Prof. Krzysztof Jemielniak
[email protected] http://www.zaoios.pw.edu.pl/kjemiel ST 107, tel. 22 234 8656
Plan wykładu 1. Pojęcia podstawowe
Obróbka Skrawaniem
2. Geometria ostrza 3. Materiały Materiały narzędziowe narzędziowe 4. Proces tworzenie się wióra
Część 3
5. Siły, moc i ciepło w procesie skrawania
Materiały narzędziowe
6. Zużycie i trwałość ostrza 7. Skrawalność materiałów konstrukcyjnych 8. Dobór warunków skrawania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
9. Zaliczenie Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wymagania stawiane materiałom narzędziowym •
•
•
zwłaszcza twardość na gorąco, tak że twardość i wytrzymałość są zachowane w temperaturach występujących przy skrawaniu
Zależy od:
•
do wykonania skrawania narzędzie musi być ok. 30 HRC twardsze niż materiał obrabiany
• sposobu obróbki skrawaniem
Wytrzymałość
by mogło skrawać przez odpowiednio długi czas między przeostrzeniami czy wymianami
Stabilność chemiczna •
•
narzędzie musi wytrzymywać znaczne i zmienne obciążenia, nie ulegając złamaniom czy wykruszeniom
• wielkości naddatku (obróbka zgrubna czy wykańczająca)
Odporność na zużycie •
•
Wybór materiału ostrza
Twardość
•
•
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
w odniesieniu tak do materiału obrabianego jak cieczy chłodzącej
Racjonalnie niski koszt •
• materiału obrabianego (gatunek, kształt, stan powierzchni) • sztywności i mocy obrabiarki
by zapewnić ekonomiczną obróbkę Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
1
• wytrzymałość wystarczająca do przeniesienia sił skrawania • zdolność do tłumienia drgań • dobra przewodność cieplna • rozszerzalność cieplna podobna do rozszerzalności materiału części roboczej • niski koszt
Materiały narzędziowe
odporność na zużycie, twardość
Materiał części chwytowej
diament (PCD) regularny azotek boru (CBN)
węgliki spiekane pokrywane
ceramika cermetale
węgliki spiekane drobnoziarniste węgliki spiekane stale narzędziowe
Z reguły stale konstrukcyjne stopowe
stal szybkotnąca
wytrzymałość, udarność Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zależność twardości podstawowych materiałów narzędziowych od temperatury
Rozwój możliwych do zastosowania prędkości skrawania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
2
Zastosowanie materiałów narzędziowych na świecie (2004)
Stale narzędziowe
inne 4%
Cermet 7%
Stale narzędziowe
9% 5%
stal szybkotnąca 28%
Węglowe (niestopowe)
Stopowe
Do pracy na zimno
Do pracy na gorąco
węgliki 47%
Szybkotnące
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Stale narzędziowe węglowe Skład: 0.5-1.4% węgla oraz niewielką ilość (0.15-0.35%, powiedzmy ok. 0.3%) dodatków stopowych Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Struktura: martenzytyczna Twardość: w stanie zmiękczonym 200 HB, zahartowane 60HRC.. ale tracą ją ok. 200 °C Zastosowanie: obróbka ręczna materiałów o dobrej skrawalności, noże do drewna
noże krążkowe do cięcia papieru, gumy, tworzyw sztucznych
Stale narzędziowe stopowe Skład: 0.75-2.1% węgla oraz większą ilość (zwykle do powiedzmy 3%) dodatków stopowych Mn, Mo, Si, Cr, W i V. Struktura: martenzytyczna Twardość: zahartowane 62HRC.. ale tracą ją ok. 300 °C Zastosowanie: takie samo jak stali węglowych - są nieco droższe i nieco lepsze. Polskie gatunki do pracy na zimno: NV, NMV, NC5... NC11, itd. Polskie gatunki do pracy na gorąco: WNW2, WNL, WCL itd. W - wolfram, C - chrom, S - krzem, V - wanad, M - mangan, N-Nikiel, L molibden, P - grupa chrom-nikiel-wanad. Z - grupa krzem-chrom-wolfram.
Podział na: •
Płytko hartujące się: mała wrażliwość na przegrzanie, do małych narzędzi (D<20mm): N7E-N12E
•
Głęboko hartujące się, do większych narzędzi, zawierające nieco więcej dodatków: N5-N12
Cyfra w oznaczeniu odpowiada zawartości węgla w 0.1% Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
3
Rola składników stopowych
Stale szybkotnące Stale narzędziowe:
chrom - zwiększa odporność stali na ścieranie nikiel, mangan - zmniejszają szybkość chłodzenia potrzebną do zahartowania krzem - zwiększa wytrzymałość i twardość stali oraz jej sprężystość
•
węglowe, ok. 0.3% dodatków - 200°C,
•
stopowe, ok. 3% dodatków - 300 °C,
•
a gdyby tak... ze 30% dodatków?
HSS wynalezione pod koniec XIX wieku przez F.W. Taylora i M. White’a
wolfram i molibden - zwiększają odporność stali na wysoką temperaturę wanad - wpływa na tworzenie się struktury drobnoziarnistej, zwiększa odporność na obciążenia dynamiczne oraz zwiększa twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze kobalt - wpływa dodatnio na twardość i wytrzymałość stali, zmniejsza jej wrażliwość na przegrzanie (błędy popełnione podczas obróbki hartowania)
pierwsze 5 lat stosowania: •
w USA wydano na narzędzia z niej zrobione 20 milionów dolarów
•
wzrost wartości produkcji o 8 miliardów dolarów!
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Stale szybkotnące
Obróbka cieplna stali szybkotnących •
Najbardziej wytrzymały materiał narzędziowy
•
Drugi pod względem częstości stosowania
•
Traci właściwości przy ok. 550°C
•
•
Nagrzewanie do hartowania 3-4 stopniowe (zła przewodność cieplna:)
•
Chłodzenie w kąpieli solnej (550°C) lub oleju (80-200°C), a dalsze w powietrzu.
•
Odpuszczanie co najmniej 2krotne: przemiana austenitu szczątkowego i usunięcie kruchości ponadto wtórne utwardzanie:
Materiał, którym skrawa się.... najwolniej!
☺ Wynika z tworzenia się wewnątrz martenzytu bardzo drobnych cząsteczek węglików z W, V, i Mo rozpuszczonych wcześniej w żelazie.
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
4
Segregacja węglików w stalach szybkotnących •
Grupowanie się węglików metali trudnotopliwych
•
Wynika z nierównomiernego krzepnięcia wlewka
•
Pogarsza wytrzymałość
•
Wytrzymałość HSS konwencjonalnych i • brak segregacji spiekanych •
wyższa wytrzymałość i udarność przy tej samej twardości
Zwalczanie: •
wielokrotne przekuwanie...
•
lub spiekanie
PM (powder metallurgy) HSS:
•
izotropowe właściwości – mniejsze odkształcenia w czasie
wytrzymałość
hartowania •
lepsza szlifowalność
•
wyższy, bardziej powtarzalny okres trwałości narzędzi
twardość Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Narzędzia z HSS pokrywane azotkiem tytanu (TiN)
Pokrywanie narzędzi TiN metodą PVD
Physical Vapour Deposition Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
5
Stal szybkotnąca pokryta TiN
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Wpływ pokrycia na właściwości HSS • •
Zużywanie się narzędzia z HSS pokrywanych TiN
Gatunki stali narzędziowych i szybkotnących
zwiększa twardość powierzchni i odporność na zużycie ścierne i adhezyjne redukuje współczynnik tarcia wióra o powierzchnię natarcia •
lepsze odprowadzanie wiórów
•
mniejsze siły skrawania
•
mniej wytwarzanego ciepła
•
redukcja narostu
•
redukuje ilość ciepła wnikającego do narzędzia (bariera cieplna)
•
zwiększa odporność na utlenianie
•
poprawia jakość powierzchni obrobionej
Stale narzędziowe
Stale szybkotnące
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
6
Węgliki spiekane
Wytwarzanie węglików spiekanych Podstawowy, najczęściej stosowany materiał narzędziowy
•
wprowadzone w latach 30-tych
•
60-95% WC+TiC+TaC+NbC (1-10µm) + Co
•
wysoka twardość (1500-1700 HV) w szerokim zakresie temperatur, stosunkowo wysoka wytrzymałość i przewodność cieplna
•
niska rozszerzalność cieplna Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Węgliki spiekane •
Znacznie mniej wytrzymałe niż HSS
•
Znacznie bardziej odporne na zużycie
•
Zachowują właściwości do ok. 900°C
•
Dwie podstawowe grupy: •
(X 2000)
10 µ m
WC-Co • • •
•
Struktura typowych węglików spiekanych
wyższa wytrzymałość na zginanie i udarność, lepiej znoszą niskie prędkości skrawania i zużycie ścierne, lepsza przewodność cieplna,
WC-TiC-TaC-NbC-Co •
ISO 40K, gruboziarnisty WC 8% Co
ISO P25, drobnoziarnisty WC+TaC+NbC 11% Co
ISO M40, drobnoziarnisty WC+TaC+NbC 12.5% Co
odporne na zużycie dyfuzyjne – obróbka stali
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
7
Węgliki spiekane drobnoziarniste
Zależność między wytrzymałością a twardością dla drobnoziarnistych węglików spiekanych
Podwyższona wytrzymałość i odporność na zużycie zwłaszcza małych narzędzi np. wierteł o
wytrzymałość na zginanie K1c
Mpa 0.5 35
Nano & Ultrafine
30 25 20 15
Submicron
10
Micron
5 0 1100
1200
1500
1800
2100
średnicach 0,05-0,2 mm Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Pokrywanie węglików spiekanych metodą CVD
Kg/mm2
2500
Twardość Vickers’a Hv
Węgliki pokrywane
TiN Al2O3 TiCN TiC rdzeń
TiN
– niskie tarcie, odporność na narost
Al2O3
– odporność na adhezję i dyfuzję, niska przewodność cieplna: bariera cieplna
TiC, TiCN – wysoka twardość, odporność na ścieranie rdzeń
– wysoka wytrzymałość
Chemical Vapour Deposition Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
8
Podwyższenie wytrzymałości przez zwiększenie zawartości kobaltu pod pokryciem
Właściwości różnych pokryć Stabilność chemiczna
Al2O3 TiC
IC 825
Ti (C, N) Ti (Al, N)
IC 848
IC 8048
IC 9025 8025
TiN
Al2O3
TiN ZrN
odporność na zużycie
współczynnik tarcia
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Porównanie pokrywania metodą CVD i PVD
temperatura
800° - 1100° C
warstwy pokrywające całkowita grubość pokrycia kierunkowość pokrycia charakterystyka ogólna
PVD
węgliki, azotki, tlenki
TiN, TiCN, TiAlN
2 – 15 µm
2 – 5 µm
ze wszystkich stron
kierunkowe
więcej możliwych kombinacji pokryć, dobre przyleganie pokrycia
CVD Pokrycie Coating CVD(5-10 µm)
200° - 500°C
ostra krawędź skrawająca, gorsze przyleganie pokrycia, mniejsze naprężenia między, rdzeniem i pokryciem
rdzeń
5
Coating pokrycie
10
Depth (µm) głębokość (µm)
Substrate rdzeń
PVDPokrycie CoatingPVD (2-6 µm) naprężenia ściskające Compression Stress naprężenie Tensilerozciągające Stress
CVD
naprężenia ściskające Tensilerozciągające Stress Compression Stress naprężenie
Proces
Rozkład naprężeń w pokryciu i rdzeniu
rdzeń
5
10
pokrycie Coating
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
głębokość Depth (µm) (µm)
Substrate rdzeń
9
Właściwości i zastosowanie pokrycia TiALN metodą PVD
Porównanie właściwości pokryć 1. Zużycie ścierne 2. Zużycie wytrzymałościowe (statyczne i dynamiczne) 3. Zużycie adhezyjne
Właściwości pokrycia 2-6µm :
Coating TiAIN 2-6µm, PVD coating • Properties 3000-3500 HV utrzymywana do wysokich HV temperatur 3000-3500 hot hardness • Excellent duża odporność na utlenianie oxidation resistance • Superior niska przewodność cieplna Low thermal conductivity • Sharp ostre krawędzie skrawające cutting edges protective layer at high temp • Al-oxide w wysokich temperaturach powstaje ochronna warstwa tlenków glinu
1
2
3
4. Deformacje plastyczne 5. Wykruszenia, pęknięcia 6. Możliwość utworzenia ostrej krawędzi 4
5
6
Zastosowanie:
•
Application obróbka materiałów trudnoskrawalnych Difficult-to-machine materials obróbka z wysokimi prędkościami (HSM) High speed machining Dry machining skrawanie na sucho Machining of cast iron obróbka żeliwa Milling and turning of Ti-alloys frezowanie istainless toczenie stopów Machining steel tytanu
•
obróbka stali nierdzewnych
• • • •
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Cermetale
Zastosowanie węglików spiekanych i cermetali
Węglik tytanu (TiC) i węgliko-azotek tytanu (TiCN) ze spoiwem niklowym (Ni) W porównaniu do węglików spiekanych konwencjonalnych: Właściwości •
wyższa twardość i odporność na wysokie temperatury
•
wyższa odporność na zużycie
•
niższe tarcie wióra o powierzchnię natarcia i narzędzia o przedmiot
•
minimalny narost
•
niższa wytrzymałość
•
łatwiejsze wykruszanie
Zastosowanie •
wyższe prędkości skrawania
•
toczenie wykańczające
•
lepsza jakość powierzchni obrobionej
•
mniejsze siły skrawania
•
głównie do obróbki ciągłej
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
10
Węgliki spiekane – gatunki
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Spieki ceramiczne – ceramika tlenkowa Ceramika tlenkowa, oparta na Al2O3 •
•
indywidualne płytki (białe)
•
prasowanie na gorąco dużych walców, ciętych na płytki
Drobne ziarno (do 5 µm), porowatość <2%
•
Twardość w temperaturze pokojowej ok. 1600 HV
•
Spieki ceramiczne – ceramika Al2O3 czysta •
Wytwarzanie – prasowanie i spiekanie (podobnie jak WS)
•
•
Narzędzia z płytkami węglików
Wytrzymałość na ściskanie ok. 2750 Mpa Podział na •
czystą
•
mieszaną
•
zbrojoną
•
Skład: •
prawie wyłącznie Al2O3
•
dodatki ZrO2 (poprawa udarności i wytrzymałości)
•
MgO i TiO – poprawa zagęszczenia i właściwości skrawnych
Zalety: •
wysoka twardość, do wyższych temperatur niż WS
•
małe powinowactwo z metalami, nie uleganie reakcjom chemicznym (stabilność chemiczna) •
•
•
brak narostu, dyfuzji, utleniania
Wady: •
mała wytrzymałość, udarność (3x mniejsza niż WS)
•
niska przewodność cieplna
Zastosowanie •
toczenie żeliwa szarego w ustabilizowanych warunkach, gdy potrzebna jest duża gładkość (bez szlifowania) – czoła sprzęgieł i hamulców samochodowych
•
prędkości skrawania 2-3x wyższe niż dla WS (ok. 600 m/min)
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
11
Spieki ceramiczne – ceramika Al2O3 mieszana •
Skład •
•
•
dodanie przed spiekaniem ok. 25% włókien SiC 2x20µm
•
odporność na wysoką temperaturę,
wyższa przewodność cieplna
•
odporność na szok termiczny
•
•
odporność na zużycie
odporność na szok termiczny
wyższa udarność
•
Zastosowanie
Zastosowanie
•
obróbka żeliwa stopowego,
•
obróbka żeliwa w szerszym zakresie,
•
obróbka stopów żarowytrzymałych jak stopów niklu
•
obróbka stopów żarowytrzymałych jak stopów niklu
•
obróbka stali utwardzonej
•
obróbka materiałów twardych (poniżej 65 HRC)
•
obróbka przerywana
•
obróbka szybkościowa stali
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Si3N4+Al2O3
Narzędzia z płytkami ceramicznymi •
Płytki z fazką – dla wzmocnienia krawędzi skrawającej, grubsze niż z węglików
•
oprawki podobne jak dla węglików,
Si-Al-O-N
prasowanie na zimno, następnie spiekanie (jak węgliki) spiekanie pod wysokim ciśnieniem (HPSN - hot pressed silicon nitride) – wyższa gęstość i lepsze właściwości
Właściwości • • • •
•
Właściwości
Wytwarzanie • •
•
•
•
Skład •
Skład
Właściwości
Spieki ceramiczne – ceramika azotkowa Si3N4 •
•
•
dodatek 20-30% TiC i TiN (ceramika czarna)
•
•
Spieki ceramiczne – ceramika Al2O3 zbrojona
b.dobra przewodność cieplna i niska rozszerzalność: odporność na szok termiczny i zużycie nie wchodzi w reakcje z materiałami nieżelaznymi, odporna na utlenianie wysoka wytrzymałość i udarność, zachowana do wysokich temperatur – ok 1000°C
Zastosowanie • •
obróbka żeliwa na sucho i z chłodzeniem, szybkościowa obróbka żarowytrzymałych stopów niklu (Inconel 718) Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
12
Regularny azotek boru i diament
Wytwarzanie PCD i CBN
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Regularny azotek boru (CBN, PCBN)
Regularny azotek boru (CBN, PCBN)
•
PCBN – spiekany CBN ze spoiwem ceramicznym lub TiN
•
Bardziej odporny na zużycie, twardszy niż ceramika
•
stali hartowanych
•
Twardość i przewodność cieplna ustępuje tylko diamentowi
•
białych żeliw stopowych,
•
Żeliwa szare perlityczne
•
Bardzo drogi! (~10 x droższy niż węgliki spiekane)
•
elementów utwardzanych powierzchniowo,
•
oparte na niklu i kobalcie stopy żaroodporne
•
•
~600zł
Narzędzia: • • •
płytki z warstwą (< 5 mm) na podkładzie z węglika spiekanego,
~250zł ~500zł
naroża w płytce z węglika bądź też w postaci jednolitych płytek. często sfazowanie krawędzi skrawającej, starannie wygładzanej
•
Obróbka:
Warunki skrawania •
niewielkie prędkości i przekroje warstwy skrawanej
•
duże siły – duże moce
•
konieczna odpowiednia moc i sztywność obrabiarek
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
13
Koncentracja CBN • Niska koncentracja CBN (45-50%) • • •
Twardość materiału obrabianego w funkcji temperatury
toczenie wykończeniowe stali hartowanych obróbka ciągła lub z niewielkimi przerwami jeden lub więcej wierzchołków wlutowanych w płytkę z węglików
70 60
• Średnia koncentracja CBN (50-60%) do obróbki stali hartowanych obróbka ciągła lub z niewielkimi przerwami submikronowe ziarno i specjalne spoiwo ceramiczne zwiększa wytrzymałość i stabilność chemiczną
• Wysoka koncentracja CBN (80-90%) • • •
obróbka zgrubna stali hartowanych i szybkościowa obróbka żeliwa wytrzymuje szerszy zakres obróbki przerywanej dobra wytrzymałość i odporność na zużycie materiałów dających krótkie wióry i spieków
50 twardość (HRC)
• • •
Temperatura ostrza niezbędna do efektywnego wykorzystania PCBN
Materiał hartowany
40 30
20 10
miękki materiał
200
400
600
800
Temperatura (°C) Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Regularny azotek boru (CBN, PCBN) - gatunki
Porównanie CBN i ceramiki przy obróbce na twardo • CBN jest bardziej korzystny przy obróbce przerywanej • Umożliwia uzyskanie ostrzejszych krawędzi skrawających, co redukuje siły skrawania • Jest bardziej korzystny gdy konieczny jest mały promień naroża
Pod względem kosztów – przy obróbce ciągłej twardych materiałów, narzędzia ceramiczne osiągają duże okresy trwałości ostrza, wysoką jakość powierzchni przy znacznie niższym koszcie niż CBN Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
14
Diament (PCD)
•
• •
Pokrycia diamentowe CVD mikrofrezu
Najtwardszy ze wszystkich materiałów, najwyższa przewodność cieplna, doskonała stabilność chemiczna Przy temperaturze ponad 650°C może ulegać grafityzacji Nie stosować do obróbki stali !
ostrze pokrywane FGD
ostrze niepokrywane
FGD-fine-grained diamond
UDD-ultra-disperse diamond
ostrze pokrywane UDD
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zastosowanie diamentu polikrystalicznego (PCD) •
nadeutektyczne stopy aluminium i krzemu (korpusy silników samochodowych)
•
stopy miedzi,
•
materiały niemetalowe o silnych własnościach ścierne jak tworzywa sztuczne warstwowe czy obwody drukowane
•
szkło, ceramika, materiały kompozytowe
•
Obróbka precyzyjna materiałów niemetalowych (bardzo ostra krawędź skrawająca)
Lustra metalowe obrabiane narzędziami diamentowymi
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
15
Diament (PCD) - gatunki
Porównanie zastosowania PCD i PCBN PCBN
PCD Stabilność termiczna grafityzacja w wysokich temperaturach, dyfuzja węgla
Pokrewieństwo z żelazem Odporność na ścieranie • • • •
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Klasyfikacja materiałów obrabianych
K czerwony
S brązowy
H biały
Stale i staliwa z wyjątkiem austenitycznych, żeliwa ciągliwe
M10 : : M40
Stale nierdzewne, austenityczne, austenityczne-ferrytyczne, staliwa
K01 : : K40
Żeliwa: szare, sferoidalne, ciągliwe
N01 : : N30
Metale nieżelazne: aluminium i inne, tworzywa sztuczne, drewno
S01 : : S30
H01 : : H30
właściwości
Trudnoobrabialne, żarowytrzymałe stopy oparte na żelazie, niklu i kobalcie, tytan i jego stopy
Hartowana stal, hartowane żeliwo, żeliwo białe
parametry skrawania
prędkość skrawania
N zielony
P01 : : : P50
kierunek zmian
udarność
M żółty
Materiał obrabiany
odporność na zużycie
niebieski
twarde stale żeliwa hartowane twarde warstwy zewnętrzne żeliwo szare perlityczne
posuw, głębokość
P
• • • •
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Klasyfikacja twardych materiałów narzędziowych wg ISO 513:2004 Grupa ISO
drewno metale nieżelazne tworzywa sztuczne minerały
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
16
Materiały ostrza – do materiałów obrabianych
Jakieś pytania?
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
17
