toplotni model procesa odrezavanja na osnovi obdelovanega in rezalnega materiala, dejavnikov odrezovalnosti in izbranih rezalnih parametrov.

Sestavljena temperatura ΘC po tem modelu predstavlja temperaturo rezalnega orodja, pri kateri orodje dobro prenaša vse toplotne spremembe na cepilni in prosti ploskvi.

4.1 Poraba energije med procesom odrezavanja Da bi lahko izračunali porabo energije med procesom odrezavanja, moramo najprej določiti velikost rezalnih sil, vzporednih s smerjo rezalne hitrosti. Dvodimenzionalne razmere na Sliki 4.1 lahko opišemo z Enačbo 4.1, ki upošteva tudi morebitno gibanje v radialni smeri:

Pt  Fc  vc  F f  v f  Fp  v p  Pc  Fc  vc 

Enačba 4.1

h2 vc h1

vch Fc

Ff

Slika 4.1: Proces ortogonalnega odrezavanja s silama Fc in Ff, ki rabita energijo, rezalno hitrostjo vc in hitrostjo odrezka vch

Praktično vsa energija se porabi v treh deformacijskih conah, ki so prikazane na Sliki 4.2.

Slika 4.2: Med procesom odrezavanja se porablja energija v treh deformacijskih conah

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 63

Celotno porabo moči med procesom odrezavanja lahko izračunamo kot vsoto porab moči v posameznih deformacijskih conah (Enačba 4.2):

Pc  PI  PII  PIII

Enačba 4.2

Specifično porabo energije med procesom odrezavanja lahko izračunamo kot količnik skupne porabe moči in volumskega pretoka odrezkov. Izražamo jo v enakih enotah kot upor pri odrezavanju, tj. [N/mm2] ali [mJ/mm3]:

u

Pc h1  b  vc

Enačba 4.3

Porazdelitev porabe energije po treh deformacijskih conah se spreminja v odvisnosti od teoretične debeline odrezkov h1 in obrabe na prosti ploskvi VB; Slika 4.3. S povečevanjem debeline h1 narašča tudi poraba energije na cepilni ploskvi, zmanjšuje pa se delež energije, porabljene na prosti ploskvi. Ravno nasprotno se dogaja pri povečevanju obrabe proste ploskve VB, ko narašča delež energije, porabljene na prosti ploskvi.

100

100

uIII

uII

80

uI

60

60

40

40

20

20

0 0.0

0.2

0.4

0.6

h1

0.8

uIII

80

0 0.0

uII uI

0.2

0.4

0.6

VB

0.8

Slika 4.3: Relativna porazdelitev porabe energije po treh deformacijskih conah, levo kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 (pri vrednosti obrabe VB = 0,1 mm) in desno kot funkcija obrabe na prosti ploskvi VB (pri vrednosti h1 = 0,4 mm)

4.2 Adiabatna temperatura Adiabatna temperatura je teoretična temperatura, ki bi se vzpostavila v obdelovanem materialu v primeru, da ne bi bilo nobene izmenjave toplote z okolico, torej če bi se vsa energija zadržala na mestu nastanka in ne bi bilo nobenega prevajanja ali prenosa toplote iz tega območja. Adiabatna temperatura je torej najvišja temperatura, ki se lahko razvije med procesom odrezavanja.

Kakršnakoli oblika hlajenja ali prenosa toplote iz procesa odrezavanja prinese znižanje temperatur v procesu, ki so zato vedno nižje od adiabatne. Temperature blizu adiabatne so prisotne pri zelo visokih rezalnih hitrostih ali pri obdelavi materialov z majhno toplotno prevodnostjo. Lahko jo obravnavamo tudi kot nekakšno termodinamično silo, ki jo je treba uravnotežiti s hlajenjem.

Adiabatno temperaturo v vsaki deformacijski coni lahko ocenimo tako, da izračunamo količnik porabe energije v coni in relativne toplotne kapacitete cone. Specifična toplota obdelovanega materiala je lahko močno odvisna od temperature zaradi faznih premen.

Adiabatna temperatura v sekundarni in terciarni deformacijski coni je povezana le z omejenim delom toplotnega toka, ki se odvaja z odrezki. Slika 4.4 omogoča geometrijsko oceno velikosti deformacijskih con εII in εIII. Debelina odrezka h2 je neposredno sorazmerna s pretokom odrezkov _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 64

prek cepilne ploskve. Razsežnost deformacije v terciarni coni je funkcija volumskega pretoka odrezkov oziroma pretoka deformiranega materiala.

II III

III

Slika 4.4: Ocena širine sekundarne deformacijske cone εII in terciarne deformacijske cone εIII

Kot bi pričakovali, je adiabatna temperatura na cepilni ploskvi za razliko od adiabatne temperature na prosti ploskvi odvisna od teoretične debeline odrezka h1. V modelu je razvidna sklopitev med h1 in porabo energije v primarni coni, ki jo lahko pripišemo dejstvu, da se koeficient nakrčenja odrezka h zmanjšuje s povečevanjem vrednosti h1. Iz tukajšnjih predpostavk izhaja sklep, da je adiabatna temperatura v deformacijski coni III neposredno sorazmerna z obrabo na prosti ploskvi VB. 800

 600

IIad

IIIad

400

200

0 0.0

Iad

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

h1

0.7

Slika 4.5: Adiabatna temperatura [°C] v treh deformacijskih conah kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 za material SS 2172; vc = 240 m/min, ap = 3 mm,  = 90°, VB = 0 mm in rβ = 50 m 1600



1400

IIIad

1200 1000 800 600 400

IIad

200 0 0.0

Iad

0.2

0.4

0.6

0.8

VB

1.0

Slika 4.6: Adiabatna temperatura [°C] v treh deformacijskih conah kot funkcija obrabe proste ploskve VB za material SS 2172; vc = 240 m/min, h1 = 0,2 mm, ap = 3 mm,  = 90°

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 65

Pri nekaterih aplikacijah je za kakovost obdelanih površin pomemben vnos toplote v obdelovanec.

Pri obdelavi kaljenega jekla je npr. treba določiti dovoljeno mejo obrabe na prosti ploskvi tako, da ne bo nevarnosti sprememb mikrostrukture, še posebej nastanka t. i. bele plasti na zunanji površini obdelovanca.

Slika 4.7: Spremenjena mikrostruktura kaljenega jekla po struženju v trdo, 60–62 HRC; vc = 200 m/min, f = 0,2 mm/vrt, ap = 0,2 mm in VB = 0,5 mm

Spremembe v materialu so verjetno rezultat termodinamično pogojenih faznih premen in deformacij v terciarni coni εIII. Množina energije, ki je na voljo za fazne premene materiala na prosti ploskvi rezalnega orodja (na glavnem in stranskem rezalnem robu), je odvisna od moči PIII in kontaktnega časa tc. Kontaktni čas v katerikoli točki na obdelovancu lahko izračunamo kot količnik kontaktne dolžine VB in rezalne hitrosti vc VB Enačba 4.4 U III  PIII  tc  PIII  vc Izkustvena vrednost maksimalne obrabe na prosti ploskvi orodja za obdelavo kaljenega jekla, pri kateri ni tveganja neželenih faznih premen iz martenzita v avstenit, je približno VB = 0,25 mm.

4.3 Temperature v procesu odrezavanja Kot je bilo pojasnjeno v poglavju 4.2, so temperature v procesu odrezavanja vedno nižje od adiabatne zaradi izmenjave toplote z okolico. Za »kvazistatično« analizo sekundarne deformacijske cone si bomo ogledali kontrolni volumen (Slika 4.8) ter preučili termodinamična dogajanja oz. dovod toplote v kontrolni volumen in izmenjavo toplote med kontrolnim volumnom in okolico.

Slika 4.8: Kontrolni volumen okrog sekundarne deformacijske cone in toplotni tokovi

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 66

Celotno porabo moči PII v sekundarni deformacijski coni lahko določimo iz deformacijskega dela v tej coni in iz deleža porabe moči v primarni deformacijski coni PI. Del toplote, ki nastaja v primarni, doseže tudi sekundarno deformacijsko cono. PIIch je hladilna moč, ki se odvaja z odrezki, PIIt hladilna moč, ki se odvaja skozi rezalno orodje, in P*II preostala moč v sekundarni coni, ki se porablja za segrevanje te cone.

Na Sliki 4.9 je kontrolni volumen za analizo energijske bilance v terciarni deformacijski coni.

Slika 4.9: Kontrolni volumen okrog terciarne deformacijske cone in pripadajoči toplotni tokovi

Slika 4.10 ilustrira povišanje temperature v sekundarni deformacijski coni kot funkcijo teoretične debeline odrezka h1 in rezalne hitrosti vc. Zgornja krivulja predstavlja adiabatno temperaturo za rezalno hitrost vc = . Temperatura θII bi se s postopnim višanjem rezalne hitrosti približala tej adiabatni temperaturi.

Temperatura θII v sekundarni deformacijski coni kot funkcija rezalne hitrosti vc in teoretične debeline odrezka h1 je predstavljena na Sliki 4.11. Označena je adiabatna temperatura za vrednost h1 = 0,8 mm. Vsa povišanja temperature na Slikah 4.10 in 4.11 ležijo znotraj območja med najvišjo in najnižjo krivuljo, ki opisujeta teoretični ekstrem adiabatne temperature.

Temperatura v sekundarni deformacijski coni ni odvisna od obrabe proste ploskve VB. 

900 800

vc =

Iad + IIIad,

8 m/s

vc = 

700

4 m/s 2 m/s

600

1m/s

500 400 Iad, vc = 0

300 200 100 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

h1

Slika 4.10: Temperatura (°C) v sekundarni deformacijski coni kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 za šest različnih rezalnih hitrosti; vc = 0, 1, 2, 4, 8,  m/s II

900 Iad + IIIad, vc = 

h1 =

800

0,8 mm 700 0,4 mm

600 500

0,2 mm

400

0,1 mm Iad, vc = 0

300 200

0

1

2

3

4

5

6

vc

7

Slika 4.11: Temperatura (°C) v sekundarni deformacijski coni kot funkcija rezalne hitrosti za različne teoretične debeline odrezka; h1 = 0, 0,1, 0,2, 0,4 in 0,8 mm

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 67

800

III

Iad + IIIad

700 vc = 8 m/s 4 m/s

600

2 m/s 1 m/s

500

400

300

200 0.0

Iad, vc = 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

h1

Slika 4.12: Temperatura (°C) v terciarni deformacijski coni kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 za različne rezalne hitrosti vc, obraba proste ploskve VB = 0,2 mm

III

800 Iad + IIIad

700

h1 = 0.1mm 0.2mm 0.4mm

600 500 400 Iad, h1 = 0

300 200

0

1

2

3

4

5

6

7

vc

Slika 4.13: Temperatura (°C) v terciarni deformacijski coni kot funkcija rezalne hitrosti vc za štiri različne teoretične debeline odrezka h1 = 0, 0,1, 0,2 in 0,4 mm, obraba na prosti ploskvi VB = 0,2 mm

III

1100

Iad + IIIad

1000

vc = 8 m/s

900

4

800

2

700

1

600 0.5

500 400

0.2

300

0.1

200 100 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

VB

Slika 4.14: Temperatura (°C) v terciarni deformacijski coni kot funkcija obrabe na prosti ploskvi za različne rezalne hitrosti vc, teoretična debelina odrezka h1 = 0,2 mm

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 68

4.4 Sestavljena temperatura θC Na toplotno ravnovesje in povišanje temperature med procesom odrezavanja vpliva mnogo dejavnikov in nekateri so tudi medsebojno odvisni. Ti dejavniki so močno korelirani z ravnjo temperatur v procesu odrezavanja. Med njimi je tudi specifična toplota Cp, ki je pri materialih na osnovi železa močno odvisna od temperature.

Slika 4.15: Relacije med različnimi dejavniki, ki vplivajo na temperaturo v procesu odrezavanja in so obenem odvisni od nje. Prekinjene črte predstavljajo odvisnosti s povratno zanko.

Dejavniki, ki posredno vplivajo na povišanje temperature obdelovanega materiala, so mikrostruktura, duktilnost in deformacijsko utrjevanje obdelovanega materiala, nagnjenost obdelovanega materiala k lepljenju na rezalno orodje, obstojnost proti obrabi in trdnost orodja.

Izmenjava toplote z okolico je odvisna od pogojev obdelave. Toplotni tokovi med procesom, obdelovalnim strojem, držalom orodja in okolico so prikazani na Sliki 4.16.

Med sekundarno in terciarno deformacijsko cono prihaja do izmenjave energije, ki je funkcija po volumnu povprečene temperature rezalnega orodja θm. Energijska izmenjava vpliva na povišanje temperatur θII in θIII, zahvaljujoč temu in majhni geometrijski razdalji med conama pa se med njima hitro vzpostavi temperaturno ravnovesje. Visoka stopnja obrabe orodja povzroči povišanje temperature θIII (Slika 4.14). Sekundarna deformacijska cona lahko pripomore k znižanju te visoke temperature, če je temperatura θII manjša od temperature θIII. Ravno nasprotno se dogaja pri veliki teoretični debelini odrezka h1, ko prosta ploskev hladi cepilno ploskev. Mesto z najvišjo temperaturo na rezalnem orodju je zato odvisno od geometrije in stopnje obrabe rezalnega orodja. Povečanje obrabe zaradi povečanih obremenitev povzroči višjo in stabilnejšo temperaturo rezalnega orodja.

Pri materialih s kratko dolžino stika med odrezkom in rezalnim orodjem se mesto najvišje temperature premakne proti liniji rezalnega roba. Povečanje teoretične debeline h1 in širine odrezka privede do tega, da je večji del rezalnega orodja izpostavljen močnim toplotnim obremenitvam. Temperaturna razlika med aktivno kontaktno površino cepilne in proste ploskve je med stacionarno obdelavo manjša od 150 °C, kar je bilo potrjeno z različnimi meritvami. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 69

Temperatura rezalnega orodja se običajno meri z zelo majhnimi termočleni. Te vstavimo v drobne izvrtine v orodju (premera tudi pod 0,3 mm), ki segajo tik pod cepilno ploskev. Rezultati meritev so prikazani na Sliki 4.17.

Druga merilna metoda vključuje uporabo infrardeče kamere, ki snema posebej pripravljeno rezilo brez zaokrožene konice med vzdolžnim struženjem cilindričnega dela. S prerezom pravokotno na rezalni rob pridobimo termografski posnetek, kot je prikazan na Sliki 4.18.

Slika 4.16: Dvodimenzionalni model izmenjave energije med procesom odrezavanja in okolico

Temperaturna porazdelitev na stiku orodja in odrezka pri neprekinjenem struženju žarjenega ogljikovega jekla z 0,45 % C. Orodje: karbidna trdina P20 Globina rezanja: 1,5 mm Podajanje: 0,55 mm/vrt Rezalna hitrost: 200 m/min Hladilna tekočina: suha obdelava

Slika 4.17: Temperaturna porazdelitev [K] med stacionarno obdelavo, izmerjena s termočleni pod cepilno ploskvijo rezalnega orodja; Ihara10 et al.

Najboljše rezultate daje kombinacija eksperimentalne in numerične analize, meritve rezalnih sil in ustreznih analitičnih rešitev. Slika 4.19 prikazuje model rezalne ploščice s podporno ploščico in držalom. Obdelovani material ima velik hladilni učinek in temperatura na prosti ploskvi je zato razmeroma nizka. Meritve so pokazale, da je variabilnost temperature na aktivnih kontaktnih površinah rezalnega orodja in v njihovi soseščini v stacionarni fazi/fazi rezanja II precej majhna, toplotne razmere na rezalnem robu med stacionarno obdelavo pa torej lahko opišemo s karakteristično temperaturo. Sestavljena temperatura θC je povprečna temperatura na mejah najbolj aktivnega predela rezalnega roba. Deformacijske cone so si zelo blizu in med stacionarnim rezanjem se med njimi vzpostavi temperaturno ravnovesje.

Povečanje obrabe na prosti ploskvi VB povzroči povišanje temperature na cepilni ploskvi. Če se poveča teoretična debelina odrezka h1, narasejo temperature na prosti ploskvi orodja, delno tudi 10

Ihara T., Shirakashi T., Usui E., Analytical prediction of Cutting Edge Chipping in Interrupted Turning Operation, 4th Report, Results for Carbide Tool Materials, Bull. Japan Soc. of Prec. Eng., 48(6), 757–763, 1982.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 70

zaradi višje volumsko povprečene temperature rezalnega orodja θm. Povišanje volumsko povprečene temperature rezalnega roba privede do zmanjšanja toplotnega toka iz proste ploskve.

Temperature na obeh ploskvah rezalnega orodja so v korelaciji zaradi opisanih dogajanj in procesov, temperaturna razlika med aktivnimi predeli rezalnega roba pa se zmanjša.

Slika 4.18: Termografski posnetek pravokotnega prereza rezalnega roba; po Högreliusu in Jonssonu11

Slika 4.19: Toplotni tok od rezalnega roba skozi podporno ploščico v držalo (levo) in primer temperaturne porazdelitve (določene z analizo po metodi končnih elementov na osnovi izmerjenih rezalnih sil, desno); po Sturessonu12

Slika 4.20: Kontrolni volumen za določitev sestavljene temperature θC

11

Högrelius B., Jonsson P., ShortCut project, SSF/ProViking, SECO TOOLS, Fagersta, 2005.

Sturesson Per‐Olof, Modelling and Analysis of Cutting Forces, Traction Loads and Thermoelasticity of Carbide Cutting Tools in Turning Operations – Theory and Experiments, LUTMDN(TMMV‐1035)/1‐333/(1998), Univerza v Lundu, Lund, 1998.

12

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 71

Slike 4.21, 4.22 in 4.23 prikazujejo sestavljeno temperaturo v obeh deformacijskih conah kot funkcijo rezalne hitrosti vc, teoretične debeline odrezka h1 in obrabe na prosti ploskvi VB. Sestavljeno temperaturo θC lahko obravnavamo kot povprečje procesne temperature po kontaktnih dolžinah oz. kot temperaturo, ki karakterizira proces odrezavanja. V vsakem primeru je za temperaturni vzorec odločilna bodisi teoretična debelina odrezka h1 bodisi obraba na prosti ploskvi VB. Rezalna hitrost vc neposredno vpliva na obe deformacijski coni. Sestavljena temperatura kot funkcija vc zato zavzame vrednost med temperaturama θII in θIII. 900

i

II

800 c

700

600 III

500

400

300 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

h1

Slika 4.21: Primerjava sestavljene temperature ΘC (°C) s temperaturama ΘII in ΘIII v odvisnosti od teoretične debeline odrezka h1 (mm); VB = 0,2 mm in vc = 3 m/s 900

i

II

700

C III

500

300

100

0

1

2

3

4

5

6

vc

7

Slika 4.22: Primerjava sestavljene temperature ΘC (°C) s temperaturama ΘII in ΘIII v odvisnosti od rezalne hitrosti vc (m/s); h1 = 0,4 mm in VB = 0,2 mm 800

i II 700 C III

600

500

400 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

VB

0.7

Slika 4.23: Primerjava sestavljene temperature ΘC (°C) s temperaturama ΘII in ΘIII v odvisnosti od obrabe na prosti ploskvi VB; h1 = 0,4 mm in vc = 3 m/s

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 72

4.5 Analiza prehodnih toplotnih pojavov in toplotne napetosti Če poraba energije v procesu odrezavanja ni stacionarna, se pojavijo prehodni oz. nestacionarni toplotni tokovi. Tak primer so postopki odrezavanja (frezanje, struženje) s prekinitvami. Rezalno orodje je pri tem izpostavljeno cikličnim mehanskim in toplotnim vplivom. Slika 4.24 prikazuje osnovni potek razvoja toplote in sestavljene temperature med obdelavo s prekinitvami. Za različne faze rezanja veljajo naslednje ugotovitve: IV:a Ko rezalni rob ne reže, se ohlaja s prenosom toplote na okolico. Pri tem imajo pomembno vlogo kontaktne površine rezalnega orodja.

I:a

Rezalno orodje, ki je še vedno ogreto, se hladi v stiku z neogretim obdelovanim materialom, dokler se v procesu odrezavanja ne začne sproščati toplota (zaradi deformacijskega dela).

I:b

Rezalni rob se vseeno še naprej ohlaja, saj hladilni učinek presega vnos toplote.

Pada tudi volumsko povprečena temperatura rezalnega roba.

I:c

V procesu odrezavanja se zdaj tvori vsaj toliko toplote, kot se je odvaja s hlajenjem, volumsko povprečena temperatura začne naraščati.

II:a

Dovedena energija se praktično v celoti pretvori v toplotno energijo. Temperatura se približuje stacionarni sestavljeni temperaturi.

Temperaturni gradienti v rezalnem orodju in koeficient temperaturnega raztezka rezalnega materiala povzročijo nastanek toplotnih napetosti. Ko hladno rezalno orodje vstopi v hladen obdelovanec, se vzpostavijo podobne napetostne razmere, vendar z drugim predznakom. Kjer je temperatura rezalnega orodja večja od trenutne povprečne temperature, se razvijejo tlačne napetosti.

Rezalno orodje se intenzivno segreva v stiku z deformacijskimi conami, kjer nastaja toplota.

Toplotne napetosti v teh razmerah so običajno negativne oz. prisotne kot tlačne napetosti. Tudi v fazi, ko orodje ne reže, so kritični predeli orodja izpostavljeni tlačnim napetostim zaradi prevoda toplote iz notranjosti v ostale dele orodja. Nevarnost nastanka toplotnih razpok je navadno večja v okolici nosilnih površin rezalnega orodja kot je v okolici cepilne ploskve.

Slika 4.24: Potek razvoja toplote in sestavljene temperature ΘC v različnih fazah procesa odrezavanja s prekinitvami

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 73

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 74

5 Tribološka analiza Potek in zmogljivost postopkov odrezavanja kovin sta v veliki meri odvisna od kontaktnih razmer.

Tribologija teh procesov je zelo kompleksna zaradi visokih temperatur ter variabilnosti kontaktnih napetosti in relativne hitrosti gibanja površin, mnogi pojavi pa zato do danes kljub obsežnim raziskavam še niso bili ustrezno opisani in pojasnjeni.

5.1 Kontaktne razmere Kontaktne razmere med rezalnim orodjem in obdelovancem lahko opišemo na različne načine.

Tradicionalno se uporablja količnik strižnih in normalnih sil. O trenju lahko govorimo le tedaj, ko so izpolnjeni določeni pogoji, kot je omejena stopnja plastične deformacije na kontaktnih površinah. Običajnega trenja je med samim procesom odrezavanja zelo malo, bolj pomembno pa je pri povezanih operacijah, kot je vpenjanje rezalnega orodja in obdelovanca. Količnik strižnih in normalnih sil na ploskvah rezalnega orodja je koeficient navideznega trenja, ki ga včasih zmotno pojasnjujemo kot koeficient trenja. Kriteriji za trenje v običajnem pomenu besede so v resnici izpolnjeni le na omejenih predelih kontaktne površine med rezalnim orodjem in obdelovanim materialom.

Področje, kjer se rezalni rob dotika obdelovanega materiala, lahko razdelimo v tri cone (Slika 5.1).

Te se razlikujejo po triboloških lastnostih: v coni A prevladuje lepenje, v coni B adhezija in v coni C drsenje.

Slika 5.1: Razdelitev področja stika med rezalnim orodjem in obdelovanim materialom v tri cone A, B in C, ki se razlikujejo po triboloških lastnostih; po Höglundu13 (levo) in po Fallqvistu14 (desno)

5.2 Nalepek, nalepljena plast in TPL Za mnoge postopke odrezavanja je značilen pojav oblikovanja nalepka (angl.: built‐up edge, BUE), ki je neposredno povezan s sestavljeno temperaturo (θC). V primernih okoliščinah se v bližini linije rezalnega roba postopoma nalaga obdelovani material. Pojavi oblikovanja nalepka in s tem povezane geometrijske spremembe rezalnega orodja in obdelanih površin so dobro raziskani.

Ko nalepek doseže kritično velikost, se skupaj z odrezkom odtrga ali pa se prime obdelane površine. V zastojni točki je lokalna relativna hitrost gibanja rezalnega orodja glede na obdelovani material enaka nič, pri ugodnih temperaturah (600–700 °C) in visokih tlakih pa se na rezalni rob privari tanka plast obdelovanega materiala. Na to plast se nato postopoma naloži še več materiala (Slika 5.2). Nalepek sestoji iz močno preoblikovanega obdelovanega materiala, ki je zdaj bistveno trši kot pred rezanjem. Ko nalepek doseže kritično velikost in zunanje sile presežejo strižno trdnost materiala, se nalepek odtrga od rezalnega roba. Nalepek se lahko oblikuje na večjem delu rezalnega roba in tako vpliva na obdelano površino.

13 Höglund U., Skäreggens förslitningsprocess i mikroskala, Fysikaliska villkor – Förslitningsmekanismer, doktorska disertacija, Institutionen för Mekanisk Teknologi, Tehniška univerza Chalmers, Göteborg, 1976.

14 Fallqvist M., Microstructural, Mechanical and Tribological Characterisation of CVD and PVD Coatings for Metal Cutting Applications, doktorska disertacija, Univerza v Uppsali, Uppsala, Švedska, 2012.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 75

Slika 5.2: Oblikovanje (A) in trganje nalepka (B) vpliva na obdelano površino; po Anderssonu15

Nalepek je zaradi smeri strižnih sil orientiran v smeri cepilne ploskve. Prej ali slej se odtrga skupaj z odrezki ali pa odteče prek proste ploskve in se vgradi v površino obdelovanca. Tako vedenje je značilno za obdelavo maloogljičnega jekla, nerjavnega jekla ter zlitin na osnovi niklja in raznih aluminijevih zlitin. Oblikovanje in vplivi nalepka so odvisni od več dejavnikov:  Sestavljena temperatura (θC), ki je odvisna od vrste drugih dejavnikov, kot so rezalna hitrost vc, teoretična debelina odrezka h1 in termodinamični parametri.  Prijemanje obdelovanega materiala na rezalni material.  Geometrija rezalnega orodja, še posebej cepilni kot, nagibni kot in radij roba.

Na mesto oblikovanja nalepka je mogoče delno vplivati z izbiro ustrezne geometrije rezalnega roba. Oblikovanje nalepka lahko na različne načine vpliva na proces odrezavanja in njegove rezultate, običajno pa so ti vplivi škodljivi:  Posledice so najbolj resne takrat, ko se nalepek prime obdelane površine in se ji tako znatno poslabša kakovost.  Zaradi deformacijskega utrjevanja nalepka se lahko spremenijo lastnosti površine obdelovanca.  Nalepek lahko spremeni geometrijo rezalnega roba tako, da se linija roba premakne v aksialni in/ali v radialni smeri. Radij konice se zmanjša, linija roba pa zavzame nepravilno obliko.  Pri trganju nalepka lahko nastanejo razpoke, zaradi katerih se odlomijo deli rezalnega roba in rob se skrha.

Spremenjena mikrogeometrija rezalnega roba lahko tudi pozitivno vpliva na oblikovanje odrezkov, ki se jim poveča premer. Kot je bilo že omenjeno, oblikovanje nalepka škoduje hrapavosti površine obdelovanca. Če izmerimo površinsko hrapavost Rmax obdelane površine in jo izrišemo kot funkcijo temperature rezalnega roba, dobimo krivuljo na Sliki 5.3, ki jo lahko razdelimo na tri značilna območja:  območje posnemanja,  območje oblikovanja nalepka,  območje lahkotne obdelave z minimalnimi obremenitvami in obrabo orodja.

Hrapavost obdelane površine je največja v območju, kjer prevladuje oblikovanje nalepka. Profil površine v območju lahkotne obdelave je podoben teoretičnemu profilu hrapavosti. Velikost območja, kjer se oblikuje nalepek, je odvisna od obdelovanega materiala. Pri nekaterih materialih je odsotno območje posnemanja, medtem ko je pri drugih zelo omejeno območje lahkotne obdelave. Pri obdelavi nerjavnega jekla se nalepek oblikuje nad razmeroma širokim temperaturnim intervalom, pri obdelavi aluminija pa ugotavljamo širok interval posnemanja.

Pri ogljikovih jeklih se prehod iz območja nalepka v območje lahkotne obdelave zgodi pri temperaturi 600–700 °C. 15

Andersson M., Ytor, Dynamik och Mikrogeometrier – Skärande Bearbetning, doktorska disertacija, Univerza v Lundu, Lund, 1993 (v švedščini).

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 76

Nalepek negativno vpliva na obstojnost orodja. Na Sliki 5.3 sta prikazani krivulji obrabe rezalnega orodja iz hitroreznega jekla in karbidne trdine kot funkciji temperature rezalnega roba. Vidimo, da je pri obdelavah z manjšo rezalno hitrostjo (v območju nalepka) zaradi manjše obrabe smiselno izbrati orodje iz hitroreznega jekla, pri obdelavah z večjo rezalno hitrostjo pa trdokovinsko orodje.

Ob poznavanju dejavnikov, ki vplivajo na oblikovanje nalepka, lahko posežemo po teh ukrepih za zmanjšanje ali odpravo nalepka:  Prilagoditev temperature v procesu s spremembo parametrov, kot sta rezalna hitrost in podajanje. S povišanjem temperature se zmanjša strižna trdnost nalepka, pri dovolj visokih temperaturah pa se ta niti ne more več oblikovati.  Sprememba pogojev, ki vplivajo na prijemanje obdelovanega materiala na rezalni rob – prilagoditev orodnega materiala (npr. s prevlekami), menjava hladilne tekočine ali sprememba sestave obdelovanega materiala. Za zmanjšanje adhezije pri obdelavi jeklenih zlitin uporabljamo prevleke TiN, pri obdelavi aluminijevih zlitin pa diamantne prevleke.  Pozitivni cepilni in nagibni kot pripomoreta k temu, da se nalepek prijema na odrezke in ne na obdelano površino.

Oblikovanju nalepka se iz praktičnih razlogov običajno skušamo izogniti s povečanjem rezalnih hitrosti in s tem temperatur v procesu. Pri nekaterih materialih, kot so aluminijeve zlitine, lahko namesto tega rezalni rob ohladimo na dovolj nizko temperaturo, da nalepek izgine. Povišanje temperatur v procesu ni univerzalen ukrep za odpravo nalepka pri vseh materialih, nezaželena posledica povišanja temperature rezalnega roba pa je tudi pospešena obraba.

Pri obdelavi aluminija lahko dosežemo odstranjevanje nalepka skupaj z odrezki z uporabo velikega pozitivnega cepilnega kota, saj ima aluminij majhen upor pri odrezavanju. Tako koeficient nakrčenja odrezka kot upor pri odrezavanju sta največja na vstopu v območje lahkotne obdelave.

Pri višjih temperaturah rezalnega roba se upor pri odrezavanju zmanjša na tisti strani odrezka, ki je v stiku z orodjem. Zmanjšata se koeficient navideznega trenja in koeficient nakrčenja odrezka, s tem pa tudi rezalne sile. Te relacije so predstavljene na Sliki 5.4 za ogljikovo in malolegirano jeklo. Koeficient nakrčenja odrezka λh in upor pri odrezavanju Cr sta prikazana kot funkciji sestavljene temperature θC. Preden se oblikuje nalepek, se na rezalnem robu vedno najprej ustvari nalepljena plast obdelovanega materiala (angl.: built‐up layer, BUL). Če se procesna temperatura v ustreznih okoliščinah dovolj poviša, se velikost nalepka oziroma debelina naloženih plasti ne povečuje več in količina materiala, ki je prilepljen na rezalni rob, je praktično konstantna. Izmenjava materiala v takih pogojih je občutno manjša kot v razmerah, ki so ugodne za oblikovanje nalepka. Nalaganje je odvisno od nekaterih zlitinskih sestavin obdelovanega materiala, ki oblikujejo steklaste nanose s kristalno strukturo velikostnega reda nekaj nanometrov. Za nalaganje v teh pogojih mora biti prisotna določena izmenjava materiala. Plast se oblikuje predvsem v coni B ter med zastojno točko in linijo roba v coni A (Slika 5.1).

Moč adhezije med nalepkom in rezalnim robom je zelo pomembna za obstojnost orodja. Ločimo tri osnovne stopnje moči adhezije: A. Adhezija je tako šibka, da se pri trganju nalepljene plasti oz. nalepka od orodja ne poškoduje niti orodje niti prevleka.

B. Adhezija je dovolj močna, da se orodni material ne poškoduje, ko se od njega odtrga obdelovani material, saj ga nekaj ostane na orodju.

C. Adhezija je tako močna, da trdnost rezalnega materiala oz. prevleke ne more preprečiti lomljenja delov rezalnega roba oziroma luščenja delov prevleke.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 77

Zaščitna plast na orodju (angl.: tool protection layer, TPL) zelo ugodno vpliva na obstojnost orodja.

Na orodju se oblikuje med obdelavo ter je sestavljena iz obdelovanega materiala ter produktov reakcij med orodjem, obdelovancem in okoljem.

Slika 5.3: Površinska hrapavost Rmax obdelane površine ter obraba orodij iz hitroreznega jekla in karbidne trdine kot funkcija sestavljene temperature

Stopnja adhezije močno vpliva na intenzivnost in mehanizme obrabe rezalnega orodja. Ali bo pri dani prevleki rezalnega orodja nastopila stopnja adhezije B ali C, je pogosto odvisno že od majhnih razlik v lastnostih obdelovanega materiala. Pri stopnji B lahko prilepljeni material še zaščiti rezalno orodje pred poškodbami, medtem ko pri stopnji C že nastopi hitra progresivna obraba orodja.

Literatura opisuje tako nenevarne kot škodljive nalepljene plasti. Mehanizmom obrabe se bomo podrobneje posvetili v poglavju 8.4. Na obruskih, ustvarjenih s tehniko hipne prekinitve odrezavanja, je obloge obdelovanega materiala zelo težko ločiti od močno deformiranih predelov v sekundarni in terciarni deformacijski coni. Naloženi material ima včasih obliko vzpetine na površini (Slika 5.5). Na Sliki 5.6 je primer kontaktne površine med sekundarno deformacijsko cono in rezalnim orodjem. Posnetek je bil narejen s tehniko hipne prekinitve, cone pa so bile določene z meritvijo trdote odrezkov.

Slika 5.4: Koeficient nakrčenja odrezka in upor pri odrezavanju (za ogljikovo in malolegirano jeklo) kot funkciji sestavljene temperature [°C]

Kontaktne razmere med odrezki in rezalnim orodjem so odvisne predvsem od tlakov in temperatur. Obraba rezalnega orodja je odvisna od kontaktnih razmer in rezalne hitrosti. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 78

Slika 5.5: Linija rezalnega roba je zaščitena s plastjo obdelovanega materiala, ki je ni težko zamenjati za obrabo na prosti ploskvi VB

5.2.1 Vpliv poškodb rezalnega roba na obdelano površino Poškodbe in geometrijske spremembe linije rezalnega roba vplivajo na rezultate obdelave. Z vidika oblikovanja površin so še posebej zanimive take poškodbe, ki sicer vplivajo na kakovost obdelanih površin, vendar ne preprečujejo nadaljnje uporabe orodja. Med njimi so obraba na prosti ploskvi, zarezna obraba in krušenje rezalnega roba. Če pride do porušitve orodja, je treba ustaviti obdelavo in kakovost površin je zato drugotnega pomena. Krušenje rezalnega roba je pogosta vrsta obrabe, ki ima različne pojavne oblike. Povzroči jo lahko povečanje trdote površine obdelovanca zaradi deformacijskega utrjevanja, kakor tudi trdi vključki ali trdi elementi v mikrostrukturi obdelovanega materiala oz. nalepka.

Slika 5.6: Kontaktno območje med orodjem in sekundarno deformacijsko cono obdelovanega materiala kot funkcija razdalje od obdelane površine x. Interval 0,05–0,07 mm predstavlja širino deformacijske cone εII; po Widungu16

Na Sliki 5.7 je razvidno, kako lahko rob z umetno obrabno ploskvijo ustvari popolnoma običajno površino, tudi če je okrušen. Oster in nepoškodovan rob (a) izdela običajno površino. Ko se rezalni rob okruši, se premakne del roba, pod katerim nastaja obdelana površina, temu primerni pa so 16

Widung J., Metallografiska studier av spånbildningsförloppet, Mekanisk teknologi och verktygsmaskiner LTH, Poročilo št. 6, Lund, 1969 (v švedščini).

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 79

tudi rezultati obdelave (b). Okrušenje rezalnega roba z umetno obrabno ploskvijo VBs kljub spremenjeni liniji roba ne vpliva na lego dela roba na prosti ploskvi, pod katerim nastaja obdelana površina (c).

Slika 5.7: Stanje rezalnega roba vpliva na obdelano površino: a) nepoškodovan oster rob, b) okrušen oster rob in c) okrušen rob z umetno obrabno ploskvijo VBs

5.2.2 Temperaturno območje lomljivosti v modrem Pri jeklih obstaja temperaturno območje, v katerem se jim zmanjšata žilavost in duktilnost. Ta pojav imenujemo lomljivost v modrem, saj jeklo v tem temperaturnem območju pomodri zaradi oksidacije.

Slika 5.8: Porušitvena natezna trdnost jekla [N/mm2] kot funkcija temperature [°C] pri treh hitrostih deformacije

Lomljivost v modrem lahko vpliva na površinsko hrapavost jekla in če se oblikuje nalepek, je značilno močno oranje po obdelani površini. Slika 5.8 prikazuje porušitveno natezno trdnost jekla pri različnih hitrostih deformacije. Temperaturno območje lomljivosti v modrem je v predelu maksimuma vsakokratne krivulje trdnosti. Večja ko je hitrost deformacije, višji sta mejni temperaturi, kjer se začne in konča območje lomljivosti v modrem. Pri hitrosti deformacije 600 s−1, ki je običajna za oblikovanje odrezkov, leži nekje okrog 500 °C. Porazdelitev temperature od linije roba proti notranjosti obdelovanca je lahko med oblikovanjem odrezkov taka, da trdnost obdelovanega materiala zaradi ohlajevanja pada od linije roba proti notranjosti. Posledično se lahko zgodi, da se material ne odstranjuje neposredno na liniji roba in orodje trga material iz obdelovanca. V temperaturnem območju 250–500 °C, kjer se vzpenjajo vse tri krivulje na Sliki 5.8, lahko postane površina obdelovanca bolj hrapava in se deformira. To je območje porušitvene natezne trdnosti. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 80

5.3 Tribološki vplivi na površinah rezalnega orodja Poznavanje triboloških lastnosti površin rezalnega orodja pripomore k interpretaciji razlik med površinami z vidika obrabe. Mnogi tribološki pojavi so močno odvisni od tribološkega stanja kontaktnih površin, predvsem pa to velja za proces začetne obrabe orodja ter adhezijo med obdelovanim materialom in rezalnim orodjem.

Hrapavost površin in površinske poškodbe lahko povzročijo lokalno koncentracijo napetosti ter poslabšanje obstojnosti orodja zaradi zlomov, ki ni neposredno povezano z obrabo. Začetna hrapavost substrata oslojenega orodja lahko vpliva na funkcionalnost prevleke. Tribološke pojave pri rezalnem orodju je navadno zelo težko ločiti od vplivov nestacionarnosti temperatur med procesom odrezavanja, še posebej zato, ker je lahko tudi samo tribološko stanje močno odvisno od temperature.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 81

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 82

6 Oblikovanje odrezkov Le malokatera raziskovalna tema na področju obdelave kovin z odrezavanjem je pritegnila toliko pozornosti kot oblikovanje odrezkov. V nadaljevanju je podan pregled različnih mehanizmov, ki vodijo ta proces. Obravnavali bomo klasične teorije o napetostnih razmerah v strižni ravnini ob upoštevanju lastnosti različnih obdelovanih materialov ter povezave med omenjenimi lastnostmi in vrsto nastalih odrezkov. Pobližje si bomo ogledali dinamične vplive segmentacije odrezkov, med drugim na vibracije in na kakovost obdelanih površin. Podrobneje bomo preučili tudi pojave dušenja in načela pri oblikovanju mikrogeometrije rezalnih robov.

6.1 Klasične teorije oblikovanja odrezkov V procesu oblikovanja odrezka se material z debelino h1 in širino b1 deformira v strižni ravnini in nato loči od obdelovanca v obliki odrezkov z dejansko debelino h2 in širino b2. Prerez odrezka A je namišljeni prerez nedeformiranega materiala pred odrezavanjem in ga izračunamo kot zmnožek h1 in b1. Material se v resnici ne deformira v eni sami ravnini, ampak v pasu širine εI. Kljub temu lahko brez večje napake privzamemo, da se deformira ravninsko. Strižna ravnina je pravokotna na smer gibanja odrezkov in je nagnjena pod kotom φ (Slika 6.1). Koeficient nakrčenja odrezka λh je definiran kot razmerje med h2 in h1.

Slika 6.1: Strižna ravnina in strižni kot pri dvodimenzionalnem odrezavanju

Ker obdelovani material ni stisljiv, se v strižni ravnini deformira brez spremembe prostornine.

Skladno s tem lahko izračunamo hitrost odrezka vch kot razmerje med rezalno hitrostjo in koeficientom nakrčenja. Privzemimo, da se material deformira s preprostim strigom. Material, iz katerega nastajajo odrezki, si predstavljajmo kot sveženj kart, ki so vzporedne s strižno ravnino in se premikajo proti njej z rezalno hitrostjo vc.

Ko karta doseže strižno ravnino, se umakne v obliki odrezka s hitrostjo vch. Ko nato strižno ravnino doseže naslednja karta, se je prva že premaknila za tako razdaljo, da sta šrafirani ploskvi na Sliki 6.2 enako veliki. Pri tem smo privzeli, da se širina odrezka b1 ne spreminja, torej da gre za ravninsko deformacijo. Kot nagnjenosti strukture ψ je kot med strižno ravnino in smerjo največjega raztezka strukture.

Strižna deformacija je opredeljena z deformacijskim kotom, ki se pojavi zaradi delovanja strižnih sil v dveh vzporednih ravninah.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 83

Strižno deformacijo obdelovanega materiala med procesom odrezavanja lahko izračunamo na osnovi relativne strižne deformacije. To določimo z dolžinama Δx in Δy, ki sta na Sliki 6.2 prikazani kot pravokotni liniji različnih dolžin.





x -



 y

Slika 6.2: Kot strukture ψ za primer ravninske deformacije v strižni ravnini, predstavljen s kvadratom s ploščino 1, ki se deformira v romb z nespremenjeno ploščino

Kot je razvidno na Sliki 6.1, med tvorbo odrezkov prihaja do deformacije v coni širine εI. Strižno hitrost vsh v strižni ravnini lahko določimo z vektorsko analizo hitrosti (Slika 6.3). Hitrost odrezka vch je vzporedna s cepilno ploskvijo. A in B sta podobna trikotnika s skupno kateto, ta pa ustreza normalni hitrosti vsh,n, ki je pravokotna na strižno ravnino.

Slika 6.3: Hitrosti v strižni ravnini

Pri materialih, ki so preprosti za obdelavo, zlahka dosežemo take hitrostne razmere in velikosti rezalnega roba ni treba namenjati veliko pozornosti.

Hitrost deformacije pri struženju je velikostnega reda 103–106 s−1. Če to primerjamo s hitrostjo deformacije pri nateznem preizkusu, ki je velikostnega reda 10−3 s−1, sledi sklep, da je zaradi velikih razlik potrebna previdnost pri povzemanju rezultatov nateznih preizkusov. Za določitev strižne deformacije lahko zadostuje že meritev debeline odrezka. Da bi določili še hitrost deformacije, moramo poznati debelino primarne deformacijske cone εI. Hitrost deformacije lahko določimo z metalografskimi preiskavami preizkušancev, »zamrznjenih« sredi procesa odrezavanja (Slika 6.5).

Koeficient nakrčenja λh na sliki je 1,6, povprečen cepilni kot na aktivni ploskvi orodja γ pa je 6°. Na osnovi tega lahko izračunamo vrednost strižnega kota 34° in strižne deformacije 2. Za rezalno hitrost 180 m/min in širino deformacijske cone εI = 0,1 mm tako dobimo hitrost deformacije 3,4 × 104 s‐1. Primer hitrosti deformacije, širine deformacijske cone εI in strižne deformacije v odvisnosti od teoretične debeline odrezka je prikazan na Sliki 6.4. Širina deformacijske cone je _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 84

bila ocenjena s tehniko hipne prekinitve. Rezultati numerične simulacije porazdelitve hitrosti deformacije med procesom odrezavanja, ki nakazujejo širino deformacije v coni 1, so prikazani na Sliki 6.6. 

80000

4

60000

3



I

0.12 0.10 0.08

40000

2

20000

1

0.06 0.04 0.02

0

0.0

0.1

0.2

0.3

h1

0 0.4

0.00 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

h1

0.5

Slika 6.4: Strižna deformacija in hitrost deformacije (levo) ter širina primarne deformacijske cone εI (desno) kot funkcija teoretične debeline odrezka pri obdelavi avstenitnega nerjavnega jekla, vc = 180 m/min

Slika 6.5: Posnetek zamrznjenega procesa odrezavanja, uporabljen za določitev širine primarne deformacijske cone εI za material SS 1672; h1 = 0,4 mm, vc = 180 m/min in ap = 3 mm

Relacije med strižnim kotom φ, kotom navideznega trenja ρr in cepilnim kotom γ so že dolgo predmet zanimanja znanstvenikov in praktikov. Cilj raziskav je predvideti debelino odrezkov in iz tega strižno deformacijo v primarni deformacijski coni. V zadnjih 100 letih je bilo objavljenih mnogo definicij in odvisnosti za strižni kot. Kompleksnost opisanih relacij se je z leti povečevala, saj je bilo vanje postopoma vključenih vedno več parametrov. V tem poglavju bomo navedli samo formulo, o kateri sta poročala Ernst in Merchant (Preglednica 6.1).

Preglednica 6.1: Primer formule za izračun strižnega kota po Ernstu in Merchantu

Leto

Avtorja

1941

Ernst in Merchant

Formula za strižni kot

 1       4 2

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 85

Slika 6.6: Primer numerično simulirane porazdelitve hitrosti deformacije pri odrezavanju avstenitnega nerjavnega jekla; vc = 240 m/min, h1 = 0,15 mm/vrt; po Svobodi17

Kot je razvidno na Sliki 6.7, lahko na osnovi sil in napetosti v strižni ravnini določimo relacije med silami in koti φ, ρr in γ.

Slika 6.7: Diagram sil za določitev strižnega kota po Ernstu in Merchantu18

Vidimo, da se s povečevanjem kota navideznega trenja ρr zmanjšuje strižni kot in odrezki postajajo vse debelejši. Do dokončnih zaključkov glede vpliva sprememb cepilnega kota ni lahko priti, saj sta od njega odvisna tako kot navideznega trenja kakor tudi strižni kot.

Zdaj lahko opišemo napetosti v strižni ravnini. Primer strižnih napetosti v strižni ravnini prikazuje Slika 6.8. Pri vrednotenju uporabnosti modela je treba upoštevati dva vidika: 1. Vpliv zastojne točke na energijske procese v coni sekundarnih deformacij.

2. Radij roba ima pri danih pogojih pomembnejši vpliv le pri zelo majhni teoretični debelini odrezka (h1 < 0,1 mm).

17 18

Svoboda A., Beräkningar utförda inom ramen för VINNOVA:s MERA‐projekt, Modern skärande bearbetning, 2007 (v švedščini).

Ernst H., Merchant M. E., Chip Formation Friction and High Quality Machined Surfaces, Trans. ASME, Vol. 29, 1941, str. 299–328.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 86

s

800 750 700

B N

650

A

600 F

550 500 450 400 0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

h1

Slika 6.8: Strižna napetost τs [N/mm2] v strižni ravnini kot funkcija teoretične debeline odrezka h1 [mm] za različne obdelovane materiale (N, B, A in F)

6.2 Vrste odrezkov Vrsta nastalih odrezkov je odvisna od vedenja rezalnih sil. Izrazita segmentacija odrezkov je pokazatelj močnih dinamičnih rezalnih sil z visokim indeksom variabilnosti ψi in amplitudo premikov rezalnega orodja, kar negativno vpliva na topografijo obdelane površine. Obstajata dva osnovna mehanizma deformacije materiala, ki prispevata k oblikovanju segmentov in dinamiki rezalnih sil. Pri obeh se najprej postopoma vzpostavijo napetosti v strižni coni, ki se v določenem trenutku sprostijo bodisi z nastankom razpok bodisi s hitrim strižnim delovanjem.  Razpoke se lahko pojavijo zaradi krhkega vedenja obdelovanca med odrezavanjem, kar je značilno denimo za železovo litino in za lite aluminijeve zlitine. Kje in kdaj so napetosti v strižni coni dovolj velike, da se pojavi razpoka, je odvisno predvsem od mikrostrukture obdelovanega materiala oz. od tega, ali zaradi drsenja delov mikrostrukture do nastanka razpok niti ne pride. Stopnja deformacije odrezkov je v takih pogojih razmeroma majhna.  Pri drugem mehanizmu gre za naraščanje preoblikovalnega odpora obdelovanega materiala do največje vrednosti, čemur sledi nenadna porušitev. Ali natančneje: material se med povečevanjem obremenitve deformacijsko utrjuje. Ko je dosežena določena stopnja strižne deformacije in se poviša temperatura deformiranega materiala (temperaturno povišanje ni homogeno zaradi razlik v toplotni prevodnosti materiala), strižna trdnost materiala pade in segment se hitro odtrga. Ti procesi so pri različnih vrstah jekla bolj ali manj intenzivni. Najvišjo stopnjo segmentacije imajo nerjavna jekla zaradi izrazite nagnjenosti k deformacijskemu utrjevanju med plastičnim preoblikovanjem v kombinaciji z razmeroma slabo toplotno prevodnostjo.

6.2.1 Oblikovanje in segmentacija odrezkov Vrste odrezkov, ki se oblikujejo pri odrezavanju danega materiala, lahko opisujemo glede na povezave med strižnimi napetostmi in strižno deformacijo. Potek oblikovanja odrezka izhaja iz interakcij med deformacijskimi lastnostmi materiala in deformacijo med odrezavanjem.

Razlikujemo naslednje vrste odrezkov: 1. Tekoči odrezki so vsi enake oblike.

2. Lameličasti odrezki so oblikovani kot pahljačaste lamele in niso vsi enaki.

3. Narezani odrezki se najprej odstrižejo zaradi oblikovanja razpok, nato pa se zvarijo skupaj.

4. Lomljeni odrezki nastanejo zaradi prekoračitve porušitvene natezne trdnosti materiala.

Opis poteka segmentacije je nekoliko poenostavljen in je zgolj ilustrativne narave. Na Sliki 6.9 so prikazane zgoraj naštete vrste odrezkov s pripadajočimi dinamičnimi rezalnimi silami. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 87

Slika 6.9: Osnovne relacije med rezalnimi silami (Fc in Ff ) oz. njihovo dinamiko, izraženo z indeksom variabilnosti ψji, in vrsto odrezkov (zgoraj levo lomljeni, zgoraj desno narezani, spodaj levo lameličasti, spodaj desno tekoči)

6.2.2 Segmentacija in frekvenca segmentacije V nadaljevanju je opisan model za analizo procesa segmentacije in vibracij, ki jih ta povzroča. Na Sliki 6.11 je prikazana fiktivna razdalja e1, ki ustreza potrebni delovni poti orodja za oblikovanje enega segmenta odrezka.

Slika 6.10: Primeri narezanih odrezkov pri struženju sive litine (levo), litine z vermikularnim grafitom (sredina) in nodularne litine (desno)

Slika 6.11: Geometrijske razmere v procesu segmentacije

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 88

Če je širjenje odrezka zanemarljivo, lahko izračunamo prerez segmenta Aseg po Enačbi 6.1 ter se izognemo uporabi e1 z uvedbo λh:

Aseg  h1  e1  h2  e2 e1 



h2  e2  h  e2 h1

Enačba 6.1

Če izbrani interval rezalne hitrosti zagotavlja konstantno lomljenje odrezkov, je potrebni čas za nastanek enega segmenta odrezka sorazmeren hitrosti odrezka vch. Izračunamo ga kot: t s

e1 e  2 v c v ch

Enačba 6.2

Frekvenca segmentacije fs je obratna vrednost ts. Povezava med frekvenco segmentacije in rezalno hitrostjo je: fs 

vc v 1 vc    ch t s e1  h  e 2 e2

Enačba 6.3

Če določimo dolžino segmentacije e1 za obdelovani material, lahko vplivamo na frekvenco segmentacije fs s parametri, kot je rezalna hitrost vc. Število segmentov, ki se oblikujejo, ko rezalno orodje napreduje v material za en meter, je inverzna vrednost e1, imenujemo pa ga indeks motnje segmentacije ρs:  s

1 e1

Enačba 6.4

Frekvenco segmentacije izračunamo kot:

f s   s  vc

Enačba 6.5

Dolžino segmentacije e1 oz. pot orodja, ki je potrebna za oblikovanje enega segmenta, lahko določimo na različne načine. Segmentacija povzroča variabilen upor pri odrezavanju, zato rezalne sile dobijo dinamično komponento. Ta dinamika vpliva na gibanje rezalnega orodja glede na obdelovanec in na obdelani površini se pojavijo vzorci, ki odslikavajo dogajanja med segmentacijo.

Dolžino segmentacije e1 lahko določimo takole:  s frekvenčno analizo rezalnih sil,  z analizo odrezkov,  z analizo topografije obdelane površine,  z meritvami gibanja rezalnega orodja.

S praktičnega vidika je najprimernejši način določanja vrednosti e1 frekvenčna analiza rezalnih sil, ki omogoča določanje dominantne frekvence segmentacije in njenih sprememb. Na velikost segmentov in s tem na frekvenco segmentacije lahko vplivajo razlike v mikrostrukturi materiala in v usmeritvi kristalnih zrn.

Variabilnost velikosti in videza segmentov je v veliki meri povezana z indeksom variabilnosti ψi (Slika 6.9). Če poznamo trenutno rezalno hitrost, lahko izračunamo e1. Rezalni sistemi imajo različne lastne frekvence fei, ki so odvisne od mehanskih lastnosti posameznih komponent, običajno pa niso povezane z izbranimi rezalnimi parametri. Slika 6.12 ilustrira vpliv rezalne hitrosti na različne frekvence rezalnega sistema.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 89

Slika 6.12: Odvisnost frekvenc rezalnega sistema od rezalne hitrosti vc

Slika 6.13 prikazuje odvisnost med dolžino segmentacije e1 in teoretično debelino odrezka h1 za dve različni vrsti jekla. Pri znani vrednosti e1 lahko izračunamo frekvenco segmentacije.

Slika 6.13: Odvisnost med e1 in h1 za različna materiala (vc = 180 m/min)

6.2.3 Rezalne sile in obdelana površina Obstaja jasna korelacija med variabilnostjo rezalnih sil in upora pri odrezavanju ter topografijo obdelane površine. Ta korelacija je še posebej izražena pri krhkih materialih, ki tvorijo kratke, prekinjene odrezke. Obstaja razlika med površinami, ki nastanejo pod glavnim rezalnim robom, in površinami, ki jih ustvarja stranski rezalni rob. Površine, obdelane z glavnim rezalnim robom, dajejo sliko o vedenju procesa odrezavanja, medtem ko površine, ki jih ustvari stranski rezalni rob, kažejo dosegljivo kakovost površine.

Korelacije med rezalnimi silami Fc in topografijo površine R prikazuje Slika 6.14. Na Sliki 6.15 je podana korelacija med podajalno silo Ff in površinskim profilom pri obdelavi nodularne litine. Kot vidimo, obstaja povezava med podajalno silo in profilom površine. Predpostavimo lahko, da premiki linije roba – v odsotnosti motenj zaradi nalepka – v veliki meri sovpadajo s topografijo obdelane površine. Ta korelacija je manjša pri obdelavi manj krhkih materialov.

Slika 6.14: Povezava med dinamiko glavne rezalne sile in topografijo obdelane površine materiala, ki tvori kratke odrezke

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 90

Slika 6.15: Podajalna sila Ff, profil obdelane površine in korelacija med obema veličinama pri obdelavi nodularne litine; h1 = 0,5 mm, b = 2,5 mm in vc = 100 m/min; po Anderssonu15

6.3 Kritične vibracije pri obdelavi Vibracije se pojavijo, če je dinamika procesa odrezavanja v resonanci z okoliškimi strukturami, kot so obdelovanec, držalo orodja in obdelovalni stroj. Če sistem ne zagotavlja dovolj dušenja, lahko to povzroči neželene učinke, kot so površinska odstopanja in povečana obraba orodja. Za razliko od stabilnih pogojev obdelave je treba pri tovrstnih dinamičnih sistemih računati s premiki, ki presegajo vrednosti, pričakovane na osnovi nazivnih rezalnih sil. Deli rezalnega sistema, ki začnejo najhitreje vibrirati, so rezalno orodje, obdelovanec in deli sistema za pritrditev obdelovanca.

Vibracije in nenačrtovana periodična gibanja so posledica spreminjajočih se kontaktnih sil med obdelovancem in rezalnim orodjem zaradi variiranja upora pri odrezavanju ali rezalnih parametrov.

Na Sliki 6.16 je prikazano vibriranje rezalnega orodja in obdelovanca med struženjem. Vibracije rezalnega orodja se lahko pojavijo pri večini obdelovalnih operacij, vibracije obdelovanca pa so posledica nezadostne togosti pritrditve obdelovanca ali njegove oblike. To pomeni, da je treba vibracije obdelovanca analizirati za vsak primer posebej, medtem ko se je analize vibracij rezalnega orodja mogoče lotiti bolj na splošno.

Slika 6.16: Aksialne (levo) in radialne vibracije (desno) obdelovanca pri struženju

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 91

6.3.1 Vibracije v povezavi s procesom odrezavanja (drdranje) Vibracije, povezane s procesom odrezavanja, pogosto imenujemo tudi drdranje. Pojem drdranja ni natančno opredeljen in običajno predstavlja samovzbujene vibracije oziroma gibanja rezalnega orodja, do katerih pripeljejo interakcije med silami in premiki v povratni zanki.

V raziskave in pojasnjevanje vibracij med procesom odrezavanja je bilo vloženih že veliko naporov.

Teoretična razlaga temelji na predpostavki, da zaradi variabilnih rezalnih parametrov nastanejo vzbujevalne sile, ki nato same vplivajo na rezalne parametre. Zdi se, da je ta razlaga morda preveč splošna. Velik del kritičnih vibracij, kot so tiste, ki vodijo do pomanjkljivosti na površini, je lahko povezan s čistimi resonančnimi pojavi zaradi skromnega dušenja, kombinacija obeh dejavnikov pa omejuje dosegljivo stabilnost procesa obdelave.

Model na Sliki 6.17 pojasnjuje razvoj vibracij med odrezavanjem. Razlikujemo dve osnovni vrsti vibracij (Slika 6.16): vibracije tipa A vključujejo predpostavko, da se rezalno orodje zlahka premika v smeri podajanja, pri čemer sprememba podajalnih sil povzroči aksialni odklon orodja. To odklanjanje se kaže v variabilnosti teoretične debeline odrezka, na primer med več zaporednimi vrtljaji obdelovanca pri zunanjem struženju. Vibracije tipa B se pojavijo, ko je gibanje rezalnega orodja v smeri podajanja zelo majhno, na primer pri notranjem struženju v aksialni smeri.

Odstopanja teoretične debeline odrezka so v tem primeru sekundarna posledica odklonov v smeri vektorja rezalne hitrosti. Kot je razvidno na Sliki 6.18, odklon x vodi do premika linije roba rezalnega orodja za razdaljo e v smeri podajanja.

Drugačen model mehanizma nastanka vibracij prikazuje Slika 6.19. Rezalno orodje je po tem modelu masno telo, ki ga držijo štiri vzmeti, in potuje po eliptični trajektoriji med točkama A in B. Sila F se med gibanjem upira napredovanju orodja, ki tako izgublja kinetično energijo. Ker se zaradi potovanja iz točke A v točko B povečuje debelina odrezka, je sila F v tej fazi velika. Povečanje energije med vračanjem iz točke B v točko A je večje od zmanjšanja energije med premikom iz točke A v točko B. Ta razlika izravnava energijske izgube zaradi dušenja gibanja med procesom odrezavanja.

Slika 6.17: Statičen in dinamičen proces odrezavanja, desno gibanje rezalnega orodja zmoti trd vključek; po Lindströmu19 in Tobiasu20

19 Lindström B., Vibrationer vid skärande bearbetning, expertkurs i skärteknik, Sveriges Mekanförbund i samarbete med Institutionen för Mekanisk Teknologi KTH, 1985 (v švedščini).

20 Tobias S. A., Machine‐Tool Vibration, University of Birmingham, Blackie, 1965.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 92

Slika 6.18: Vibracije tipa A in B; po Lindströmu19 in Tobiasu20

Slika 6.19: Model rezalnega orodja; po Tlustyju21

Slika 6.20 prikazuje naslednji model razvoja vibracij v rezalnem sistemu. Po tem modelu relativno gibanje rezalnega orodja glede na obdelovanec na način, ki je prikazan levo, vodi do oblikovanja vzorca na površini obdelovanca. Amplituda gibanja rezalnega orodja je funkcija spremenljive teoretične debeline odrezkov. Te spremembe so odvisne od fazne razlike med trenutno potjo rezalnega orodja in potjo en vrtljaj pred tem.

Slika 6.20: Regeneracija vibracij in relativna odpornost proti vibracijam; po Lindströmu19

Za večino tukajšnjih modelov regenerativnih vibracij je značilna omejena odvisnost od rezalnih parametrov. Vibracije nastanejo zaradi določene motnje v sistemu, ki ni povezana z izbranimi rezalnimi parametri. Izjema so večrezilna orodja, kjer so vir vibracij posamezna rezila oz. njihovo vstopanje v obdelovanec.

21

Tlusty J., Analysis of the State of Research in Cutting Dynamics, Annals of the CIRP, Vol. 27/2/1978, str. 583–589.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 93

6.3.2 Variabilna debelina odrezkov Na Sliki 6.21 so predstavljene nekatere glavne veličine modela, na katerem temelji večina študij vibracij rezalnega orodja. Model predvideva, da vzbujevalne sile, ki povzročajo vibracije, izhajajo iz variabilne debeline odrezkov h1 in regenerirajo vibracije v procesu s povratno zanko.

Slika 6.21: Spremenljiva teoretična debelina odrezkov h1

Rezalni rob na Sliki 6.21 se giblje po sinusoidi. Privzeli smo, da so vibracije simetrične in imajo dominantno frekvenco, da je rezalni rob v stiku z obdelano površino, da lahko celoten proces opišemo z navedeno geometrijo, da lahko tudi obdelano površino opišemo s sinusno funkcijo, in da imata obe sinusni funkciji periodo e1.

Geometrijski dejavniki imajo pomembno vlogo pri regeneraciji vibracij. Za pojav topografskih vzorcev na površini obdelovanca morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:  Amplituda vibracij je glede na h1 dovolj velika za vzbujanje dinamičnega sistema.  Obstaja fazni zamik med krivuljama, ki opisujeta pot relativnega gibanja rezalnega roba glede na obdelovanec v dveh zaporednih vrtljajih. Če ta pogoj ni izpolnjen, ostane vrednost h1 konstantna ne glede na amplitudo rezalnega gibanja, pri čemer predpostavimo, da se amplituda med vrtljaji ne spreminja.

Skladno z zgornjimi domnevami ne more priti do regenerativnih vibracij, če nista izpolnjena oba pogoja. Vibracije lahko v tem primeru pripišemo spremenljivemu uporu pri odrezavanju.

6.3.3 Vibracije obdelovanca Vibracije obdelovanca lahko povzročijo težave, ki jih je težko razrešiti. Ker se obdelovanci razlikujejo tako po geometriji kot po velikosti, je težko govoriti o analizi vibracij v splošnem smislu.

Lastne frekvence obdelovancev so v večini primerov tako majhne, da nimajo neposrednega vpliva na vibracije ne glede na segmentacijo, variabilnost sil pa zato izhaja predvsem iz sprememb rezalnih parametrov. Sile se lahko spreminjajo zaradi nepravilnosti na površini obdelovanca, zaradi nestabilnosti pritrditve ali zaradi sil, povezanih z lomljenjem odrezkov. Slika 6.22 ponazarja nastanek površinskega profila pri struženju. Prikazana sta teoretični in resnični profil površine pri radialnem gibanju obdelovanca glede na rezalno orodje. Za lažje razumevanje je prikazano, kot da se rezalno orodje premika po obdelovancu, v resnici pa je ravno nasprotno.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 94

Slika 6.22: Dejanski in teoretični profil površine zaradi vibracij obdelovanca; po Anderssonu15

Kot je razvidno na Sliki 6.22, so razlike v teoretični širini odrezka b glavni dejavnik ohranjanja vibracij. Razlike v h1 so drugotna posledica gibanja obdelovanca v radialni smeri. Vrednost h1 pri kotu κ = 90° je nespremenljiva, saj gibanje obdelovanca glede na rezalni rob v tem primeru ni povezano s hrapavostjo obdelane površine. Velikost faznega zamika poti gibanja v dveh zaporednih vrtljajih tedaj ne vpliva na razvoj vibracij, ki nastanejo zaradi amplitude premikov obdelovanca ter posledičnega variiranja globine rezanja in teoretične širine odrezka.

Dva ukrepa, ki sta na voljo v primeru tovrstnih vibracij, sta zagotovitev ustrezne podpore ter znižanje rezalnih parametrov tako, da se zmanjšajo vzbujevalne sile. Vibracije pa je mogoče omejiti še na drug način. Na Sliki 6.23 je prikazano zunanje struženje osi z maso m. Pri konvencionalnem odrezavanju je glavna sila Fc usmerjena navzgor, vektor sile teže mg pa navzdol.

Slika 6.23: Vibracije med obdelavo z različnima smerema delovanja tangencialne sile Fc

Vibracije lahko zmanjšamo s spremembo smeri delovanja Fc in s tem rezalne hitrosti. Na Sliki 6.24 je posnetek obdelane površine osi: desna polovica osi je bila obdelana na konvencionalen način, medtem ko je bila na levi polovici uporabljena navzdol usmerjena tangencialna sila. V prvem primeru je na površini viden izrazit vzorec zaradi vibracij. Tega vzorca v drugem primeru, ko je bil vektor rezalne sile usmerjen navzdol, praktično ni.

V prvem primeru vektorja mg in Fc kažeta v nasprotnih smereh, medtem ko sta v drugem primeru oba usmerjena navzdol. Rezultanta sil, ki deluje na os, je torej Ftot = mg – Fc v prvem in Ftot = mg + Fc v drugem primeru. Z rezultanto sil Ftot = mg + Fc se premakne ravnotežje, od katerega je odvisno gibanje. Na ta način se izboljša vpetje osi v glavi, stročnici ipd. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 95

Slika 6.24: Površina dela po kritični obdelavi; vc = 100 m/min, b = 1 mm, h1 = 0,3 mm in κ = 90°

6.3.4 Kritične rezalne hitrosti Pri kritičnih obdelavah so v obdelovalnem sistemu prisotne motilne frekvence, ki se ujemajo z nekaterimi lastnimi frekvencami celotnega sistema. Posledično se poveča amplituda gibanja rezalnega orodja in poslabša kakovost obdelanih površin. Če ima vlogo motilne frekvence frekvenca segmentacije fs, jo lahko nadzorujemo z izbiro ustrezne rezalne hitrosti. Rezalno hitrost, pri kateri se frekvenca segmentacije ujema z lastno frekvenco sistema, imenujemo kritična rezalna hitrost vc,crit.

Na Sliki 6.25 so ilustrirani naslednji pojmi:  Podkritična obdelava: frekvenca segmentacije je manjša od lastne frekvence in amplituda premikov rezalnega orodja je razmeroma majhna, rezalna hitrost je manjša od kritične: vc < vc,crit.  Kritična obdelava: frekvenca segmentacije je enaka lastni frekvenci ali nekoliko manjša od nje, amplituda premikov rezalnega orodja je večja kot pri podkritični obdelavi, rezalna hitrost je enaka kritični: vc = vc,crit.  Nadkritična obdelava: frekvenca segmentacije je večja od lastne frekvence, amplituda premikov rezalnega orodja je manjša kot pri kritični obdelavi, rezalna hitrost je večja od kritične: vc > vc,crit.

Slika 6.25: Kritična, podkritična in nadkritična obdelava

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 96

6.3.5 Kritične vibracije Povezave med premiki rezalnega orodja in obdelano površino lahko preiskujemo s posebno opremo. Osnovno izhodišče analize vibracij pri rezanju je, da obstaja fazni zamik poti gibanja rezalnega orodja v dveh zaporednih vrtljajih. Z registracijo gibanja rezalnega orodja v dveh zaporednih vrtljajih orodja oz. obdelovanca lahko določimo ta fazni zamik in teoretično debelino odrezka. Predpostavka pri tem je, da se topografija obdelane površine ujema z gibanjem rezalnega orodja.

Slika 6.26 prikazuje gibanje orodja med podkritično, kritično in nadkritično obdelavo. Študije so nedvoumno dokazale, da je vrednost faznega zamika med profilom obdelane površine in potjo rezalnega orodja pri kritični obdelavi vedno enaka 0°, ne glede na obdelovani material. Če je fs = fe, se teoretična debelina odrezka med kritično obdelavo ne spreminja. Pri rezalnih hitrostih tik pod vc,crit sta krivulji fazno zamaknjeni, gibanje rezalnega orodja pa nekoliko prehiteva profil obdelane površine. Nasprotno velja v primeru nadkritične obdelave, kjer pot rezalnega orodja nekoliko zaostaja za profilom obdelane površine.

Ko rezalna hitrost še narašča, se povečuje tudi fazni zamik med potjo rezalnega orodja in profilom obdelane površine, kot je razvidno na Sliki 6.27. Posledično variira vrednost h1, kar prikazuje spodnji diagram.

Slika 6.28 ilustrira vpliv prej opisanega faznega zamika na obdelano površino.

Slika 6.26: Pot rezalnega orodja med prvim (neprekinjena črta) in drugim vrtljajem (črtkana črta) pri podkritični (vc = 110 m/min, zgoraj), kritični (vc = 120 m/min, sredina) in nadkritični obdelavi (vc = 130 m/min, spodaj); h1 = 0,35 mm in b = 2,5 mm

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 97

Slika 6.27: Variabilna teoretična debelina odrezka h1 in pot gibanja rezalnega orodja (zgoraj) med prvim (neprekinjena črta) in drugim vrtljajem (črtkana črta); vc = 160 m/min, h1 = 0,35 mm in b = 2,5 mm

Slika 6.28: Fazni zamik med profilom predhodno obdelane površine in trenutnim gibanjem rezalnega orodja; po Anderssonu15

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 98

6.3.6 Deformacije obdelane površine Glavni povzročitelji vibracij so lahko vzorci deformacij na obdelani površini, ki vodijo do spremenljivega upora pri odrezavanju. Dokaze za to lahko poiščemo pod obdelano površino.

Površina na Sliki 6.29 je bila ustvarjena med kritično obdelavo z ostrim rezalnim robom. Temni del jedkane površine označuje deformacije in linije zdrsa, opazimo pa lahko tudi periodično variabilnost deformacij. Odstopanja so najmanjša tam, kjer je odklon rezalnega orodja največji.

vc

Slika 6.29: Vzorci deformacij na obdelani površini materiala SS 2333; vc = 100 m/min, h1 = 0,45 mm in b = 2,5 mm

6.4 Mikrogeometrija rezalnega roba in dinamika odrezavanja Raziskave mikrogeometrije rezalnega roba in njenega vpliva na dinamiko procesa odrezavanja so osvetlile povezave med mikrogeometrijo, geometrijo proste ploskve in obdelano konturo.

Slika 6.30: Spreminjanje prostega kota pri sinusnem gibanju rezalnega orodja; po Tlustyju21

6.4.1 Dušenje procesa odrezavanja Pri kritičnih obdelavah se poveča amplituda gibanj rezalnega orodja, ki postanejo simetrična. To pomeni, da lahko gibanja rezalnega orodja opišemo s sinusno funkcijo. Pri obravnavi bomo uporabili te predpostavke:  Povečana nestabilnost vodi v bolj simetrično gibanje sistema.  Linija roba je med gibanjem rezalnega orodja nenehno v stiku s površino.  Vpliv podajanja na efektivno vrednost prostega kota je zanemarljiv.

Na Sliki 6.31 je prikazano gibanje ostrega rezalnega orodja brez obrabe na prosti ploskvi med kritično obdelavo. Amplituda gibanja je povečana za boljšo ponazoritev in prikazan prosti kot je zato nesorazmerno velik. Gibanje je opredeljeno kot gibanje konice rezalnega orodja. Zgornja krivulja predstavlja pot rezalnega orodja v predhodnem vrtljaju in vidimo, da je prosta ploskev v stiku z obdelano površino le del periode nihaja. Kot je razvidno na Sliki 6.21, je od valovne dolžine _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 99

in amplitude gibanja v kombinaciji s prostim kotom rezalnega orodja odvisno, kdaj dejansko pride do stika. Slika 6.32 prikazuje podobno gibanje med kritično obdelavo z rezalnim orodjem, ki ima umetno obrabno ploskev VBs. Gibanje rezalnega orodja bi bilo moteno, če bi se orodje premikalo v obdelovanec.

Slika 6.31: Lega ostrega rezalnega roba med kritično obdelavo

Stik med prosto ploskvijo rezalnega orodja in obdelano površino vodi do deformacije določene množine materiala na površini obdelovanca. V obeh primerih nastopi periodična deformacija zunanje plasti obdelovanca, ki je še posebej izražena takrat, ko se rezalni rob premika v smeri obdelovanca. Rezalno orodje izgublja energijo zaradi preoblikovanja materiala in njegovo gibanje je dušeno. Pojav imenujemo deformacijsko dušenje.

Slika 6.32: Rezalni rob z umetno obrabno ploskvijo VBs med kritično obdelavo

S povečanjem umetne obrabne ploskve VBs otežimo gibanje rezalnega roba glede na obdelovanec, saj se povečata deformacijsko dušenje in upor proti podajanju. Tako se zmanjša amplituda primarnega gibanja rezalnega orodja v aksialni smeri, to pa zmanjša variabilnost teoretične debeline odrezka h1. Povečanje umetne obrabne ploskve VBs povzroči mehansko filtriranje dinamike oz. zmanjšanje amplitude nižjih frekvenc procesa. Zgornje kritične frekvence se odstranijo v celoti, nadomestijo pa jih gibanja z valovno dolžino, ki je manjša od VBs, Slika 6.33.

Risba prikazuje stanje med kritično obdelavo, kjer je dolžina ploskve VBs enaka dolžini segmentacije e1.

Slika 6.33: Obdelava z rezalnim orodjem, kjer je VBs = e1

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 100

Rezalno orodje se lahko prosto premika v smeri rezalne hitrosti, komponenti gibanja v aksialni in v tangencialni smeri pa se lahko posledično razlikujeta v frekvenčni sestavi. Gibanje rezalnega orodja je tako zaklenjeno v eni in prosto v drugi smeri. S tem lahko pojasnimo tudi povečanje amplitude v tangencialni smeri, ko se obrabna ploskev dovolj poveča.

6.4.2 Praktični prikaz deformacijskega dušenja Amplitudo vibracij rezalnega orodja med kritično obdelavo je mogoče izmeriti za rezalna orodja z različnimi geometrijami. Merimo lahko rezalno orodje ali pa topografijo obdelane površine.

Slika 6.34 prikazuje profile različnih površin, ki so nastali med kritično obdelavo, vrisana pa je tudi geometrija rezalnega roba. Vertikalna dimenzija profila je raztegnjena in enako velja tudi za geometrijo orodja. Profil površine, narejen z ostrim rezalnim robom, se v veliki meri ujema z napovedmi uporabljenega modela. Pri rezalnem robu z VBs = 0,1 mm sicer že prihaja do dušenja amplitude gibanja, ki pa je še vedno simetrično. Ko se vrednost VBs poveča na 0,4 mm, nastopi izrazito dušenje amplitude in profil površine postane asimetričen. Na zgornji sliki je vidna tudi dodatna deformacija, ki jo povzroči posnetje na rezalnem robu.

Slika 6.34: Profil površine materiala SS 2333 po kritični obdelavi; rezalno orodje in obdelana površina sta skalirana po navpični osi v razmerju 1 : 120; b = 2 mm, h1 = 0,25 mm in vc = 100 m/min

Slika 6.35 prikazuje aksialno gibanje rezalnega orodja med kritično obdelavo. Na spodnjem profilu, ki je bil ustvarjen z ostrim orodjem, ni vidnih motenj simetričnega gibanja rezalnega orodja.

Za obdelavo z rezalnim robom z VBs = 0,1 mm je značilno gibanje, ki je prikazano na srednjem diagramu. Dodatno povečanje VBs na 0,4 mm prinese trajektorijo gibanja orodja, ki je podobna ustreznemu površinskemu profilu na Sliki 6.34. Amplituda gibanja je zdaj manjša in gibanje je bolj nepravilno. Dušenje zaradi strižne deformacije je v veliki meri odvisno od velikosti VBs. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 101

Slika 6.35: Aksialno gibanje rezalnega orodja pri kritični obdelavi; h1 = 0,45 mm, b = 2,5 mm in vc = 80 m/m; za vrednosti VBs = 0, 0,1 in 0,4 mm

Slika 6.36: Amplituda aksialnega gibanja pri različnih rezalnih hitrostih; b = 2,5 mm in h1 = 0,3 mm.

Rob v2: posnetje širine 0,1 mm pod kotom –20°, rob v3: posnetje širine 0,2 mm pod kotom –20°, rob v4: oster rob, rob v5: VBs = 0,1 mm, rob v6: VBs = 0,2 mm in rob v7: VBs = 0,4 mm

Sliki 6.37 in 6.38 povzemata načela, ki veljajo za deformacijsko dušenje med kritično obdelavo.

Amplituda je pri kritičnih obdelavah z ostrim robom praktično enaka za vse vrednosti h1.

Deformacijsko dušenje gibanja je bolj učinkovito pri nizkih vrednostih h1. Aksialno gibanje pri h1 = 0,1 mm praktično izgine pri vrednosti VBs = 0,1 mm. Dušenje v tangencialni smeri je običajno manjše od dušenja v aksialni smeri, vendar pa spremembe dušenja v eni smeri običajno sledijo spremembam v drugi smeri. Zelena pika na diagramu pomeni, da ima rezalni rob posnetje.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 102

Slika 6.37: Amplituda gibanja v aksialni (levo) in tangencialni (desno) smeri kot funkcija VBs pri kritični obdelavi materiala SS 2333; b = 2,5 mm, h1 = 0,45 mm in vc = 90 m/min

Slika 6.38: Amplituda gibanja v aksialni (levo) in tangencialni (desno) smeri kot funkcija VBs pri kritični obdelavi materiala SS 2333; b = 2,5 mm, h1 = 0,1 mm in vc = 60 m/min

Slika 6.39 prikazuje spremembe tangencialnega gibanja (T) in aksialnega gibanja (A), ko se spremeni mikrogeometrija rezalnega orodja. Deformacijsko dušenje povzroči motnje v sicer simetričnem gibanju rezalnega orodja, kar privede do dušenja aksialnih in tangencialnih gibanj.

Slika 6.39: Gibanje orodja v tangencialni in aksialni smeri pri obdelavi materiala SS 2333 z orodji različnih mikrogeometrij; h1 = 0,3 mm, b = 2,5 mm in vc = 80 m/min: zgoraj levo oster rob, zgoraj desno VBs = 0,1 mm, spodaj levo VBs = 0,2 mm, spodaj desno VBs = 0,4 mm

Povečanje upora pri odrezavanju v eni smeri običajno vodi v zmanjšanje dinamike v isti smeri (Slika 6.40). V splošnem velja, da je stopnja dušenja procesa odrezavanja manjša, ko je manjša površina stika. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 103

Slika 6.40: Gibanje rezalnega orodja v treh razsežnosti (h1 = 0,4 mm, b = 4 mm in vc = 135 m/min): oster rob (levo), VBs = 0,06 mm (sredina), VBs = 0,09 mm (desno)

6.4.3 Vibracije in pojav nalepka V enem od prejšnjih poglavij smo obravnavali nalepek in njegov vpliv na obdelano površino s tribološkega vidika. Tukaj se bomo posvetili mehanizmom, ki obvladujejo nastanek in odstranjevanje nalepka med kritično obdelavo. V ugodnih okoliščinah obstaja velika verjetnost lepljenja obdelovanega materiala na rezalni rob, denimo pri obdelavi nerjavnih ali maloogljičnih jekel.

Oblikovanje nalepka v prisotnosti vibracij se v več pogledih razlikuje od nastanka nalepka v statičnih pogojih. Med prehodom iz stabilne v nestabilno obdelavo se lahko razvijeta dva scenarija, ki sta označena z A in B na Sliki 6.41: A. Dinamična komponenta sile v tangencialni in aksialni smeri povzroči trganje nalepka, ki se oblikuje v vsaki periodi vibracij. Nalepek, ki se uspe oblikovati v tem času, je omejene velikosti, to pa pomeni, da se s površine orodja odtrga precejšnje število zelo majhnih delcev nalepka.

B. Gibanja obdelovanca in odrezkov vodijo do nenehnega seljenja zastojne točke, kar pomeni, da se relativna rezalna hitrost povsod na cepilni ploskvi razlikuje od nič. Nalepek se tako sploh ne more razviti oz. ne doseže znatnejše velikosti.

Težko je napovedati, kateri od obeh scenarijev se bo uresničil v praksi, lahko pa zatrdimo, da je scenarij A verjetnejši pri nižjih rezalnih hitrostih in temperaturah, scenarij B pa pri ravno nasprotnih pogojih.

Slika 6.41: Možna mehanizma oblikovanja nalepka v prisotnosti vibracij; po Anderssonu15

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 104

Vpliv nalepka lahko zmanjšamo z izbiro take mikrogeometrije, ki preprečuje, da bi se nalepek premikal proti prosti ploskvi orodja. Primeren je lahko npr. pozitiven cepilni kot v kombinaciji s stabilizacijsko geometrijo rezalnega roba. Geometrije s posnetji in večjimi polmeri zaokrožitve robov nasprotno niso primerne za omejevanje vplivov nalepka. Na Sliki 6.42 so prikazani različni pristopi k oblikovanju stabilizacijske mikrogeometrije.

Slika 6.42: Pristopi k omejevanju vplivov nalepka s stabilizacijsko geometrijo vključujejo ostre geometrije (levo) in pripravo umetne obrabne ploskve (desno)

6.5 Oblikovanje in lomljenje odrezkov Kot smo že omenili, se odrezki včasih zapletajo v gnezda raznih oblik in velikosti, to pa lahko negativno vpliva na proces odrezavanja. Dolgi in sestavljeni odrezki, ki so prikazani na Sliki 6.43, lahko ogrozijo učinkovitost proizvodnje, medtem ko kratki in ozko naviti ali spiralni odrezki niso problematični. Tekoči odrezki se pogosto krivijo ter imajo svoj polmer in spiralno obliko. Proces odstranjevanja materiala z odrezavanjem ima dve fazi: začetno ustvarjanje odrezkov v strižni ravnini ter poznejše oblikovanje in morebitno ločevanje odrezkov na več krajših delov. Pri krhkih materialih lahko prihaja do ločevanja oz. lomljenja odrezkov v neposredni bližini strižne ravnine, kjer se material odrezka deformira ali prvič upogne. Primera materialov, ki tvorijo kratke odrezke, sta siva in aluminijeva litina.

Odrezke iz duktilnih materialov je treba še dodatno deformirati ali upogniti, da se lomijo na želeno dolžino. Večina malolegiranih jekel tvori dolge odrezke, ki jih ne lomimo, ampak jih skušamo oblikovati tako, da proces odrezavanja poteka nemoteno. Odrezke lahko pri struženju utorov oblikujemo npr. že na liniji rezalnega roba in v strižni ravnini s pomočjo glavnega rezalnega roba v obliki črke V. Odrezki so tako ožji od utora, ki ga izdeluje orodje.

Nesprejemljivo

Sprejemljivo

Slika 6.43: Sprejemljive in nesprejemljive oblike odrezkov za nemoteno proizvodnjo

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 105

Potrebni polmer za zlom odrezka se lahko doseže z uporabo geometrije za lomljenje odrezkov (Slika 6.44). Ta običajno posnema obliko kotanjaste obrabe na orodju. Odrezki se ne lomijo le zaradi upogibanja, kot na Sliki 6.44, temveč tudi zaradi stika z orodjem ali obdelovancem, kot na Sliki 6.45.

Slika 6.44: Različni načini za umetno zmanjšanje polmera odrezkov

Lomljenje odrezkov ob stiku z rezalnim robom lahko povzroči poškodbe in skrajšanje obstojnosti orodja, ki se mu skušamo izogniti. Primerno lomljenje odrezkov lahko dosežemo tako, da jih preoblikujemo v spiralno obliko. Lomilec, ki je vzporeden z rezalnim robom in krivi odrezke, pripomore k odvajanju odrezkov, ki je podobno odvijanju vijaka iz navojne luknje. Če ima rezalno orodje nagibni kot, nastajajo spiralni odrezki s kotom vijačnice, ki je vsaj enak nagibnemu kotu.

Smer toka odrezkov je v veliki meri odvisna od razmerja med radijem konice r in globino rezanja ap, kakor tudi od nagibnega kota λ in nastavnega kota κ. Želeni polmer odrezkov se lahko doseže z izbiro ustrezne geometrije orodja.

Dolge odrezke moramo lomiti, da preprečimo njihovo zagozditev v vrtečem se rezalnem orodju ali v vpenjalih in da zmanjšamo prostornino odrezkov za recikliranje. Kako lahko ga je razbiti, je odvisno od krhkosti odrezka. Za zlom odrezka lahko zadostuje že upogib do ustreznega polmera.

Proizvajalci rezalnega orodja objavljajo tabele s podatki o lomilcih za različne vrste materialov. Te tabele za vsako rezalno orodje navajajo področja uporabe ter najprimernejše kombinacije globine rezanja in podajanja, ki zagotavljajo zadovoljivo lomljenje odrezkov. Na Sliki 6.47 je primer tabele z lomilci odrezkov za obračalne ploščice, namenjene obdelavi različnih skupin materialov.

Slika 6.45: Lomljenje odrezkov zaradi upogibanja (levo), ob stiku z obdelovancem (sredina) in ob stiku z orodnim držalom (desno)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 106

Slika 6.46: Različne oblike odrezkov pri struženju v odvisnosti od rezalnih parametrov

Slika 6.47: Preglednica prikazuje različne geometrije lomilcev odrezkov, razvrščene po relativni trdnosti rezalnega roba (vodoravna os) in stopnji odvzema materiala (navpična os). Barve označujejo glavna področja uporabe ploščic oz. skupine obdelovanih materialov.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 107

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 108

7 Obdelovani materiali in njihova odrezovalnost Odrezovalnost materialov odločilno vpliva na proizvodne stroške. Med drugim je odvisna od aplikacije, in material, ki ima pri eni vrsti obdelave dobro odrezovalnost, je lahko pri drugi zelo težaven. Odvisna je tudi od lastnosti rezalnega orodja, rezalnih parametrov in drugih dejavnikov pri odrezavanju. Opisujemo jo s polarnimi diagrami, na katerih osi predstavljajo različne lastnosti oziroma stopnjo izpolnjevanja določenih kriterijev. Pri oblikovanju indeksov odrezovalnosti materiala je treba upoštevati vse posebne okoliščine vsakokratne obdelave. To poglavje obravnava koncept odrezovalnosti, povezavo med odrezovalnostjo in proizvodnimi stroški, materialne faktorje, ki vplivajo na odrezovalnost, načine določanja odrezovalnosti, načela oblikovanja raznih indeksov odrezovalnosti in lastnosti obdelovanih materialov z vidika odrezavanja.

7.1 Koncept odrezovalnosti in njegova kompleksnost Odrezovalnost kot večplasten koncept ni povsem enoznačno določljiva, zato jo vedno obravnavamo in razumevamo v kontekstu dane aplikacije. Tradicionalno definicijo, ki dopušča več interpretacij, lahko povzamemo takole: vedenje obdelovanega materiala med procesom odrezavanja in njegov vpliv na rezultate procesa.

Odrezovalnost po nekoliko preprostejši definiciji izraža, kako enostavno je material obdelovati na način, ki zagotavlja vnaprej določeno obliko, dimenzije in hrapavost obdelane površine.

Merilo za odrezovalnost mora torej posredovati pričakovan odziv materiala na proces odrezavanja. Koncept odrezovalnosti je zato najbolje razčleniti tako, da ustreza potrebam dane naloge.

V zvezi z odrezovalnostjo moramo upoštevati naslednje parametre, ki odločilno vplivajo na ekonomiko proizvodnje: Q kakovost končnega izdelka; S motnje ali prekinitve procesa odrezavanja, ki jih povzroča vedenje obdelovanega materiala; P zmogljivost proizvodnje (čas cikla), ki je dosegljiva v danih pogojih; E okoljski vidiki in recikliranje obdelovanega materiala.

Pri vrednotenju odrezovalnosti materiala moramo upoštevati tudi stroške rezalnega orodja in strojev ter stroške dela. V nekaterih primerih lahko tudi stroški obdelovanega materiala posredno vplivajo na njegovo odrezovalnost. Pojave in vedenja v procesu odrezavanja delimo v pet večjih skupin: 1. rezalne sile in moč, 2. oblikovanje in odvajanje odrezkov, 3. obraba orodja, 4. lastnosti obdelane površine, 5. okoljski vidiki.

Predlagana razvrstitev temelji bolj na tradiciji kot na analizi medsebojnih povezav med posameznimi skupinami. Tako na primer niso upoštevane odvisnosti med različnimi vedenji ter ni razločitve med dejavniki pod našim nadzorom in parametri na izhodu iz procesa. Rezalne sile lahko tako vplivajo na vse faktorje, ki so vključeni v koncept odrezovalnosti.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 109

Razlikujemo lahko med različnimi ravnmi odrezovalnosti in na vsaki od njih veljajo medsebojne odvisnosti, zaradi katerih pogosto ni mogoče podati preproste razlage odrezovalnosti. Sestavimo lahko naslednjo verigo odvisnosti: lastnosti materiala → vedenje procesa → odrezovalnost → parametri rezultatov → stroški obdelave Odrezovalnost materiala lahko opisujemo v povezavi z danimi okoliščinami. Predpostavka pri vsaki primerjavi odrezovalnosti različnih materialov mora biti najboljši možni nabor pogojev pri obdelavi. Odrezovalnost v tem kontekstu je relativen koncept in je odvisna od vsakokratnih pogojev. Ko primerjamo različne materiale po odrezovalnosti, ni nujno, da dobimo enak vrstni red denimo za vrtanje in struženje. Enako velja tudi za primerjavo odrezovalnosti materialov npr. pri dveh različnih vrstah struženja, kot sta vzdolžno struženje in struženje utorov. Da bi imeli kriteriji odrezovalnosti tudi praktično vrednost, morajo biti prilagojeni izbrani operaciji. Preprosti kriteriji odrezovalnosti lahko dajo odgovore samo na preprosta vprašanja. Vsak obdelovanec gre skozi različne korake obdelave in za vrednotenje njegove celotne odrezovalnosti je zato treba upoštevati vse operacije, ki imajo kakšno težo pri ekonomiki proizvodnje.

Slika 7.1: Osnovne kategorije klasičnega koncepta odrezovalnosti

7.1.1 Odrezovalnost in stroški obdelave Spodnja slika prikazuje relacije med vidiki odrezovalnosti in parametri rezultatov. V diagramu so izpostavljene le nekatere pomembnejše relacije. Moč vpliva nekega elementa oz. množice elementov na določeni parameter rezultatov dane aplikacije je mogoče ovrednotiti na številčni skali. Osnova za preizkušanje odrezovalnosti so v tem primeru lahko elementi oz. množice elementov z dovolj veliko absolutno vrednostjo na skali.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 110

Slika 7.2: Širši pogled na odrezovalnost s poudarkom na obdelovanem materialu

Slika 7.3: Relacije med različnimi platmi odrezovalnosti in parametri rezultatov

7.1.2 Relacije med postopki odrezavanja in odrezovalnostjo Vedenja med procesom odrezavanja vplivajo na različne vidike odrezovalnosti. Sestavimo lahko diagram, ki povezuje fizikalna dogajanja med odrezavanjem z različnimi vidiki odrezovalnosti.

Mnoga fizikalna dogajanja vplivajo tudi eno na drugo. Upor pri odrezavanju tako denimo močno vpliva na temperature v procesu in enoodstotno povišanje upora privede do povišanja temperature za približno 1 °C. Naslednji primer je koeficient nakrčenja odrezkov, ki je povezan z _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 111

različnimi dogodki in veličinami, kot so strižne napetosti, kontaktna dolžina na cepilni ploskvi, porazdelitev obremenitev in začetna geometrija odrezkov. Dejavniki, ki vplivajo na temperature v procesu, vplivajo tudi na stopnjo oblikovanja nalepka in nalaganje materiala na rezalni rob.

Slika 7.4: Diagram relacij med nekaterimi fizikalnimi pojavi oz. veličinami v procesu odrezavanja in različnimi vidiki odrezovalnosti

7.1.3 Lastnosti materiala in proces odrezavanja Na fizikalne pojave med procesom odrezavanja vplivajo in jih obvladujejo skupine faktorjev A–G. Na odrezovalnost materiala vplivajo predvsem obvladujoči faktorji iz skupine B (obdelovani material), medtem ko geometrije obdelovanca običajno ne štejemo med prvine odrezovalnosti.

Vedenje obdelovanega materiala je odvisno tudi od faktorjev iz ostalih skupin. Stalne spremembe procesa odrezavanja, povezane s časom rezanja, obvladujejo faktorji v skupinah E (obraba in vzdrževanje) in F (posebnosti procesa). Na proces odrezavanja močno vpliva več parametrov materiala, ki so našteti v Preglednici 7.1.

Preglednica 7.1: Lastnosti materiala iz skupine faktorjev B, ki vplivajo na fizikalne pojave med procesom odrezavanja

Lastnosti materiala, ki vplivajo na proces odrezavanja      

Deformacijsko utrjevanje Adhezivnost Specifična toplota in gostota Variabilnost strukture Raztezek pri porušitvi Odpornost proti deformacijam

    

Trdota Porazdelitev trdote Velikost faz Zarezni učinki Velikost in geometrijske relacije med fazama  in 

   

Porazdelitev faz  in  Trdota faz  in  Poroznost Vpliv faz 

Na lastnosti nastalih odrezkov vpliva tudi deformacijsko utrjevanje materiala, zaradi katerega so po končani obdelavi prisotne precejšnje razlike v lastnostih materiala na različnih delih _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 112

obdelovanca. Zunanja plast ima pogosto precej večjo trdoto in napetost tečenja kot material, ki ni bil izpostavljen deformacijskemu utrjevanju. Utrjevanje v deformacijski coni III povečuje obremenitve rezalnega roba, če je vrednost h1 manjša od vrednosti εIII. Za fino obdelavo v pogojih povečanih obremenitev je zato priporočljivo uporabiti nekoliko večje podajanje, pri tem pa je še posebej pomembna oblika linije roba. Deformacijsko utrjevanje v povezavi z majhno toplotno prevodnostjo lahko povzroči razmeroma slabo odrezovalnost materiala, na primer pri avstenitnih jeklih.

Sprijemanje obdelovanega materiala na rezalno orodje je eden od tistih pojavov pri odrezavanju, zaradi katerih je proces odrezavanja zelo kompleksen in pogosto težko predvidljiv. Sprijemnost je povezana z duktilnostjo obdelovanega materiala. Visokoduktilni materiali so pogosto močno nagnjeni k sprijemanju na oslojena rezalna orodja, to pa lahko ima ugoden ali neugoden vpliv na njihovo odrezovalnost. Če je stopnja sprijemnosti materiala dovolj visoka in je oprijem materiala na rezalnem robu dovolj stabilen, lahko ta material zaščiti rezalni rob in tako podaljša obstojnost orodja. Material, ki se na rezalni rob lepi slabo, le za kratek čas in se pogosto trga, nasprotno privede do hitre in progresivne obrabe rezalnega orodja, ki jo imenujemo adhezijska obraba. Meja med enim in drugim vedenjem materiala je včasih zelo tanka in že najmanjše razlike v lastnostih obdelovanega materiala lahko povzročijo občutne razlike v poteku odrezovalnega procesa.

Sprijemnost obdelovanega materiala je tudi nujni pogoj za nalaganje materiala na rezalni rob v obliki nalepka.

Z nalaganjem materiala na rezalni rob se poveča efektivni cepilni kot, polmer odrezkov je vse manjši in izboljša se nadzor nad odrezki. Začetna oblika odrezka pri dani rezalni geometriji je pomembna za njegovo učinkovito lomljenje. Toplotna prevodnost obdelovanega materiala ima velik vpliv na temperature v procesu. Že enoodstotno povečanje toplotne prevodnosti pri jeklih povzroči, da se temperatura v procesu zniža za več desetink °C. Specifična toplota obdelovanega materiala je dejavnik, ki ima sorazmerno največji vpliv na temperaturo v procesu – ko se specifična toplota poveča za en odstotek, se temperatura zniža za več °C. Vpliv specifične toplote je še posebej izražen pri feritnih jeklih, kjer je specifična toplota močno temperaturno odvisna zaradi pretvorbe iz feritne v avstenitno mikrostrukturo. V intervalu delovnih temperatur se lahko poveča za več kot 100 %, posledično pa se znatno izboljša odrezovalnost feritnih jekel. Dejstvo, da se sorodne vrste jekel z različnimi kemičnimi sestavami razlikujejo po odrezovalnosti, je predvsem posledica razlik v njihovi specifični toploti. Zaradi močne temperaturne odvisnosti specifične toplote v intervalu 750–900 °C je težko vnaprej napovedovati potek procesa odrezavanja.

Za večfazne materiale je značilno, da ima ena od faz manjšo stopnjo odrezovalnosti kot ostale, ena od faz pa je krhkejša. V nadaljevanju to krhko (in pogosto tršo) fazo imenujemo β‐faza.

Optimalno odrezovalnost imajo malolegirana jekla, ki vsebujejo samo 0,3–0,5 % ogljika. Jekla z manjšim deležem ogljika imajo večjo sprijemnost, medtem ko so jekla z večjim deležem ogljika bolj abrazivna. Večji ko je raztezek materiala pri porušitvi, manjši mora biti premer odrezka, da se ta odlomi. Vrednost raztezka pri porušitvi torej določa vrsto odrezkov in s tem dinamiko procesa odrezavanja. Povečanje preoblikovalnega odpora praviloma vodi k povečanju rezalnih sil in s tem k povečanju upora pri odrezavanju. Trdota materiala je običajno neposredno povezana s preoblikovalnim odporom in zato tudi z uporom pri odrezavanju. Variabilna trdota materiala je delno povezana z nehomogeno porazdelitvijo faz in pri obdelavi lahko pričakujemo spremenljive rezalne sile. V tem primeru ni nenavadno, da material tvori krajše odrezke ali da so ti segmentirani.

Geometrijska porazdelitev faz lahko znatno vpliva na odrezovalnost materiala. Komponente utrjevalne faze pri kompozitnih materialih s kovinsko osnovo (MMC) so spremenljive oblike in velikosti. Odrezovalnost MMC je boljša, če so komponente utrjevalne faze tanke in podolgovate, kot pa če so bolj okrogle oblike. Obstaja tudi velika razlika v odrezovalnosti aluminijeve zlitine z _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 113

20 % aluminijevega oksida (Al2O3) v obliki vlaken in zlitine z aluminijevim oksidom v obliki delcev.

Razlike v geometriji utrjevalne faze lahko povzročijo do več sto odstotkov razlike v obstojnosti orodja pri obdelavi aluminijevih zlitin. Če je utrjevalna faza v obliki podolgovatih vlaken, ki povzročajo manjšo abrazivno obrabo, je deformacija materiala v conah II in III bistveno manjša.

Utrjevalno fazo, druge trde vključke in zunanje površine materialov označujemo z imenom η‐faza.

V železovih litinah, kot je npr. siva litina, so prisotna območja koncentriranega grafita, ki povzročajo zarezne učinke pri oblikovanju odrezkov. Zaradi koncentracije napetosti se zmanjša upor pri odrezavanju, odrezki pa so kratki in prekinjeni. Obdelava materialov s kratkimi odrezki je lahko problematična, saj se cepilna ploskev obrablja pretežno v bližini linije roba. Če nastopi kotanjasta obraba, ki se razširi na linijo roba, se lahko spremeni njena geometrija. Grafit v železovi litini ima mazalni učinek, ki pripomore k izboljšanju odrezovalnosti (ε‐faza). Silicijevo fazo v hiperevtektoidnih aluminijevih zlitinah za litje štejemo med η‐faze zaradi obrabe, ki jo povzroča.

Poroznost materiala povezujemo s slabo odrezovalnostjo, ker povečuje hitrost deformacije materiala v conah II in III. Delovanje rezalnega roba je na nek način prekinjano, saj se nenehno izmenjujeta fazi vstopa in izstopa. Nekateri materiali so problematični zaradi nagnjenosti h kemičnim reakcijam z okolico, katere del je tudi rezalno orodje. Kemične reakcije med obdelovanim materialom in rezalnim orodjem (difuzija materiala) lahko povzročijo resne težave med odrezavanjem.

7.1.4 Prikaz materialnih faktorjev v polarnem diagramu Skupino B sestavlja pet čistih materialnih faktorjev. Ti vsak zase ali skupaj z ostalimi delno ali v celoti opredeljujejo lastnosti materiala, od katerih sta odvisna njegova odrezovalnost in vedenje med odrezavanjem. Ti materialni faktorji so: 1. trdota ali preoblikovalni odpor, 2. abrazivnost in nagnjenost k obrabi, 3. duktilnost, 4. deformacijsko utrjevanje, tj. povečanje napetosti tečenja zaradi deformacije, 5. majhna toplotna prevodnost in/ali majhna specifična toplota.

Našteti materialni faktorji niso neposredno povezani s procesom odrezavanja, zato lahko ocenjujemo pričakovano oz. potencialno odrezovalnost materiala samo na njihovi osnovi in brez vključevanja rezalnega orodja ali rezalnih parametrov. Od rezalnega materiala in morebitnih prevlek so odvisne tri pomembne lastnosti – adhezivnost, kemična reaktivnost in difuzija. Kemične reakcije imajo lahko odločilno vlogo pri odrezovalnosti materiala, ker pa so pogosto zelo specifične, jih je najbolje obravnavati ločeno. Navedemo lahko dva primera: odločilen vpliv kemične razgradnje pri obdelavi feritnih jekel z rezalnimi orodji iz materiala pcBN in dejstvo, da so kemične reakcije pri obdelavi nekaterih vrst titana v veliki meri neodvisne od uporabljenega rezalnega orodja.

Na podlagi ocenjene vloge vsakega od teh faktorjev pri določanju odrezovalnosti danega materiala lahko izrišemo polarni diagram. Primer takega diagrama je prikazan na Sliki 7.5. Pri ustvarjanju polarnih diagramov lahko izbiramo različne osi. V tukajšnjem primeru lahko z izjemo abrazivnosti podamo jasno fizikalno interpretacijo za vsakega od petih izbranih materialnih faktorjev. V kolikšni meri obdelovani material povzroča obrabo orodja, vrednotimo na relativni skali. Abrazivnost materiala lahko kvantificiramo s sestavljeno oceno na osnovi mikro‐ ali nanotrdote (srednja vrednost in porazdelitev trdote), razlik v trdoti med mikrostrukturnimi fazami ter oblike in velikosti trdih komponent materiala (Slika 7.6). Pristop je primeren za enofazne in večfazne materiale. Pri slednjih so trde in abrazivne faze vezane z mehkejšimi fazami, podobno kot je zgrajen brusilni kolut. Z meritvami mikrotrdote v zadostnem številu točk je mogoče _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 114

statistično določiti povprečno trdoto in variabilnost trdote. Pri preizkušanju trdote deformacijsko utrjenih materialov je treba upoštevati tako obremenitve kakor tudi najmanjšo dovoljeno razdaljo med zaporednimi merilnimi točkami.

Ena od možnosti za karakterizacijo stopnje abrazivnosti zlitin je s kvantifikacijo zlitinskih elementov, ki tvorijo trde karbide in okside. V zlitini Alloy 718 na osnovi niklja, ki jo je zelo težko obdelovati, tako denimo vsebnost ogljika določa delež prostih karbidov. Stopnjo deformacijskega utrjevanja obdelovanega materiala lahko izrazimo na različne načine, npr. z razmerjem med porušitveno natezno trdnostjo in napetostjo tečenja. Če obstaja empirični diagram oz. ustrezen model napetosti in deformacij za material, ga lahko uporabimo za določitev povečanja napetosti tečenja po deformaciji. Preglednica 7.2 prikazuje več materialnih faktorjev, ki so lahko osnova za vrednotenje potencialne odrezovalnosti v polarnem diagramu. Relativno odrezovalnost lahko ugotavljamo s primerjavo danega in ustreznega referenčnega materiala. V tem polarnem diagramu visoka številčna vrednost veličine, s katero merimo določen materialni faktor, pri vseh faktorjih razen pri enem označuje negativen vpliv na odrezovalnost in posledično visoko stopnjo obrabe rezalnega orodja. Izjema je toplotna prevodnost, kjer manjša vrednost merilne veličine pomeni slabšo odrezovalnost.

Preglednica 7.2: Materialni faktorji so osnova za pripravo polarnega diagrama, ki omogoča primerjavo materialov po potencialni odrezovalnosti Materialni faktorji

Vključeni fizikalni faktorji oz. procesi

Merilne veličine

Enote

Različne

[‐]

WAb

Abrazivnost

Sestava, variabilnost trdote (porazdelitev trdote)

Ad

Adhezivnost, duktilnost

Raztezek pri porušitvi

εb

[%]

D

Deformacijsko utrjevanje

Faktor deformacijskega utrjevanja

Dn

[‐]

T

Toplotna prevodnost

Prevajanje toplote

k

[W/mK]

H

Trdota (napetost tečenja)

Preoblikovalni odpor

HV, Rp

[N/mm2]

Slika 7.5: Levo primer polarnega diagrama z materialnimi faktorji, ki vplivajo na potencialno odrezovalnost, desno primer polarnega diagrama, ki prikazuje moč vpliva posameznih materialnih faktorjev na odrezovalnost materiala X (osenčeno območje) v primerjavi z odrezovalnostjo referenčnega materiala R (debela črna linija); Andersson, Ståhl22, Xu23 et al.

Kot vidimo na Sliki 7.7, se primerjani materiali razlikujejo v polarnih diagramih, rezalnih parametrih in rezultatih postopka obdelave. Pri uporabi polarnih diagramov za vrednotenje 22 Andersson M. in Ståhl J.‐E., Polar machinability diagram – a model to predict the machinability of a work material, zbornik 1st International Swedish Production Symposium, Göteborg, 2007.

23 Xu L., Schultheiss F., Andersson M., Ståhl J.‐E., General Conception of Polar Diagrams for the Evaluation of the Potential Machinability of Workpiece Materials, International Journal of Machining and Machinability of Materials, Vol. 14, str. 24–44, 2013.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 115

potencialne odrezovalnosti materialov lahko privzamemo, da imajo materiali s podobnimi polarnimi diagrami tudi podobno odrezovalnost. Kadar začnemo delati z materialom, ki nam še ni znan, lahko torej vzamemo za izhodišče parametre podobnega znanega materiala. f

0.03

AISI A618 AISI 1045 AISI 52100 SAF 2205 AISI 4140

0.025

0.02

0.015

0.01

0.005

0 100

200

300

400

500

HV Slika 7.6: Primeri modelov porazdelitve mikrotrdote za več jekel

Slika 7.7: Sistem polarnih diagramov za ilustracijo odrezovalnosti različnih materialov; Xu23 et al.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 116

7.1.5 Materialni faktorji, rezalni parametri in geometrija rezalnega orodja Geometrija rezalnega orodja in rezalni parametri močno vplivajo na stopnjo odrezovalnosti izbranega materiala. Slika 7.8 ilustrira uporabo polarnih diagramov pri prilagajanju rezalnih parametrov za izboljšanje odrezovalnosti. Uporabimo jih lahko tudi pri izbiri ustrezne geometrije rezalnega orodja. Uporaba polarnih diagramov za primerjavo odrezovalnosti materialov je opisana zgoraj. Z ustrezno geometrijo orodja in rezalnimi parametri lahko kompenziramo neugodne vplive enega ali več materialnih faktorjev. Pri čisti abrazivni obrabi rezalnega roba je skupna delovna pot orodja (eT = vc  T) praktično konstantna ter ni odvisna od rezalne hitrosti in podajanja. Izkoriščenost rezalnega roba je mogoče izboljšati s povečanjem razpoložljive dolžine, tj. s povečanjem globine rezanja. Drug način za obvladovanje abrazivne obrabe rezalnega roba je z maksimalnim kotom klina β, pri katerem se obrablja največji volumen rezalnega materiala.

Abrazivno obrabo rezalnega orodja lahko najbolje uravnotežimo s protiobrabno obstojnim rezalnim materialom (z visoko tlačno trdnostjo).

Slika 7.8: Obvladovanje odrezovalnosti s prilagoditvijo rezalnih parametrov; Avdovic24

Adhezivnost oz. sprijemnost obdelovanega materiala lahko uravnotežimo predvsem s povečanjem rezalne hitrosti. Zaradi povišanja temperatur v procesu se zmanjša trdnost nalepka, s tem pa ublaži posreden vpliv adhezivnosti obdelovanega materiala zaradi odlaganja odtrganih delcev nalepka na obdelano površino. Enak učinek lahko dosežemo tudi z večjo vrednostjo podajanja, toda rezultati so pogosto kompleksnejši in jih je težje ovrednotiti. Vsi ukrepi za 24

Avdovic P., Xu L., Andersson M., Ståhl J.‐E., Evaluating the Machinability of Inconel 718 Using Polar Diagrams, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 133, 2011.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 117

zmanjšanje koeficienta nakrčenja odrezka in kontaktne dolžine rezalnega orodja v osnovi omejujejo sprijemanje obdelovanega materiala na rezalni rob. Med tovrstne ukrepe spadata tudi zmanjšanje cepilnega kota in uporaba hladilno‐mazalnih tekočin. Adheziji materiala na rezalni rob se je mogoče zoperstaviti tudi z bolj žilavim rezalnim materialom (ki ima večjo upogibno trdnost).

Tendenco obdelovanega materiala k sprijemanju na orodje lahko znatno zmanjšajo tudi nekatere vrste prevlek. Zaradi deformacijskega utrjevanja obdelovanega materiala se poveča trdota obdelane površine v primerjavi z materialom pod njo. Majhna vrednost teoretične debeline odrezka h1 v kombinaciji z veliko širino deformirane plasti εIII lahko privede do lokalnih poškodb rezalnega roba. Obseg obdelave deformirane plasti lahko zmanjšamo s povečanjem podajanja f in zmanjšanjem radija konice (prehoda med glavnim in stranskim rezalnim robom). Učinkovit ukrep je tudi zmanjšanje debeline deformirane plasti εIII z ostrejšim rezalnim robom oz. z zmanjšanjem polmera roba rβ. Za mnoge materiale velja, da se z zmanjšanjem rezalne hitrosti zmanjša tudi vrednost εIII. Vrednost εIII se nasprotno običajno povečuje z obrabo rezalnega orodja, zato je smiselno uporabiti manjši kriterij obrabe in izbrati tak orodni material, pri katerem se ohrani radij roba ob napredujoči obrabi. Če se radij roba povečuje z obrabo, to le še poslabša težave, ki izhajajo iz utrjenih zunanjih površin.

Majhna toplotna prevodnost obdelovanega materiala je povezana z omejenim odvajanjem toplote med procesom odrezavanja, kot prikazuje Slika 7.15. Velik del toplote, ki nastane med procesom odrezavanja, se zato zadrži v rezalnem orodju. Primer je obdelava nerjavnih jekel, kjer je odvajanje toplote iz primarne deformacijske cone zanemarljivo in je rezalno orodje zato izpostavljeno močnim toplotnim obremenitvam, s tem pa plastični deformaciji in pospešeni obrabi. Zaradi visoke sestavljene temperature je dosegljiva stopnja odrezovalnosti omejena s toplotno obstojnostjo in odpornostjo rezalnega orodja proti deformacijam. Najpomembnejši protiukrep je bodisi zmanjšanje razvoja toplote med odrezavanjem bodisi izboljšanje odvoda toplote, denimo s prevajanjem skozi rezalno orodje in njegove zunanje površine. Na razvoj toplote lahko vplivamo predvsem z zmanjšanjem rezalne hitrosti in podajanja. Pri manjši vrednosti podajanja se dodatno zmanjšajo tudi mehanske obremenitve rezalnega orodja. Proces je mogoče ohladiti z dovajanjem velikih količin hladilno‐mazalne tekočine in z odpravo vrzeli med rezalnim orodjem in podložno ploščico. Včasih je smiselno omejiti razvoj toplote z zmanjšanjem globine rezanja. Učinkovitost rezanja se lahko izboljša s povečanjem prostornine rezalnega orodja (npr. z izbiro večje rezalne ploščice), saj se tako zmanjša plastična deformacija orodja. Toplotne lastnosti različnih zlitin so predstavljene v Preglednici 7.3.

Trdota obdelovanega materiala je močno povezana z obremenitvami med obdelavo (upor pri odrezavanju Cr1). Če je globina rezanja večja od radija konice, se obremenitev rezalnega orodja najučinkoviteje zmanjša z zmanjšanjem teoretične debeline odrezka h1. Če je globina rezanja manjša od radija konice, pa lahko največjo teoretično debelino odrezka h1max najučinkoviteje zmanjšamo z zmanjšanjem globine rezanja in podajanja. Primeren obremenitveni vzorec lahko dosežemo z negativnim cepilnim kotom, ki poveča tudi obremenljivost rezalnega orodja. Posnetja z močno negativnim cepilnim kotom običajno povečajo obremenljivost bolj, kot pa povečajo obremenitve rezalnega orodja. Končna raven odrezovalnosti je torej rezultat vsakokratne kombinacije materialnih faktorjev, rezalnih parametrov, geometrije rezalnega orodja in vedenja rezalnega materiala med obdelavo. Kot je razvidno iz Preglednice 7.6, si lahko ukrepi za doseganje visoke stopnje odrezovalnosti tudi nasprotujejo, pri optimizaciji procesov odrezavanja pa so zato potrebni določeni kompromisi. Za boljši vpogled v medsebojno delovanje različnih ukrepov lahko sestavimo diagram relacij med dejavniki (Slika 7.9). Preglednica 7.4 za nekaj pogostih zlitin prikazuje mehanske lastnosti, ki jih povezujemo z materialnimi faktorji duktilnostjo, deformacijskim utrjevanjem in trdoto.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 118

Preglednica 7.3: Toplotne lastnosti različnih zlitin Zlitina

kw Cpw αw∙106 [W/mK] [J/KgK] [m2/s]

Označba

1 Kobalt–krom ~ 65/28 %

‐

2 Alloy 718, izločevalno utrjeno

‐

3 Titan Grade 1

‐

4 Titan Ti6Al4V, staran

12

65Co28Cr6Mo

12–13 440–458

‐

Sestava zlitine

3,3

19Cr18Fe5Nb3Mo1Ti 0.5Al

17

540

6,8

‐

7

565

2,9

Ti6Al4V

5 Avstenitno nerjavno jeklo, žarjeno

316

13–17 490–530

3,7

0.04C17Cr12Ni3Ni

6 Avstenitno nerjavno jeklo, žarjeno

304

14–17 490–530

3,8

0.04C19Cr9.5Ni 1Mn

7 Dupleksno nerjavno jeklo

2205

480–500

3,9

0.14N22Cr5Ni

15

8 Martenzitno nerjavno jeklo, žarjeno

403

23–27 450–500

6,8

9 Hitrorezno jeklo

M35

18–20 455–473

5

0.08C13Cr

10 Jeklo za delo v vročem

H13

27–30 467–486

7,8

X 40 CrMoV 51

0.9C6W5Mo4Cr 2V8Co

11 Jeklo za kroglične ležaje, mehko žarjeno

52100

45

480

12

100 Cr 6

12 Jeklo za kroglične ležaje, kaljeno, mehko žarjeno

52100

45

480

12

100 Cr 6

13 Jeklo za poboljšanje, normalizirano

4140

42–48 450–490 12,2 42 CrMo 4

14 Malolegirano jeklo, normalizirano

1025

52–56 486–506 13,9 C22+N

15 Siva litina, SS 0120

30B

46–56 460–500

15

GG20

16 Nodularna litina, SS 0727

A536

31–36 460–495

9,8

‐

17 Medenina

C26800

120–128 51

379

38,9 CuZn36

18 Magnezijeva zlitina za litje

WE43

19 Aluminijeva zlitina za litje

A4130

152–158 944–982 60,1 Al12Si

960–970 28,6 Mg4Y2.5Nd0.5Zr

20 Orodni aluminij, T651

7075

132–142 913–950 52,5 Al5.6Zn2.5Mg1.6CuCr

Preglednica 7.4: Napetost tečenja Rp, natezna trdnost Rm, raztezek pri porušitvi εb, trdota v HV in komponenta upora pri odrezavanju Cr1 (≈ kc1.1) za različne zlitine Zlitina

Označba

Rp [N/mm2]

Rm [N/mm2]

εb [%]

HV [kp/mm2]

Cr1 [N/mm2]

1

Kobalt–krom ~ 65/28 %

‐

900–1000

1300–1400

15–25

390–430

2600

2

Alloy 718, izločevalno utrjeno

‐

1000–1100

1170–1320

10–15

400–500

2500

3

Titan Grade 1

‐

170–240

240–360

20–25

115–125

1400

4

Titan Ti6Al4V, staran

‐

1020–1080

1100–1270

8–13

380–420

1850

5

Avstenitno nerjavno jeklo, žarjeno

316

205–310

515–620

30–50

190–220

1900

510–620

45–60

170–210

1800

6

Avstenitno nerjavno jeklo, žarjeno

304

205–310

7

Dupleksno nerjavno jeklo

2205

460–510

640–950

20–25

250–310

2100

8

Martenzitno nerjavno jeklo, žarjeno

403

245–550

420–690

16–25

150–200

1800

9

Hitrorezno jeklo

M35

2000–2370

2230–2580

2–4

700–840

3450

10

Jeklo za delo v vročem

H13

1610–1690

1950–2040

8–10

380–580

2650

11

Jeklo za kroglične ležaje, mehko žarjeno

52100

410

700

27

195

1800

12

Jeklo za kroglične ležaje, kaljeno, mehko žarjeno

52100

1700

2300

2

610

3000

915–1130

13–22

275–335

1800

13

Jeklo za poboljšanje, normalizirano

4140

595–715

14

Malolegirano jeklo, normalizirano

1025

250–275

380–420

25–40

110–170

1500

15

Siva litina, SS 0120

30B

130–145

200–220

0,5

125–285

1100

16

Nodularna litina, SS 0727

A536

370–415

600–700

3–7

220–255

1400

17

Medenina

C26800

170–180

515–530

4–5

150–160

900

18

Magnezijeva zlitina za litje

WE43

185–195

250–255

6–7

75–95

700

19

Aluminijeva zlitina za litje

A4130

75–85

210–230

4–5

60

600

7075

345–395

420–450

3–9

150–170

1000

20

Orodni aluminij, T651

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 119

Slika 7.9: Relacije med materialnimi faktorji, rezalnimi parametri, geometrijo rezalnega orodja, lastnostmi rezalnega materiala in rezultati obdelave Preglednica 7.5: Primeri polarnih diagramov odrezovalnosti za materiale iz skupine P Skupina AISI/EN

Opis materiala

1

AISI 1025 EN 1.0406

Zelo mehka, maloogljična in čista feritna jekla

2

AISI 12L13 EN 1.0718

Avtomatna jekla

AISI 1035 EN 1.1181

Konstrukcijska jekla in navadna ogljikova jekla z majhnim do srednjim deležem ogljika (< 0,5 % C).

AISI 5140 EN 1.7035

Ogljikova jekla z veliko vsebnostjo ogljika, srednje trda jekla za kaljenje, navadna maloogljična jekla, feritna in martenzitna nerjavna jekla

3

4

Polarni diagram odrezovalnosti

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 120

5

AISI 4340 EN 1.6565

Navadna orodna jekla, trda jekla za kaljenje in martenzitna nerjavna jekla

6

AISI H13 EN 1.2344

Orodna jekla, izjemno trda močno legirana jekla in martenzitna nerjavna jekla

AISI 52100 EN 1.3505

Težko obdelovalna jekla, izjemno trdna in trda jekla, kaljena jekla iz skupin materialov 3–6 in martenzitna nerjavna jekla

7

Preglednica 7.6: Prilagoditev rezalnih parametrov in geometrije rezalnega orodja glede na različne materialne faktorje Materialni faktor

Rezalni parametri in geometrija rezalnega orodja

1

Abrazivnost

Povečanje globine rezanja ap Povečanje kota klina β

2

Adhezivnost

Povečanje rezalne hitrosti vc Povečanje cepilnega kota γ

3

Deformacijsko utrjevanje

Povečanje podajanja f Zmanjšanje radija konice r Zmanjšanje radija roba rβ Zmanjšanje rezalne hitrosti vc Zmanjšanje kriterija obrabe VBcrit

4

Manjša toplotna prevodnost

Zmanjšanje rezalne hitrosti vc Zmanjšanje podajanja f

5

Trdota

Zmanjšanje podajanja f Zmanjšanje cepilnega kota γ Povečanje kota klina β Zmanjšanje globine rezanja ap

7.2 Sestavine materiala in odrezovalnost Skupina B zajema množico faktorjev, ki vplivajo na lastnosti obdelovanega materiala.

Mikrostruktura je v veliki meri odvisna od sestavin, torej od osnovne komponente in dodanih zlitinskih elementov. Kakršnikoli vključki v mikrostrukturi lahko močno vplivajo na odrezovalnost materiala. Ti so lahko umetno dodani ali pa prisotne neželene nečistoče.

Glavne lastnosti, ki vplivajo na odrezovalnost materiala, so prikazane na Sliki 7.10. Puščice na diagramu ne označujejo vedno neposrednih relacij, saj lahko obstajajo tudi medsebojne interakcije med dvema ali več lastnostmi. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 121

7.2.1 Zlitinski elementi pri jeklih Po svojem vplivu so daleč najpomembnejši dodatki v obdelovanem materialu zlitinski elementi, ki jih ta vsebuje. Čisto železo praviloma vsebuje okoli 0,04 % C in ima trdoto 80 HB. Trdota železa se povečuje z dodatkom zlitinskih elementov. Stopnja povečanja trdote je odvisna od uporabljenih zlitinskih elementov, kot je razvidno na Sliki 7.11. Najpomembnejši pri ogljikovih jeklih, malolegiranih jeklih ter večini orodnih jekel je ogljik, ostali pomembni zlitinski elementi pa so še mangan, krom, nikelj in elementi, ki tvorijo karbide, kot sta vanadij in volfram. Krom in nikelj se navadno uporabljata v zmernih količinah predvsem za povečanje kaljivosti materiala, medtem ko elementi, ki tvorijo karbide, izboljšujejo odpornost jekla proti obrabi. Krom je tudi močno karbidotvoren element. Slika 7.12 prikazuje vpliv zlitinskih elementov v različnih deležih v binarnem faznem diagramu sistema železo‐ogljik.

Slika 7.10: Relacije med različnimi lastnostmi, ki močno vplivajo na odrezovalnost materiala

Dodani zlitinski elementi močno vplivajo na odrezovalnost jekla (Slika 7.12). Za nelegirano jeklo z majhno vsebnostjo ogljika je značilno močno sprijemanje na rezalno orodje, odrezke pa je težko obvladovati zaradi njihove visoke duktilnosti.

Slika 7.11: Povečevanje trdote jekel z dodajanjem zlitinskih elementov; po Thelningu25

Dodatek niklja (Ni) ali kobalta (Co) poveča tveganje nalaganja materiala na rezalno orodje.

Nasprotno je za žarjeno jeklo za kroglične ležaje, ki vsebuje skoraj 1 % ogljika in navadno približno 1,5 % kroma, značilno le omejeno sprijemanje na rezalno orodje in pri oblikovanju odrezkov ni posebnih nevšečnosti. Težave pri obdelavi jekel za kroglične ležaje so povezane z zelo hitrim obrabljanjem rezalnega orodja zaradi vsebnosti trdih karbidov. Dodatek elementov, ki tvorijo 25

Thelning K.‐E., Bofors Handbok, Värebehandling av stål, Maskinaktiebolaget Karlebo, 1967.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 122

okside, karbide ali oboje, kot so krom (Cr), vanadij (V), volfram (W) ali aluminij (Al), poveča tveganje obrabe rezalnega orodja.

Nekateri zlitinski elementi lahko tudi pozitivno vplivajo na odrezovalnost jekel. V splošnem velja, da svinec (Pb) in žveplo (S) zagotavljata mazalni učinek med obdelavo, fosfor (P) in žveplo (S) pa pomagata pri lomljenju odrezkov. Odrezovalnost se lahko izboljša z dodatkom mangana (Mn), ki se veže z žveplom v jeklu v manganov sulfid (MnS). Še boljši mazalni učinek od svinca in žvepla daje manjša količina kalcija (Ca), ki oblikuje mehke sferične vključke. Vsi mehanizmi v ozadju naštetih izboljšanj odrezovalnosti še niso v celoti raziskani.

Slika 7.12: Binarni fazni diagram sistema železa (Fe) in ogljika (C) z opisom vpliva različnih zlitinskih elementov; prilagojeno po Nygrenu26

7.2.2 Mikrostruktura V Preglednici 7.7 so predstavljene različne faze ogljikovega jekla s pripadajočo vsebnostjo ogljika in trdoto. Najmehkejša komponenta ogljikovih jekel je ferit. V praksi praktično nimamo opravka z odrezavanjem čistih feritnih jekel. Konstrukcijska jekla z majhno vsebnostjo ogljika se dobro varijo in so v veliki meri feritna. Ta jekla se zelo rada lepijo na rezalno orodje.

Tudi velikost zrn močno vpliva na odrezovalnost jekla, saj je od nje odvisna večina mehanskih lastnosti. Drobnozrnato strukturo jekla lahko dosežemo z dodatkom aluminijevega nitrida ali manjših količin vanadija ali niobija. Odrezovalnost jekla z dodatki za zmanjšanje zrnavosti je slabša kot pri neobdelanem jeklu, obdelana površina pa je kakovostnejša.

26

Nygren E. m.fl., Järnets och stålets metallografi, volym 1 och volym 2, Sandvikens Jernverks Aktiebolag, Stockholm, 1970.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 123

Preglednica 7.7: Strukturne faze jekel Ogljik (%)

Trdota

Ferit

0,06

≈ 90 HB

Perlit

0,85

275 HB

Cementit

6,67

> 67 HRC

Martenzit

različno

< 67 HRC

Bainit

različno

40–60 HRC

Avstenit

različno

85–170 HB

Slika 7.13: Indeks odrezovalnosti v povezavi z različnimi stopnjami obrabe proste ploskve (šrafirani površini) za dve jekli z različno vsebnostjo ogljika

7.2.3 Toplotna prevodnost Toplotna prevodnost močno vpliva na odrezovalnost materialov. Pri materialih z dobro toplotno prevodnostjo se nastala toplota zlahka odvaja iz območja rezanja v okolico, predvsem z odrezki, pri materialih s slabšo toplotno prevodnostjo pa se toplota prenaša v rezalni rob. Ravnotežje med toplotnima prevodnostma obdelovanega in rezalnega materiala zato vpliva na proces odrezavanja.

Odrezovalnost materiala je povezana z zlitinskimi elementi. Nekaj osnovnih pravil v zvezi s tem lahko povzamemo iz periodnega sistema elementov (Slika 7.14). Za prehodne kovine na levi strani periodnega sistema so značilni visoka trdota, visoko tališče in majhna toplotna prevodnost.

Nasprotno je večina kovin iz skupin od 10 do 15 mehka, ima nizko tališče in dobro toplotno prevodnost. Toplotna prevodnost bakra je tako 400 W/mK, titana pa le 17 W/mK. Velike razlike v lastnostih imajo odločilno vlogo pri izbiri rezalnih materialov in rezalnih hitrosti ter pri ocenjevanju potrebe po hlajenju. Diagram na Sliki 7.15 je orientiran podobno kot periodni sistem in materiale z zlitinskimi elementi na desni je mogoče obdelovati z visokimi rezalnimi hitrostmi z orodji, ki so obstojna proti obrabi in imajo majhno žilavost. Takšne obdelave ne zahtevajo posebnega hlajenja.

Bolj kot se pomikamo proti levi strani diagrama, manjše morajo biti rezalne hitrosti in večja je potreba po dodatnem hlajenju rezalnega sistema.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 124

Slika 7.14: Del periodnega sistema in nekatere pomembne lastnosti elementov pri sobni temperaturi

Slika 7.15: Toplotna prevodnost kw in toplotna difuzivnost αw nekaterih zlitin

7.2.4 Vključki Vključki in nečistoče lahko v obdelovani material zaidejo nenamerno ali pa so dodani umetno. V prvo skupino spadajo npr. oksidi, manganov sulfid in pesek na površini ulitkov, vključki iz druge skupine pa se pogosto dodajajo za izboljšanje odrezovalnosti. Jekla z visoko vsebnostjo žvepla in določeno vsebnostjo svinca imenujemo avtomatna jekla. Drug pristop k izboljšanju odrezovalnosti je obdelava s kalcijem, pri kateri se nečistoče v obliki oksidov ali sulfidov pretvorijo v aluminate.

Ti noduli so obdani z zunanjo ovojnico iz kalcijevega sulfida. Nerjavna jekla so pogosto obdelana na enega od zgoraj opisanih načinov. Material AISI 303, ki vsebuje 0,15–0,35 % žvepla, je primer nerjavnega avtomatnega jekla z bistveno boljšo odrezovalnostjo kot kvaliteta AISI 304 z vsebnostjo žvepla do 0,03 %.

Pri odločanju o uporabi nerjavnih avtomatnih jekel z dodanim žveplom je treba upoštevati tudi dejstvo, da imajo ta jekla slabšo protikorozijsko obstojnost kot sorodne kvalitete brez dodanega žvepla. Nerjavna jekla, obdelana s kalcijem, imajo boljšo odrezovalnost kot sorodna neobdelana jekla, njihova protikorozijska obstojnost pa ni bistveno manjša. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 125

7.2.5 Deformacijsko utrjevanje Mnogi materiali so dovzetni za čezmerno plastično deformacijo med procesom odrezavanja. Z vidika materiala je ta posledica slabosti v kristalni strukturi, zaradi katerih ob dovolj velikih obremenitvah nastopi premikanje dislokacij. Število dislokacij se lahko med odrezavanjem tudi poveča, kar pa povzroči povečanje odpornosti proti stopnjevani deformaciji.

Med odrezavanjem se tako lahko trajno spremeni oblika in utrdi zunanja površina obdelovanca.

K deformacijskemu utrjevanju so še posebej nagnjena avstenitna in dupleksna nerjavna jekla ter tudi jekla z visoko vsebnostjo mangana. Žarjeni avstenitni jekli AISI 304 in AISI 316, ki sicer nista magnetni (Slika 7.16), to lastnost pridobita z obdelavo, ko se avstenit zaradi deformacije delno spremeni v martenzit. Ta pojav je mogoče ublažiti z dodatkom enega ali več zlitinskih elementov za stabilizacijo avstenita, kot sta nikelj in žveplo. Delež avstenita, ki se pretvori v martenzit, je sorazmeren s stopnjo deformacije.

Slika 7.16 Levo: odrezki avstenitnega jekla so zaradi deformacij postali magnetni; desno: stopnja transformacije avstenita v martenzit kot funkcija deformacije

7.2.6 Trdota, trdnost in duktilnost Trdota ni merilo odrezovalnosti obdelovanega materiala, razen primerjalno znotraj skupine materialov, ki so si sicer zelo podobni po lastnostih in sestavi. To je jasno iz primerjave odrezovalnosti avstenitnega nerjavnega jekla in feritnega ali perlitnega ogljikovega jekla ali iz primerjave odrezovalnosti naštetih jekel z odrezovalnostjo sive litine z enako trdoto. Ne glede na to, po kateri metodi je bila določena trdota, lahko zatrdimo, da je ta merilo odpornosti materiala proti plastični deformaciji in je kot taka le eden od faktorjev v konceptu odrezovalnosti.

Na odrezovalnost vpliva tudi natezna trdnost. Odrezavanje materiala z višjo trdnostjo zahteva več energije. Te odvisnosti pa so zelo kompleksne in ne obstaja formula, s katero bi lahko izračunali odrezovalnost le na osnovi natezne trdnosti materiala. Energija, ki jo vložimo v obdelavo, se v veliki meri pretvori v toploto, ki nato zapušča proces skozi rezalno orodje, obdelovanec in odrezke.

Vsi ti procesi so odvisni od toplotne prevodnosti rezalnega orodja in obdelovanega materiala.

Duktilnost je lastnost materiala, da lahko vzdrži določeno stopnjo plastične deformacije brez porušitve. Pri duktilnem materialu lahko pričakujemo tudi visoko natezno trdnost. Težavo pri struženju in vrtanju visokoduktilnih materialov predstavlja lomljenje odrezkov, še posebej pri zelo trdnih materialih, kot so superzlitine.

7.2.7 Stanje obdelovanega materiala Mikrostruktura obdelovancev z dano sestavo lahko zelo variira glede na uporabljen izdelovalni postopek, Slika 7.17. Najpomembnejši parametri, ki vplivajo na mikrostrukturo obdelovanca, so deformacije, ki jim je bil izpostavljen, način izvedbe začetnega hlajenja in morebitna poznejša _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 126

toplotna obdelava. Poznamo preoblikovanje v toplem ali v hladnem. V slednjem primeru je material deformacijsko utrjen, stopnja utrditve pa je odvisna predvsem od vrste materiala, strižne deformacije in temperature. Če je temperatura med preoblikovanjem višja od temperature rekristalizacije, se material preoblikuje v toplem, ne da bi se deformacijsko utrdil.

Najpogostejša oblika toplotne obdelave je mehko žarjenje, s katerim se zmanjšata trdota in napetost tečenja jekla. Poznamo tudi rekristalizacijsko žarjenje in žarjenje za popuščanje napetosti. Normalizacija je toplotna obdelava, s katero lahko denimo po kovanju ali obdelavi v hladnem obnovimo »normalno« mikrostrukturo jekla z drobnejšimi zrni originalne, nedeformirane oblike. Normalizacija običajno poteka pri enaki temperaturi kot kaljenje. Pri kaljenju jekla se osnovna mikrostruktura materiala pretvori v martenzitno. Želeno ravnovesje med trdoto in žilavostjo lahko dosežemo z žarjenjem materiala pri določeni temperaturi za določen čas. Materiale z visoko vsebnostjo ogljika, kot so jekla za kroglične ležaje, pogosto žarimo za sferoidizacijo cementita. Bainitno poboljšanje je vrsta toplotne obdelave, pri kateri se avstenit pretvori v bainit tik nad temperaturo martenzitne premene. Tak nizkotemperaturni bainit je razmeroma žilav in ima trdoto, ki je primerljiva z martenzitnim jeklom.

Slika 7.17: Jeklo z 1,25 % ogljika: levo grobozrnat martenzit (bel) z ostanki avstenita, na sredini drobnozrnat martenzit in neraztopljen cementit, desno ferit in krogličasti cementit; po Nygrenu26

Jekla z nizko vsebnostjo ogljika in nekatere aluminijeve zlitine so lahko izločevalno utrjeni. V zvezi s tem se uporablja topilno žarjenje pri določeni temperaturi, ki mu sledi hitro ohlajevanje in nato še staranje za določen čas pri nastavljeni temperaturi.

Ker ni jasnih relacij med stanjem obdelovanega materiala in njegovo odrezovalnostjo, je treba duktilnost, adhezivnost, trdoto in abrazivnost materiala vedno vrednotiti za vsak primer posebej.

Odrezovalnost visokolegiranih jekel lahko npr. izboljšamo z mehkim žarjenjem, medtem ko je treba aluminijeve zlitine za sprejemljivo kakovost površin kaliti.

7.3 Različni materiali in njihova odrezovalnost V nadaljevanju sledi poskus grobe prve razvrstitve kovinskih materialov glede na njihovo vedenje pri obdelavi z odrezavanjem:  železove zlitine za litje,  jekla,  nerjavna jekla,  superzlitine, vključno s titanovimi,  neželezne zlitine.

Nekateri materiali se po svojih značilnostih tako izrazito razlikujejo od ostalih v isti skupini, da bi bila primerjava po odrezovalnosti povsem nemogoča. Za smiselno klasifikacijo je treba skupine razdeliti v podskupine.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 127

Večina ulitkov v industrijski proizvodnji je narejenih iz sive litine z različnimi vsebnostmi perlita.

Na drugem mestu po razširjenosti je nodularna litina, ulitki iz sive in nodularne litine pa predstavljajo približno 75 % vseh ulitkov v avtomobilski industriji po teži. Jekleni in aluminijasti ulitki predstavljajo v mnogih delih sveta približno 10 % proizvodnje po teži. Približno tretjina surovega jekla gre v proizvodnjo podolgovatih izdelkov, kot so razne palice. Pri obdelavi z odrezavanjem imamo najpogosteje opravka z vroče valjanimi palicami ter tudi s ploščatimi izdelki in cevmi. Približno četrtina je obdelave nerjavnih jekel, od tega 75 % v ploščate in 25 % v podolgovate izdelke. Okrog 80 % vseh ploščatih izdelkov se hladno valja.

Tehnično zanimive so tudi superzlitine, vključno s tistimi iz titana. Težko jih je obdelovati in povzročajo ekstremno obrabo rezalnih robov, po teži pa predstavljajo zelo majhen del vseh kovin.

V skupino neželeznih materialov prištevamo aluminij, umetne mase, keramiko in kompozitne materiale s kovinsko osnovo (MMC). Velikost te skupine je težko oceniti, saj ni ustreznih statistik, lahko pa privzamemo, da je manjša od skupine železnih ulitkov in jekel.

Eden od trendov v avtomobilski industriji je zmanjševanje teže vozil in s tem porabe goriva. V zvezi s tem poteka razvoj novih materialov za gradnjo vozil, ki so lažji, močnejši in bolj žilavi, to pa vpliva tudi na zahteve, ki jih mora izpolnjevati rezalno orodje. Pri izdelavi avtomobilskih komponent se tako opušča siva litina, namesto nje pa se uvajajo nodularna litina, litina z vermikularnim grafitom in bainitno poboljšana duktilna litina (ADI). Zahteve za rezalno orodje so se povečale, saj želijo proizvajalci vozil delati z enakimi rezalnimi parametri kot prej oziroma pričakujejo vedno boljše rezultate. V mnogo primerih pa to zaradi lastnosti novih materialov sploh ni mogoče. Proizvajalci zato pogosto nastavijo kar maksimalne rezalne parametre in se sprijaznijo s skrajšanjem obstojnosti orodja, ali pa z znižanjem rezalnih parametrov podaljšajo življenjsko dobo orodja.

Značilen primer razvoja na področju novih materialov so tudi MMC in kompozitni materiali. Pri slednjih je npr. siva litina kombinirana z aluminijevo zlitino, zato mora biti orodje sposobno rezati oba materiala. Ena od težav pri tem je, da mora biti vsak material sposoben prenesti robne obremenitvene pogoje (rezalne sile) med obdelavo drugega. Potrebna je posebna priprava, da se preprečijo deformacije ali delaminacija obdelovanca oz. poškodbe njegovih robov.

Uporaba postopkov prašne metalurgije pri izdelavi komponent je v porastu, enako pa velja tudi za odkovke in ulitke skoraj dokončne oblike. Razvoj novih rezalnih materialov in ustreznih geometrij rezalnega orodja ima gotovo odločilno vlogo pri uvajanju novih materialov v industrijski uporabi.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 128

7.3.1 Siva litina, 100–260 HB Železova litina, v kateri se med strjevanjem izločijo grafitni lističi, se imenuje siva litina zaradi preprostega razloga: prelomna ploskev je zaradi prisotnosti grafita sive barve.

Obstaja več standardnih vrst sive litine. Nomenklatura je odvisna od nacionalnih standardov, v vsakem primeru pa označba sive litine odraža trdnost in trdoto, ki sta povezani z njeno mikrostrukturo oz. kemično sestavo.

Poznavanje kemijske sestave sive litine še ne zadostuje za natančno določitev njene mikrostrukture in mehanskih lastnosti. Za to moramo poznati tudi vsebovane nečistoče, dimenzije različnih prerezov ulitka in hitrost ohlajevanja.

Izkazalo se je, da na njegove osnovne lastnosti in odrezovalnost vpliva tudi čas ležanja ulitka pred obdelavo.

Daljši čas ležanja omogoči prostim intersticijskim atomom, kot je kisik, da difundirajo iz ulitka, s čimer se izboljša njegova odrezovalnost. Vse sive litine vsebujejo delce grafita različnih velikosti in porazdelitev. Če se siva litina prehitro ohlaja, nastane preveč cementita, zato se je treba izogibati ostrim robovom in zelo tankim prerezom obdelovanca. Za vse vrste sive litine je običajna vsebnost cementita do 2 %. Počasno ohlajevanje sive litine z visoko vsebnostjo ogljika in silicija da mikrostrukturo z več prostega ferita in velikih ogljikovih lističev.

Odrezovalnost sive litine določa mikrostruktura, od katere sta odvisni trdota in trdnost litine, ki ju lahko povečamo z dodatkom Mn, Ni, V ali Cu. Odločajo količina, velikost in porazdelitev grafitnih lističev, kakor tudi količina proste in lamelarne oblike perlita.

Preglednica 7.8: Kemična sestava in lastnosti različnih kvalitet sive litine SS

DIN 1691

ASTM A48‐76

0100

GG00

‐

4,3–4,7 3,5–3,8 2,2–2,8 0,4–0,8

0110

GG10

20B

0115

GG15

25B

0120

GG20

30B

0125

GG25

35B/40B

0130

GG30

45B

0135

GG35

50B

3,3–3,5

0140

GG40

60B

CE [%]

Feritna/perlitna

100

100–180

Feritna/perlitna

150–250

130–190

Feritna/perlitna

200–300

160–210

Mikrostruktura

4,3–4,7 3,5–3,8 2,2–2,8 0,4–0,8

< 0,5

< 0,15

4,1–4,5 3,4–3,7

0,5–0,8

< 0,5

< 0,15

3,9–4,2 3,3–3,6 1,8–2,1 0,6–0,8

< 0,35

< 0,15

3,2–3,5 1,5–2,1 0,6–0,8

< 0,25

< 0,15

Perlitna

250–350

180230

3,5–3,7 3,1–3,3 1,3–1,8 0,7–0,9

< 0,15

< 0,1

Perlitna

300–400

200–250

< 0,1

< 0,1

Perlitna

350–450

220–260

Perlitna

400–500

2–2,6

1,1–1,5

Mn [%]

HBN

S [%]

3–3,2

Si [%]

Rm [MPa]

P [%]

3,7–4

C [%]

0,8–1

Preglednica 7.9: Različne mikrostrukturne sestavine jekla in železove litine ter njihove značilnosti Mikrostrukturna sestavina

C [%]

Rm [MPa]

Trdota

Cementit

6,67

‐

> 67 HRC

Ferit

< 0,06

≈ 295

≈ 90 HBN

Lamelni perlit

0,85

≈ 930

≈ 275 HBN

Sferoidit

Spremenljiv

‐

100–200 HBN

Avstenit

0–1,7

‐

‐

Martenzit

Spremenljiv

‐

≤ 67 HRC

Bainit

Spremenljiv

‐

40–60 HRC

Grafit

100

‐

< 30 HBN

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 129

Tudi prisotnost zlitinskih elementov C, Si, S ali S + Mn izboljšuje odrezovalnost, medtem ko ima prisotnost Mo, Mn, Cr in P ravno nasproten učinek, in sicer največji pri Mo. Siva litina se lahko obdeluje z orodji iz pcBN, če je delež prostega ferita manjši od 10 %. Pri večjih vsebnostih prostega ferita prihaja do kemične obrabe, njena intenzivnost pa je odvisna od deleža prostega ferita. Kot je razvidno iz Preglednice 7.8, je trdota nelegirane sive litine med 90 in 275 HB. Siva litina ima podobno stopnjo odrezovalnosti kot jeklo. Odrezki so prekinjeni in le šibko povezani med seboj, kar ima za posledico visok indeks variabilnosti. Dolžina stika odrezka na cepilni strani rezalnega roba je včasih izjemno majhna, kar vodi do obrabljanja orodja predvsem na liniji roba ali v njeni bližini.

Odrezovalnost sive litine je mnogokrat omejena s prisotnostjo železovega karbida Fe3C (cementit), ki se zaradi hitrega ohlajevanja oblikuje v tankih prerezih in vogalih. Cementit je zelo trd (Preglednica 7.9) in je zaslužen za povečanje abrazivne obrabe rezalnega orodja. V neugodnih okoliščinah lahko privede tudi do odpovedi orodja. Formiranje cementita lahko omejimo z zmanjšanjem količine zlitinskih elementov, ki stabilizirajo karbide (kot so Cr, V, Mo in Mn), ali z zmanjšanjem hitrosti ohlajanja ulitkov. Oblikovanje cementita lahko učinkovito preprečimo tudi z opustitvijo ostrih robov na ulitku, ki jih zamenjamo z zaokrožitvami.

Siva litina se lahko obdeluje z različnimi rezalnimi materiali, kot so karbidne trdine, keramika in pcBN. Najprimernejša geometrija rezalnega orodja in rezalni material sta vedno odvisna od aplikacije in trdnosti obdelovanega materiala. Perlitno sivo litino lahko denimo zlahka obdelujemo z rezalnimi orodji iz materiala pcBN. 7.3.2 Nodularna litina, 135–430 HB Duktilna oz. nodularna litina (siva litina s kroglastim grafitom ali SGI) je narejena iz enakega osnovnega materiala kot siva, vendar mora izpolnjevati strožje zahteve glede čistote. Še zlasti mora imeti nizko vsebnost žvepla. Grafit v duktilni litini je v obliki drobnih kroglic, za oblikovanje katerih se uporablja cepljenje z majhnimi, a natančno odmerjenimi količinami magnezija in/ali cerija. Za duktilno litino podobno kot za sivo veljajo različni nacionalni standardi, osnova za klasifikacijo pa je mikrostruktura materiala.

Odrezovalnosti duktilne litine ni mogoče določiti zgolj na podlagi trdote, ki je odvisna od sestavin.

Le pri malolegirani litini s kroglastim grafitom obstaja neposredna povezava med vsebnostjo perlita in trdoto, in zato je njena trdota neposreden pokazatelj odrezovalnosti. Duktilne litine ni mogoče obdelovati z orodjem iz materiala pcBN. Preglednica 7.10: Podatki o legirani nodularni litini ISO 2892‐73

DIN 1694

ASTM A439‐80

SS

Kroglast grafit

Mikrostruktura

S‐NiMn 13

GGG NiMn 13 7

‐

0772

100 %

Avstenit

S‐NiCr 20 2

GGG NiCr 20 2

Tip D‐2

0776

100 %

Avstenit

Duktilna litina ima navadno manjšo stopnjo odrezovalnosti kot siva, rezalna hitrost pa je približno 85 % vrednosti rezalne hitrosti pri obdelavi sive litine s trdokovinskim rezalnim orodjem. Čeprav tvori nekoliko daljše odrezke kot siva litina, to na splošno ne povzroča težav. Najboljša izbira za obdelavo teh materialov so pogosto karbidne trdine.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 130

Preglednica 7.11: Oznake in lastnosti nelegirane nodularne litine ISO 1083‐1976

DIN 1693

ASTM A536‐80

SS

Kroglast grafit

Ferit

Perlit

Prosti cementit

Rm [N/mm2]

HB

370‐17

GGG40

60‐40‐18 0717‐02

> 80 %

> 95 %

<5%

<1%

Min. 400

Min. 135

500‐7

GGG50

80‐55‐06 0727‐02

> 80 %

50 %

50 %

<1%

500–720

170–230

600‐3

GGG60

80‐55‐06 0732‐03

> 80 %

35 %

65 %

<1%

600–820

200–260

700‐2

GGG70

100‐70‐03 0737‐01

> 80 %

<5%

> 95 %

<1%

800‐2

GGG80

120‐90‐02

‐

> 80 %

Martenzit

GGG100

‐

0747

> 100 %

Bainit

Grade 1

> 100 %

Bainit (ADI)

> 900

280–310

Grade 2

> 100 %

Bainit (ADI)

> 1000

300–350

Grade 3/4

> 100 %

Bainit (ADI)

> 1200

380–430

700–960

230–300

Min. 800

Min. 245

Ni na voljo Ni na voljo

7.3.3 Bainitno poboljšana duktilna litina, 270–550 HB Bainitno poboljšana oz. austemprana duktilna litina (ADI) je toplotno obdelana legirana duktilna litina. Dobimo jo s posebno izotermno toplotno obdelavo navadne duktilne litine, ki se imenuje austempering. V nasprotju s sivo litino ADI pridobi svoje mehanske lastnosti s toplotno obdelavo in ne s posebno kombinacijo zlitinskih elementov. Edini pogoj za želene lastnosti je, da je duktilna litina dobre kakovosti in zahtevane kemične sestave. To vključuje tudi določeno razmerje med feritnimi in perlitnimi komponentami ter stroškovni vidik zagotavljanja želene porazdelitve grafitnih krogel.

Materiali ADI imajo v primerjavi z drugimi vrstami železove litine edinstvene lastnosti – so zelo žilavi, razmeroma lahki ter imajo dobro toplotno prevodnost in obstojnost proti obrabi. Mehanske lastnosti zagotavljajo prilagodljivost pri proizvodnji delov, stroški pa so nižji kot pri odkovkih.

Preglednica 7.12: Lastnosti bainitno poboljšane duktilne litine (ADI) Tip ADI

Natezna trdnost [MPa] (1)

Napetost tečenja [MPa]

Raztezek [%]

Udarna žilavost [J] (2)

Značilna trdota [HB]

850/550/1

850

550

10

100

269–321

1050/700/7

1050

700

7

80

302–321

1200/850/4

1200

850

4

60

341–444

1400/1100/1

1400

1100

1

35

388–447

1600/1300/‐

1600

1300

Ni na voljo

Ni na voljo

444–555

(1) Minimalne vrednosti (2) Po Charpyjevem preizkusu brez zareze pri 22 ± 4 °C

Odrezovalnost je znatno slabša kot pri sivi in duktilni litini zaradi razmeroma visoke trdnosti in trdote. Za obdelavo ADI s trdokovinskim orodjem je treba izbrati rezalno hitrost, ki znaša približno 70 % vrednosti hitrosti pri obdelavi sive litine. Litine ADI je lažje primerjati z visokolegiranimi jekli kot s sivo litino. Rezalna orodja iz karbidne trdine so pogosto najboljša izbira za obdelavo teh materialov.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 131

7.3.4 Litina z vermikularnim grafitom CGI, 200–280 HB Litina z vermikularnim grafitom (CGI) je železova litina z grafitom v črvasti obliki. Ta material nikakor ni nov, vendar doslej ni bil v širši uporabi. V zadnjih desetih letih so bile razvite metode za industrijsko proizvodnjo CGI, s čimer se je odprl trg za njeno uporabo. Po mikrostrukturi in materialnih lastnostih je ta litina nekje med nodularno in sivo litino. Od nodularne se razlikuje po dodatnih zlitinskih elementih in lastnostih strjevanja. Je tudi močnejša od sive litine ter ima boljšo toplotno prevodnost in trajno nihajno trdnost kot nodularna litina. Vsebnost prostega ferita je običajno med 5 in 30 %.

Vermikularna struktura grafita ji daje boljše materialne lastnosti v primerjavi z drugimi železovimi litinami. CGI ima tudi večjo trdnost kot siva litina.

Kar se tiče lastnosti pri odrezavanju, lahko CGI uvrščamo bolj med nodularno litino in malolegirana ogljikova jekla kot med sivo in nodularno litino. CGI ima zato nižjo stopnjo odrezovalnosti kot siva litina, rezalna hitrost pri delu s trdokovinskimi orodji pa znaša približno 75 % vrednosti rezalne hitrosti pri obdelavi sive litine. Rezalna orodja iz karbidne trdine so običajno najboljša izbira za obdelavo CGI. Preglednica 7.13: Sestava dveh litin z vermikularnim grafitom CGI: LP‐CGI je maloperlitna litina CGI (70 % perlita) in HP‐CGI visokoperlitna litina CGI (95 % perlita) C [%]

Si [%]

Mn [%]

S [%]

Mg [%]

Al [%]

Cu [%]

Cr [%]

Sn [%]

LP‐CGI

3,6–3,8

2,1–2,5

0,2–0,4

0,005–0,0002

0,006–0,014

0,003–0,088

0,003–0,088

0,2–0,3

0,03–0,05

HP‐CGI

3,6–3,8

2,1–2,4

0,43

0,018

0,012

‐

0,96

0,03

1,06

7.3.5 Bela litina in karbidno jeklo, 50–62 HRC V delih ulitkov iz sive litine, ki se zelo intenzivno ohlajajo, lahko nastopi belo strjevanje. Bela litina se običajno izdeluje s prilagajanjem vsebnosti ogljika tako, da pride do belega strjevanja že pri običajnih hitrostih ohlajevanja šarž. Pri litju sive litine se lahko pojavijo neželeni učinki zaradi belega strjevanja v določenih predelih, običajno na ostrih robovih ali vogalih. Podobno se lahko zaradi prepočasnega ohlajevanja v debelih prerezih namesto bele formira siva litina. Za nadzor nad globino bele cone se uporablja krom, ki skupaj z ogljikom tvori kromov karbid, zato z njim povečamo trdoto in obstojnost bele litine proti obrabi. Krom se uporablja tudi za stabilizacijo tvorbe karbidov in s tem zmanjšanje prisotnosti grafita v debelejših prerezih.

Hitro ohlajevanje zavira nastanek grafita in perlita. Če se šarži dodajo elementi, kot so nikelj, krom in molibden, se velik del avstenita pretvori v martenzit namesto v perlit. Trdota bele litine je v veliki meri določena z vsebnostjo martenzita in karbidov.

Preglednica 7.14: Različne vrste bele litine DIN 1695

ASTM A439‐80

SS

Mikrostruktura

G‐X 300 CrNiSi 9 5 2

(Alloy 1 D)

0457

Karbid Fe/Cr v martenzitni osnovi

G‐X 300 Cr 27

(Alloy 111 A)

0466

Karbid Fe/Cr v martenzitni osnovi

G‐X 300 CrNiSi 9 5 2

Alloy 1 B

0512

Karbid Fe/Cr v martenzitni osnovi

G‐X 300 CrNiSi 9 5 2

Alloy 1 A

0513

Karbid Fe/Cr v martenzitni osnovi

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 132

Karbidno jeklo je močno legirana kvaliteta bele litine z masnim deležem WC od 10 do 15 %. Ta material vsebuje izredno visok delež karbidov v primarni ali sekundarni obliki, ki so vezani v avstenitni ali martenzitni osnovi, odvisno od toplotne obdelave. Po svojih lastnostih se uvršča nekje med hitrorezna jekla in karbidne trdine.

Uporablja se pri izdelavi črpalk in obrabnih delov, ima pa tudi velik potencial kot orodni material.

Karbidno jeklo se lahko brez težav zaščiti s sodobnimi prevlekami in ima podobne rezalne lastnosti kot hitrorezna jekla.

Bela litina in karbidno jeklo imata lastnosti, ki so primerljive z lastnostmi kaljenega jekla. Za odrezavanje se uporabljajo rezalna orodja iz trdih in protiobrabno obstojnih materialov, prerez odrezkov pa je v primerjavi z obdelavo jekel zelo 2 majhen, pogosto manjši od 0,05 mm . Rezalne hitrosti znašajo le okoli 25 % vrednosti hitrosti pri obdelavi jekla. Materiale iz obeh skupin je mogoče stružiti in frezati, npr. z orodji iz pcBN.

7.3.6 Malolegirano jeklo Skupino malolegiranih jekel lahko delimo na različne načine, zlasti po lastnostih, sestavi in področjih uporabe. Ta skupina vključuje vsa jekla z majhno in srednjo vsebnostjo ogljika, vključno s splošnimi konstrukcijskimi jekli, kakor tudi različna jekla za poboljšanje in jekla za cementiranje. Konstrukcijska jekla z majhno vsebnostjo legirnih elementov imajo povečini feritno mikrostrukturo in običajno niso kaljiva. Pri obdelavi jekel z majhno vsebnostjo ogljika (< 0,3 % C) pogosto nastopajo težave z nalepkom. Čisti feriti se radi lepijo na rezalne materiale vseh vrst. Jekla z majhno vsebnostjo ogljika, zlasti enofazna, so visokoduktilna, kar vodi do dolgih odrezkov. Težave z oblikovanjem nalepka delno izginejo pri jeklih z večjo vsebnostjo ogljika, npr. pri tistih za izdelavo strojnih elementov (kot je SS 1650). Ta jekla imajo vsebnost ogljika 0,35–0,5 % in so kaljiva. Jekla za cementiranje navadno vsebujejo manj kot 0,2 % ogljika. Pogosto so legirana z nekaj odstotki mangana in kroma, lahko pa vsebujejo tudi manjše količine niklja in molibdena. Njihova odrezovalnost v neutrjenem stanju je pogosto zelo dobra, vendar se zmanjša, če jim povečamo čistoto.

Jekla za poboljšanje imajo običajno vsebnost ogljika 0,35–0,6 %. Legirana so z enim ali več elementov iz skupine, ki jo sestavljajo mangan, krom, nikelj in molibden, pomembna dejavnika pri izbiri pa sta trdnost in strošek. V neutrjenem stanju so feritno‐perlitna in navadno imajo dobro odrezovalnost. Vsebnost perlita ima odločilno vlogo pri obstojnosti orodja. Jekla za poboljšanje v utrjenem stanju imajo strukturo popuščnega martenzita ali bainita. Avtomatna jekla spadajo v isto osnovno skupino, njihova odrezovalnost pa je izboljšana z dodatkom svinca ali žvepla, včasih tudi kalcija. Zaradi vplivov na okolje danes vse bolj opuščamo uporabo svinca.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 133

Preglednica 7.15: Označbe različnih vrst malolegiranih jekel SAE/AISI

DIN/EN

AFNOR

BS

SS

A573‐81 65

1.0116 (St 37‐1)

E 24‐U

4360 40 B

1312

1213

1.0715 (9 SMn 28)

S 250

230 M 07

1912

1035

1.1181 (Ck 35)

XC 38

080 A 32

1572

1045

1.1730 (Ck 45)

‐

En 43 B

1672

4140

1.7335 (42 CrMo 4)

42 CD 4

708 M 40

2244

4340

1.6582 (34 CrNiMo 6)

35 NCD 6

817 M 40

2541

Malolegirana jekla se močno razlikujejo po vedenju med odrezavanjem. Razmerje med abrazivno in adhezijsko obrabo je odvisno od vsebnosti ogljika. Enofazni materiali z majhno vsebnostjo ogljika tvorijo daljše odrezke, posledica tega pa je večja adhezijska obraba zaradi večje kontaktne površine med odrezki in rezalnim orodjem. Če se poveča čistota obdelovanega materiala, se poveča tudi stopnja adhezije. Bolj ko se obdelovani material lepi na rezalno orodje, bolj je orodje občutljivo na ponavljajoče se vstope v obdelovanec. Material, ki se lepi na orodje, se namreč sčasoma odtrga in s seboj odnaša rezalni material. Skrajšanje obstojnosti orodja je zato odvisno od števila rezalnih ciklov in ne od skupnega časa rezanja. Tovrstno adhezijsko obrabo se lahko zmanjša z uporabo bolj žilavega rezalnega materiala (z večjo upogibno trdnostjo).

Povečanje vsebnosti ogljika v obdelovancu zmanjša adhezijo, hkrati pa okrepi abrazivno delovanje in tako poveča obrabo rezalnega orodja. Pri večfaznih materialih je kontaktna dolžina med odrezki in rezalnim orodjem manjša, abrazivno delovanje trdega perlita v odrezkih pa intenzivnejše.

Primer skoraj optimalnega ravnovesja med mehanizmoma obrabe je bil prikazan na Sliki 7.13.

Odrezovalnost se lahko poveča z zmanjšanjem čistote osnovnega materiala obdelovanca, na primer s povečanjem vsebnosti sulfidov. Ravnotežje med obrabo proste ploskve na eni in lokalizirano zarezno obrabo na drugi strani je odvisno od deformacijskega utrjevanja obdelovanega materiala, čigar vpliv na obrabo orodja lahko pogosto omejimo tako, da zmanjšamo debelino utrjene plasti εIII na minimum. V ta namen lahko zmanjšamo radij roba rβ, rezalno hitrost vc in radij konice r ter povečamo podajanje.

Obrabi na prosti ploskvi se je včasih mogoče v celoti izogniti s prevlekami. Obstojnost orodja v tem primeru omejuje predvsem kotanjasta obraba na cepilni ploskvi orodja, kjer je relativna hitrost gibanja med odrezki in rezalnim orodjem največja. K abrazivni obrabi prispeva tudi prisotnost prostih karbidov in oksidov, za njeno zmanjšanje pa lahko uporabimo orodni material z večjo tlačno trdnostjo.

7.3.7 Jekla za delo v hladnem, 45–65 HRC Jekla za delo v hladnem se odlikujejo z dobro odrezovalnostjo, dobro obstojnostjo v dimenzijah med toplotno obdelavo, visoko stopnjo obstojnosti proti obrabi ter primerno stopnjo žilavosti in tlačne trdnosti.

Te lastnosti zagotavlja dodatek enega ali več elementov iz skupine, ki jo sestavljajo mangan, krom, nikelj, molibden, volfram in vanadij. Mikrostruktura se pri toplotni obdelavi preoblikuje v martenzitno z vgrajenimi karbidi. Jekla za delo v hladnem so zelo abrazivna, vgrajeni karbidi pa povzročajo kotanjasto obrabo na rezalnem orodju.

Glavni mehanizem obrabe orodja je abrazivna obraba, saj imajo jekla za delo v hladnem v utrjenem stanju martenzitno mikrostrukturo z vgrajenimi prosti karbidi. Velik upor pri _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 134

odrezavanju omejuje prerez odrezkov zaradi visoke ravni napetosti v orodju. Te lahko privedejo do krušenja robov in odpovedi rezalnega orodja. Jekla za delo v hladnem v neutrjenem stanju se vedejo podobno kot legirana jekla z visoko vsebnostjo ogljika.

7.3.8 Jekla za delo v vročem, 45–65 HRC Iz jekel za delo v vročem izdelujemo orodja za preoblikovanje kovin. Zanje so značilne trdnost pri povišanih temperaturah, žilavost in obstojnost proti obrabi, toleranca do hitrih temperaturnih sprememb ter tudi zelo zadovoljive lastnosti po žarjenju. Te lastnosti dosegamo z ustreznim razmerjem med vsebnostjo silicija, mangana, kroma in volframa na eni in vsebnostjo ogljika na drugi strani. Za izboljšanje učinka zlitinskih elementov se pogosto dodajo manjše količine vanadija ali kobalta.

Glavni mehanizem obrabe je abrazivna obraba, saj imajo jekla za delo v vročem v utrjenem stanju martenzitno mikrostrukturo, po kateri so fino porazdeljeni prosti karbidi. Velik upor pri odrezavanju omejuje prerez odrezkov zaradi visoke ravni napetosti v orodju. Ker večina zlitinskih elementov oblikuje karbide, prihaja do krušenja rezalnega roba in kotanjaste obrabe. Neutrjena jekla za delo v vročem se vedejo podobno kot legirana jekla z visoko vsebnostjo ogljika.

Preglednica 7.16: Označbe različnih vrst jekel za delo v vročem AISI

DIN

AFNOR

BS

H10

X32 CrMoV 3 3

32 DCV 28

BH 10

H11

X38 CrMoV 5 1

Z 38 CWDV 5

BH 11

H12

X37 CrMoV 5 1

Z 35 CWDV 5

BH 12

6F2

55 CrMoV 6

55 NCDV

H13

X40 CrMoV 5 1

Z 40 CDV 5

BH 13

SS

2242

7.3.9 Hitrorezna jekla, 58–66 HRC Hitrorezna jekla se uporabljajo predvsem v proizvodnji rezalnih orodij. Za ta jekla so značilne materialne lastnosti, kot so visoka trdnost, trdota ter obstojnost proti obrabi in popuščanju, omogočajo pa tudi preprosto pripravo ostrih rezalnih robov. Dodajajo se jim zlitinski elementi krom, molibden, volfram, vanadij in kobalt. Kaljenje na temperaturi 1250–1280 °C ustvari martenzitno osnovo, v kateri je vgrajen velik delež mešanih karbidov. Material po dvojnem žarjenju na temperaturi 550–580 °C doseže trdoto 64–66 HRC. Preglednica 7.17: Označbe različnih vrst hitroreznih jekel SAE

DIN

AFNOR

BS

T1

S 18‐0‐1

Z80 WCV 18‐4‐1

BT1

M35

S 6‐5‐2‐5

85 WDKCV 6‐5‐2‐5

BM35

2723 2722

M2

S 5‐5‐2

Z85 WDCV 6‐5‐2

BM2

M42

S 2‐10‐1‐8

Z110 DKCWV 2‐9‐1‐8

BM42

T4

S 18‐1‐2‐5

Z80 WKCV 18‐5‐4‐1

BT4

SS

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 135

Sestavljena temperatura je pri obdelavi hitroreznih jekel pogosto zelo visoka zaradi izjemno visoke trdote in trdnosti jekla. Glavna mehanizma obrabe, ki vplivata na rezalno orodje, sta kotanjasta obraba in plastična deformacija.

7.3.10 Jekla za kroglične ležaje, 58–65 HRC Jekla za kroglične ležaje so nekoliko hiperevtektoidna, vsebnost ogljika pa je malo pod 1 %. Kalilno globino materiala določa vsebnost kroma. Za ta jekla sta značilni predvsem čistota in drobnozrnata struktura. S kaljenjem in žarjenjem dosegamo vrednosti površinske trdote nad 60 HRC. Glavna zahteva za jekla za kroglične ležaje je ustrezna odpornost proti kontaktnemu utrujanju in cikličnim obremenitvam. Material je pogosto kaljen in žarjen tako, da se tvori bainitna osnova s trdoto okoli 60 HRC. Preglednica 7.18: Označbe različnih vrst jekel za kroglične ležaje SAE 52100

DIN

AFNOR

BS

SS

100Cr6

100C6

EN31

2258

100CrMo7

100CD7

100CrMo6 50100

105Cr2

100C2

Jekla za kroglične ležaje imajo martenzitno mikrostrukturo, ki skupaj z vgrajenimi karbidi vodi do precej uravnotežene obrabe rezalnega roba. Pri obdelavi teh materialov v utrjenem stanju se dobro obnesejo rezalna orodja pcBN. Na orodjih se pojavljajo predvsem obraba proste ploskve, krušenje in luščenje.

7.3.11 Jekla za cementiranje, 55–62 HRC Delež ogljika pri vseh vrstah jekla za cementiranje je razmeroma majhen in le redko presega 0,2 %. Če je del iz jekla za cementiranje izpostavljen velikim obremenitvam, lahko zato mehkejši in bolj podajni predeli v bližini sredice privedejo do razpok in poškodb na krhkejši površini. Pri večji vsebnosti ogljika bi se sicer povečala trdnost materiala, vendar bi se obenem zmanjšala žilavost sredice.

Za izboljšanje mehanskih lastnosti oz. trdnosti in žilavosti materiala se lahko uporabijo zlitinski elementi, kot so mangan, krom, nikelj in v nekaterih primerih molibden.

Po obdelavi dela v mehkem stanju sledi postopek za obogatitev površine z ogljikom do globine največ 2 mm. Delež ogljika v tem predelu lahko doseže 1 %. Del se nato zakali in žari za površinsko trdoto okoli 60 HRC. Jedro tako ohrani svojo žilavost, medtem ko dobi površina martenzitno ali bainitno mikrostrukturo. Če toplotna obdelava povzroči manjše deformacije dela, je lahko potrebna dodelava. Jekla za cementiranje se uporabljajo zaradi obstojnosti proti obrabi in sposobnosti, da vzdržijo spreminjajoče se obremenitve.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 136

Preglednica 7.19: Označbe različnih vrst jekel za cementiranje SAE

DIN

AFNOR

BS

SS

1016

CK15

CC12

080M15

1370

8620

21NiCrMo2

‐

805M20

2506

5115

16MnCr5

16MC5

(527M20)

2511

‐

St52‐3

20M5

150M19

2172

Ta material se običajno obdeluje v stanju pred utrjevanjem in ogljičenjem, ko se še vede kot običajno legirano jeklo. Odrezovalnost je obratno sorazmerna z večjo čistoto, ki je povezana z adhezijsko obrabo.

7.3.12 Sintrane kovine, 45–70 HRC Osnova za približno 80 % vseh sintranih delov je železo, uporabljajo pa se še baker, aluminij, volfram in nikelj. Večina železnih oz. jeklenih prahov se meša z bakrom (FC) ali nikljem (FN). Ena najbolj razširjenih tovrstnih zlitin je FC 0208, ki vsebuje 2 % bakra in 0,8 % ogljika. FN 0205 je zlitina z 2 % niklja in 0,5 % ogljika. Enostavno ogljikovo jeklo s predpono F v označbi ne vsebuje drugih zlitinskih elementov kot ogljik. Nikljevo jeklo (FN) je običajno močnejše, bolj žilavo in primernejše za toplotno obdelavo kot zlitini F in FC. Relativno število por vpliva na mehanske lastnosti dela. Po pričakovanjih so močnejši deli z manjšim številom por, kot je razvidno v Preglednici 7.20. Relativno število por vpliva tudi na odrezovalnost materiala.

Deli, izdelani po postopkih metalurgije prahov (PM), imajo več jasnih in edinstvenih prednosti.

Umetno ustvarjena poroznost zagotavlja učinek samodejnega mazanja, ima pa tudi dušilni učinek.

S postopki metalurgije prahov lahko izdelamo tudi razne kompleksne zlitine, ki jih s klasičnimi tehnikami sploh ni mogoče izdelati ali pa bi bilo to zelo težko. Taki sintrani deli pogosto ne zahtevajo nobenih dodatnih obdelav, zaradi česar so tudi cenejši in ustvarijo manj odpadkov. Prav zaradi lastnosti, ki naredijo te materiale komercialno zanimive, pa jih je tudi težko obdelovati.

Preglednica 7.20: Lastnosti sintranih materialov z različno gostoto Gostota [g/cm3]

Napetost tečenja 0,2 % [N/mm2]

Natezna trdnost [N/mm2]

Lomna žilavost Charpy [J]

6,6

215

275

6,8

7

280

420

11,5

7,4

350

585

26,5

Za obdelavo jeklenih sintrancev, tudi mehkejših od 25 HRC, se lahko uporabljajo orodja pcBN. Kritični parameter pri odločanju o uporabi orodij pcBN je trdota zrn. Če ta presega 50 HRC, lahko uporabljamo orodja pcBN. Omejitveni dejavnik pri uporabi orodij pcBN je vsekakor žilavost materiala. Obdelave s prekinitvami in zelo porozni materiali zahtevajo trdnost in velik radij rezalnega roba. Običajne in fine obdelave se lahko izvajajo z navadnimi rezalnimi robovi.

7.3.13 Nerjavno jeklo Nerjavna jekla zagotavljajo lastnosti, ki jih zlitine na osnovi železa običajno nimajo. Zaradi zgodovinskih in klasifikacijskih razlogov jih navadno uvrščamo v kategorijo visokotrdnostnih ali orodnih jekel. Nerjavna jekla izvirajo iz proizvodnje topov, pri kateri so včasih uporabljali jekla, legirana s kromom. Že pred več kot 100 leti je bilo ugotovljeno, da so jekla z več kot 12 % kroma zelo odporna proti oksidaciji in koroziji. Od tedaj je bilo razvitih mnogo podskupin feritnih, avstenitnih, dupleksnih in izločevalno utrjenih nerjavnih jekel. Feritna in martenzitna nerjavna jekla so si sorodna v tem, da jih sestavljajo samo železo, ogljik in krom. Le v določenih primerih vsebujejo tudi manjše količine izbranih zlitinskih elementov za izboljšanje določenih lastnosti. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 137

7.3.13.1 Feritna in martenzitna nerjavna jekla Vsa feritna nerjavna jekla (200–220 HB) imajo majhen delež ogljika. Uporabljamo jih predvsem takrat, ko ni potrebe po visoki korozijski odpornosti, njihova odrezovalnost pa je podobna kot pri tradicionalnih jeklih.

Martenzitna nerjavna jekla (42–58 HRC) so bila razvita zaradi potrebe po kaljivem nerjavnem materialu, kar je bilo doseženo z dodajanjem ogljika binarnemu sistemu železo‐ krom. Njihova pomanjkljivost je v tem, da imajo slabšo korozijsko odpornost kot feritna in predvsem avstenitna nerjavna jekla. Martenzitna nerjavna jekla dosegajo vrednosti porušitvene natezne trdnosti do 2800 N/mm2.

Preglednica 7.21: Označbe različnih vrst kaljivih nerjavnih jekel AISI / SAE

DIN

AFNOR

BS

SS

403

1.4006

Z6C13

403S17

2302

410

1.4006

Z6C13

410S21

2302

416

1.4006

Z12CF13

416S21

2380

420

1.4021

Z20C13

420S37

2303

420F

1.4028

Z30C13

420S45

2304

431

1.4057

431S29

2321

7.3.13.2 Avstenitna nerjavna jekla, 180–220 HB Avstenitna nerjavna jekla so daleč največja skupina nerjavnih jekel in tako kot pri vseh nerjavnih jeklih je glavni zlitinski element krom. Njihova visoka odpornost proti koroziji je posledica visoke vsebnosti kroma. Ta z oksidacijo površine tvori zaščitno pasivno plast, ki korozijo močno ovira ali jo popolnoma prepreči. Stopnja korozijske odpornosti jekla se povečuje z večanjem deleža kroma.

Pri zlitinah, ki vsebujejo 12–13 % kroma, pasivacija zadošča za popolno zaščito pred korozijo v normalni zunanji atmosferi in za močno odpornost proti koroziji v stiku s sladko vodo in hladnimi razredčenimi kislinami, ki delujejo kot oksidanti.

Večji delež kroma prinese odpornost proti agresivnejšim medijem, njegova prisotnost pa pripomore tudi k povečanju odpornosti proti oksidaciji pri povišanih temperaturah. Nikelj kot zlitinski element vpliva predvsem na mikrostrukturo in mehanske lastnosti jekla. Če je njegova vsebnost dovolj visoka in po ustrezni toplotni obdelavi pridobi nerjavno jeklo avstenitno mikrostrukturo. S tem se močno spremenijo mehanske lastnosti v primerjavi s čistim kromovim jeklom, saj postane jeklo bolj žilavo in bolje preoblikovalno, prav tako pa se izboljša trdnost pri povišanih temperaturah. Spremenijo se tudi fizikalne lastnosti jekla, ki postane paramagnetno.

Nikelj poleg tega izboljšuje odpornost proti korozijskemu delovanju nekaterih medijev. Molibden ima enak vpliv na mikrostrukturo kot krom ter izboljša korozijsko odpornost feritnih jekel, ki niso legirana z nikljem, ter z nikljem legiranih avstenitnih jekel. Izboljšanje korozijske odpornosti je še posebej izrazito v prisotnosti kloridov in kislin, ki delujejo kot reducenti.

Preglednica 7.22: Označbe različnih vrst avstenitnih nerjavnih jekel AISI / SAE

DIN

AFNOR

BS

SS

304L

1.4306

Z2Cn 18‐10

304S11

2352

303

1.4305

Z8CnF 18‐09

303S22

2346

316L

1.4404

Z2CND 17‐12

316S11

2353

310S

1.4842

Z12CN 26‐21

316Ti

1.4571

Z6CNDT 17‐12

316Cb

1.4580

Z6CNDNb 17‐12

2361 320S18

2350

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 138

Avstenitna nerjavna jekla lahko vsebujejo tudi druge zlitinske elemente, kot sta niobij ali titan, ki zavirajo interkristalno korozijo in povečajo odpornost proti lezenju. Za izboljšanje odrezovalnosti se včasih doda žveplo ali se jeklo obdela s kalcijem.

7.3.13.3 Dupleksna nerjavna jekla, < 300 HB Sodobna dupleksna nerjavna jekla združujejo mnoge dobre lastnosti, ki so značilne za feritna in avstenitna nerjavna jekla. Visoka vsebnost kroma, niklja in molibdena zagotavlja dobro odpornost proti jamičasti koroziji in koroziji na splošno. Njihova feritno‐avstenitna mikrostruktura je povezana tudi z visoko stopnjo odpornosti proti napetostni koroziji. Dupleksna nerjavna jekla so trdnejša od feritnih in avstenitnih jekel. Omeniti pa je treba, da obstaja v temperaturnem intervalu 600–900 °C nagnjenost k izločanju intermetalnih faz, ki zmanjšuje korozijsko odpornost materiala in ga naredi bolj krhkega. Področja uporabe dupleksnih nerjavnih jekel so podobna kot pri avstenitnih jeklih, vendar nudijo veliko večjo korozijsko odpornost. Odrezovalnost dupleksnih nerjavnih jekel je slaba.

Nerjavna jekla se znatno razlikujejo po odrezovalnosti. Feritna nerjavna jekla štejemo med malolegirana jekla oz. jekla za poboljšanje. Avstenitna nerjavna jekla nasprotno izkazujejo izrazite lastnosti deformacijskega utrjevanja in pogosto povzročajo lokalno zarezno obrabo na rezalnem orodju. To v kombinaciji z majhno toplotno prevodnostjo in specifično toploto vodi do razmeroma visoke sestavljene temperature, kar povečuje tveganje plastične deformacije orodnega materiala.

Orodje je hkrati podvrženo adhezijski obrabi in plastični deformaciji, čemur se ni mogoče izogniti z izbiro drugega rezalnega materiala, saj bi to zahtevalo nasprotujoče si materialne lastnosti. To je tudi razlog za razmeroma nizko stopnjo odrezovalnosti avstenitnih nerjavnih jekel.

Preglednica 7.23: Označbe različnih vrst dupleksnih nerjavnih jekel ASTM

DIN/EN

AFNOR

BS

SS

S32304

1.4362

Z3CN 23‐04 Az

S32205

1.4462

Z3CND 22‐05 Az

318S13

2377

S32760

1.4501

‐

‐

‐

S32750

1.4410

Z3CND 25‐06 Az

‐

2328

2327

Dupleksna nerjavna jekla imajo nižjo stopnjo odrezovalnosti kot avstenitna nerjavna jekla, delno zaradi večje debeline deformirane plasti εIII pod obdelano površino, delno pa zato, ker višja natezna trdnost omejuje odrezovalnost pri finih obdelavah.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 139

7.3.14 Superzlitine Superzlitine so skupina zlitin na osnovi železa, niklja ali kobalta, ki zagotavljajo zelo dobro obstojnost proti koroziji in oksidaciji pri nizkih in povišanih temperaturah.

Njihovo visoko odpornost proti lezenju izkoriščamo pri rotacijskih delih, kot so deli plinskih turbin. Pogosto se uporabljajo tudi pri gradnji jedrskih elektrarn. Daleč najbolj razširjene so superzlitine na osnovi niklja, od katerih jih je veliko razvilo podjetje Inco in nosijo oznako Inconel xxx oz. novo oznako Alloy xxx. Skupno jim je to, da je glavni zlitinski element nikelj, lahko pa vsebujejo tudi večje količine drugih elementov za usmerjeno izboljšanje določenih lastnosti. Večina superzlitin, kot je Alloy 718, je izločevalno utrjena, zato imajo dobro časovno trajno mirujočo trdnost in so še posebej primerne za uporabo v plinskih turbinah, reaktivnih motorjih, vesoljskih plovilih in jedrskih reaktorjih. Zlitine ODS (z oksidnimi delci disperzijsko utrjene zlitine) so naslednja skupina podobnih superzlitin, pri katerih se za izboljšanje odpornosti proti lezenju uporabljajo nekateri oksidi (npr. itrijev oksid). Zlitine ODS imajo izjemno trdnost pri povišanih temperaturah in odpornost proti lezenju.

Pri komponentah in izdelkih, kjer temperatura in odpornost proti lezenju nimata odločilne vloge, se pogosto uporabljajo zlitine na osnovi kobalta. Te se z visoko vsebnostjo kroma bolje upirajo visokotemperaturni koroziji kot zlitine na osnovi niklja. V naslednji skupini so zlitine Incoloy yyy, ki jih lahko opredelimo kot visokolegirana nerjavna jekla. Mnoge so izločevalno utrjene. Njihova porušitvena natezna trdnost v topilno žarjenem stanju je 1150–1350 N/mm2, raztezek εb pa 10–20 %. Kolikor je mogoče, jih je zato treba obdelovati v takem stanju, saj se porušitvena natezna trdnost v izločevalno utrjenem stanju približno podvoji, odrezovalnost pa se znatno zmanjša. Za vse zlitine na osnovi niklja in kobalta v splošnem velja, da jih je težko obdelovati.

Superzlitine so pri obdelavi z odrezavanjem v nekaterih pogledih primerljive z avstenitnimi nerjavnimi jekli, čeprav je njihova odrezovalnost slabša. Vsebovane abrazivne faze v različnih deležih vodijo do adhezijske in abrazivne obrabe na rezalnem orodju ter do tveganja plastične deformacije. Za obdelavo materiala Alloy 718 se uporabljajo bodisi keramična bodisi trdokovinska orodja, odvisno od operacije.

Slika 7.18: Posnetki mikrostrukture nikljeve zlitine Alloy 718 z nezaželenimi karbidnimi vključki (TiC in NbC) in izločki δ‐faze (Ni3Nb, OFC) na mejah zrn

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 140

Slika 7.19: Variabilnost z odrezovalnostjo povezanih lastnosti zlitine Alloy 718 med šaržami; Avdovic et al.27 Preglednica 7.24: Primeri superzlitin in njihove uporabe. Vrednosti v stolpcu Odrezovalnost predstavljajo relativno odrezovalnost v primerjavi z jeklom AISI 1212, ki ima vrednost 100.

Ime IN‐738

Odrezovalnost* 10

UDIMET 500

12

IN‐939

12

WASPALOY

16

INCONEL Alloy X‐ 750 INCONEL Alloy 718

14

NIMONIC Alloy 105

10

INCONEL Alloy 751

14

INCONEL Alloy 600

20

INCO Alloy C‐276

18

INCONEL Alloy 625

24

INCONEL Alloy 601 HASTELLOY C

20 20

16

Aplikacije Parne turbine (nuklearke) Parne turbine (nuklearke) Parne turbine (nuklearke) Parne turbine (nuklearke) Parne turbine (nuklearke) Parne turbine (splošno) Plinske turbine Kemična industrija (splošno) Kemična industrija Kemična industrija, petrokemija Kemična industrija Splošne Ulitki

Zahteve Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti lezenju, toplotna obstojnost Odpornost proti koroziji, toplotna obstojnost Odpornost proti koroziji Odpornost proti koroziji

Odpornost proti koroziji, toplotna obstojnost Toplotna obstojnost Odpornost proti koroziji, toplotna obstojnost

27

Avdovic P., Xu L., Andersson M., Ståhl J‐E., Evaluating the Machinability of Inconel 718 Using Polar Diagrams, Proceedings of ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea and Air GT2010, 14.–18. junij 2010, Glasgow, Združeno kraljestvo.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 141

7.3.15 Titan in titanove zlitine Titan in titanove zlitine se zaradi visokega razmerja med trdnostjo in gostoto uporabljajo predvsem v letalski in vesoljski industriji, tako za dele nosilnih konstrukcij kot za motorne komponente. Visoka korozijska odpornost je pomembna lastnost za aplikacije v kemični in petrokemični industriji ter v dejavnostih na morju. Manjše, vendar pomembno področje uporabe so tudi medicinski vsadki (čeljustni, kolenski, kolčni). Obstajajo tri vrste titanovih zlitin: ‐, +‐ in ‐zlitine. Zlitine tipa , ki vsebujejo predvsem zlitinska elementa kositer in aluminij, se uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo visoko odpornost proti lezenju.

Zlitine tipa + se lahko izločevalno utrjujejo. Daleč najbolj razširjena je Ti6Al4V, ki predstavlja približno polovico proizvodnje titanovih zlitin. Zlitine tipa , ki vsebujejo V, Nb in Mo, so s svojimi lastnostmi primerne zlasti za proizvodnjo kovanih delov. Tudi te zlitine se lahko izločevalno utrjujejo. Z večanjem deleža legirnih elementov se zmanjšuje odrezovalnost vseh titanovih zlitin.

Tudi čist, nelegiran titan je težko obdelovati. Dodatne težave pri obdelavi povzročata njegova izjemno majhna toplotna prevodnost in izrazita tendenca k napetostnim deformacijam. Titan kot element je kemično močno reaktiven, kar lahko privede do nalaganja plasti titana oz. titanove zlitine na površino rezalnega orodja, s tem pa do poslabšanja kakovosti površine in utrujenostnih lastnosti izdelkov. Ti materiali se zato pogosto obdelujejo z ostrimi rezalnimi orodji iz karbidne trdine.

7.3.16 Aluminij in aluminijeve zlitine Na trgu je veliko različnih vrst aluminija in njegovih zlitin. Slednje se navadno dobro obdelujejo, medtem ko je čisti aluminij težko obdelovati zaradi njegove duktilnosti in sprijemanja na rezalno orodje. To je mogoče delno pojasniti z njegovo enofazno strukturo (Slika 7.20 levo).

Na dobro odrezovalnost aluminijevih zlitin pa ni mogoče vedno računati pri struženju zaradi slabega nadzora nad odrezki, ki se težko ločujejo. Temu se lahko do neke mere izognemo z uporabo ustrezne geometrije rezalnega orodja in lomilcev odrezkov, pa tudi z uporabo livnih zlitin z vsebnostjo silicija nad 12 % (Slika 7.20 desno), ki zagotavljajo boljši nadzor nad odrezki. Hkrati pa se močno poveča abrazivna obraba, zaradi katere se skrajša obstojnost orodja. Izjemno trdne aluminijeve zlitine imajo visoko stopnjo odrezovalnosti, saj tvorijo kratke odrezke, obenem pa ne vsebujejo abrazivnih delcev. Z njimi je tako mogoče izboljšati produktivnost proizvodnega procesa. Najboljša izbira za obdelavo komponent iz čistega aluminija, aluminijevih zlitin in MMC (kompozitnih materialov s kovinsko osnovo) so pogosto diamantna rezalna orodja.

Slika 7.20: Zlitine aluminija in silicija z vsebnostjo silicija 0,5 % (levo), 4,5 % (sredina levo) in 14 % (sredina desno), MMC/Al‐SiC s povprečno velikostjo zrn 20 µm (desno)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 142

Slika 7.21: Polarni diagram kaljive aluminijeve zlitine z vsebnostjo silicija < 1 % (levo) in aluminijeve zlitine za litje z vsebnostjo silicija > 12 % (desno)

7.4 Nastanek srha, integriteta površin in okoljski vidiki Sile, ki jih povzroča delovanje rezalnega orodja, so praviloma uravnotežene z reaktivnimi silami v obdelovancu. Ko se orodje približa robu obdelovanca, pa se to ravnotežje lahko poruši in pride do nastanka srha, deformacije ali zloma obdelovanca. Tako nastanek srha kot zlom obdelovanca povzročita stroške in težave, včasih pa vplivata tudi na delovno okolje. Mehanizem nastanka srha je praktično enak pri vseh procesih obdelave z odrezavanjem.

Stopnja oblikovanja srha in poškodb robov je delno odvisna od relativne velikosti komponent rezalne sile D2, E2 in C2 ter od plastičnosti in trdnosti obdelovanega materiala. Nastanku srha in poškodbam robov se je v določeni meri mogoče izogniti z zmanjšanjem rezalnih sil na prosti ploskvi rezalnega roba, kakor tudi s posnetji na obdelovancu. Pomembna je tudi izbira smeri obdelave. Najbolje je, da se rezalno orodje podaja v smeri naraščajoče togosti, torej od roba proti sredini obdelovanca in ne od sredine navzven.

Z integriteto površine opisujemo topografijo, strukturo, napetostno stanje in kemično sestavo površine obdelovanega materiala. Topografija površine dela je odvisna od različnih faktorjev, med katerimi je tudi vedenje materiala med rezanjem. Obdelovani material vpliva na proces odrezavanja tako, da se najprej oprime rezalnega orodja v obliki nalepka in pozneje odpade zaradi vibracij. Različne kombinacije podajanja in rezalne hitrosti vplivajo na kakovost obdelanih površin.

Dobra odrezovalnost z vidika površin je pogosto v nasprotju z dobro odrezovalnostjo z vidika obrabljanja rezalnega orodja in rezalnih sil. Nagnjenost obdelovanega materiala k sprijemanju lahko opišemo z najnižjo rezalno hitrostjo, pri kateri ni mogoče zaznati zmanjšanja kakovosti površine.

Za opis odrezovalnosti materiala z vidika zmožnosti doseganja želene topografije površine lahko uporabimo npr. naslednje merilne veličine:  Največja hrapavost Rmaks pri danih rezalnih parametrih.  Razlika med dejansko in teoretično največjo hrapavostjo pri danih rezalnih parametrih.  Različne kombinacije rezalnih parametrov za topografijo površine, ki ni slabša od referenčne.  Odrezovalnost materiala z vidika tveganja pojava vibracij je mogoče oceniti neposredno in posredno. Posredna metoda je denimo merjenje indeksa variabilnosti obdelovanega materiala ψc v različnih pogojih. Indeks variabilnosti lahko uporabimo kot neposredno merilno veličino, pri čemer morajo preizkusi potekati v stabilnih pogojih. Druga možnost je merjenje amplitude gibanja rezalnega orodja.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 143

Slika 7.22: Primer integritete površine materiala Alloy 718, opredeljene z mikrostrukturo, deformacijami pod površino (zgoraj) in preostalimi napetostmi (spodaj); Peng et al.28

Neposredna metoda za merjenje odrezovalnosti z vidika vibracij je obdelava serije delov z vse manjšo togostjo, ki ji sledi analiza kakovosti obdelanih površin. Za referenčno vrednost uporabimo kakovost površine najmanj togega obdelovanca, pri katerem so vibracije najmočnejše. Pri vseh preizkusih v zvezi z vibracijami je nadvse pomembno, da uporabimo vedno enako geometrijo orodja, prav tako pa morajo biti čim manjše razlike v mikrogeometriji rezalnih robov. Vrednotenje odrezovalnosti z vidika zaostalih napetosti na površini še zdaleč ni enostavna naloga in za statistično zanesljivost rezultatov so potrebni obsežni preizkusi. Na rezultate lahko znatno vplivata tudi geometrija in variabilnost geometrije orodja.

Pri preučevanju odrezovalnosti različnih materialov je bilo le malo pozornosti namenjene okoljskim vidikom in povezanim vprašanjem recikliranja. V zvezi s tem razlikujemo dejavnike neposrednega in posrednega pomena, kakor tudi interne in eksterne organizacijske dejavnike.

Interni dejavniki se nanašajo na vplive določenega materiala na delovno okolje v organizacijskem smislu, eksterni pa zadevajo splošne nevarnosti za okolje, ki jih prinašajo uporaba določenega materiala in nevarni odpadki. Uporaba hladilno‐mazalnih tekočin in drugih pomožnih snovi vpliva na notranje in zunanje okolje. Hladilno‐mazalne tekočine opravljajo naslednje funkcije:  hlajenje območja obdelave in neposredne okolice;  odstranjevanje odrezkov iz območja obdelave;  zajemanje in vezanje drobnih delcev prahu, ki se tvori med obdelavo;  izboljšanje triboloških razmer, v katerih potekajo razni procesi (mazanje).

28

Peng R. L., Zhou J., Johansson S., Bellinius A., Bushlya V., Ståhl J.‐E., Surface Integrity and the Influence of Tool Wear in High Speed Machining of Inconel 718, The 13th International Conference on Fracture (ICF13), 2013, Peking, Kitajska.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 144

Materiali, ki zahtevajo uporabo dodatkov, kot so hladilno‐mazalne tekočine, imajo torej slabšo odrezovalnost kot materiali, pri katerih ti dodatki niso potrebni. Pravilno ravnanje s hladilno‐ mazalnimi tekočinami in odstranjevanje tekočin je povezano s stroški, te snovi pa lahko tudi povzročajo težave v delovnem okolju zaradi alergij in draženja kože. Lahko se tudi onesnažijo z različnimi zlitinskimi elementi obdelovanega materiala, kot so Cr, Ni in Mo, kar še poveča tveganje alergijskih reakcij. Tveganje za okolje lahko predstavljajo tudi protibakterijski dodatki v tekočinah.

Hladilno‐mazalne tekočine imajo seveda tudi pozitiven vpliv na delovno okolje, saj vežejo drobce odrezkov in prah, ki sami predstavljajo resno grožnjo za delovno okolje.

Obdelava kompozitnih materialov, ojačenih z vlakni, lahko obremeni okolje zaradi prašenja oz. emisije vlaken in delcev v zrak. Okoljski problemi izhajajo tudi iz obrabljanja rezalnega materiala.

Ugotovljeno je bilo namreč, da koncentracija nastalih delcev pri obdelavi kompozitov, ojačenih z vlakni, raste z obrabo proste ploskve. Znano je tudi, da na emisijo prahu močno vpliva mikrogeometrija rezalnega orodja. Velike kontaktne površine na prosti ploskvi rezalnega orodja lahko povzročijo drobljenje obdelovanega materiala in s tem prašenje. Ostrina rezalnega orodja je zaželena le do določene meje, preostra orodja pa lahko povzročijo samopodajanje. Ta pojav lahko omejimo z zmanjšanjem prostega kota. Vedno si je treba prizadevati za optimizacijo procesa odrezavanja za ravnovesje med čim boljšimi pogoji za rezanje in dobrim delovnim okoljem.

Tudi srh na obdelovancih povzroča težave za delovno okolje, saj prinaša tveganje telesnih poškodb pri rokovanju.

V zadnjem času se zaradi boljšega nadzora nad srhom uveljavljajo obdelave s kriogenim hlajenjem, zlasti pri postopkih vrtanja, rezkanja in struženja s prekinitvami. Ta učinek je dosežen s spuščanjem zastojne točke ys zaradi bistveno večje napetosti tečenja obdelovanega materiala pri kriogenih temperaturah (≈ –150 °C). Pri teh temperaturah se naglo zmanjša lomna žilavost obdelovanega materiala in nastopi prehod z duktilnega na krhko ločevanje materiala.

7.5 Celotna odrezovalnost materiala Ustreznost kateregakoli merila odrezovalnosti, ki so na voljo za preizkuse, je odvisna od vsakokratne naloge. Ovrednotenje odrezovalnosti materiala v določeni operaciji ali seriji operacij zahteva upoštevanje več meril. Rezultate serije preskusov odrezovalnosti je mogoče podati v obliki polarnega diagrama, kot smo to naredili za materialne faktorje v poglavju 7.1.4. Slika 7.23 prikazuje primerjavo med materialom X in referenčnim materialom R na osnovi rezultatov preizkusov osmih različnih meril odrezovalnosti.

Pogosto je smiselno izračunati indeks odrezovalnosti, kar lahko naredimo na več načinov.

Najenostavnejši je izračun povprečnega indeksa odrezovalnosti po izbranih merilih. Nekoliko zahtevnejši je pristop z določitvijo uteži za posamezna merila pri računanju povprečnega indeksa.

Te uteži lahko določimo denimo na osnovi relativnega prispevka posameznih meril k celotnim stroškom obdelave.

Odrezovalnost materiala vpliva na večino stroškovnih postavk v modelih, ki bodo predstavljeni v 9. poglavju. Največji vpliv na stroške, ki ga lahko pripišemo nezadostni stopnji odrezovalnosti, ima podaljšanje rokov dobave končnega izdelka ter povečanje stroškov rezalnega orodja in pomanjkljive kakovosti.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 145

Slika 7.23: Primerjava med materialom X in referenčnim materialom R glede na osem meril odrezovalnosti

Slika 7.24: Obremenitve rezalnega roba med odrezavanjem so odvisne od več skupin materialnih lastnosti obdelovancev. Na tej osnovi je zgrajen tudi sistem ISO za razvrščanje materialov v skupine po odrezovalnosti.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 146

8 Rezalni materiali in njihovo slabšanje Stroški obdelave so v veliki meri odvisni od načinov in hitrosti obrabljanja orodja. Na hitrost procesa obdelave z odrezavanjem in potek obrabljanja rezalnega orodja močno vpliva izbira rezalnih parametrov. Kombinacija rezalnih parametrov in obrabe orodja vpliva na čas cikla obdelovalne operacije. Večina parametrov, ki določajo stroške obdelave, kot so čas obdelave, stopnja zavrnitve in interval menjave orodij, je odvisna od dobrega delovanja rezalnega orodja.

Slabšanje rezalnega orodja zaradi obrabe se kaže predvsem v obrabljanju tistih površin rezalnega orodja, ki so v stiku z obdelovancem in odrezkom. Ta obraba je lahko enakomerna ali neenakomerna. Slabšanje rezalnega orodja, ki ni povezano z obrabljanjem, se kaže v obliki nastajanja razpok, zlomov, plastičnih deformacij ali propadanja kemične narave. Slabšanje vseh vrst je tesno povezano z mehanskimi in toplotnimi obremenitvami, ki jim je izpostavljeno rezalno orodje. Toplotne obremenitve pospešujejo vse procese slabšanja, do katerih prihaja zaradi kemičnih reakcij in difuzije.

8.1 Osnovne vrste slabšanja rezalnega orodja Vsaka oblika slabšanja orodja je posledica razmer v rezalnem orodju ali njegovi bližini.

Obremenitve rezalnega orodja so mehanske in toplotne narave. Toplotne obremenitve pospešujejo kemične in fizikalne procese. Tribološke obremenitve lahko obravnavamo kot kombinacijo raznovrstnih procesov slabšanja. Obremenitve, ki vplivajo na rezalno orodje med procesom odrezavanja, lahko opišemo z obremenitvenim vzorcem, ki je zbir vseh toplotnih, mehanskih in kemičnih obremenitev rezalnega orodja.

Lastnosti orodja določajo material, iz katerega je orodje narejeno, konstrukcija ter mikro‐ in makrogeometrija. Lahko jih merimo in navajamo z upogibno trdnostjo, tlačno trdnostjo, žilavostjo, toplotno prevodnostjo, obstojnostjo proti obrabi ipd. Nekatere lastnosti rezalnega roba, kot je žilavost v različnih pogojih obdelave, je mogoče opisovati z različnimi relativnimi skalami. V skupino delovnih lastnosti orodja združujemo lastnosti, ki se nanašajo na delovanje rezalnega orodja med procesom odrezavanja. Te določajo sposobnost rezalnega orodja, da vzdrži razne spremembe dejavnikov obdelovalnega procesa, ki lahko povzročijo slabšanje orodja.

Relevantne so tiste lastnosti orodja, ki vplivajo na njegovo delovanje v vsakokratnih pogojih.

Preglednica 8.1 prikazuje klasifikacijo sprememb na orodju zaradi procesov slabšanja med odrezavanjem.

Preglednica 8.1: Procesi slabšanja rezalnega orodja Proces Obraba

Opis Spremembe geometrije orodja zaradi postopne izgube rezalnega materiala.

Plastična deformacija

Spremembe geometrijske oblike rezalnega orodja brez izgube materiala.

Lomljenje in razpoke

Oblikovanje razpok, luščenje, krušenje ali porušitev (zlom orodja), pri čemer se polomi ali odstrani del rezalnega orodja.

Spremembe materiala

Spremembe mikrostrukture ali lastnosti zaradi kemičnih procesov (difuzija, kemične reakcije).

Slabšanje rezalnega orodja je posledica skupnega delovanja obrabe na prosti ploskvi in plastične deformacije. Pri nižjih vrednostih rezalnih parametrov se pojavlja predvsem kombinacija čiste kotanjaste obrabe in obrabe proste ploskve. Kadar so vrednosti rezalnih parametrov večje, se poveča tudi stopnja plastičnih deformacij. Razsežnosti plastične deformacije so odvisne od mehanskih in toplotnih obremenitev, kakor tudi od geometrijske oblike rezalnega orodja. Med obrabljanjem se obremenljivost orodja za nekaj časa poveča zaradi geometrijskih sprememb ob _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 147

naraščanju toplotnih in mehanskih obremenitev orodja. S povečanjem mehanskih obremenitev lahko namreč začasno nastopijo ugodne napetostne razmere v orodju zaradi ravnovesja med naraščajočo obrabo in plastičnimi deformacijami orodja (Slika 8.2). Temu pa neizogibno sledi zelo hitra plastična deformacija in končno odpoved orodja.

V ugodnih okoliščinah in neredko prihaja do postopne plastične deformacije in spremembe geometrije rezalnega orodja na tak način, da se kompenzira obraba proste ploskve in narašča prosti kot α med obrabljajočo se ploskvijo in obdelovancem, zaradi česar se podaljša obstojnost orodja. Meritve rezalnih sil kažejo, da se orodje deformira z lezenjem materiala. Gre za temperaturno odvisno plastično deformacijo zaradi naraščajočih mehanskih in toplotnih obremenitev. Absolutna raven napetosti je bodisi konstantna bodisi rahlo upada, saj se trdnost roba povečuje z naraščanjem temperature med odrezavanjem. Zaradi povišanja temperatur se zmanjša preoblikovalni odpor rezalnega orodja, to pa vodi do uravnoteženja reakcijskih sil in s tem do visoke rezalne sposobnosti orodja. Upoštevati pa je treba, da ima orodje, ki se postopoma plastično deformira, vse bolj negativen cepilni in nagibni kot, to pa škoduje kakovosti obdelane površine.

Slika 8.1: Tri osnovne vrste obrabe rezalnega orodja: obraba proste ploskve (zgoraj levo), kotanjasta obraba (zgoraj desno) in lokalna obraba proste ploskve, ki jo imenujemo zarezna obraba, na glavnem in stranskem rezalnem robu (spodaj)

Slika 8.2: Rezalna roba z različnima stopnjama plastične deformacije in obrabe na prosti ploskvi: levo začetna deformacija, desno orodje na robu odpovedi

Sodobna orodja z naprednimi prevlekami so omogočila minimalne tribološke obremenitve na prosti ploskvi, zato prevladujejo obraba in morebitne poškodbe na cepilni ploskvi. V takih okoliščinah lahko cepilno ploskev rezalnega roba zaščiti prilepljeni material obdelovanca, obraba pa ostane minimalna (Slika 8.3). Obraba proste ploskve se tako razvije predvsem pri konici, kotanjasta obraba pa je bolj poudarjena. Razsežnosti slednje so odvisne tudi od smeri odvajanja odrezkov. Kotanjasta obraba v nasprotju z obrabo na prosti ploskvi zmanjšuje nosilnost rezalnega orodja. Razvoj kotanjaste obrabe skupaj s povišanjem temperature na konici povzroči plastično _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 148

deformacijo, ta pa hitro lokalno obrabo proste ploskve in končno zlom rezalnega roba. Rezultat tovrstne obrabe je zlom stranskega rezalnega roba.

Slika 8.3: Kotanjasta obraba in plastična deformacija rezalnega orodja z nepoškodovano linijo rezalnega roba

Pri krušenju rezalnega roba prihaja do njegovih lokalnih zlomov in izgube materiala. Povzročijo ga lahko različni dejavniki, denimo izguba materiala med razpokami (vzporednimi in glavničastimi) ali udarci odrezkov. Primer krušenja rezalnega roba je na Sliki 8.4. To lahko na različne načine vpliva na obdelano površino. Posledice krušenja pri grobih obdelavah so omejene, z izjemo povečanega tveganja odpovedi orodja, krušenje robov med fino obdelavo pa lahko privede do povečane stopnje zavrnitve izdelkov zaradi povečanja nesprejemljive hrapavosti obdelanih površin.

Slika 8.4: Različne vrste poškodb rezalnega roba: krušenje med skupinami razpok na frezalni ploščici (zgoraj) in poškodbe zaradi udarcev odrezkov (spodaj)

Luščenje je oblika krušenja robov na cepilni ali prosti ploskvi. Luščenje prevleke z rezalnega roba imenujemo delaminacija oz. razslojevanje. Lahko se pojavlja samo na cepilni oz. prosti ploskvi ali pa na obeh. Stanje preostalih napetosti v rezalnem orodju po uporabi lahko odločilno vpliva na pojav poznejšega luščenja. Skupno delovanje problematičnih obremenitev in preostalih napetosti lahko včasih povzroči večje prelomne ploskve, ki jih ni mogoče pojasniti samo z zunanjimi obremenitvami. Različne vrste slabšanja orodja zaradi luščenja so prikazane na Sliki 8.5. Skupno delovanje luščenja in nastajanja razpok je pogosto pri frezanju, kjer lahko nastali vzorci razpok tako zavrejo kakor tudi pospešijo slabšanje rezalnega roba.

Ob rezalnem robu se lahko pojavita dve osnovni vrsti razpok, glavničaste in vzporedne razpoke (Slika 8.6). Tanke glavničaste razpoke ležijo pod pravim kotom glede na linijo roba, vzporedne pa so vzporedne z njo. Tanke glavničaste razpoke so pogosto ekvidistančne in ne dosežejo vedno linije roba. Vzporedne razpoke se nasprotno pogosto nahajajo na različnih oddaljenostih od linije rezalnega roba in se razvijejo v povezavi z določeno stopnjo obrabe proste ploskve. Razpoke teh dveh vrst je treba ločiti od preprostih razpok v prevleki orodja, čeprav to v praksi ni vedno preprosta naloga. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 149

Bolj nepravilne razpoke na cepilni ploskvi rezalnega orodja se lahko pojavijo zaradi kemičnih sprememb orodnega materiala. Take razpoke se nato širijo po spremenjenem rezalnem materialu, ustavijo pa se šele v njegovih nedotaknjenih delih. To se lahko zgodi pri rezalnih materialih na osnovi Al2O3/SiCw, okrepljenih z viskerji.

Popolna odpoved lahko nastopi v različnih okoliščinah ter pri različnih kombinacijah obremenitvenih razmer in poslabšanja orodja. Poškodbe rezalnega roba in odpoved orodja, do katere lahko pride pri nadaljevanju rezanja z že poškodovanim rezalnim robom, je težko napovedovati. Pri enorezilnih postopkih odrezavanja le redko obstaja priložnost za podrobnejše preiskave primarnih prelomnih ploskev, ki nastanejo ob odpovedi orodja. Slika 8.8 prikazuje primer odpovedi rezalnega orodja, kjer se je odlomil del orodja. Pred takim zlomom zaradi glavnih napetosti običajno ni mogoče opaziti nastanka kritičnih razpok zaradi predhodnih obremenitvenih sekvenc, čeprav ga lahko sprožijo zareze in druge poškodbe rezalnega roba.

Slika 8.5: Luščenje frezalne ploščice (zgoraj) in stružnega rezalnega roba (spodaj levo), luščenje stružnega rezalnega roba zaradi zunanjih obremenitev in sprostitve preostalih napetosti (spodaj desno); v obeh primerih pri obdelavi materiala Alloy 718

Slika 8.6: Levo vzporedne razpoke in tanke glavničaste razpoke na rezalni ploščici, desno razpoke v prevleki močno obremenjenega stružnega rezalnega roba

Odvisnosti med obremenitvami in delovnimi lastnostmi orodja so lahko zelo zapletene. V Preglednici 8.2 je podan poenostavljen prikaz geometrijskih in materialnih lastnosti, ki so osnova za delovne lastnosti rezalnega orodja, ter faktorji, ki lahko te lastnosti nevtralizirajo – zlasti obremenitve in vzorci obremenitev orodja – in povzročijo poslabšanje rezalnega orodja. Nekateri od naštetih parametrov so lahko posrednega značaja. Relativna hitrost rezalnega orodja glede na _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 150

obdelovani material je npr. lahko do določene mere odvisna od stopnje sprijemanja obdelovanega materiala na rezalno orodje.

Slika 8.7: Poškodbe rezalnega orodja PCBN, ki so se začele na prosti ploskvi

Slika 8.8: Odpoved rezalnega orodja z zlomom zaradi glavnih napetosti med prekinjeno obdelavo

Kombinirano slabšanje zaradi obrabe proste ploskve in plastičnih deformacij rezalnega orodja je tudi izhodišče za razvoj izboljšanih orodnih materialov in prevlek. Kombiniran vpliv plastičnih deformacij in obrabe proste ploskve je viden tudi na zgornjih posnetkih, denimo na Slikah 8.3 in 8.6 desno.

Slika 8.9: Izolirana obraba proste ploskve (levo), obrabe proste ploskve skupaj s plastično deformacijo v približno enaki meri (sredina), različna stopnja obrabe proste ploskve in plastične deformacije (desno) Preglednica 8.2: Poenostavljena shema interakcij med delovnimi lastnostmi rezalnega orodja ter obremenitvami in obremenitvenimi vzorci, ki jim je izpostavljeno

Delovne lastnosti Temperaturno odvisna obstojnost proti obrabi.

Geometrija orodja (kot klina in prosti kot).

Tribološko adhezivno vedenje.

↔ Obraba

Obremenitve in obremenitveni vzorci Delovna pot. Normalni tlak na obrabni površini. Relativne hitrosti.

Temperature v procesu.

Temperaturno odvisna tlačna trdnost in preoblikovalni odpor. Trdnost roba in geometrija orodja.

Plastična deformacija

Ravni in porazdelitev obremenitev.

Temperature v procesu.

Temperaturno odvisna upogibna trdnost in preoblikovalni odpor. Toplotne napetosti.

Nast. razpok in luščenje

Dinamične obremenitvene sekvence.

Ravni in porazdelitev obremenitev.

Upogibna in tlačna trdnost. Trdnost roba in geometrija orodja.

Odpoved orodja

Ravni in porazdelitev obremenitev.

Temperature v procesu.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 151

Slika 8.10 prikazuje rezultate meritev rezalnih sil za dva primera, ki se razlikujeta po plastičnih deformacijah in obrabi. V prvem primeru (rdeče krivulje) se pojavi nestabilna plastična deformacija po štirih minutah. V drugem primeru (modre krivulje) je obraba proste ploskve dovolj dobro uravnotežena s plastično deformacijo, da lahko orodje reže osem minut. Spremembe geometrije nato postanejo nestabilne.

Slika 8.10: Rezalne sile kot funkcija časa rezanja t pri obdelavi avstenitnega nerjavnega jekla (vc = 180 m/min, f = 0,3 mm/vrt in ap = 2,5 mm) z različnima mikrogeometrijama. Vidne so razlike v relativni plastični deformaciji in obrabi.

8.2 Lastnosti rezalnih materialov Zahteve glede rezalnih materialov so odvisne od vsakokratne naloge. Pri vsaki nalogi je prisoten bolj ali manj edinstven vzorec obremenitev rezalnega orodja.

Aplikacije, ki so si zelo podobne po ravni in vzorcu obremenitev, običajno razvrščamo v isto področje uporabe. Značilen obremenitveni vzorec za določeno področje uporabe je pogosto mogoče obvladati z več različnimi kombinacijami materiala in geometrije rezalnega orodja.

Uporaba bolj krhkega in proti obrabi obstojnega materiala v kombinaciji z močno geometrijo je tako lahko smiselna alternativa za bolj žilav material in šibkejšo geometrijo orodja. Ker se proizvajalci orodij lotevajo problemov na različne načine, za isto področje uporabe pogosto priporočajo različne rezalne materiale.

8.2.1 Zahteve za rezalne materiale Zaradi velikih razlik v obremenitvah in obremenitvenih vzorcih, ki se pojavljajo v različnih aplikacijah, je pomembno, da lahko izbiramo med različnimi rezalnimi materiali. V skladu s tem je pomembno poiskati optimalno kombinacijo žilavosti (upogibne trdnosti) in obstojnosti proti obrabi (trdota in tlačna trdnost) orodnega materiala za potrebe dane aplikacije. Slika 8.11 prikazuje odvisnosti med obstojnostjo proti obrabi in žilavostjo pri sobni temperaturi za dva različna rezalna materiala. Videz tega diagrama za povišane temperature bi bil precej drugačen.

Do sedaj ni bilo mogoče združiti visoke stopnje obstojnosti proti obrabi z visoko stopnjo žilavosti pri istem orodnem materialu. Trdi orodni materiali imajo tako razmeroma nizko stopnjo žilavosti, žilavi pa precej majhno trdoto. Odstopanja orodnega materiala od potrebne obstojnosti proti obrabi in žilavosti je mogoče delno kompenzirati z ustreznimi prevlekami ali uporabo orodnih materialov z gradientnimi lastnostmi. Visoka stopnja obstojnosti kontaktnih površin rezalnega orodja proti obrabi je tako dosežena posredno. Hkrati se ohrani tudi določena osnovna stopnja žilavosti v ostalih delih rezalnega orodja. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 152

Poleg obstojnosti proti obrabi in žilavosti obstajajo tudi drugi pomembni parametri, ki vplivajo na celotno zmogljivost in izbiro orodnega materiala. Trdota, preoblikovalni odpor, tlačna trdnost in obstojnost proti abrazivni obrabi v veliki meri opisujejo iste osnovne materialne lastnosti.

Slika 8.14 ilustrira odvisnost med trdoto in tlačno trdnostjo za različne vrste karbidnih trdin.

Ugotovimo lahko, da obstaja približno linearna povezava med trdoto in tlačno trdnostjo.

Slika 8.11: Odvisnost med obstojnostjo proti obrabi (tukaj predstavljena s trdoto in relativno krhkostjo Btm, Btm = tlačna trdnost/upogibna trdnost) in žilavostjo (predstavljena z upogibno trdnostjo σRS in lomno žilavostjo KIC) za različne orodne materiale pri sobni temperaturi

Slika 8.12: Primeri različnih zaporedij plasti v prevlekah, ki se nanašajo na rezalna orodja iz karbidne trdine: 1) mikrostruktura WC/Co, 2) Ti(C,N), siv (~ 5–6 μm), 3) Al2O3, črn (~ 5–6 μm), 4) Ti(C, N) (~ 2–3 μm) in 5) TiN, rumen (~ 0,5 μm)

Razlikujemo makro‐ in mikrožilavost rezalnega materiala. Makrožilavost predstavlja maksimalno upogibno trdnost materiala v absolutnem smislu, medtem ko mikrožilavost predstavlja občutljivost na zareze v materialu v povezavi z različnimi vrstami poškodb. V praksi se žilavost pogosto določa z udarnim preizkusom na preizkušancih z zarezo.

Materialna faktorja, ki sta bila predmet obsežnih raziskav, sta tudi hrapavost površine in mikrogeometrijska dimenzijska natančnost rezalnega orodja. Čeprav je na voljo le malo splošno veljavnih ugotovitev v zvezi z omenjenima faktorjema, je bilo v določenih aplikacijah ugotovljeno, da je površinska hrapavost rezalnega orodja pomembna za ohranitev prevleke na aktivnem delu orodja in izpolnjevanje njene funkcije. Dokler je prevleka funkcionalna, ni nujno, da bo najbolje delovalo orodje z najbolj gladko površino. Oblika in dimenzijska natančnost linije roba odločilno vplivata na delovanje rezalnega orodja, kar je tudi eden od glavnih razlogov za izvajanje kontrole kakovosti rezalnih orodij. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 153

Slika 8.13: Primer mikrostrukture rezalnega orodja iz karbidne trdine z gradientno sestavo. Deli, ki so najbližji prevleki (ta je debela približno 20 μm), vsebujejo približno 15 % Co (1300 HV), deli, ki so od površine bolj oddaljeni, pa približno 10 % Co (1480 HV).

V praksi je pogosto težko razlikovati med makro‐ in mikrožilavostjo. Nepoškodovano rezalno orodje brez zarez ima določene začetne lastnosti. Med uporabo orodja nato prihaja do poškodb, ki vodijo do njegovega postopnega slabšanja. Rezalna orodja z višjo stopnjo žilavosti bolje ohranijo svojo zmogljivost v poškodovanem stanju kot manj žilava orodja. Pri tem so pomembne materialne lastnosti, kot so velikost zrn, upogibna trdnost σRS in lomna žilavost KIC. Pri večjih zrnih se zmanjša občutljivost materiala na zareze, kar lahko pojasnimo s prisotnostjo večjih delov materiala, ki se deformira. To v splošnem velja za kompozitne materiale, kot so karbidne trdine, ki imajo konstantno vsebnost veziva. Slika 8.15 kaže, da obstaja jasna povezava med lomno žilavostjo KIC, upogibno trdnostjo σRS in velikostjo zrn. Žilavost se povečuje s povečevanjem upogibne trdnosti in do neke mere z rastjo zrn. To pomeni, da se lomna žilavost KIC zmanjša, ko se povečajo obstojnost proti obrabi, trdota in tlačna trdnost.

Lokalno povečanje žilavosti in povečanje celotne upogibne trdnosti rezalnega orodja lahko dosežemo z gradientnimi lastnostmi oz. s prilagoditvijo sestave rezalnega materiala vzdolž aktivne kontaktne površine orodja. Nastanku razpok, krušenju robov in odpovedi orodja se je mogoče izogniti s povečanjem žilavosti rezalnega orodja tam, kjer je potrebna največja upogibna trdnost.

Pri sodobnih rezalnih orodjih moramo razlikovati med lastnostmi rezalnega orodja kot sistema, sestavljenega iz substrata in prevleke, in lastnostmi samega substrata.

M, P

Slika 8.14: Odvisnost med tlačno trdnostjo in trdoto za različne vrste karbidne trdine iz razredov P, M in K

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 154

groba

srednja fina

Slika 8.15: Odvisnost lomne žilavosti od upogibne trdnosti pri karbidnih trdinah z različnimi velikostmi zrn

Preoblikovalni odpor rezalnega materiala je mogoče določiti na osnovi ravni napetosti, ki vodi do trajne deformacije pri določeni temperaturi. Za vsak rezalni material obstaja povezava med uporom proti plastični deformaciji in ravnjo temperatur. Ko se poviša temperatura, se zmanjša trdnost materiala. Temperatura zmehčišča je točka, v kateri rezalni material izgubi svojo trdnost oz. sposobnost za delovanje.

V Preglednici 8.3 so zbrane različne lastnosti najbolj razširjenih rezalnih materialov.

Preglednica 8.3: Pomembne lastnosti rezalnih materialov

Lastnost

Opis

Trdota

Osnovna zahteva je, da mora biti rezalni material trši od obdelovanega.

Obstojnost proti obrabi

Pogosto sinonim za trdoto in obstojnost proti abrazivni obrabi.

Žilavost

Potrebna je za preprečevanje zlomov in oblikovanja razpok. Enakovredna je upogibni trdnosti materiala in odpornosti proti lomu. Žilavost je zelo pomembna za obstojnost proti adhezijski obrabi.

Preoblikovalni odpor

Delno se prekriva s trdoto, tlačno trdnostjo in odpornostjo proti abrazivni obrabi.

Trdota v vročem

Trajna trdota pri povišanih temperaturah.

Toplotna obstojnost

Lastnost materiala, da dlje ohrani fizikalne lastnosti pri povišanih temperaturah.

Kemijska obstojnost

Odpornost proti kemijskim procesom v danih delovnih pogojih, vključno z oksidacijskimi in difuzijskimi procesi.

Sprijemanje obdelovanega na rezalni material

To lastnost je zelo težko ovrednotiti, vendar je zelo pomembna za nekatere aplikacije, npr. kadar adhezijska obraba ni sprejemljiva.

Izdelovalnost

Ta faktor opisuje, kako lahko je izdelati orodje z določenimi površinami, dimenzijami, lastnostmi in obliko.

Stroški

Stroški orodja v povezavi z njegovo zmogljivostjo in zahtevano ravnjo kakovosti obdelanega izdelka.

Pri krhkih rezalnih materialih z razmeroma visoko stopnjo relativne krhkosti Btm se tlačna trdnost σCS ob povišanju temperature v procesu zmanjša bolj kot upogibna trdnost σRS. Pri določeni temperaturi, ki je višja od temperature zmehčišča, gre relativna krhkost Btm proti vrednosti 1, kjer tlačna in upogibna trdnost orodja zavzameta enako vrednost. To pomeni, da se relativna krhkost rezalnega orodja zmanjšuje z naraščanjem temperature, kot je razvidno tudi na Sliki 8.16. Rezalna orodja so si zelo podobna po vedenju pri visokih toplotnih obremenitvah, ki vodijo do popolne termične odpovedi (Slika 8.16). _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 155

Preglednica 8.4: Lastnosti različnih rezalnih materialov Trdota, HV [kN/mm2]

Temperatura zmehčišča [˚C]

Upogibna trdnost [N/mm2]

Relativna krhkost, Btm

7–9

200–400

1800–2600

1,1–1,4

7,6–10,5

600–700

2000–3100

1,15–1,25

9–10

600–700

650–800

3–4

Stelit

6,7–7,8

700–800

2000–2800

1–1,15

Karbidna trdina

12,5–18

750–950

900–2400

1,5–5

14–16

850–1100

2000–2500

1,8–2,5

Keramika

12–21

1100–1300

500–900

6–12

PCBN

25–67

950–1250

700–1200

2–3

Diamant DDC, PCD

50–75

800

500–1100

6–11

Orodno jeklo Hitrorezno jeklo Karbidno jeklo

Cermet

Slika 8.16: Relativna krhkost Btm kot funkcija temperature za različne trdokovinske kvalitete, namenjene uporabi v razredih P10, P20 in P40

Obstaja kompleksna povezava med toplotno in kemijsko obstojnostjo rezalnega materiala, ki je močno odvisna od vrste materiala. Pri rezalnem orodju iz karbidne trdine kemične reakcije v obliki difuzijskih procesov vodijo do razpada trdega volframovega karbida (WC), pri čemer obdelovani material absorbira atome ogljika. Ta mehanizem obrabe imenujemo difuzijska obraba. Rezalni material lahko reagira tudi s kisikom v zraku (oksidacija) ali z obdelovanim materialom. Pogoste so tudi kemične reakcije med rezalnim in obdelovanim materialom, na primer pri odrezavanju titanovih zlitin. Posebni kemijski pogoji so prisotni tudi pri obdelavi feritnih jekel z rezalnim orodjem pcBN, ki ima izjemno majhno obstojnost zaradi raztapljanja atomov dušika v feritni mikrostrukturi. Obstojnost orodja iz pcBN je precej boljša pri obdelavi jekel s perlitno mikrostrukturo, ki pa je tudi bistveno zahtevnejša.

Interakcije med rezalnim in obdelovanim materialom lahko vodijo do lepljenja obdelovanega materiala na orodje, ta pojav pa je pogosto močno odvisen od temperature. Sprijemanje ali hladno varjenje obdelovanega materiala na orodje povzroča adhezijsko obrabo, krušenje roba na mikroravni in spremembe linije roba. Rezalni material mora zaradi adhezijske obrabe izpolnjevati stroge zahteve glede mikrožilavosti. Stopnja adhezijske obrabe se zmanjša s povečanjem upogibne trdnosti rezalnega materiala σRS. Adhezijska obraba lahko poveča kemično slabšanje zaradi drugih difuzijskih ali kemičnih procesov in prispeva k splošnemu poslabšanju orodja.

8.2.2 Sestava rezalnih materialov Rezalni material mora imeti za dobro delovanje več pomembnih lastnosti. Kot smo že omenili, mora biti absolutno trši od obdelovanega materiala in tradicionalni materiali so glede tega omejeni. Te omejitve je mogoče zmanjšati ali se jim izogniti z uporabo postopkov metalurgije _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 156

prahov oz. z mešanjem, stiskanjem in sintranjem različnih faz z želeno velikostjo, ki zagotavljajo želene lastnosti. S tehnikami metalurgije prahov lahko izdelujemo rezalne materiale vseh vrst.

Razlikujemo tri glavne komponente rezalnih materialov na osnovi prahov:

̶ ̶ ̶

Trde faze, ki zagotavljajo obstojnost materiala proti obrabi.

Vezivo oz. osnova, ki drži trde faze skupaj.

Dodatki, ki olajšajo proizvodni proces oz. vodenje procesa.

Z dodatnimi fazami se denimo lahko doseže izboljšanje toplotne prevodnosti. Za povečanje upogibne trdnosti se dodajajo posebna vlakna, ki jih imenujemo viskerji. Ravnotežje med obstojnostjo proti obrabi in žilavostjo pri izdelavi rezalnih orodij iz karbidne trdine se uravnava predvsem z deležem veziva. S povečanjem deleža veziva in velikosti zrn dobimo bolj žilav rezalni material. Postopki metalurgije prahov omogočajo tudi spajanje trdih delcev in veziva za pripravo materialov, ki so izjemno obstojni proti abrazivni obrabi in imajo sprejemljivo upogibno trdnost.

Preglednica 8.5: Različne vrste trdih ali izločenih faz v najbolj razširjenih rezalnih materialih za obdelavo kovin in njihove lastnosti pri 20 °C (*v odvisnosti od tlaka) Označba

HV

Gostota

Modul el.

Tališče

Vanadijev karbid

Ime

VC

2900

5,4

430

2650

Silicijev karbid

SiC

2500

3,2

400

2700

Volframov karbid

WC

2350

15,7

720

2780

Titanov karbid

TiC

2800

4,9

470

3070

Niobijev karbid

NbC

1800

7,8

580

3610

Tantalov karbid

TaC

1550

14,5

560

3990

Kromov karbid

Cr7C3

1900

6,9

300

1770

Kromov karbid

Cr23C6

1600

7,1

250

1580

Titanov nitrid

TiN

2100

5,4

590

2950

Titanov karbonitrid

TiCN

2200

5,4

500

2990

Aluminijev oksid

Al2O3

1700

3,95

390

2050

Silicijev nitrid

Si3N4

1570

3,2

300

1600

Cirkonijev oksid

ZrO2

1230

5,9

210

2700

Titanov diborid

TiB2

2600

4,52

565

3230

Borov fosfid

BP

2820

2,95

390

2260 pri 5 GPa

Borov silicid

B6Si

2400

2,19

–

1850

Borov suboksid

B 6O

4100

2,62

470

2350 pri 5 GPa

Borov subnitrid

B13N2

4100

2,67

–

2330 pri 5 GPa

Supertrde faze

Borov karbid

B 4C

4500

2,52

470

2450

Borov subfosfid

B12P2

3530

2,60

–

2120

Kubični borov nitrid

cBN

6200

3,45

910

2970*

Wurtzitni borov nitrid

wBN

4900

3,49

930

3550*

C

10.000

3,5

1050

4100*

Diamant

Izpolnitev funkcionalnih zahtev za rezalno orodje in želenih lastnosti zahteva ustrezno izbiro:  surovin in njihovih posebnih lastnosti,  makro‐ in mikrogeometrije orodja,  gradientnih lastnosti orodja,  prevleke orodja.

Rezalni material mora biti oblikovan v geometrijo, ki bo primerna za delovno nalogo. Sintrana orodja, npr. iz karbidnih trdin, ponujajo določene priložnosti in imajo določene omejitve tako na področju ekonomike kot izdelovalnosti. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 157

8.2.3 Karbidna trdina Že zelo zgodaj je bilo znano, da je volframov karbid eden najtrših karbidov. Proizvajalci električnih žarnic na začetku prejšnjega stoletja so imeli dostop do čistega volframa in zato so se v mnogih delih sveta vključili v proizvodnjo volframovega karbida. Ugotovljeno je bilo, da lahko kot vezivo pri sintranju volframovega karbida služi železov prah. Železo je nato kmalu zamenjal kobalt in karbidne trdine so dobile osnovno sestavo, kot jo imajo še danes. Nemška korporacija Krupp je leta 1926 na sejmu v Leipzigu predstavila prva orodja za odrezavanje kovin, narejena iz karbidne trdine. Zmogljivost trdokovinskih rezalnih orodij je bila pozneje izboljšana z razvojem izpopolnjenih proizvodnih postopkov, ki so vodili k večji čistoti materiala, ustreznejšim geometrijam orodja in uporabi raznovrstnih prevlek. Večina karbidnih trdin, ki se danes uporabljajo za odrezavanje kovin, je opremljena s trdimi, krhkimi in kemijsko obstojnimi prevlekami. Karbidne trdine so skupina kompozitnih materialov, izdelanih po postopkih metalurgije prahov, zanje pa so značilne visoka obstojnost proti obrabi, trdota in trdnost. Običajno so izdelane s sintranjem ene ali več vrst trdih delcev in razmeroma žilavega kovinskega veziva.

Trdi delci so predvsem karbidi, uporabljajo pa se tudi karbonitridi. Trde komponente so običajno zelo trde (trdota lahko presega HV 2000), vendar so omejene žilavosti. Najpomembnejša trda faza pri vseh karbidnih trdinah je volframov karbid (WC), pogosto pa vsebujejo še karbide, karbonitride ali nitride titana, niobija, vanadija ali kroma. Kobalt je najbolj razširjeno kovinsko vezivo, v tej vlogi pa se sicer uporabljajo tudi nikelj, železo in njune zlitine. Naloga kovinskih veziv je, da zagotovijo kompozitnemu materialu večjo žilavost in polno konsistenco brez por za želeno kombinacijo trdote, obstojnosti proti obrabi in žilavosti.

Velikost karbidnih delcev v karbidnih trdinah, ki se uporabljajo za rezalna orodja, je 0,5–4 µm.

Delci oblikujejo delno povezan skelet, njegova površina pa je odvisna od vsebnosti veziva. Na lastnosti karbidne trdine vpliva predvsem sestava karbidov, pa tudi velikost karbidnih delcev in vsebnost veziva (Slika 8.17).

Mikrozrna, HV10 = 1825

Fina zrna, HV10 = 1635

Srednja zrna, HV10 = 1455

Slika 8.17: Primeri mikrostrukture karbidnih trdin z različno velikostjo karbidnih zrn Preglednica 8.6: Sestava (volumski deleži) in velikost zrn za različne vrste karbidne trdine po ISO 513 (različna področja uporabe) ISO % TaC+ ρtm % WC % TiC % Co 513 % NbC [µm]

Uporaba

1 P10

70

14

8

8

2–3 Fina obdelava jekla

2 P30

75

7

8

10

2–3 Srednja/groba obdelava jekla

3 P40

75

5

8

12

1–3 Groba obdelava jekla

3 M10

87

2

3

8

1–2 Fina obdelava nerjavnih jekel

4 M40

85

2

3

10

1–3 Groba obdelava nerjavnih jekel

5 K10

91

2

1

6

1–2 Fina obdelava materialov s kratkimi odrezki

6 K40

88

0,5

0,5

11

2–3 Groba obdelava materialov s kratkimi odrezki

Večina karbidnih trdin, ki se danes uporabljajo za odrezavanje kovin, ima funkcionalni gradient žilavosti v bližini površine, ki je navadno dosežen s koncentracijo veziva. Zato je zelo pomembno, _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 158

da razlikujemo med lastnostmi karbidne trdine kot surovine in končnimi lastnostmi orodja.

Opremljanje rezalnega orodja z žilavo zunanjo površino, ki se od same karbidne trdine razlikuje v sestavi, omogoča zmanjšanje pojava zarez.

Karbidne trdine se izdelujejo po postopkih metalurgije prahov. Najprej se stehtajo različne surovine v obliki prahov, kot so WC, Co, (Ti, W)C in (Ta, Nb)C. Za orodni material z želenimi lastnostmi je treba odmeriti izbrane sestavine v ustreznih deležih. Najpomembnejša sestavina karbidnih trdin je volframov karbid (WC). Največ volframa pridobimo iz dveh rud – šelita (CaWO4) in tungstenita ((Fe, Mn)WO4). Največje uporabne zaloge volframovih rud so na Kitajskem, nahajališča pa so tudi v Kanadi, Rusiji in Avstraliji, na Finskem in na Švedskem.

Volfram se pridobiva iz šelita s kemijsko ekstrakcijo v več korakih, katere produkt je netopna volframova kislina H2WO4. Volframova kislina v obliki rumenkasto‐zelenega prahu se nato segreva, pri čemer nastane rumenkast volframov oksid WO3. Po redukciji tega oksida končno nastaneta elementarni volfram v prahu in vodna para. Sledi faza ogljičenja, kjer se volframu doda ogljik s stiskanjem zmesi volframovega in ogljikovega prahu v palice. Z ogrevanjem palic volframa in ogljika na približno 2000 °C se zmes prahov nato pretvori v volframov karbid WC. Glavni koraki izdelave trdokovinskih rezalnih orodij iz pripravljenega prahu so prikazani na Sliki 8.18. V vsakem koraku se izvaja tudi stalna kontrola kakovosti.

Slika 8.18: Koraki postopka izdelave rezalnih orodij iz karbidne trdine (WC, TiC/Co)

Priprava prahu vključuje tri osnovne korake: 1. tehtanje komponent (WC, TiC, TaC, NbC in Co), 2. priprava prahu z drobljenjem in mešanjem, 3. sušenje in nadaljnja obdelava prahu.

Tehtanje komponent določi vrsto karbidne trdine ter sestavo in velikost zrn za mešanje in mletje.

Deaglomeracija, mešanje in drobljenje se pogosto izvajajo v atritorskih mlinih po mokrem postopku. Za pridobivanje prahu z ustreznimi lastnostmi za transport in stiskanje se drobnozrnata surovina granulira z organskim aditivom. Velikost zrn je odvisna od časa mletja – daljši ko je čas mletja, drobnejša so zrna. Med mletjem se dodaja etanol, ki se pozneje odstrani v procesu sušenja. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 159

Po sušenju mešanice prahov sledijo naslednji koraki (4–8) izdelave rezalnega orodja: 4. stiskanje mešanice prahov, 5. sintranje, 6. oblikovanje orodja z brušenjem, 7. obdelava rezalnih robov, 8. nanos prevlek.

Prah karbidne trdine se stisne v matrici orodja z dvema batoma in nastane zelenec (Slika 8.18).

Postopek je zasnovan tako, da je oblika zelenca čim bolj podobna obliki končnega izdelka. V matrici se ustvari osnovna oblika cepilne ploskve in opornih površin rezalnega orodja.

Velika rezalna orodja se izdelujejo tudi po postopku vročega izostatskega stiskanja. Za izdelavo velikih rezalnih orodij s posebej zahtevnimi rezalnimi geometrijami lahko uporabimo postopek polnjenja kalupa z vbrizgalnim ulivanjem (Metal Injection Molding). Mešanici prahov se doda precejšnja količina maziva, običajno v obliki umetne mase, ki se pozneje odstrani. Polž nato potisne mešanico prahov v kalup orodja (Slika 8.19).

Slika 8.19: Enoosno stiskanje prahu WC/Co pri izdelavi rezalnega orodja

Slika 8.20: Vbrizgalno ulivanje mešanice prahov (postopek MIM)

Trdokovinski predmet ima takoj po stiskanju majhno trdnost in je zelo porozen. Sintranje je način toplotne obdelave v vakuumu ali v zaščitni atmosferi, ki poteka v več fazah od sobne temperature do približno 1400 °C in odpravi pore v karbidni trdini. Zelenec se med sintranjem skrči na približno 45 % prvotne prostornine, kar ustreza približno 17‐odstotnemu linearnemu skrčku. Pri sintranju s tekočo fazo se poveča gostota izdelka. Kovinsko vezivo se raztali in omoči karbidna zrna, nato pa sledi zgoščevanje pod vplivom kapilarnih sil. Ko je proces sintranja končan, ima rezalni material vse želene osnovne lastnosti.

Trdokovinski izdelki se nato po potrebi še obdelajo do končne oblike. Različni deli rezalnega orodja pridobijo z brušenjem in lepanjem končno obliko in želeno kakovost površine vseh nosilnih ploskev, ravnih ploskev in posnetij. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 160

Nato sledi priprava rezalnega roba, s katero se linija roba prilagodi za dani namen uporabe in zaokroži. Z različnimi tehnikami priprave nastanejo različni profili linije roba. Vrednost radija roba je navadno med 10 in 80 µm. Priprava robov lahko vključuje tudi abrazivne postopke, kot so ščetkanje, peskanje in zglajevanje v bobnu. Radij roba se z nanosom prevleke poveča še za debelino prevleke.

Slika 8.21: Prilagoditev profila linije roba idealnemu radiju

Materialne lastnosti karbidnih trdin je mogoče prilagoditi potrebam dane naloge z izbiro ustrezne kombinacije sestave materiala in velikosti zrn (Preglednica 2.1). S povečevanjem vsebnosti kovinskega veziva (Co/Ni) narašča žilavost karbidne trdine. Trdoto in obstojnost proti abrazivni obrabi je mogoče izboljšati s povečanjem deleža trdih delcev, kot je prikazano na Sliki 8.22. S povečanjem velikosti zrn se zmanjša makrotrdota karbidne trdine, obenem pa se poveča njena žilavost (Slika 8.23). Povečanje vsebnosti kubičnega karbida (TiC) povzroči povečanje trdote in obstojnosti proti obrabi. Stopnja tega učinka se zmanjša s porastom temperature v procesu, (Slika 8.24).

Preglednica 8.7 navaja lastnosti nekaterih karbidnih trdin, ki so namenjene različnim področjem uporabe. Na njihove lastnosti ne vplivata le sestava in velikost zrn, ampak tudi izdelovalni postopki.

Karbidne trdine že dolgo razvrščamo v razrede P, M in K po področjih uporabe. Rezalna orodja v razredu P imajo tako lastnosti, ki so zaželene za obdelavo materialov z dolgimi odrezki, orodja iz razreda K pa za visokodinamično odrezavanje materialov s kratkimi odrezki. Razred M je vmesni razred, ki je posebej prilagojen za odrezavanje nerjavnih jekel. Oznaka izdelka vključuje še indeks in rezalni rob P10 je tako na primer trši in bolj krhek kot rezalni rob P40. Delitev karbidnih trdin v šest razredov (Preglednica 2.1) ni ustrezna in zavaja, saj se mnogo oslojenih rezalnih orodij odlično obnese v vsaj dveh razredih.

Slika 8.22: Trdota (HV) karbidnih trdin v odvisnosti od vsebnosti trdih komponent (levo) in od zmnožka vsebnosti trdih komponent v % in povprečne velikosti zrn t (desno)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 161

Slika 8.23: Lomna žilavost KIC karbidnih trdin v odvisnosti od vsebnosti veziva (% Co, levo) in od zmnožka % Co in povprečne velikosti zrn t (desno) Preglednica 8.7: Značilne mehanske in toplotne lastnosti karbidnih trdin za različne aplikacije (ISO 513): trdota HV [kgf/mm]2, upogibna trdnost σRS [N/mm2], tlačna trdnost σCS [N/mm2], relativna krhkost Btm, lomna žilavost KIC [MN/m3/2], koeficient temperaturnega raztezka αet, modul elastičnosti E, Poissonovo število υt, toplotna prevodnost kt [W/mK], specifična toplota Cp [J/kgK], gostota ρt [kg/m3], toplotna difuzivnost αt [m2/s], napetost zaradi temperaturnega gradienta z0 [N/mm2K] in največja dovoljena temperaturna razlika po prerezu z [K] ISO 513

Mehanske lastnosti

HV

σRS

σCS

Btm

Toplotne lastnosti

KIC Et∙103 αet∙10‐6

1 P10 1590 1550 4800 3,10 7,3

510

7,7

υt

kt Cp ρt∙103 αt∙10‐6 z0

0,22 35 130 10,8

25

z

5,0 310

2 P30 1500 1950 4750 2,45 8,5

530

6,2

0,23 50 165 12,5

24

4,3 460

3 P40 1400 2200 4680 2,15

11

530

6,2

0,23 55 270 13,1

16

4,3 515

4 M10 1550 2020 5100 2,55

9

580

5,5

0,23 75 200 13,6

32

4,1 490

5 M40 1410 2375 4735 2,00

12

560

4,1

0,23 80 185 13,7

29

3,0 795

6 K10 1690 1940 5555 2,90 8,5

610

5,2

0,22 85 205 14,5

29

4,1 480

7 K40 1365 2570 4685 1,80 10,6 565

4,3

0,25 90 210 14,3

30

3,2 790

3500

HV

SiC TiC WC NbC TaC

3000 2500 2000 1500 1000 500 0

0

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

T [°C]

Slika 8.24: Trdota v vročem (HV) različnih sestavin karbidnih trdin; prilagojeno po Borisenku29

8.2.4 Kermet Kermet je vrsta karbidne trdine z nikljem kot vezivom in trdima sestavinama TiC in TiN. Kermeti so na splošno bolj krhki kot ostale karbidne trdine in se uporabljajo predvsem za doseganje boljših površin pri finih obdelavah.

Proizvodnja kermetov je zelo podobna proizvodnji običajnih karbidnih trdin na osnovi WC. Razlika je predvsem v kompleksnejši mikrostrukturi, ki otežuje izdelavo.

29

V. A. Borisenko (1984), Hardness and strength of refractory materials at high temperatures, Naukova Dumka, Kijev, str. 212 (v ruščini).

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 162

Čeprav je glavna komponenta kermetov Ti(C, N), lahko vsebujejo tudi druge tvorce karbidov, kot so W, Ta, Nb in Mo. Vezivo je Ni in/ali Co. Kot je razvidno na Sliki 8.24, so karbidi na osnovi Ti (TiC) trši od volframovega karbida, kermeti pa so zato bolj krhki kot karbidne trdine na osnovi WC. Slaba topnost titana v železu pripomore k večji obstojnosti kermetov proti obrabi kot pri rezalnih materialih na osnovi WC in h kakovosti obdelanih površin.

8.2.5 Keramike Keramike so zelo trde in odlično prenašajo visoke temperature, njihova slabost pa je krhkost.

Najbolj razširjena keramična rezalna materiala sta Al2O3 in Si3N4 (silicijev nitrid). Šele v zadnjih letih so bili odkriti načini za učinkovito odpravo krhkosti keramike z ojačitvenimi vlakni (Slika 8.25).

Slika 8.25: Primer keramičnega rezalnega materiala, ojačanega z viskerji, Al2O3/SiCw

Obstajata dve različni skupini keramik za odrezavanje kovin: oksidne in nitridne. Oksidna keramika, ki je sestavljena predvsem iz aluminijevega oksida Al2O3, je precej krhka. Pri sintranju uporabljamo drobnozrnati Al2O3, ki vsebuje tudi manjšo količino (< 0,5 %) MgO. Magnezijev oksid zavira rast zrn in daje materialu bolj žilavo mikrostrukturo. Za dodatno povečanje žilavosti se običajno dodaja ZrO2. Razpoke namreč nehajo rasti, ko se približajo zrnu ZrO2.

Obstaja tudi vrsta oksidne keramike, ki jo imenujemo mešana keramika, kjer je Al2O3 kombiniran z 20–30 volumskimi odstotki ene ali več trdih komponent z večjo toplotno prevodnostjo, npr. TiN ali TiC. Večja toplotna prevodnost pomaga preprečiti razvoj temperaturnih napetostnih gradientov in material je zato bolj žilav.

Ojačitev krhke mikrostrukture Al2O3 z viskerji oz. monokristalnimi vlakni SiC izrazito poveča žilavost in odpornost materiala na toplotne šoke, orodje pa je zato bolj konkurenčno pri obdelavi visokotemperaturnih superzlitin.

Glavna sestavina nitridne keramike je Si3N4. Ta rezalni material je po sintranju precej bolj žilav od oksidne keramike. S sintranjem prahu Si3N4 namreč dobimo mikrostrukturo z zrni igličaste oblike, ki prispevajo k žilavosti materiala. Dodatek Al2O3 in Y2O3 k Si3N4 omogoča sintranje materiala brez tlaka in s tem očitno prednost pri proizvodnji. Ta material je dobil ime Sialon (SiAlON) po elementih, ki jih vsebuje.

Izdelava keramičnih orodij poteka po enakem postopku kot izdelava trdokovinskih orodij – keramični prah se najprej stisne v kalupu in nato homogenizira in zlije s sintranjem. Sintranje oksidne keramike brez tlaka je možno pri temperaturah nad 1700 °C. Nasprotno zahteva sintranje nitridne keramike pri temperaturah nad 1700 °C tlak vsaj 150 MPa. Keramična rezalna orodja lahko opremimo s funkcionalnimi prevlekami, kot je TiN, ki imajo podobne učinke kot prevleke na rezalnem orodju iz karbidne trdine.

Za keramične rezalne materiale je značilna krhkost, ki lahko povzroča precejšnje težave pri obdelovalnih operacijah, za katere so značilni sprijemanje, prekinitve ali nestabilni pogoji.

Oksidna keramika ima visoko stopnjo obstojnosti proti obrabi in kemijske obstojnosti, vendar pa je Al2O3 zelo občutljiv na temperaturne spremembe (toplotne šoke) in lahko vzdrži le _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 163

temperaturne razlike, manjše od 100 °C. Lastnosti keramike lahko prilagajamo z opisanimi modifikacijami, predvsem za izboljšanje žilavosti. Nitridna keramika je bolj žilava od oksidne kljub slabšim mehanskim in kemijskim lastnostim. Preglednica 8.8 prikazuje značilne lastnosti keramičnih rezalnih materialov. Čeprav je danes le razmeroma majhen delež rezalnega orodja iz keramike, pa obstajajo določene obdelave in materiali, za katere je keramično rezalno orodje idealna izbira. Čista oksidna keramika je npr. lahko primerna za fino obdelavo železove litine, mešano keramiko pa lahko uporabimo za določene obdelave kaljenega jekla, sive litine in raznih toplotno obstojnih superzlitin. Sialon je primeren za stabilne obdelave toplotno obstojnih superzlitin. Keramika Al2O3, ojačena z viskerji iz silicijevega karbida, je primerna za obdelavo nikljevih zlitin, kot je Alloy 718. Z materialom Si3Ni4 se zaradi razmeroma visoke žilavosti obdeluje predvsem železova litina.

Preglednica 8.8: Mehanske in toplotne lastnosti nekaterih keramičnih rezalnih materialov: trdota HV [kgf/mm]2, upogibna trdnost σRS [N/mm2], tlačna trdnost σCS [N/mm2], relativna krhkost Btm, lomna žilavost KIC [MN/m3/2], koeficient temperaturnega raztezka αet, modul elastičnosti E, Poissonovo število υt, toplotna prevodnost kt [W/mK], specifična toplota Cp [J/kgK], gostota ρt [kg/m3], toplotna difuzivnost αt [m2/s], napetost zaradi temperaturnega gradienta z0 [N/mm2K] in največja dovoljena temperaturna razlika po prerezu z [K] Mehanske lastnosti Vrsta

HV σRS σCS

Toplotne lastnosti

Btm KIC Et∙103 αet∙10‐6 υt

kt Cp ρt∙103 αt∙10‐6 z0

z

1 Al2O3 (+ZrO2)

1500 450 2900 6,4 5–7 370

7–8

0,22 23 690

4,0

8,3

3,9 125

2 Al2O3

1650 300 3000

4–5 380

8–9

0,22 30 760

3,9

10

4,1 70

3 Al2O3 (+ SiCw)

1800 800 3000 3,75 7–9 380

6–7

0,22 35 780

3,7

12

3,2 250

3–4 400

5

0,22 24 690

4,3

8,1

2,6 285

6,5

3

0,27 25 830

3,2

9,4

1,2 690

3,5

0,25 21 670

3,3

9,5

1,4 445

4 Al2O3 (+ TiC/TiN) 1975 750 3750

10 5

5 Si3N4

1570 850 2800 3,3

300

6 Sialon

1750 600 4000 6,7 4–6 290

8.2.6 pcBN, cBN in wBN Kubični borov nitrid (cBN) je izjemno trd umeten material, ki v naravi ni prisoten v nobeni obliki.

Ker je izjemno trd (trši je le diamant), ohrani svojo trdoto pri povišanih temperaturah in ne reagira z železom, je cBN idealen material za obdelavo trdih in abrazivnih materialov na osnovi železa.

Druga supertrda faza BN je borov nitrid z wurtzitno kristalno strukturo (wBN), ki ima manjšo trdoto in večjo žilavost, zaradi česar je primeren za obdelave s prekinitvami.

Polikristalni kubični borov nitrid (pcBN) je sestavljen iz zrn cBN, ki so s keramičnim ali kovinskim vezivom povezana v homogen material pri ultravisokem tlaku in visoki temperaturi (Slika 8.27).

Vezivo deluje kot lepilo, ki drži skupaj trda zrna. Slika 8.26 prikazuje diagram temperatur in tlakov pri proizvodnji materiala pcBN. Materiale pcBN po vrsti in količini veziva delimo na materiale z majhno vsebnostjo cBN (LcBN) s keramičnim vezivom, materiale z visoko vsebnostjo cBN (HcBN) s keramičnim ali kovinskim vezivom in materiale brez veziva (bcBN), vsi pa imajo svoja področja uporabe. cBN brez veziva (bcBN) lahko opišemo kot nekompoziten material, pri katerem se vezi med zrni cBN formirajo z difuzijo in ne z dodatkom posebnih veziv.

Material pcBN zagotavlja najbolj ekstremno kombinacijo več pomembnih lastnosti: trdote za obstojnost proti plastičnim deformacijam in abraziji, zmerne do dokaj visoke trdnosti in žilavosti za upiranje lomu in srednje do zelo visoke toplotne prevodnosti za učinkovito odvajanje toplote.

Posebne kvalitete pcBN so formulirane za visoko odpornost proti reakcijam z materiali na osnovi železa za omejevanje kemične obrabe.

Glavna področja uporabe rezalnega orodja iz pcBN so groba in fina obdelava jekel s trdoto nad 45 HRC, sive litine in kaljenega jekla, fino struženje komponent, izdelanih s postopki metalurgije _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 164

prahov, in struženje superzlitin. Materiali z majhno vsebnostjo cBN (LcBN) so prva izbira za fino obdelavo brez prekinitev, saj vezivo običajno zavira mehanizme kemične obrabe. Skupine materialov z visoko vsebnostjo cBN (HcBN), brez veziva (bcBN) in cBN‐wBN zagotavljajo razmeroma visoko lomno žilavost rezalnega orodja in so namenjene predvsem težkim obdelavam in obdelavam s prekinitvami.

Slika 8.26: Tlaki [GPa] in temperature [°C] pri proizvodnji cBN in pcBN; ISM Kijev30

Na področju mikroobdelave materialov na osnovi železa se vse bolj uveljavljajo nanokristalni (ncBN) in monokristalni materiali cBN (SCcBN). V splošnem je potencialno področje uporabe rezalnega orodja iz pcBN vsak abraziven ali trd material na osnovi železa.

Slika 8.27: Orodni material z majhno vsebnostjo cBN in približno 50 % veziva (TiC, TiB2, AlN, AlB12 in TiB) (levo), material z visoko vsebnostjo cBN in 10–12 % veziva (sredina levo), bcBN s povprečno velikostjo zrn 4 µm (sredina desno) in cBN/wBN z nanozrni (desno) Preglednica 8.9: Mehanske in toplotne lastnosti nekaterih materialov cBN in pcBN: trdota HV [kgf/mm]2, upogibna trdnost σRS [N/mm2], tlačna trdnost σCS [N/mm2], relativna krhkost Btm, lomna žilavost KIC [MN/m3/2], koeficient temperaturnega raztezka αet, modul elastičnosti E, Poissonovo število υt, toplotna prevodnost kt [W/mK], specifična toplota Cp [J/kgK], gostota ρt [kg/m3], toplotna difuzivnost αt [m2/s], napetost zaradi temperaturnega gradienta z0 [N/mm2K] in največja dovoljena temperaturna razlika po prerezu z [K] Mehanske lastnosti Vrsta

HV

σRS

6200

‐

σCS Btm ‐

‐

Toplotne lastnosti

Cp ρt∙103 αt∙10‐6 z0

KIC

Et∙103

3

900

1,15

0,11 400–800 645

3,2

290

1,2

8

αet∙10‐6 υt

kt

z

1

SCcBN

2

bcBN

4000–6500 1100 2300 2,1

800–900

2,15

0,12 180–680 680

3,3

180

2,1 530

3

HcBN

3000–4000 1500 2900 1,9 6–13 600–800

4,7

0,16 100–140 630

3,5

54

3,9 385

4

LcBN

2500–3000 800 3000 3,7 5–8 500–650

5,6

0,17

20–50

800 4,25

10

3,9 205

0,17

40–60

3,3 360

5 cBN+wBN 3500–4000 1200 2300 1,9

9

700–800

3,7

6

6

860–880

‐

ncBN

6000–6700

‐

‐

‐

0,19 180–240

‐

3,4

‐

‐

3,3

‐

‐

‐

‐

SCcBN = monokristalni cBN, bcBN = brez veziva, HcBN = visoka vsebnost cBN (70–95 % cBN), LcBN = majhna vsebnost cBN (45–65 % cBN), wBN = BN z wurtzitno rešetko, ncBN = nano cBN 30

Podatki inštituta za supertrde materiale v Kijevu, Ukrajina.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 165

8.2.7 PKD Diamant je najtrši in proti obrabi najbolj odporen material na svetu. Diamantni rezalni materiali so polikristalnega (DCC, Diamond Containing Composites) ali monokristalnega značaja. Različne kvalitete diamantnih materialov se proizvajajo bodisi s kemičnim nanosom iz parne faze (CVD) bodisi s sintezo pri ultravisokih tlakih in temperaturah. Polikristalni diamant, sintetiziran pri ultravisokih temperaturah in tlakih, je danes najbolj razširjen diamantni rezalni material, poznamo pa ga pod kratico PKD. Sestavljajo ga diamantni delci velikostnega reda 1–30 m, sintrani v prisotnosti kobalta kot katalizatorja. Kobalt omogoča elektroerozijsko obdelavo PKD in do določene mere izboljša žilavost za robustnejše surovce in lažjo izdelavo orodja.

Slika 8.28: Primeri diamantnih kompozitov DCC z različnimi vezivi: WC (levo), SiC (sredina) in razkrojeno fazo MAX (Ti3SiC2, desno)

Materiali za rezalna orodja, ki so med uporabo izpostavljena ekstremnim tlakom in temperaturam, morajo imeti lastnosti, ki jim omogočajo upiranje plastični deformaciji, lomu ter mehanizmom abrazivne in kemične obrabe, rezalni rob pa mora dolgo ostati oster. Kar zadeva trdoto kot osnovno lastnost, ki jo mora zagotavljati vsak orodni material, je diamant brez konkurence. Rezalni materiali morajo imeti tudi ustrezno stopnjo žilavosti, toplotne stabilnosti in odpornosti proti toplotnim šokom. Monokristalne oblike diamanta imajo največjo toplotno prevodnost med vsemi znanimi materiali, večino ostalih rezalnih materialov pa presegajo tudi po pravkar omenjenih kriterijih. Kvalitete PKD z drobnejšimi zrni so bolj trdne kot kvalitete z bolj grobimi zrni, na splošno pa so manj odporne proti abraziji.

Glavno področje uporabe PKD je obdelava neželeznih kovin, zlitin in kompozitov ter ojačenih umetnih mas. Največje ožje področje uporabe je obdelava zlitin aluminija in silicija v avtomobilski industriji. Kljub temu da so materiali PKD omejeni z najvišjo delovno temperaturo 730 °C, se uspešno uporabljajo tudi pri obdelavi železovih litin, med drugim za frezanje bimetalnih blokov motorjev z valjevimi pušami iz sive litine ali litine z vermikularnim grafitom. PKD pridobiva na priljubljenosti pri rezkanju in struženju titanovih zlitin ter pri preciznih obdelavah sive in visokotrdne železove litine. Aplikacije, kjer je mogoče izkoristiti izjemno trdoto in vrhunsko kakovost PKD, vključujejo tudi obdelavo keramike in volframovega karbida, tako v zelenem kot v sintranem stanju.

Preglednica 8.10: Mehanske in toplotne lastnosti diamantnih rezalnih materialov: trdota HV [kgf/mm]2, upogibna trdnost σRS [N/mm2], tlačna trdnost σCS [N/mm2], relativna krhkost Btm, lomna žilavost KIC [MN/m3/2], koeficient temperaturnega raztezka αet, modul elastičnosti E, Poissonovo število υt, toplotna prevodnost kt [W/mK], specifična toplota Cp [J/kgK], gostota ρt [kg/m3], toplotna difuzivnost αt [m2/s], napetost zaradi temperaturnega gradienta z0 [N/mm2K] in največja dovoljena temperaturna razlika po prerezu z [K] Mehanske lastnosti HV MCD

10.000

σRS

σCS

Btm

KIC

Toplotne lastnosti Et∙103

2400 6000–12.000 3,7 3,5–4,5 1000–1150

PKD 5000–6000 1000 5000–7600 6,3 9,5–12 D+SiC 5000–5500 1100 2500–4200 3,0 7–10

αet∙10‐6 υt

kt

Cp ρt∙103 αt∙10‐6 z0

1,05

0,07 900–2300 509 3,5

800–850

1,0

0,10 450–750

900–1000

1,0

‐

120–300

840

z

1,2 2000

‐

3,5

‐

‐

‐

‐

3,3

‐

‐

‐

MCD = monokristalni diamant, PCD = polikristalni diamant, D + SiC = kompozit diamant/SiC

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 166

8.2.8 Prevleke Prevleke za povečanje odpornosti rezalnih robov proti obrabi so narejene iz keramike, uporabljajo pa se tudi diamant in diamantu podobne snovi. Keramične prevleke so iz oksidov, nitridov in karbidov. Za keramične prevleke je značilna stabilnost pri povišanih temperaturah, kemična inertnost, izjemna trdota in krhkost. Z nanosom tanke prevleke na karbidno trdino lahko izkoristimo vse ugodne lastnosti keramike in se izognemo težavam, povezanim z njihovo krhkostjo.

Debelina prevlek je 1–20 µm, odvisno od namena. Tanke prevleke (1–5 µm) nanašamo s tehniko fizikalnega nanašanja iz parne faze PVD, za debelejše (4–20 µm) pa se uporablja tehnika kemičnega nanašanja iz parne faze CVD (Slika 8.30).

Tehnika PVD ponuja več možnosti za prilagajanje sestave prevlek. Na voljo je mnogo kombinacij različnih materialov, vendar so najbolj razširjene prevleke na osnovi Ti, Al, Cr, Si, N, O in C. Pri tehniki CVD je izbor materialov bolj omejen, nanašajo pa se predvsem prevleke na osnovi Ti(C, N), TiN in Al2O3. Lastnosti prevlek CVD so se od prvih prevlek nenehno izboljševale in izpopolnjevale. Stanje tehnike na področju prevlek CVD, ki jih podjetje Seco trži pod imenom Duratomic, dokazuje, da je mogoče izboljšati njihovo zmogljivost z obvladovanjem parametrov, kot so napetostno stanje, fazna sestava in orientacija kristalitov v prevleki, kar še posebej velja za prevleke Al2O3. Slika 8.29 prikazuje zgornjo površino plasti aluminijevega oksida Duratomic. Vsi kristaliti Al2O3 so usmerjeni vzporedno z zgornjo površino po zaslugi nadzorovane smeri rasti prevleke.

3 m Slika 8.29: Zgornja površina prevleke Al2O3 z nadzorovano smerjo rasti kristalitov (Duratomic Coating Technology)

Prevleke so pogosto sestavljene iz več slojev. Značilna prevleka CVD ima spodnji sloj Ti(C, N), ki je prekrit s slojem Al2O3. Visoka stopnja obstojnosti proti obrabi Ti(C, N) je na ta način kombinirana z visokotemperaturnimi lastnostmi Al2O3. Prevleke se lahko med seboj močno razlikujejo po sestavi in po lastnostih, ki jih zagotavljajo različne kristalne strukture.

Slika 8.30: Prerez prevleke CVD debeline 1,5 µm (levo) in prevleke CVD debeline 15 µm (desno)

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 167

Za nanos prevleke na orodje vodimo kovinski plin v stik s površino orodja, kjer reagira z orodnim materialom in drugimi plini. Na voljo sta dva različna postopka: PVD in CVD. Pri tehniki CVD pride kovina v obliki kloridov v stik s površino orodja, ki kloride absorbira. Temu sledi reakcija kovine z dušikom in ogljikom in oblikuje se sloj prevleke. Vse to se dogaja pri temperaturah 800–1000 °C. Tehnika PVD vključuje uparjanje kovinskega materiala tarče in prenos na orodje v obliki plazme.

V nasprotju s postopkom CVD, kjer prevleka prekrije vse dele orodja, ki jih doseže plin, je fizikalni nanos iz parne faze bolj usmerjen: prevleka prekrije samo tiste dele orodja, ki so neposredno izpostavljeni kovinskim param.

Ena od glavnih razlik med prevlekami PVD in CVD je v stanju preostalih napetosti v prevleki.

Prevleka CVD se nanese na površino v stanju brez napetosti pri temperaturi okrog 1000 °C. Ko se oslojeno orodje nato ohlaja, se v prevleki razvijejo natezne napetosti, ker je koeficient temperaturnega raztezka prevleke večji od koeficienta temperaturnega raztezka substrata. V procesu PVD pa uparjeni kovinski ioni pospešujejo proti rezalnemu orodju in z veliko energijo bombardirajo površino orodja. Ko se ioni vdelajo v površino, se v njej oblikujejo tlačne napetosti.

To je tudi glavni razlog za uporabo postopka PVD takrat, ko morajo biti prevleke tanke. Rezalni rob dobi s prevleko visoko stopnjo žilavosti. Postopek CVD se uporablja za izdelavo debelejših prevlek, ki zagotavljajo visoko obstojnost proti abrazivni obrabi.

Oslojena rezalna orodja uporabljamo pri praktično vseh vrstah obdelav. Vrsta prevleke na orodju iz karbidne trdine je odvisna od aplikacije. Sledijo trije primeri izbire prevlek pri določenem naboru pogojev: 1. Za struženje v skupini P z visoko stopnjo toplotne stabilnosti, kjer ni potrebe po visoki žilavosti, se lahko uporabi običajna prevleka CVD (debeline približno 20 µm).

2. Za fino obdelavo nerjavnega jekla v področju uporabe M je primerna prevleka PVD, saj sta ostrina in visoka stopnja žilavosti bistveno pomembnejši od visoke obstojnosti rezalnega roba proti obrabi.

3. Rezalna orodja iz karbidne trdine imajo pogosto prevleke PVD. Poleg tega, da morajo biti rezalni robovi za tanke odrezke zelo ostri, so lahko prisotne tudi stroge zahteve v zvezi s tolerancami mer orodja. Pri prevlekah PVD imamo možnost, da dele rezalnega orodja ustrezno zaščitimo pred neželenim nanosom prevleke, medtem ko se lahko pri postopku CVD zgodi, da mere pritrdilnih ploskev izpadejo iz tolerančnega polja, ko se nanje naloži prevleka.

8.3 Kriteriji obstojnosti in obrabe orodja Kriterijev obrabe ne smemo enačiti s kriteriji obstojnosti orodja. Slednji opredeljujejo točko, ko rezalno orodje preneha opravljati svojo nalogo po naših željah, s kriterijem obrabe pa določimo točko, v kateri se z menjavo rezalnega orodja izognemo tveganju, da bi orodje prenehalo delovati.

Kriterij obrabe torej vsebuje še določeno rezervo do izteka obstojnosti orodja.

Izbira kriterija obrabe je odvisna predvsem od zahtev dane naloge, ki jih mora izpolnjevati rezalno orodje. Pri izbiri vedno računamo z določeno verjetnostjo, da bo izdelek, ki je bil obdelan z rezalnim orodjem, sprejemljive kakovosti.

Ena skupina dejavnikov, ki vplivajo na izbiro kriterija, vključuje zahteve glede kakovosti površine, tolerance in posebne lastnosti obdelovanca. Pri robustnih procesih kriterij obrabe ustreza najdaljšemu dovoljenemu času rezanja, po katerem je treba orodje zamenjati. V praksi se lahko ne glede na izbran kriterij odločimo za menjavo rezalnega orodja, še preden je ta kriterij izpolnjen. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 168

Kriterij obrabe je merilo za razsežnost sprememb geometrije rezalnega orodja, ki jih še lahko toleriramo. Kot tak bo strožji za fino kot za grobo obdelavo: pri slednji lahko običajno toleriramo lokalne poškodbe na rezalnem robu, tudi če povzročajo določene napake na obdelani površini.

Nasprotno lahko poškodbe rezalnega roba pri fini obdelavi privedejo do tega, da topografija obdelane površine več ne izpolnjuje zahtev. Kriteriji obrabe za grobo obdelavo so tesno povezani s kriteriji obstojnosti orodja, torej s točko, v kateri orodje zaradi sprememb geometrij ne opravlja več svojih nalog. Orodje v tej točki običajno odpove po predhodni plastični deformaciji in obrabi.

Spontana odpoved orodja po enakomerni obrabi proste ploskve, tudi napredujoči, ni običajna.

Enakomerno obrabljanje proste ploskve namreč povečuje obremenljivost rezalnega orodja, obenem pa zmanjšuje glavne napetosti v orodju. Lokalizirana in kotanjasta obraba lahko nasprotno privedeta do nenadne odpovedi orodja.

Kot kriterij obrabe za grobe in fine obdelave pogosto uporabljamo velikost površine stika med obdelovancem in prosto ploskvijo. Ta je posredno merilo za porabo energije in temperaturne razmere na prosti ploskvi. Kontaktna površina lahko zavzame razne oblike. V preteklosti, ko se je razvoj orodnih prevlek šele začenjal, je bil glavni kriterij obrabe stopnja obrabe proste ploskve VB. Kadar prihaja do lokalnih odstopanj v obrabi na prosti ploskvi, je namesto tega mogoče uporabiti povprečno obrabo proste ploskve vzdolž linije roba. Pojav lokalizirane zarezne obrabe lahko povzroči bistveno več škode kot enakomerna obraba, in v tem primeru je mogoče določiti dovoljeno stopnjo zarezne obrabe, pri kateri ni tveganja prekinitev obdelave ali zavrnitve izdelkov. Če se pojavijo zarezne poškodbe tako na glavnem kot na stranskem rezalnem robu, je treba zaradi tveganja odpovedi orodja uporabiti strožji kriterij. Problem postane še večji, če zarezno obrabo spremlja kotanjasta obraba, ki zmanjšuje obremenljivost orodja. Rezalna orodja z majhnim kotom konice so še posebej nagnjena k tovrstnim geometrijskim spremembam.

Obremenitvenim razmeram, ki nastanejo zaradi zmanjšanja globine rezanja po pojavu zarezne obrabe na glavnem rezalnem robu, se je treba izogibati. Takšne obremenitve namreč privedejo do najvišje ravni napetosti prav v sredini območja, poškodovanega z zarezo, kjer tako nastane največji zarezni učinek. Če namesto tega povečamo globino rezanja, dosežemo nasproten učinek in zmanjšamo tveganje spontane odpovedi orodja.

Poškodbeni vzorec na prosti ploskvi rezalnega orodja lahko opišemo z ekvivalentno obrabo proste ploskve VBe, ki ustreza tamkajšnji ravni rezalnih sil.

Pri rezalnih orodjih z naprednimi prevlekami se pogosto razvije sestavljeno poslabšanje oz. kombinacija plastične deformacije in lokalne obrabe. V tem primeru se kot posredni kriterij obrabe pogosto uporablja celoten čas rezanja orodja, saj je ta čas mogoče povezati s stopnjo kombiniranega poslabšanja.

Možni posredni kriterij obrabe pri finih obdelavah je absolutna raven rezalnih sil. Pri določeni ravni rezalnih sil lahko deformacije obdelovanca in orodnega sistema privedejo do tega, da dimenzije celotnega sistema uidejo iz dovoljenega tolerančnega območja in kriterij obrabe tedaj ni več usklajen s funkcijo rezanja. Pri določeni velikosti površine stika med obdelovancem in rezalnim orodjem morda ni več mogoče izpolniti zahtev o površinskih tolerancah. Kakovost obdelane površine tedaj ni primerna zaradi vibracij ali ker za stranskim rezalnim robom ostajajo neenakomerne sledi.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 169

Slika 8.31: Primer izračunane koncentracije napetosti pri lokalizirani obrabi (zarezni obrabi) proste ploskve VB

Izbiro posebnega kriterija obrabe lahko pogojuje tudi potreba po obvladovanju temperatur in omejevanju porabe energije na prosti ploskvi orodja. Tak primer je obdelava kaljenega jekla. Pri določeni stopnji vnosa energije lahko namreč nastopijo nezaželene premene materiala na površini obdelovanca in s tem nastanek bele plasti. Obraba na prosti ploskvi VBmax mora biti zato omejena na 0,2–0,3 mm, lahko pa dopustimo nekoliko večjo, če ustrezno zmanjšamo rezalno hitrost vc. V grobem velja, da obstaja linearna odvisnost med rezalno hitrostjo in ravnjo temperature ter kvadratična odvisnost med ravnjo temperature in stopnjo obrabe na prosti ploskvi.

8.4 Slabšanje orodja v povezavi z obrabo Postopno izgubljanje materiala zaradi obrabe je mogoče pripisati naslednjim fizikalnim dejavnikom: a) Abrazivna obraba: do nje pride zaradi trdih vključkov v obdelovanem materialu, ki na rezalno orodje delujejo kot brusilna zrna. Če takih trdih vključkov ni, govorimo o erozijski obrabi. b) Adhezijska obraba: do te vrste obrabe pride, če se delci obdelovanega materiala zvarijo z rezalnim robom na mikroravni (adhezija), povzroča pa mikrokrušenje rezalnega roba. c) Difuzija: prehajanje materiala med obdelovancem in rezalnim orodjem na atomski ravni.

Zaradi izmenjave atomov med obdelovancem in rezalnim orodjem se poslabšajo lastnosti materiala na delih orodja, kjer prihaja do difuzije. d) Kemična in elektrokemična obraba: karbidna trdina v prisotnosti kisika oksidira že pri 800 °C. Plini v pogojih lahkotnega odrezavanja (odrezavanje v pogojih, ki zagotavljajo minimalno obremenitev in obrabo rezalnega roba) brez prekinitev nimajo priložnosti, da bi prodrli v prostor med obdelovancem in odrezki ter povzročili oksidacijo. Ta je tako bolj verjetna pri prekinjenih obdelavah, kjer je orodni material v stiku z okolico, ko ne reže.

Abrazivna obraba je bistveno večja, če so v obdelovanem materialu trdi delci ali v prisotnosti utrjene površinske plasti, kot denimo pri obdelavi ulitkov. V površini (skorji na ulitku) so lahko trdi karbidi in livarski pesek, ki pospešujejo abrazivno obrabo. Trdi vključki v obdelovanem materialu so sestavljeni iz karbidov in oksidov, kot je npr. Al2O3, ki nastaja pri proizvodnji jekla. Abrazivno obrabo povečujejo tudi visoka vsebnost ogljika in legirni elementi, ki tvorijo karbide, kot sta krom in vanadij.

Obstajata dve osnovni vrsti adhezijske obrabe. Zaradi velikega kontaktnega pritiska med odrezki in rezalnim orodjem se material obdelovanca privari na orodje in oblikuje nalepek. Ko se ta material pozneje odtrga, s seboj odnese tudi delce orodnega materiala. Druga vrsta adhezijske obrabe izhaja iz koeficienta temperaturnega raztezka orodne karbidne trdine, ki je pol manjši kot _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 170

pri jeklu. Material obdelovanca, ki se privari na orodje kot nalepek, se ob ohlajanju krči bolj kot orodni material, zato je ta izpostavljen nateznim napetostim ter posledično nastanku razpok, lomu in krušenju roba (Slika 8.32).

Difuzijska obraba orodja je zelo odvisna od temperature. V temperaturnem območju 800–1100 °C se obdelovani material intenzivno deformira in zlahka se oblikuje popoln stik med rezalnim robom in odrezki. Zaradi velikega gradienta koncentracij med obdelovanim in rezalnim materialom se ustvarijo ugodne razmere za difuzijo.

Slika 8.32: Osnovno načelo nastanka mikrorazpok (levo) in nalepek, ki je s sabo odnesel nekaj rezalnega materiala med obdelavo zlitine Alloy 718 (desno)

Material je med obdelavo z odrezavanjem izpostavljen hitremu strižnemu delovanju, pri čemer pa lahko relativna hitrost med rezalnim orodjem in obdelovancem oz. med rezalnim orodjem in odrezki ostane nizka. To še posebej velja v pogojih lahkotnega odrezavanja, kjer je difuzija tudi najbolj izražena. Obdelovani material se izrazito deformira v predelu, ki je najbližji rezalnemu orodju in kjer se relativna hitrost približuje vrednosti nič. Difuzija prek kontaktne površine je zato na tem mestu intenzivnejša: atomi železa prehajajo iz obdelovanca v orodno karbidno trdino, atomi kobalta pa iz orodja v obdelovanec. V material obdelovanca lahko iz volframovega karbida difundirajo tudi razmeroma mobilni atomi ogljika. Rezultat je poslabšanje lastnosti orodnega materiala ter pospešena obraba različnih vrst. Difuzijo je mogoče učinkovito preprečiti z orodnimi prevlekami. Zaradi obrabljanja se stalno izgublja material in spreminja geometrija rezalnega orodja. Geometrijske spremembe vplivajo na rezultate obdelave (npr. na tolerance in na kakovost površine) in na delovanje rezalnega orodja, zato jih običajno upoštevamo pri opisovanju obrabe.

Ko se obrablja prosta ploskev orodja, nastaja obrabna površina, ki je vzporedna s smerjo rezalne hitrosti. Rezalni rob postaja vse bolj top, vrednost prostega kota pa se postopoma približuje ničli.

Posledično se povečujejo strižne in normalne sile, razvija se vse več toplote in narašča upor proti odrezavanju. Z napredujočo obrabo proste ploskve se spreminja tudi relativni položaj linije roba glede na obdelovanec. Če teh sprememb ne kompenziramo, vplivajo na dimenzije obdelovanca.

S povečevanjem obrabe na prosti ploskvi se povečujejo rezalne sile in lahko pride do odklona držala orodja, obdelovanca ali stroja. Pojav obrabe proste ploskve je pogosto odvisen od temperature in nanj vpliva predvsem terciarna deformacijska cona.

Obraba v obliki kotanje na cepilni ploskvi orodja se običajno ne pojavi neposredno na rezalnem robu, lahko pa ga doseže pri materialih, ki tvorijo kratke odrezke. Eksperimentalne študije so pokazale, da se kotanjasta obraba začne na tistem predelu cepilne ploskve, kjer je temperatura najvišja. Kotanjasta obraba je torej povezana s porabo energije, predvsem v coni sekundarnih deformacij. V tem primeru se spremeni vrsta kontaktne površine med orodjem in obdelovanim materialom in povečajo se strižne sile. Kotanjasta obraba zmanjšuje kot klina in tako odločilno vpliva na trdnost rezalnega roba. Povzroča tudi postopno povečanje cepilnega kota in s tem rahlo zmanjšanje rezalnih sil. Z naraščanjem kotanjaste obrabe se postopno izboljša nadzor nad odrezki.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 171

Zarezna obraba se pojavlja predvsem na prosti ploskvi orodja, in sicer v predelu, kjer se neha stik med odrezki in orodjem. Kisik iz zraka ima dostop do delov površine orodja, ki so segreti na visoko temperaturo, in tam oksidira orodni material, ki se zelo hitro obrablja. Naslednji dejavnik, ki lahko privede do zarezne obrabe, je preoblikovalno utrjevanje površinske plasti obdelovanca. Tveganje zarezne obrabe povečuje tudi skorja na ulitkih in odkovkih.

Do obrabe orodja lahko torej pride zaradi posameznih mehanizmov ali kombinacije več mehanizmov, odvisno od lastnosti orodnega materiala in obremenitvenega vzorca, ki mu je ta izpostavljen. Celotna obraba orodja je tako vsota učinkov mehanizmov obrabe, ki so prikazani na Sliki 8:33. Kot je razvidno s slike, ima adhezijska obraba močan vpliv pri razmeroma nizkih temperaturah oz. v temperaturnem območju, kjer se oblikuje nalepek. Pri višjih temperaturah prevladuje difuzijska obraba in v določeni meri kemična oz. korozivna obraba. Na grafu je razvidno tudi temperaturno območje z maksimalno celotno obrabo. To je območje, kjer se z višanjem temperature začne lahkotna obdelava materiala z minimalnimi obremenitvami in obrabo rezalnega roba.

Taylor je podrobno preučil relacije med obrabo na prosti ploskvi in obstojnostjo orodja. Raziskal je razvoj obrabe proste ploskve kot funkcijo časa pri različnih rezalnih hitrostih in na podlagi tega sestavil diagram na Sliki 8.34. Rezalni rob je skrhan, ko je dosežena določena stopnja obrabe proste ploskve, in pripadajočo obstojnost orodja lahko tedaj odčitamo na osi x. Odvisnost med rezalno hitrostjo vc in obstojnostjo orodja T prikazuje diagram v dvojno logaritmičnem koordinatnem sistemu na Sliki 8:34.

Linearen približek krivulje skozi merilne točke je osnova za poenostavljeno Taylorjevo enačbo:

vc  T T  CT

Enačba 8.1

Člena αT in CT v enačbi sta konstanti. Konstanta CT je teoretična rezalna hitrost, pri kateri bi obstojnost orodja znašala eno minuto. Obraba pri vrednosti αT = 1 je neodvisna od vc in je odvisna samo od delovne poti. V tem primeru gre za čisto abrazivno obrabo.

Slika 8.33: Diagram različnih mehanizmov obrabljanja rezalnega orodja med odrezavanjem

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 172

Slika 8.34: Povezava med obrabo na prosti ploskvi VB in obstojnostjo orodja T pri različnih rezalnih hitrostih vc (A) in aproksimacija log T(log vc) z ravno linijo v dvojno logaritmičnem diagramu (B)

Slika 8.35 prikazuje krivuljo obrabe za orodja iz karbidne trdine, pri čemer velja Taylorjeva enačba le za linearni del krivulje. Enako obstojnost orodja dosežemo pri treh različnih rezalnih hitrostih.

Slabša obstojnost orodja v delu krivulje pri nižjih rezalnih hitrostih velja za območje z nalepkom, kjer prihaja do adhezijske obrabe, medtem ko se približno linearni del krivulje nahaja v predelu lahkotnega odrezavanja z minimalnimi obremenitvami in obrabo. Taylorjeva enačba torej ne velja za območje z nalepkom.

Slika 8.35: Dvojno logaritmični diagram T‐vc za karbidno trdino in hitrorezna orodna jekla z označenim linearnim delom krivulje

8.5 Plastična deformacija Plastična deformacija (PD) je sprememba oblike rezalnega orodja brez izgube materiala. Začne se pri določeni kritični kombinaciji temperatur in mehanskih napetosti v procesu. Pri tem imajo pogosto odločilno vlogo razmere, ki vodijo do visokih temperatur, denimo visoka rezalna hitrost ali majhna toplotna prevodnost obdelovanega materiala. Plastične deformacije so običajno povezane s splošno ali lokalno obrabo proste ploskve, pojavijo pa se lahko še pred njo.

Spremembe lahko v večji ali manjši meri nastanejo na eni ali obeh straneh linije roba, kot je prikazano na Sliki 8.36. V končni fazi plastične deformacije pogosto pride do iztiskanja materiala na cepilni ploskvi navzven in s tem do popolne odpovedi orodja. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 173

Slika 8.36: Plastične deformacije31 A) v glavni smeri rezanja (vdolbina na robu) in B) v smeri podajanja (vdolbina na prosti ploskvi)

Obstajata dve osnovni vrsti deformacij (Slika 8.36), ki se razlikujeta po napetostnem vzorcu. V primeru A prevladujejo tangencialne obremenitve, v primeru B so obremenitve bistveno večje zaradi napredovale obrabe proste ploskve. Plastična deformacija v smeri AR lahko pospeši proces preoblikovanja, k čemur prispevajo tudi toplotni in mehanski procesi s povratno zanko. Razvoj primera A kaže, da se lahko proces deformacije odvija dalj časa, tudi celotno pričakovano življenjsko dobo orodja. V primeru B nasprotno deformacije nastopijo zelo hitro. Stopnja slabšanja bo tako v primeru A majhna in praktično konstantna, medtem ko v primeru B slabšanje pospešeno napreduje. Oba primera sta prikazana tudi na Sliki 8.37 in razvidno je, da velikost obremenitev v smeri podajanja vpliva na strižne deformacije. Plastična deformacija se zgodi, ko efektivne napetosti premagajo preoblikovalni odpor rezalnega orodja.

Slika 8.37: Simulacija dveh različnih vrst plastične deformacije po metodi končnih elementov: deformacija v glavni smeri rezanja z VB = 0,2 mm (levo) in v smeri podajanja z VB = 0,4 mm (desno)

8.6 Zlom in nastanek razpok Zlom rezalnega roba in nastanek razpok sta vrsti slabšanja, ki nista povezani z obrabo. V to kategorijo spada veliko različnih poškodb rezalnega orodja. Sliki 8.38 in 8.39 prikazujeta različne vrste prelomnih ploskev.

Na orodju so lahko v vsakem trenutku prisotne posledice različnih vrst slabšanja. Videz zlomov orodja in vrste slabšanja, s katerimi jih povezujemo, lahko razvrstimo glede na različne obremenitvene vzorce, ki povzročajo slabšanje orodja in zlom. Obremenitvene vzorce lahko popišemo s porazdelitvijo in absolutno amplitudo obremenitev. Različne vrste slabšanja rezalnih orodij so prikazane na Sliki 8.41. Enota rezalnih sil v dvodimenzionalnih obremenitvenih profilih je N/mm.

31

Hörlin N.‐Å., Classifying wear criterion, Sandvik Coromant, Hv‐1329:005, Sandviken, 1981.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 174

Slika 8.38: Različne vrste vzorcev razpok v povezavi z odpovedjo orodja

Slika 8.39: Poškodbe rezalnega roba zaradi obrabe (levo in sredina), nastanek glavničastih in vzporednih razpok ter krušenje na liniji rezalnega roba (desno)

Slika 8.40: Dvorazsežnostni prikaz glavnih in efektivnih napetosti v rezalnem orodju

Analiza napetosti pokaže karakteristična področja na obremenitvenem profilu (Slika 8.41), ki so povezana z različnimi oblikami slabšanja. Na sliki je s polnimi ravnimi linijami za vsako od oblik slabšanja označena najvišja raven glavnih napetosti, ki povzroči zlom.

Eliptične krivulje na sliki predstavljajo dve osnovni vrsti plastičnih deformacij (A in B) pri različnih ravneh napetosti. Pri manjših napetostih nastopijo deformacije v tangencialni smeri (tip A), pri večjih pa v aksialni in radialni smeri (tip B).

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 175

Slika 8.41: Obremenitveni vzorec s področji specifičnih oblik slabšanja rezalnega orodja; φAT = Ff/Fc, σ1 = glavna napetost, σe = efektivna napetost

Napetostni zlom, ki se začne na prosti ploskvi rezalnega orodja, povzroči krušenje ali luščenje rezalnega roba. Do tovrstnega slabšanja prihaja predvsem v predelih, kjer je Ff > 2 Fc. Ob začetku luščenja na prosti ploskvi orodja je raven nateznih napetosti razmeroma nizka. Vzrok so bodisi vzporedne razpoke bodisi preostale napetosti. Nekoliko poenostavljeno so v začetni fazi obdelave s prekinitvami za obremenitveni vzorec orodja značilne naraščajoče upogibne napetosti, ki so usmerjene v ravni črti.

Nastanek vzporednih ali glavničastih razpok je mogoče pričakovati predvsem med prekinjenimi obdelavami, kot je frezanje. Ene in druge razpoke ne predstavljajo pomembnejšega problema z ozirom na proizvodno zmogljivost. Obstajajo tudi dokazi o tem, da razpoke, predvsem vzporedne, zmanjšujejo preostale napetosti v rezalnem orodju. Vzporedne razpoke se pojavljajo samo na prosti ploskvi. Povzroči jih določena oblika utrujanja zaradi velikega nihanja tlačnih napetosti v kombinaciji z lokalnimi plastičnimi deformacijami. Slednje se lahko razvijejo v fazi vstopa orodja pri obdelavah s prekinitvami, kadar so izpolnjeni naslednji pogoji:  material obdelovanca je plastičen in ni dovolj ogret,  obremenitve orodja so dovolj velike,  razmeroma velika obraba na prosti ploskvi (VB > 0,2 mm).

Ko orodje v rezalni fazi III izstopi iz obdelovanca, se razbremeni kot vzmet, tlačne napetosti na prosti ploskvi pa zamenjajo predznak oz. se spremenijo v natezne napetosti, kot prikazuje Slika 8.42. Vzporedne razpoke lahko povzročijo tudi nastanek zarez in s tem pojav luščenja.

Vzporedne razpoke se začnejo pojavljati predvsem takrat, ko obraba proste ploskve doseže kritično raven. Njena obraba se povečuje takrat, ko je efektivna napetost maksimalna. Obstajajo tudi določeni zarezni učinki, ki zadržijo razpoke na določeni razdalji od linije rezalnega roba.

Glavničaste razpoke se oblikujejo tako na cepilni kot na prosti ploskvi rezalnega orodja, pod pravim kotom glede na linijo rezalnega roba, vzrok pa je kombinacija mehanskih in toplotnih napetosti. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 176

Rezalna faza I Lokalizirana PD

Preostale napetosti

Rezalna faza III Vzporedna razpoka

Slika 8.42: Shematski prikaz razvoja vzporednih razpok in luščenja na cepilni ploskvi rezalnega roba

Trirazsežnostna narava mehanskih napetosti lahko včasih povzroči nastanek glavničastih razpok, ko je temperatura na robu razmeroma visoka. Nekatere glavničaste razpoke nikoli ne dosežejo linije roba, kar je denimo značilno za rezalno keramiko. Temperatura je najvišja na liniji roba in zaradi raztezkov nastanejo tlačne napetosti, ki nevtralizirajo mehanske. V primeru, da je območje najvišjih temperatur na določeni oddaljenosti od linije rezalnega roba, se zaradi kombiniranih mehanskih in toplotnih učinkov oblikujejo glavničaste razpoke, ki segajo do linije rezalnega roba.

Takšne obremenitvene razmere, ki spodbujajo oblikovanje razpok, srečujemo v glavnem pri obdelavah s prekinitvami, kot je frezanje. Za vsak rezalni material obstaja največja dovoljena razlika med povprečno temperaturo in temperaturo v katerikoli točki na liniji rezalnega roba oz. na stiku med orodjem in obdelovancem.

Krušenje roba je pojav enega ali več zlomov na rezalnem robu ali v njegovi bližini, ki povzročijo izgubo materiala. Razlikujemo ga od popolne odpovedi orodja, kjer se odlomijo večji deli rezalnega roba. Tudi okrušen rezalni rob lahko pogosto še zadovoljivo opravlja svojo nalogo, še posebej pri grobih obdelavah, seveda pa se zmanjša kakovost obdelave. Krušenje roba lahko vpliva na skrajšanje obstojnosti orodja, saj katalizira nastanek zarez in končno odpoved orodja. H krušenju rezalnega roba lahko prispevajo vzporedne in glavničaste razpoke, saj se material obdelovanca rine v razpoke in delci rezalnega roba zato odpadejo v vzorcu, ki je delno določen z obstoječimi razpokami. Do krušenja rezalnega roba lahko pride tudi zaradi zarez ali močnih lokalnih obremenitev. V neugodnih razmerah ga lahko ogrožajo tudi adhezijska obraba in udarci odrezkov. Pogost vzrok za krušenje roba je tudi neprevidnost pri uporabi rezalnega orodja.

Slika 8.43: Levo vzporedne razpoke na mestu maksimalnih efektivnih napetosti, desno luščenje zaradi vzporednih ali glavničastih razpok

Luščenje pomeni odpadanje večjih delcev materiala s cepilne ali proste ploskve. Pred luščenjem se pogosto pojavijo vzporedne razpoke. Luščenje prevleke z rezalnega roba je vrsta krušenja, ki jo imenujemo razslojevanje oz. delaminacija. Poškodbe rezalnega roba v obliki luščenja lahko povzroči kontaktni pritisk ali kombinacija preostalih napetosti v rezalnem materialu in vzorca obremenitev, ki so usmerjene proti površini materiala.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 177

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 178

9 Ekonomski vidiki procesov odrezavanja Pri višini skupnih stroškov je odločilna uspešnost procesa odrezavanja. Glavni dejavniki, ki vplivajo na stroške, so prekinitve in stopnja zavrnitve izdelkov, medtem ko je vpliv časa rezanja na stroške pogosto precenjen. Sodobni pristopi k organizaciji proizvodnje dajejo večji poudarek zanesljivemu delovanju proizvodnega sistema kot maksimalni proizvodnji. Motnje proizvodnje lahko analiziramo z matriko uspešnosti proizvodnje, s katero ocenjujemo vpliv različnih dejavnikov na rezultate. Modele stroškov obdelave delimo na glavni skupini mikro‐ in makromodelov, pri čemer je pogostejša uporaba mikromodelov. Vsi ti modeli obravnavajo procese odrezavanja s precej ozkega vidika, njihova uporabnost pa je v tem, da neposredno povezujejo stroške s parametri procesa, kot sta rezalna hitrost in podajanje. Celovitejši in manj specifični makroekonomski modeli obravnavajo obdelavo s širšega vidika. V teh modelih ima večjo vlogo celoten čas, ki je potreben za izdelavo izdelka. Prednost makroekonomskih modelov je v tem, da ne precenjujejo stroškov, povezanih z rezalnimi orodji in s časom rezanja, in da ne podcenjujejo drugih večjih stroškov v proizvodnji.

9.1 Prekinitve in motnje procesov odrezavanja Procese odrezavanja in rezultate teh procesov analiziramo in presojamo s pomočjo matrike uspešnosti proizvodnje. Izhodne parametre posameznega procesa lahko razdelimo v naslednje kategorije:

̶ ̶ ̶ ̶

Parametri kakovosti, npr. dimenzije, površine in druge zahtevane lastnosti, včasih skupaj s parametri funkcionalnosti in zmogljivosti – Q1, Q2 ...

Parametri prekinitev se nanašajo na prekinitve zaradi dogodkov, ki so povezani s procesom – S1, S2 ...

Parametri zmogljivosti procesov in hitrosti proizvodnje, npr. število gotovih izdelkov in količina odrezkov na enoto časa – P1, P2 ...

Parametri okolja in recikliranja v zvezi z rezalnimi orodji in drugo opremo, rabo pomožnih sredstev v procesu, porabljeno energijo, odpadki in možnostmi recikliranja – MK1, MK2 ...

Faktorje, ki vplivajo na rezultate, lahko razdelimo v naslednje kategorije: A. Orodja in orodni sistemi: geometrijski faktorji (makro‐ in mikrogeometrija), faktorji površine (lastnosti površine, prevleke itd.), materialni faktorji (trdota, žilavost itd.).

B. Obdelovanec in obdelovani material: fizikalni faktorji (togost, toplotna kapaciteta itd.), faktorji, povezani s površino (topografija, kemična sestava, struktura, trdota itd.), faktorji, povezani z materialom in njegovo strukturo (odrezovalnost).

C. Proces in parametri procesa: faktorji opreme (togost, učinek dušenja itd.), faktorji parametrov procesa (rezalni parametri), pomožne snovi v procesu (maziva, zaščitni plini itd.), proceduralni faktorji (delovni postopki, menjave orodij itd.).

D. Kadri in organizacija: standardni delovni postopki, vodilne funkcije, ukrepi v primeru odpovedi procesov itd.; struktura dela, odgovornosti, prostor za osebno iniciativo itd.

E. Vzdrževanje in servis: faktorji, povezani z orodji, faktorji, povezani s procesom in opremo, redno in izredno vzdrževanje in popravila.

F. Posebni faktorji: vsak obdelovalni postopek ima edinstvene značilnosti, kot sta pojav nalepka in razenje površin.

G. Periferna oprema: naprave za strego materiala, prijemala, transportni trakovi ipd.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 179

Matrika uspešnosti proizvodnje povezuje izhodne parametre s faktorji v različnih skupinah. Za procese odrezavanja ni nenavadno, da na nek izhodni parameter vpliva tudi do 50 faktorjev, vsak od njih posebej ali skupaj z drugimi. Seznam vseh faktorjev, ki so lahko relevantni za dani izhodni parameter, omogoča celovito oceno sredstev in možnosti za premik izhodnega parametra v želeno smer.

Podatke, ki jih zberemo med analizo proizvodnega procesa, lahko razvrstimo v matriki uspešnosti proizvodnje za primerjavo rezultatov različnih kombinacij dejavnikov in izhodnih parametrov. Iz matrike lahko nato izpeljemo ključne kazalnike uspešnosti, kot so stopnje zavrnitev, stopnje prekinitev in izgube zaradi podaljšanja ciklov. Na podlagi teh kazalnikov uspešnosti lahko ugotavljamo stroške komponent.

Na Sliki 9.1 je prikazano, kako iz interakcij med proizvodom in proizvodnjo izhajajo stalne izboljšave izdelovalnosti proizvoda in stalno zmanjševanje stroškov. V procesu razvoja proizvoda se odločamo o materialu in končni obliki obdelovanca. Izbor materiala vpliva na velikost in obliko obdelovancev na poti do končnega izdelka. Končni izdelek bo manjši od obdelovanca, ker z njega med obdelavo odstranimo material.

Pri načrtovanju proizvodnje izbiramo postopke, obdelovalne operacije, načine pritrditve obdelovancev ter tudi orodja in rezalne parametre. S prilagoditvami vsega naštetega dosegamo različne optimizacije. Rezultate preverjamo s sistematično analizo proizvodnje, v kateri merimo ključne kazalnike uspešnosti (KKU), kot so kakovost izdelkov, prekinitve in zmogljivost proizvodnje. Na podlagi dobljenih podatkov računamo različne ključne kazalnike uspešnosti proizvodnje, kot sta stopnja izkoriščenosti strojev in stopnja zavrnitev. Rezultati analize pokažejo tudi področja, ki bi bila obetavna za nadaljnji razvoj proizvodnje. Za vsako od njih ocenimo proizvodne stroške na podlagi KKU in razne ekonomske parametre. Različne smeri razvoja nato primerjamo glede na pričakovane izboljšave KKU in spremembo proizvodnih stroškov.

Slika 9.1: Diagram prikazuje stalno interakcijo med razvojem in proizvodnjo, s katero se postopoma izboljšuje izdelovalnost in zmanjšujejo proizvodni stroški; po Ståhlu32,33.

32 Ståhl, Jan‐Eric (2011), The development of NEXT STEP beyond Lean Production – The link between technology and economics with focus on sustainable developments, 2011 International Conference on Applied Mechanics, Materials and Manufacturing, Shenzhen, Kitajska.

33 Ståhl Jan‐Eric (2012), NEXT STEP in Cost‐based Sustainable Production Development – Cases from different production operations, International Conference on Advances in Manufacturing and Materials Engineering (ICAMME 2012) Kuala Lumpur: 3.–5. julij 2012.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 180

V nadaljevanju je podan primer analize odpovedi orodja pri struženju nekega obdelovanca.

Problem so prekinitve zaradi občasnih odpovedi orodja z naslednjimi možnimi posledicami: 1. Škoda na stroju, ki zahteva popravilo.

2. Škoda na sistemu za pritrditev obdelovanca, ki zahteva popravilo, ponovno nastavitev in meritve nastavitvenih dolžin.

3. Škoda na obdelovancu.

4. Škoda na orodnem držalu in žepu za ploščico.

5. Škoda samo na žepu za ploščico.

Možnosti 1, 2, 4 in 5 so lahko povezane z materialnimi stroški in izgubo zaradi prekinitev proizvodnje (parametri S). Možnost 3 lahko povzroči zavrnitev obdelovanca v kontroli kakovosti, če škode pred tem ne odpravimo, s čimer pa spet upočasnimo proizvodnjo (parameter P).

Odpoved orodja ni enostaven problem in jo lahko povzročijo različni dejavniki ali vrsta motenj, zato je težko predlagati rešitev, ki bi bila univerzalna. V primeru na Sliki 8.38 lahko z analizo prelomne ploskve identificiramo konkreten niz motenj in določimo ustrezne ukrepe za odpravo težave.

Predpostavimo, da orodje dela v naslednjih okoliščinah, ki lahko privedejo do njegove odpovedi: ̶ ̶

Orodje je izpostavljeno obremenitvam, ki so že prevelike ali se še povečujejo.

Orodje je oslabljeno zaradi nastanka zarez, drugih sprememb geometrije ali sprememb v materialu.

Problema se lahko lotimo na naslednji način: 1. Postavimo točno definicijo problema.

2. Raziščemo vzročne povezave in opredelimo verige vzročnosti.

3. Vzročne povezave razvrstimo po verjetnosti, da bo problem mogoče razrešiti z vplivanjem nanje.

4. Ocenimo potrebne ukrepe in povezane stroške.

5. Določimo različne faktorje, ki lahko vplivajo na posamezne izhodne parametre, ocenimo njihov relativni vpliv in primerjamo faktorje po tem vplivu.

6. Razvijemo načrt, po katerem se bomo lotili teh faktorjev, da bi odpravili problem.

7. Načrt izvedemo.

8. Ovrednotimo rezultate.

Slika 9.2: Tehnični faktorji, ki pojasnjujejo pojav določene oblike odpovedi orodja

S tehnično preiskavo lahko identificiramo različne vrste obrabe in prelomnih ploskev pri odpovedi orodja (Sliki 8.38 in 8.39). Večina prelomnih ploskev povzroči, da orodje ni več sposobno delovati na predviden način. Z njihovo analizo obenem natančneje ugotovimo vedenje orodja in vzroke za njegovo odpoved. Ocenimo lahko tudi pomen vloge teh vzrokov pri odpovedi orodja. V spodnji preglednici je podan primer, pri katerem je bila uporabljena absolutna skala (v tretjem stolpcu) za moč faktorja 0–5. Faktorji z vrednostjo 0 ali 1 niso bili vključeni v preglednico oz. matriko. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 181

Preglednica 9.1: Primer uporabe matrike uspešnosti proizvodnje v analizi vzrokov odpovedi orodja

Skupine faktorjev – faktorji

Moč faktorja

Komentarji

A

Orodje – rezalni rob

A1

Tip rezalnega roba

5

Napačen tip, morda faktor D

A2

Makrogeometrija – velikost

3

Debelina, dolžina rezalnega roba

A3

Makrogeometrija – oblika

4

Kot konice, cepilni kot

A4

Mikrogeometrija – posnetje

4

Kontura linije roba

A5

Mikrogeometrija – radij roba

4

Premajhen radij ali neprimerna oblika

A6

Poškodovana linija roba

5

Škoda zaradi uporabe

A7

Tolerance in natančnost stika

4

Napaka v izdelavi rezalnega roba

A8

Napake v prevleki

3

Pomanjkljiva adhezija

A9

Spremenljive lastnosti rezalnega roba

3

Napake v izdelavi

B

Obdelovani material

B1

Močan upor pri odrezavanju

4

Visoka trdota

B2

Trdi vključki

4

Velik lokalni upor pri odrezavanju

B3

Struktura materiala

5

Ferit, avstenit …

B4

Skorja na ulitku

4

Trda skorja, ki povzroča obrabo

B5

Geometrijska odstopanja

3

Spremenljive dimenzije materiala

C

Parametri procesa

C1

Rezalna hitrost

2

Toplotne obremenitve

C2

Podajanje (teoretična debelina odrezka)

5

Mehanske obremenitve

C3

Globina rezanja (dolžina rezalnega roba, ki reže)

2

Možna povezava z B5

C4

Zaporedje operacij ali kot kopiranja

3

Majhen prosti kot

C5

Aksialna višina orodja

3

Napačen prosti kot

C6

Zanesljivost pritrditve

2

Deformacije ali odstopek krožnega teka

C7

Stabilnost procesa

2

Pojav vibracij

D

Organizacija in osebje

D1

Nepravilna montaža rezalnega roba

5

Skupaj z napačnim rezalnim robom

D2

Poškodovana podporna ploščica ali oporna površina

5

Povečane mehanske in toplotne obremenitve

D3

Nesnaga, delci odrezkov itd. v žepih za ploščice

3

Glejte faktor D2

D4

Obrabljen rezalni rob

4

Napake pri menjavi

E

Obraba in vzdrževanje

E1

Zarezna obraba na glavnem rezalnem robu

4

Lokalna obraba

E2

Zarezna obraba na stranskem rezalnem robu

3

Lokalna obraba

E3

Kotanjasta in zarezna obraba

5

Lokalna obraba

E4

Kotanjasta obraba

4

Lokalna obraba

E5

Obraba proste ploskve

1

Enakomerna obraba

E6

Plastične deformacije

2

Deformacije orodja

E7

Progresivna obraba

4

Delno v povezavi z D4

E8

Nastanek vzporednih razpok

4

Prekinjena obdelava

E9

Nastanek tankih razpok

3

Toplotne in mehanske obremenitve

E10

Spremembe v materialu in strukturi

2

Kemične reakcije

E11

Luščenje na cepilni ali prosti ploskvi

4

Močne lokalne obremenitve

E12

Krušenje rezalnega roba

3

Nastanek vzporednih razpok

F

Posebne okoliščine pri obdelavi

F1

Udarci odrezkov

3

Poškodovana linija roba

F2

Zastoji odrezkov

3

Običajno pri spuščanju orodja

F3

Pojav nalepka

2

Nenavadno za nekatere materiale

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 182

Faktorji in ravni faktorjev iz Preglednice 9.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenitve in obremenljivost rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja, so prikazani na Slikah 9.3 in 9.4.

Slika 9.3: Faktorji in nivoji faktorjev iz Preglednice 9.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenitve rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja

Nivo Nivo Nivo

Obremenljivost

Slika 9.4: Faktorji in nivoji faktorjev iz Preglednice 9.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenljivost rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja

Če to dopuščajo okoliščine, bi se lahko v zgornjem primeru odločili za uporabo rezalnega orodja, ki je bolj obstojno proti obrabi in obenem bolj nagnjeno k odpovedi. Faktorja E1 in E3 sta namreč pogosta povzročitelja zgodnje odpovedi orodja, saj zarezna obraba in obraba v obliki kotanje zmanjšata obremenljivost orodja. Na podlagi analize celotne situacije pripravimo načrt ukrepov, kot je primer v Preglednici 9.2. Pri tem se ravnamo po priporočilu, da se z ukrepi najprej lotimo faktorjev z močjo 5 (Preglednica 9.1), če to ne zadostuje, pa po vrsti nadaljujemo s faktorji moči 4, 3 in 2, seveda upoštevaje tudi stroške. Ukrepi morajo učinkovito in brez nepotrebnih stroškov zmanjšati pojav odpovedi orodja. Razmisliti moramo tudi o morebitnih neželenih učinkih uvedenih ukrepov in ali jih lahko dopustimo. Z zmanjšanjem podajanja lahko tako sicer zmanjšamo odpovedi orodja, vendar se istočasno zmanjša tudi zmogljivost proizvodnje. Zato je smiselno, da ukrepe razvrstimo po splošni sprejemljivosti.

Preglednica 9.2: Možni vzroki in njihove posledice

Ukrepi A1 D2 E3 A5 B3 C2 D1

Izbira bolj žilavega materiala Kontrola podložne ploščice Kontrola kotanjaste obrabe Kontrola linije roba Kontrola strukture materiala Zmanjšanje podajanja Kontrola pritrditve rezalnega roba

Dodatne posledice ali ukrepi

Zadovoljiva rešitev?

Da/ne

Povečana obraba orodja Pogostejše menjave podložnih ploščic Pogostejše menjave orodja Sprememba ravnanja Sprememba sestave Zmanjšanje zmogljivosti proizvodnje Razvoj primernejšega sistema

Uporaba bolj žilavega rezalnega roba kljub vsem prednostim prinese tudi pospešeno obrabo.

Lahko se pojavi niz motenj, kot je prikazan na Sliki 9.5.

Slika 9.5: Niz motenj (zgoraj) in neposredna vzročna povezava (spodaj) privedeta do enakega neželenega končnega stanja. Rešitvi enega in drugega problema pa sta povsem različni.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 183

9.2 Klasični modeli gospodarnosti proizvodnje Večina klasičnih modelov gospodarnosti proizvodnje je mikroekonomske narave in oblikovanih na podlagi ene od oblik zapisa Taylorjeve enačbe. Teorija modelov, ki so predstavljeni v pričujočem poglavju, je zgrajena na predpostavkah, da ni odpovedi orodja ali prekinitev, da so rezalni parametri konstantni in da je glavni omejitveni dejavnik obstojnosti orodja ena od vrst progresivne obrabe, običajno stopnja obrabe na prosti ploskvi (VB).

9.2.1 Stroški na izdelek pri spremenljivih vrednostih vc in T Spodnji model omogoča določitev rezalnih parametrov, ki izpolnjujejo naslednja pogoja: 1. minimalni stroški izdelka, 2. maksimalen pretok odrezkov v smislu maksimalne zmogljivosti proizvodnje.

Dva parametra, ki ju lahko nadzorujemo in optimiziramo z računskimi metodami po tem modelu, sta ekonomska obstojnost orodja Te in ekonomska rezalna hitrost vce, druge spremenljivke in parametri pa naj bodo konstantni.

9.2.1.1 Zagotavljanje minimalnih stroškov na izdelek Proizvodnja mora zagotavljati zahtevane rezultate z najnižjimi stroški. Tukaj opisani pristop se uporablja predvsem tedaj, ko so stroji stalno izkoriščeni in je mogoče hitro izpolniti vsako naročilo.

Stroški stroja km so sestavljeni iz nabavnih stroškov (amortizacije), najema prostorov, plač in stroškov orodja kt, ki vključujejo stroške rezalnih robov in orodnih držal:

kt 

k h kin  z h zed

Enačba 9.1

kjer je kh nabavna cena držal orodja, zh obstojnost držal orodja pri danem številu rezalnih robov na držalo, kin nabavna cena ploščic in zed število rezalnih robov na ploščico. Stroški obdelave na izdelek Kpart so sestavljeni iz stroškov stroja in stroškov rezalnega orodja po Enačbi 9.2:

t  t  K part  km  ti  t pct  ttct  i   kt  i T T 

Enačba 9.2

kjer je ti čas rezanja, tpct čas menjave obdelovanca, ttct čas menjave orodja in T obstojnost orodja.

Pri vzdolžnem struženju izračunamo čas rezanja pri obdelavi kosa s premerom D in dani rezalni hitrosti vc kot:

ti 

l   D  ap f  vc  a p

Enačba 9.3

kjer je l aksialna delovna pot in f podajanje. Ko vstavimo Enačbo 9.3 in Taylorjevo enačbo (Enačba 8.1) v Enačbo 9.2, dobimo stroške obdelave na izdelek:  R  R R K part  k m   T  T  t pct  t tct   T  T 1   k t   T  T 1 C C C T T  T 

Enačba 9.4

Stroški na izdelek so v Enačbi 9.4 izraženi kot funkcija obstojnosti orodja T. To enačbo uporabimo za določitev minimalnih stroškov obdelave na izdelek pri fiksni vrednosti ap in f.   1  K  1   t  t tct  Te    T   Km 

Enačba 9.5

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 184

Ekonomsko rezalno hitrost vce izračunamo s pomočjo Taylorjeve enačbe: vce  CT  Te T

Enačba 9.6

9.2.1.2 Maksimalna zmogljivost proizvodnje Kadar imamo opravka z visoko stopnjo izkoriščenosti strojev in so dobavni roki kratki, imamo razlog za določitev nabora rezalnih parametrov, ki zagotavljajo maksimalno zmogljivost proizvodnje oz. maksimalen pretok odrezkov na enoto časa. Upoštevaje čas menjave orodja ttct lahko pretok odrezkov izračunamo kot:

dV T  a p  f  vc  dt T  ttct

Enačba 9.7

Ko vstavimo Taylorjevo enačbo v Enačbo 9.7 in izračunamo optimum, dobimo:  1  Tm  t tct   1  T 

Enačba 9.8

Potrebno rezalno hitrost za maksimalno zmogljivost proizvodnje izračunamo tako, da vstavimo obstojnost orodja Tm v Taylorjevo enačbo. vcm  CT  Tm T

Enačba 9.9

Skupni stroški obdelave na izdelek po opisanem modelu so vsota fiksnih stroškov ter stroškov stroja in orodja, ki jih določimo na enega od predstavljenih načinov. Delni in skupni stroški obdelave so prikazani na Sliki 9.6.

Kx

300

20

dV/dt

T(c) [min]

250

cm

15

200

dV/dt

150

10

T(c) Kport

ce

100

Km

5

50 Kt

0

0

100

200

300

400

500

c

0 600

Slika 9.6: Primer stroškov obdelave na izdelek Kx in stopnje odvzema materiala kot funkcije rezalne hitrosti vc

Krivulja stroškov obdelave na izdelek kot funkcija rezalne hitrosti ima zelo raven minimum pri vce.

Krivulja hitrosti proizvodnje kot funkcije rezalne hitrosti ima maksimum pri vcm, ki predstavlja zgornjo mejo rezalne hitrosti.

9.2.2 Coldingova enačba pri spremenljivih vrednostih vc, he in T Colding je zapisal Enačbo 9.10, ki za dano kombinacijo rezalnega orodja in obdelovanca opisuje razmerje med obstojnostjo orodja T, rezalno hitrostjo vc in ekvivalentno debelino odrezka he.

Enačba zgolj opisuje potek krivulje skozi merilne točke in ni jasno povezana z mehanizmi obrabe orodja. Uporaba modela zunaj intervala rezalnih parametrov, kjer so merilne točke, zahteva _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 185

ustrezno previdnost. Ekstrapolacija iz podatkov za znane rezalne parametre lahko povzroči znatno napako pri ocenjevanju obstojnosti orodja.

Coldingova enačba v povezavi z eksperimentalnimi podatki se uporablja za opisovanje procesov obrabe, kjer prevladuje samo eden od mehanizmov obrabe. Kjer igrata glavno vlogo dva ali več mehanizmov, lahko napovedi modela odstopajo od dejanskih rezultatov.

Pri rezalnem orodju, ki je izpostavljeno delovanju več mehanizmov obrabe hkrati, lahko za kriterij splošne obrabe uporabimo ekvivalentno obrabo proste ploskve VBe, alternativni kriterij obrabe pa je lahko tudi popolna porušitev. Oba kriterija obrabe sta funkciji he, zaradi česar sta tudi bolj kompleksna. Uporaba kriterija obrabe katerekoli vrste ne jamči, da se bodo isti mehanizem oz. mehanizmi obrabe pojavljali v celotnem območju rezalnih parametrov, ki ga določajo merilne točke. Uporabnost in natančnost modela je zato omejena.   (ln( he )  H ) 2  ( N 0 L  ln( he ))  ln(T )  vc  exp  K  4M  

Enačba 9.10

V Coldingovi enačbi je pet konstant (K, H, M, N0, L), za določitev njihovih vrednosti pa je potrebnih vsaj pet ločenih študij. Po izkušnjah je treba v preiskavo vključiti vsaj dve rezalni orodji z enakim naborom rezalnih hitrosti, ki dajeta enako ekvivalentno debelino odrezka. Merilne točke izbiramo tako, da predstavljajo realne rezalne parametre. Za določitev Coldingovih konstant uporabljamo tehnike iskanja najboljšega prilega krivulj in metode za minimalno merilno napako.

Slabost Coldingovega modela je v zahtevi, da mora biti kriterij obrabe konstanten, kar je pri procesih obdelave z odrezavanjem težko izpolniti. Težavi se lahko izognemo na več načinov, na primer z ekstrapolacijo obstojnosti orodja za primere, ko kriterij obrabe še ni dosežen ali pa je že presežen. Drugi in boljši pristop je stalno merjenje rezalnih sil in prekinitev preizkusa, kadar rezalne sile ustrezajo kriteriju obrabe. Coldingova enačba omogoča preučevanje relacij med kriterijem obrabe T, rezalno hitrostjo vc in ekvivalentno debelino odrezka he, Slika 9.7. vc

600

T = 12 min

[m/min]

500

400

SS 1672

300

200

SAF 2507 100

Alloy 718 0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

he [mm] Slika 9.7: Obstojnost orodja, T = 12 min, določena na osnovi Coldingove enačbe, je prikazana kot funkcija ekvivalentne debeline odrezka he in rezalne hitrosti vc za različne materiale

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 186

100

0.15

he = 0.25, 0.15 [mm]

T [min]

0.15 AISI 1045

0.15

SAF 2507

10

0.25

0.25

Alloy 718

0.25 1 10

100

vc [m/min]

1000

Slika 9.8: Obstojnost orodja T [min] kot funkcija rezalne hitrosti vc za različne materiale, izračunana na osnovi Coldingove enačbe [m/min] za dve različni debelini odrezkov he [mm]

9.2.2.1 Največja količina odrezkov na rezalni rob Največja količina odrezkov, ki jo lahko odstrani rezalni rob, je zmnožek rezalne hitrosti vc, obstojnosti orodja T in prereza odrezka A  he  b, kot prikazuje Enačba 9.11. Prerez odrezka lahko približno izračunamo kot zmnožek ekvivalentne debeline odrezka he in aktivne dolžine rezalnega roba b:

V  vc  he  b  T

Enačba 9.11 1500

V

T = 12 min

[cm 3 /mm] 1250

SS 1672

1000 750

SAF 2507

500 250 0

Alloy 718 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

he [mm] 3

Slika 9.9: Količina odrezkov V [cm ] na rezalni rob (b = 1 mm) kot funkcija ekvivalentne debeline odrezka he [mm] za različne obdelovane materiale

9.2.2.2 Največji volumski pretok odrezkov pri dani obstojnosti orodja Volumski pretok odrezkov, ki je neposredno povezan s hitrostjo proizvodnje, lahko izračunamo po Enačbi 9.12: dV  vc  he  b dt

Enačba 9.12

Odvisnost med volumskim pretokom odrezkov dV/dt in he za izbrane materiale je prikazana na Sliki 9.10.

Model je predlagal Colding34 na osnovi svojega koncepta »stene G« in posebne funkcije produktivnosti ter ga vizualiziral kot »goro produktivnosti«, vse na osnovi dvodimenzijske specifične stopnje odvzema materiala. Coldingov model je analiziral Hägglund35,36 in prišel do 34

Colding B., The Machining Productivity Mountain and its Wall of Optimum Productivity, 9th NAMRC, str. 37, 1981.

Hägglund S., New procedure to optimize cutting data for general turning, Journal of Engineering Manufacture, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1. marec 2003; Vol. 217, 3: str. 349–362.

36 Hägglund S., Methods and Models for Cutting Data Optimization, Department of Materials and Manufacturing Technology, Tehniška univerza Chalmers, Göteborg, Švedska, 2013.

35

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 187

zaključka, da je dvodimenzionalni pristop zavajajoč. Namesto tega je predlagal volumski model z resničnimi stroški procesa kot ciljno funkcijo. Ti rezultati imajo uporabno vrednost, če so pridobljene vrednosti he znotraj področja uporabe modela.

V´

V´

150

T = 12 min

[cm 3 /min]

12

[cm 3 /min] SS 1672

125

T = 6 min 10

L3 100

8

75

6

Alloy 718

50 25 0

4

SAF 2507

2

Alloy 718 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0

Ti/Si-intermetal 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

he [mm]

0.35

0.4

0.45

he [mm]

Slika 9.10: Volumski pretok odrezkov V´ kot funkcija ekvivalentne debeline odrezka he [mm] za različne obstojnosti orodja T pri obdelavi izbranih materialov (b = 1 mm)

9.3 Simulacije ekonomike proizvodnje V nadaljevanju je predstavljen splošen makroekonomski model, ki je delno uporaben tudi za procese odrezavanja. Model določa čas izdelave proizvoda, ki je pomemben faktor pri določanju proizvodnih stroškov in s tem konkurenčnosti procesov odrezavanja. Izdelavni čas v veliki meri določa tudi kapaciteto proizvodnega sistema, tako da je glavni dejavnik pri odločanju o velikosti proizvodnega sistema.

9.3.1 Časi in zmogljivost pri serijski proizvodnji Nominalni izvajalni čas obdelave obdelovanca oz. čas cikla t0 lahko zapišemo kot:

t0  tm  th  ttct  tno

Enačba 9.13

Čas cikla t0 je vsota časa stroja tm, časa rokovanja z obdelovancem th, časa menjave orodja ttct in dodatnega časa tno. Privzamemo, da se te operacije izvajajo zaporedno in predstavljajo točko načrtovanja (definicija na strani 191). Časa cikla iz praktičnih razlogov običajno ne delimo zaradi težav pri določanju mej med časi menjave orodja in nekaterimi delnimi časi, ki sestavljajo čas rabe stroja. Čas menjave orodja je odvisen tudi od obdelovalnega postopka in strojnega parka. Rezalno orodje lahko zamenjamo zaradi enega od dveh razlogov:  Orodje ne deluje zadovoljivo zaradi obrabe ali poškodbe. V takem primeru morda zadostuje, da zamenjamo samo del orodja, npr. da namestimo nov rezalni rob.  Potrebno je drugačno rezalno orodje, ki se razlikuje od starega po lastnostih ali funkcijah.

To morda pomeni, da moramo vpeti novo rezalno orodje. Čas stroja tm, ki ga sestavljajo različni zaporedni delni časi oz. procesi, zapišemo kot:

tm  ti  ttr  tsp  tkvs

Enačba 9.14

kjer je ti čas obdelave (čas rezanja), torej čas, ko je orodje v stiku z obdelovancem in ga spreminja.

Pri mnogih obdelovalnih postopkih moramo orodje in obdelovanec pred začetkom obdelave postaviti v določeno lego. Čas internega transporta v stroju je upoštevan v členu ttr. Pri obdelavi so potrebni tudi različni podporni procesi, kot sta čiščenje ali dovajanje različnih pomožnih _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 188

sredstev (npr. hladilno‐mazalne tekočine). Ti podporni procesi so v enačbi zajeti v času tsp.

Obdelava lahko vključuje tudi korake zagotavljanja kakovosti gotovega dela ali proizvoda, npr. meritve neposredno na obdelovancu. V tem času tkvs obdelava običajno stoji. Čase v Enačbah 9.13 in 9.14, ki jih ni mogoče določiti za vsak obdelovanec posebej, lahko pogosto določimo za celo serijo. Če npr. opravimo kontrolno meritev po obdelavi vsakega desetega kosa, lahko ta čas razdelimo sorazmerno po vseh obdelovancih, ali pa ga ustrezno pripišemo celi seriji obdelovancev.

Dejanski proizvodni čas tp je daljši od nominalnega časa cikla t0 zaradi motenj, ki povzročajo zastoje. Obseg teh motenj lahko izrazimo kot količnik časa prekinitev tS in merjenega oz. dejanskega proizvodnega časa tp. Vsota časa prekinitev in časa cikla je proizvodni čas. Proizvodni čas z upoštevanimi prekinitvami torej lahko izračunamo tudi iz časa cikla t0 in deleža prekinitev.

Slika 9.11: Sunkovita proizvodnja na vrsti delovnih mest

9.3.2 Časi in zmogljivost pri tekoči proizvodnji V proizvodnji tekočega tipa se vsi koraki obdelave odvijajo bolj ali manj istočasno, princip je prikazan na Slikah 9.12, 9.13 in 9.14. Kot točko načrtovanja lahko vzamemo celoten tok, pri čemer je skupni čas obdelave kosa odvisen od števila delovnih mest in časa obdelave na vsakem od njih.

V proizvodni industriji že desetletja prevladuje tekoči tip. Zaradi vse dražje proizvodne opreme in dostopnosti poceni računalniških zmogljivosti pa je danes vse več poudarka na funkcijski organizaciji proizvodnih sistemov, s katero se izboljša stopnja izkoriščenosti opreme. V funkcijsko usmerjeni delavnici lahko opremo razmestimo za kombinacijo funkcijskega in tekočega tipa proizvodnje. Pri drugi hibridni rešitvi za zvišanje stopnje izkoriščenosti zelo drage proizvodne opreme se tako na istem stroju križata dva različna toka proizvodnje in izkoriščamo vmesna skladišča.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 189

Slika 9.12: Tekoči tip proizvodnje

Serijska proizvodnja lahko poteka v funkcijski ali tekoči razmestitvi, kot je razvidno iz Slik 9.11 in 9.13. V obeh primerih lahko delamo s točko načrtovanja, čeprav je celotna stopnja izkoriščenosti v primeru na Sliki 9.13 precej nizka. Pri sunkoviti proizvodnji se cela serija obdela na eni postaji, preden se premakne na naslednjo (Slika 9.11). Zaradi čakanja na premike med postajami se vzpostavijo vmesna skladišča. Proizvodnjo na Sliki 9.13 sestavlja več bližnjih delovnih mest brez vmesnih skladišč. Vsak obdelovanec se ustavi na vseh treh delovnih mestih.

Slika 9.13: Tekoča proizvodnja serije na treh delovnih mestih

9.3.3 Osnovni izračuni proizvodnih stroškov Nobene potrebe ni, da bi uporabljali stroškovne modele s stopnjo natančnosti, ki bi bila neprimerno visoka glede na vse negotovosti pri določanju glavnih stroškovnih postavk. Stroškovni modeli pogosto vsebujejo kritične vhodne podatke različnih vrst, ki lahko močno vplivajo na rezultate modela. Najtežje je točno določiti stroške plač in opreme z vsemi povezanimi posrednimi stroški. Vsak stroškovni model mora izpolnjevati naslednje zahteve:

̶ ̶ ̶ ̶

Rezultati modela morajo zagotavljati zanesljivo podlago za odločanje.

Vhodni podatki modela morajo biti objektivni, preverljivi in relevantni za dani nivo obdelave.

Obstajati mora možnost ocene občutljivosti modela in negotovosti, povezane z njim.

Uporaba modela ne sme biti zahtevna.

Glede na namen stroškovnega modela moramo oblikovati več predpostavk. Model mora opredeljevati stroške na tisti ravni, kjer se bodo dogajali načrtne spremembe in razvoj. Če se pri odločanju o spremembah proizvodnih postopkov ne omejimo le na stroške plač in opreme, povezane z načrtovanimi spremembami, temveč upoštevamo tudi spremembe stroškov, ki niso neposredno povezane s proizvodnimi postopki, sprejemamo odločitve tudi na podlagi informacij, ki so zavajajoče ali nerelevantne. Če jemljemo stroške plač in opreme kot delno osnovo za odločanje o razvoju boljših proizvodnih postopkov, povečanja stroškov iz naslova razvoja torej ne smemo pripisati kateremu drugemu področju delovanja podjetja, ki ni neposredno povezano s tem. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 190

Slika 9.14: Tok proizvodnje, sestavljen iz dveh korakov z vmesno zalogo

Stroške stroja oz. proizvodne linije lahko razdelimo na kCP oz. stroške opreme v rabi in kCS, stroške opreme, ko ta ni v rabi. Obe stroškovni kategoriji v modelu vključujeta tudi vrsto drugih stroškov, ki jih štejemo med stroške opreme, kot so investicijski stroški, najemnina z električno energijo, ogrevanjem ali hlajenjem delavnice, stroški vzdrževanja, stroški orodja itd., vendar brez stroškov dela. Stroškovni model za izbrani korak obdelave, ki predstavlja točko načrtovanja, lahko temelji na: ̶ materialnih stroških za izdelke, strošek/izdelek, kB; ̶ stroških opreme v rabi, strošek/uro, kCP; ̶ stroških opreme, ko ta ni v rabi, strošek/uro, kCS; ̶ stroških osebja, vključno z režijskimi stroški, strošek/uro, kD. Pojem »točka načrtovanja« se nanaša na jasno razmejen korak obdelave, za katerega je mogoče identificirati daljši čas cikla skupaj z vsemi možnimi izgubami. Za točko načrtovanja je značilen vnaprej določen nominalni čas cikla skupaj z nominalnim pretočnim časom za dani izdelek ali serijo. Točka načrtovanja lahko torej vključuje enega ali več strojev na delovnih mestih. Lahko je ena linija toka proizvodnje ali pa en sam obdelovalni stroj. Linijo toka proizvodnje lahko opišemo kot veliko točko načrtovanja, ki omogoča izvajanje več različnih operacij, nekaterih od njih tudi istočasno. Slika 9.15 predstavlja dva primera točk načrtovanja v proizvodnji. Za vsakega od njiju je določen nominalni čas cikla. Zgoraj imamo opravka samo z enim obdelovalnim strojem in čas cikla t0 je vsota časov posameznih operacij. Spodaj imamo tri ločena delovna mesta, na katerih se vzporedno obdelujejo trije obdelovanci. Čas cikla t0 je odvisen od stroja z najdaljšim časom cikla.

Kot lahko vidimo, stroškovni model na podlagi točk načrtovanja upošteva serijsko in tekočo proizvodnjo. Predpostavljeno je, da urna plačna postavka ni odvisna od tega, ali stroji obratujejo ali stojijo. Stroški plač med pripravami na novo serijo in med proizvodnjo so enaki, menjava serije pa se v tem kontekstu šteje za prekinitev. Stroški opreme so izraženi kot stroški opreme v točki načrtovanja.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 191

Slika 9.15: Korak obdelave kot točka načrtovanja s prikazom obdelovalnih strojev. Točka načrtovanja zgoraj je en stroj, spodaj pa trije stroji v liniji toka proizvodnje.

Stroške obdelave na izdelek lahko računamo na podlagi različnih stroškovnih postavk. Del teh je povezan z orodjem, druga skupina pa je povezana s stroški materiala ob upoštevanju stopnje zavrnitve. Zavrnjeni deli vplivajo na nominalno velikost serije. Kadar nas posebej zanimajo stroški zavrnjenega ali odpadnega materiala, lahko uvedemo faktor izmeta. Tretja skupina stroškovnih postavk se nanaša na stroške opreme. Nekatere druge stroškovne postavke pokrivajo stroške opreme v povezavi s prekinitvami in menjavami serij. Stroški opreme za izdelavo delov, ki so pozneje zavrnjeni v kontroli kakovosti, se porazdelijo po nominalni velikosti serije. Zadnje stroškovne postavke so stroški dela med obdelavo, prekinitvami in menjavami serij.

Določanje stroškov strojev in opreme je lahko težavna naloga zaradi čisto praktičnih razlogov.

Izračunamo jih lahko na različne načine in od tega je tudi odvisno, kako jih bomo uporabili. Pri knjigovodskem pristopu se uporabljajo različna načela, odvisno od ekonomske in tehnične situacije. Tehnična doba uporabnosti proizvodne opreme je pogosto od dva‐ do štirikrat daljša od ekonomske amortizacijske dobe. Eden od ciljev analize ekonomike proizvodnje je tudi možnost primerjave učinka različnih proizvodnih alternativ oz. razvojnih scenarijev. Vsaka primerjava stopenj povečanja proizvodnje ali različnih ukrepov je lahko zelo problematična, če stroški niso bili izračunani na enak način. Izračune pa še dodatno otežuje dejstvo, da je v proizvodnih obratih zbrana najrazličnejša oprema z različnimi amortizacijskimi stopnjami.

Uporaba trenutne vrednosti opreme ni praktična podlaga za računanje stroška strojev, saj bi se proizvodni stroški stalno zmanjševali, starejša in v dobri meri že iztrošena oprema pa bi imela prednost pred novo, sodobnejšo opremo. Prav tako ne bi bilo smiselno, da bi izdelavo nekega sestavnega dela ali izdelka vedno znova selili po koncernu glede na amortiziranost proizvodnih kapacitet. Računski pristopi morajo biti zato usmerjeni v uporabo stroja čim daljši del njegove tehnične dobe uporabnosti. Izkušnje so pokazale, da je računanje anuitet zelo uporabno pri določanju vrednosti kCP in kCS ne glede na izbrano amortizacijsko dobo. Primerljivost proizvodnih stroškov pri uporabi opreme z različnimi amortizacijskimi stopnjami lahko izboljšamo tako, da izberemo tehnično amortizacijsko dobo, ki je od dva‐ do trikrat daljša od ekonomske amortizacijske dobe. Vsa oprema se vrednoti glede na ceno njene zamenjave, šteje pa se vsaj en remont.

Upoštevati moramo tudi neposredne stroške delovnih prostorov za zaposlene, poslovodstva in strokovnjakov, ki jih neposredno povezujemo s proizvodnjo. Vrednost kD izkustveno dosega največ 2,5‐kratnik bruto plače. Pogosta resna napaka pri računanju stroška človek‐ure kD je, da tej kategoriji stroškov pripišemo velik del režijskih stroškov podjetja. Zaradi takega pristopa lahko dobijo zunanji dobavitelji nezasluženo prednost pred razvojem lastne proizvodnje. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 192

Nepopolna izkoriščenost proizvodnega sistema vpliva na vse stroške delov in komponent. S stališča ekonomike proizvodnje jo lahko obravnavamo na različne načine. Neizkoriščene proizvodne zmogljivosti lahko predstavljajo sredstvo ali ekonomsko breme, odvisno od situacije.

Dolgoročno stroške odvečnih kapacitet nosijo izdelki proizvodnega sistema. Manjši stroški najema in manjši stroški opreme (vrednost opreme) zaradi amortizacije niso nujno negativni. Odvečne kapacitete opreme lahko privedejo tudi do učinkovitejše rabe časa, ki je na voljo zaposlenim.

Spodnja poenostavljena formula popisuje nekatere zgornje preudarke v matematični obliki. Za podrobnejšo razlago modela, formul in vgrajenih načel je bralec napoten na učbenik Metal Cutting, Theories and Models.

Strošek orodja

Strošek materiala obdelovanca

Stroški opreme in proizvodnje

Strošek opreme med zastojem Strošek dela

Stroški vzdrževanja

Stroški ravnanja, mrtvega časa in dodelav

Slika 9.16: Splošni model proizvodnih stroškov; po Ståhlu37,38

37 Ståhl J.‐E., Andersson C., Jönsson M., A BASIC ECONOMIC MODEL FOR JUDGING PRODUCTION DEVELOPMENT, Proceedings of the 1st International Swedish Production Symposium, Göteborg, 2007.

38 Ståhl J.‐E., Development of Manufacturing Systems – The link between technology and economics (učbenik), Oddelek za proizvodno inženirstvo in materiale, Univerza v Lundu, Lund, Švedska, 2013.

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 193

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 194

Sklep Obdelovalni procesi so vsekakor zelo kompleksni. Tudi po vseh obsežnih raziskavah v zadnjih 100 letih so še vedno prisotne vrzeli v znanju, ki jih bo treba premostiti za popolno razumevanje interakcij med rezalnim orodjem, obdelovanim materialom in drugimi parametri procesa. Želja avtorjev te knjige je bila predstaviti praktično uporabno znanje na podlagi fizikalnih modelov in teorij. Modeli so usklajeni in, kolikor je to mogoče, uporabljajo enotne parametre za pojasnitev različnih fizikalnih dogajanj med procesom obdelave z odrezavanjem.

Teorije v praksi Rezalne sile v različnih pogojih procesa, ki med drugim vključujejo rezalne parametre, geometrijo orodja in obdelovani material, lahko določimo eksperimentalno in/ali na osnovi modelov. Med obdelavo se vzpostavi določena porazdelitev rezalnih sil na aktivnih površinah rezalnega orodja.

Mehanske obremenitve povzročajo napetosti v rezalnem orodju, v kombinaciji z rezalno hitrostjo pa se porablja energija za deformacijo obdelovanega materiala in na kontaktnih površinah med orodjem in obdelovancem. Če ima orodje dobro prevleko, se dovedena energija porazdeli po obdelovanem materialu in je med procesom obdelave lokalizirana v deformacijskih conah. Poraba energije v teh conah privede do povišanja temperature in toplotne obremenitve rezalnega orodja.

Zaradi teh obremenitev lahko nastanejo toplotne napetosti, ki se prištevajo k mehanskim.

Lastnosti rezalnega materiala morajo ustrezati mehanskim obremenitvam orodja in visokim temperaturam. Skupne obremenitve rezalnega orodja lahko obvladujemo s prilagajanjem delovnih pogojev, predvsem geometrije orodja in rezalnih parametrov. Obrabo in slabšanje rezalnega orodja nadzorujemo s porazdelitvijo obremenitev po orodju in s tribološkimi razmerami na stiku med orodjem in obdelovancem. Mehanske in toplotne obremenitve v kombinaciji s časom obdelave privedejo do triboloških obremenitev. Temu se pogosto pridružijo še kemične obremenitve v obliki kemičnih reakcij in difuzije, ki potekajo še hitreje pri povišanih temperaturah.

Obstojnost orodja proti obrabi je odvisna od sil, ki delujejo na ploskve orodja, temperatur med procesom in časa rezanja. Obstojnost orodja, stopnja odvzema materiala in iz tega izhajajoča skupna količina materiala, ki ga lahko odstranimo z enim rezalnim robom, izhajajo iz ravnovesja med lastnostmi orodnega materiala in celotnimi obremenitvami orodja med obdelovalnim procesom. Obstojnost orodja in dosegljiva stopnja odvzema materiala določata čas cikla in strošek orodja pri obdelavi izdelka. Ob upoštevanju stroškov opreme, osebja in drugih ustreznih dejavnikov lahko izračunamo stroške proizvodnje vsakega izdelka.

Zveza med tehnologijo in ekonomiko Vsako spremembo proizvodne tehnologije lahko analiziramo tudi po ekonomski plati, če imamo enovit in dosleden model procesa odrezavanja. Zveza med tehnologijo in ekonomiko vse bolj pridobiva na pomenu. Pri razvoju tehnologij moramo upoštevati in primerjati različne scenarije.

Tako lahko denimo poiščemo nova orodja, ki so bolje prilagojena zahtevam aplikacije, ali pa izboljšamo odrezovalnost obdelovanega materiala. Vsakega proizvajalca orodja mora zanimati, kakšen gospodarski učinek pri obdelavi komponente prinese kupcu sprememba določene lastnosti rezalnega orodja, npr. povečanje lomne žilavosti in protiobrabne obstojnosti orodnega materiala, izboljšanje geometrije orodja ali izboljšanje tehnologije prevlek.

Pomen znanja in izobraževanja Konkurenčnost vsakega podjetja je v veliki meri odvisna od kompetentnih ljudi. Vsak kader mora imeti ustrezne kompetence na pravem področju, ključni dejavnik za trajni uspeh podjetja pa je predvsem prisotnost nekaj ljudi z vrhunskimi kompetencami. Avtorja sta prepričana, da lahko ta knjiga in pripadajoči izobraževalni paket prispevata k vseživljenjskemu izobraževanju in usposabljanju vseh oseb, ki imajo opravka z odrezavanjem kovin. _____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 195

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 196

Stvarno kazalo Abrazivna obraba, 170 Abrazivnost, 114 Adhezija, 113 Adhezijska obraba, 170 ADI, 131 Alloy 718, 140 Aluminijasti ulitki, 128 Analiza prehodnih toplotnih pojavov, 73 Avstenitna nerjavna jekla, 138, 139 Avtomatno jeklo, 133 Bainitno poboljšana duktilna litina, 128, 131 Bainitno poboljšanje, 127 Bela litina, 132 Bočno odtekanje, 36 Brezdelna faza, 59 Čas stroja, 188 cBN, 164 Celotno poslabšanje, 151 Cepilna ploskev, 27 CGI, 132 Colding, 19 Coldingova enačba, 185 Coulombovo trenje, 75 Deformacijsko utrjevanje, 112, 115, 126 Delaminacija, 149 Diamant, 166 Difuzija, 114, 170 Dinamične rezalne sile, 48 Dinamika odrezavanja, 99 Dolžina segmentacije, 89 Drdranje, 92 Držalo rezalnega orodja, 22 Duktilnost, 113, 126 Dupleksna nerjavna jekla, 139 Dušenje procesa odrezavanja, 99 Ekvivalentna debelina odrezka, 34 Ekvivalentna obraba proste ploskve, 169 Ekvivalentni radij konice, 31 Enorezilni postopki obdelave, 21 Erozijska obraba, 170 Faktor izmeta, 192 Faza izstopa, 56 Faza vstopa, 51 Feritna nerjavna jekla, 138, 139 Formula za strižni kot, 85 Frekvenca oblikovanja segmentov, 89 Glavni rezalni rob, 27

Glavničasta razpoka, 149, 176 Globina rezanja, 23 Hitrorezno jeklo, 135 Hitrost odrezka, 23, 83 Hladilno‐mazalne tekočine, 144 Incoloy, 140 Inconel, 140 Indeks motnje oblikovanja segmentov, 89 Indeks variabilnosti, 87, 88 Izločevalno utrjevanje, 127 Jekla za delo v hladnem, 134 Jekla za delo v vročem, 135 Jekleni ulitki, 128 Jeklo, 133 Jeklo za cementiranje, 133, 136 Jeklo za kroglične ležaje, 136 Jeklo za poboljšanje, 133 Kaljenje, 127 Karbidna trdina, 158 Karbidno jeklo, 133 Kemična obraba, 170 Kemične reakcije, 114 Keramike, 163 Kermet, 162 Koeficient nakrčenja, 31 Koeficient navideznega trenja, 75 Količina odrezkov, 25 Kompoziti, ojačani z vlakni, 145 Kompozitni materiali, 128 Koncept odrezovalnosti, 15 Konstrukcijski parametri, 28 Konstrukcijsko jeklo, 133 Kontrola kakovosti, 189 Kot klina, 25 Kot nagnjenosti strukture, 83 Kotanjasta obraba, 31, 171 Kriogeno hlajenje, 145 Kriterij obrabe, 168 Kriterij obstojnosti, 168 Kritična obdelava, 96 Krušenje rezalnega roba, 149, 177 Litina s kroglastim grafitom, 130 Litina z vermikularnim grafitom, 132 Lokalna obraba, 169 Lomljenje odrezkov, 105 Luščenje, 149, 176, 177 Makroekonomski model, 188

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 197

Makrogeometrija, 25 Maksimalna teoretična debelina odrezka, 37 Malolegirano jeklo, 133 Martenzitna nerjavna jekla, 138 Materiali s kratkimi odrezki, 28 Materiali z dolgimi odrezki, 28 Matrika uspešnosti proizvodnje, 16 Mehansko filtriranje, 100 Metoda končnih elementov, 71 Mikrogeometrija, 25 Mikrostruktura, 123 Minimalna teoretična debelina odrezka, 35, 37 MMC, 113, 128 Nagibni kot, 27 Nalepek, 27, 36, 75, 77, 104, 105, 106, 170 Nalepljena plast, 27 Napetosti v rezalnem orodju, 60 Naravni radij roba, 31 Nastanek srha, 143, 145 Nastavni kot, 24, 27 Nečistoče, 125 Negativna strižna ravnina, 56 Nepravilna razpoka, 150 Neprekinjeni postopki, 21 Nerjavno jeklo, 128, 137 Neželezni materiali, 128 Nodularna litina, 128, 130 Normalizacija, 127 Oblikovanje odrezkov, 105 Območje lahkotnega odrezavanja, 45 Obraba proste ploskve, 30, 147, 148, 171 Obračalne ploščice, 22 Odrezovalnost, 109 Okoljski vidiki, 143 Osi in ravnine, 22 Parametri kakovosti, 14, 179 Parametri okolja in recikliranja, 179 Parametri prekinitev, 14, 179 Parametri recikliranja, 15 Parametri rezultatov, 14 Parametri uspešnosti, 179 Parametri zmogljivosti proizvodnje, 14, 15 pcBN, 164 PKD, 166 Plastična deformacija, 147, 173 Podajanje, 23 Polarni diagram, 114 Popolna odpoved, 150

Poraba energije, 63 Poraba energije na prosti ploskvi, 65 Poraba moči, 44, 46, 47, 64, 67 Posnetje, 26 Postopki odrezavanja s prekinitvami, 50 Potencialna odrezovalnost, 114 Površine orodja, 81 PPM, 16, 180 Prekinitve, 14, 15, 169 Prerez odrezka, 24 Prevleke, 167 Primarna deformacijska cona, 32, 67 Proizvodni stroški, 190 Prosta ploskev, 27 Prosti kot, 26 Radij konice, 27 Radij roba, 25, 35 Regeneracija vibracij, 94 Rezalna hitrost, 23 Rezalna orodja iz polnega materiala, 22 Rezalni parametri, 14, 23 Rezultanta rezalnih sil, 40 Samopodajanje, 35 Segmentacija, 87, 88 Sekundarna deformacijska cona, 32, 66, 67 Sestavljena temperatura, 69 Simulacija po metodi končnih elementov, 35 Simulacije ekonomike proizvodnje, 188 Sintrane kovine, 137 Širjenje odrezka, 31, 89 Siva litina, 128, 129, 130 Skupine faktorjev, 15, 17 Specifična rezalna sila, 44, 45, 46 Spontana odpoved orodja, 169 Stacionarna faza, 55 Standardizirana področja uporabe, 28 Stanje obdelovanega materiala, 126 Staranje, 127 Statične rezalne sile, 39 Stopnja deformacije, 83 Stopnja odvzema materiala, 25 Stopnja prekinitev, 15 Stopnja zavrnitve izdelkov, 14, 15, 192 Stranski nastavni kot, 27 Stranski rezalni rob, 27 Strižna hitrost, 84 Strižna napetost, 86 Stroški na izdelek, 184 Superzlitine, 128, 140

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 198

Surovo jeklo, 128 Taylorizem, 19 Taylorjeva enačba, 172 Tehnika hipne prekinitve procesa odrezavanja, 33, 78, 85 Temperatura lomljivosti v modrem, 80 Teoretična debelina odrezka, 23 Teoretična hitrost odrezka, 23 Teoretična največja višina profila, 29 Teoretična površinska hrapavost, 29 Teoretična širina odrezka, 23 Terciarna deformacijska cona, 32 Titan in titanove zlitine, 142 Topilno žarjenje, 127 Toplotna analiza, 63 Toplotna prevodnost, 113, 124 Toplotne napetosti, 73

Trdota, 126 Učinkovitost proizvodnje, 14 Upor pri odrezavanju, 44, 45 wBN, 164 Večrezilni postopki obdelave, 21 Vibracije, 92 Vibracije obdelovancev, 94 Vključki, 125 Vmesno skladišče, 190 Vzporedna razpoka, 149 Zarezna obraba, 172 Žarjenje, 127 Zastojna točka, 33, 75, 77 Zastojne cone, 33 Zavrnitev, 169 Žilavostne lastnosti, 28 Zlitinski elementi, 122

_____________________________________________________________________________________ Odrezavanje kovin, teorije v praksi – stran 199