badanie wytrzymałości ostrza noża tokarskiego przy użyciu metody ...

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-77133, s. 159-166,Gliwice 2007BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI OSTRZA NOŻA TOKARSKIEGOPRZY UŻYCIU METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCHJERZY WODECKIKatedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląskae-mail: jerzy.wodecki@polsl.plStreszczenie. Wyznaczono rozkłady naprężeń w ostrzu noża tokarskiegow warunkach skrawania ortogonalnego, stosując metodę elementów skończonych.Uwzględniono trzy fazy obróbki: wcinanie ostrza w obrabiany materiał, ciągłeskrawanie oraz wyjścia ostrza z obrabianego materiału. Zaproponowano hipotezywytężeniowe dla wyznaczenia niebezpiecznych wartości naprężeń redukowanych.Określono wpływ posuwu na współczynniki zapasu kruchej i plastycznejwytrzymałości materiału ostrza noża.1. WSTĘPPrzy wciąż wzrastającym stopniu automatyzacji obróbki skrawaniem istotnym problememjest zmniejszenie ryzyka nieprzewidzianego uszkodzenia narzędzi skrawających. Zwiększenieniezawodności pracy narzędzi skrawających można uzyskać przez badanie mechanizmówwywołujących nagłą utratę ich własności skrawnych, a następnie ograniczenie przyczyn tegotypu zużycia. Wymaga to wyznaczenia wartości i rozkładów naprężeń występującychw narzędziach podczas pracy. Możliwie dokładne określenie maksymalnych wartościnaprężeń, które decydują o wytrzymałości narzędzi, pozwoli na optymalizację kształtunarzędzi ze względu na ich wytrzymałość oraz na wyznaczenie dopuszczalnych parametrówskrawania. Istotnym zagadnieniem teorii skrawania jest więc zbadanie mechanizmówpowodujących zniszczenie części roboczej narzędzi, a jednocześnie opracowanie wiarygodneji możliwie prostej w zastosowaniu metody wyznaczenia naprężeń w ostrzach narzędzi.Ze względu na to, że metody elastooptyczne oraz analityczne nie pozwalają nawyznaczenie rozkładów naprężeń w ostrzach narzędzi z wystarczającą dla przedstawionychpowyżej celów dokładnością [1, 5], w badaniach modelowych wytrzymałości ostrza nożatokarskiego zastosowano metodę elementów skończonych.Stosując tę metodę można bowiem:– obciążyć model ostrza narzędzia zarówno od strony powierzchni natarcia, jak teżprzyłożenia, naprężeniami normalnymi i stycznymi, o rozkładach zbliżonych dorozkładów, określonych na podstawie licznych badań doświadczalnych,– przeprowadzić badania stosując wartości obciążeń wyznaczone na podstawieempirycznych wzorów na siły skrawania, opracowanych dla różnych materiałówskrawanych,– określić rozkłady wybranych naprężeń w całym ostrzu skrawającym,

3. WYNIKI BADAŃBADANIE WYTRZYMAŁOŚCI OSTRZA NOŻA TOKARSKIEGO... 1613.1. Analiza naprężeń na powierzchniach ostrza nożaStale szybkotnące i węgliki spiekane należą do materiałów półkruchych [6]. Takie cechyjak kruchość czy plastyczność nie są ich immanentnymi własnościami i w dużym stopniuuzależnione są od stanu naprężeń, jakim te materiały są poddane. W warunkachjednoosiowego rozciągania, w temperaturze pokojowej, w próbkach wykonanych ze staliszybkotnącej lub węglików spiekanych nie zauważa się jakichkolwiek odkształceńplastycznych i próbki ulegają kruchemu zniszczeniu, a otrzymane dane charakteryzują kruchąwytrzymałość tych materiałów. Jeżeli jednoosiowe rozciąganie zamienić na badanietwardości przez wciskanie piramidki, to wyniki zasadniczo się zmieniają. Sądząc pootrzymanych odciskach, dla wymienionych materiałów narzędziowych zachodzi plastycznadeformacja, bez zauważalnego śladu kruchego zniszczenia w postaci utworzeniamikropęknięć, tj. przy badaniach twardości maksymalne naprężenia nie osiągają wartościgranicy wytrzymałości na rozrywanie i twardość wyraża opór odkształcenia plastycznegomateriału [1].Przyjęto więc następujące zasady doboru hipotez wytężeniowych, decydujących o krucheji plastycznej wytrzymałości materiału.1. Naprężenia główne σ1 > σ2> σ3≥ 0,o wytrzymałości decyduje naprężenie główne σ 1σ 1 = R m(1)2. Naprężenia główne σ 1 > 0 i σ 3 < 0,do wyznaczenia wartości naprężenia redukowanego przyjęto hipotezę MohraσRmred = σ1− ⋅σ3(2)R cσ = (3)red R m3. Naprężenia główne σ3 < σ2< σ1≤ 0,do wyznaczenia wartości naprężenia redukowanego przyjęto hipotezę H-M-Hσ1= (4)2σ red = R e(5)222red (σ1− σ2)+ (σ2− σ3)+ (σ3− σ1)Analizując rozkład naprężeń na powierzchni natarcia ostrza podczas jego nagłego wcinaniaw obrabiany materiał (rys. 2) można zauważyć, że w obszarze styku wióra z powierzchniąnatarcia, którego długość dla posuwu f = 0,2 mm wynosi ok. 0,7 mm [6], naprężenia σ 1 i σ 3mają różne znaki, natomiast poza tym obszarem oba naprężenia mają wartości dodatnie. Okruchej wytrzymałości ostrza będzie więc decydować maksymalna wartość naprężeniaredukowanego wyznaczonego na podstawie hipotezy Mohra, a pęknięcie może wystąpić wobszarze styku wióra z powierzchnią natarcia.

162 J. WODECKIN/mm 23000200010000-1000σ 1σ 3hipoteza. Mohrahipoteza H-M-H0,5 1,0 1,5 2,0 mm-2000-3000odległość od krawędzi ostrzaRys. 2. Rozkłady naprężeń głównych i redukowanych na powierzchni natarcia ostrzawykonanego ze stali szybkotnącej, podczas wcinania w materiał, przy skrawaniustali 45 z posuwem f = 0,2 mm/obrPodczas ciągłego skrawania (rys. 3), w obszarze styku wióra z powierzchnią natarcianaprężenia σ 1 i σ 3 mają wartości ujemne, natomiast poza tą strefą naprężenie σ 1 ma wartośćdodatnią, a wartość naprężenia σ 3 jest zbliżona do zera. Wynika stąd, że w obszarze stykuwióra z powierzchnią natarcia powierzchniowe warstwy materiału ostrza mogą podlegaćodkształceniom plastycznym, czemu dodatkowo sprzyjają wysokie temperatury, jakie tamwystępują. O wytrzymałości narzędzia będzie w tym wypadku decydować naprężenieredukowane wyznaczone na podstawie hipotezy H-M-H. Poza tą strefą występujeniebezpieczeństwo kruchego pękania materiału, a o wytrzymałości będzie decydowaćmaksymalna wartości naprężenia głównego σ 1 .N/mm 2300020001000σ 1σ 3hipoteza Mohrahipoteza H-M-H0-10000,5 1,0 1,5 2,0 mm-2000-3000odległość od krawędzi ostrzaRys. 3. Rozkłady naprężeń głównych i redukowanych na powierzchni natarcia ostrzawykonanego ze stali szybkotnącej, podczas ustalonej pracy, przy skrawaniustali 45 z posuwem f = 0,2 mm/obr

BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI OSTRZA NOŻA TOKARSKIEGO... 163Podczas nagłego wychodzenia ostrza z obrabianego materiału występuje zwiększoneniebezpieczeństwo wykruszenia krawędzi skrawającej. Istotne znaczenie dla powstawaniawykruszeń ma tworzenie się ujemnie zorientowanej płaszczyzny ścinania podczaspowstawania zadzioru (rys. 4). Powoduje ona chwilową zmianę kierunku poślizgu wióra popowierzchni natarcia i jednocześnie zmianę kierunku składowej stycznej siły działającej na tępowierzchnię.a)b)Φv c-Φv cRys. 4. Zmiana kierunku działania siły stycznej na powierzchni natarcia ostrza:a – model z umowną płaszczyzną poślizgu (tworzenie wióra);b – model z ujemnie zorientowaną, umowną płaszczyzną poślizgu(tworzenie zadzioru)Rozkład naprężeń na powierzchni natarcia ostrza dla takiego przypadku obciążenia ostrzaprzedstawiono na rys. 5.N/mm 2300020001000σ 1σ 3hipoteza Mohrahipoteza H-M-H0-10000,5 1,0 1,5 2,0 mm-2000-3000odległość od krawędzi ostrzaRys. 5. Rozkłady naprężeń głównych i redukowanych na powierzchni natarcia ostrzawykonanego ze stali szybkotnącej, podczas wyjścia z obrabianego materiału,przy skrawaniu stali 45 z posuwem f = 0,2 mm/obrNaprężenie główne maksymalne σ 1 osiąga w tym przypadku wartości większe niż podczaswcinania ostrza i w czasie jego ciągłej pracy. Przy ujemnych wartościach naprężenia σ 3występuje znaczne niebezpieczeństwo kruchego zniszczenia ostrza, a decydują o tym wartościnaprężenia redukowanego wyznaczonego na podstawie hipotezy Mohra.Na rys. 6 przedstawiono rozkład naprężeń na powierzchni przyłożenia ostrza podczasciągłej obróbki. Ze względu na to, że w pobliżu krawędzi skrawającej wartości naprężeńgłównych są ujemne, występuje tam niebezpieczeństwo plastycznego odkształcenia

164 J. WODECKIwierzchnich warstw materiału ostrza, czemu sprzyjają dodatkowo wysokie temperatury tamwystępujące. O plastycznej wytrzymałości ostrza decydują wartości naprężeniaredukowanego wyznaczonego na podstawie hipotezy H-M-H. Podobny charakter rozkładumają naprężenia na powierzchni przyłożenia również dla pozostałych analizowanychprzypadków pracy ostrza.N/mm 2300020001000σ 1σ 3hipoteza Mohrahipoteza H-M-H0-10000,5 1,0 1,5 2,0-2000-3000odległość od krawędzi ostrzaRys. 6. Rozkłady naprężeń głównych i redukowanych na powierzchni przyłożenia ostrzawykonanego ze stali szybkotnącej, podczas ustalonej pracy, przy skrawaniustali 45 z posuwem f = 0,2 mm/obr3.2. Wpływ posuwu na zapas kruchej i plastycznej wytrzymałości materiału ostrzaBadania modelowe naprężeń w ostrzu noża tokarskiego wykazały, że podczas ciągłejobróbki niebezpieczne naprężenia, ze względu na kruchą wytrzymałość ostrza, występują napowierzchni natarcia, natomiast ze względu na plastyczną wytrzymałość – na powierzchniprzyłożenia. Naprężenia te rosną wraz ze wzrostem posuwu. Przyjmując odpowiednie, dladanego materiału narzędziowego, wartości wytrzymałości na rozciąganie i granicyplastyczności oraz wartości współczynników bezpieczeństwa ze względu na kruchąi plastyczną wytrzymałość materiału, można wyznaczyć maksymalne, dopuszczalne wartościposuwu, ze względu na kruchą oraz plastyczną wytrzymałość ostrza noża. Badaniaprzeprowadzono dla ostrza wykonanego z węglików spiekanych gatunku S10.Na rys. 7 przedstawiono wpływ posuwu na wartość współczynnika bezpieczeństwawyznaczonego ze względu na kruchą wytrzymałość materiału x k . Wartość x k powinnawynosić dla prostych narzędzi skrawających od 1,2 do 1,5 [5].Na rys. 8 przedstawiono wpływ posuwu na wartości współczynnika bezpieczeństwawyznaczonego ze względu na plastyczną wytrzymałości materiału, dla różnych temperaturskrawania (7). Na podstawie tego wykresu wyznaczono graniczne wartości posuwu, zewzględu na plastyczną wytrzymałość ostrza, przyjmując x p = 1 [5].

BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI OSTRZA NOŻA TOKARSKIEGO... 165x k 3,53,02,52,01,51,00,50,00,00,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2f, mm/obrRys. 7. Wpływ posuwu na wartość współczynnika bezpieczeństwa, wyznaczonego zewzględu na kruchą wytrzymałości materiału ostrza600°Cx p 1,6700°C800°C900°C1,41,21,00,80,60,40,20,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2f, mm/obrRys. 8. Wpływ posuwu na wartość współczynnika bezpieczeństwa, wyznaczonego zewzględu na plastyczną wytrzymałość materiału ostrzaZ porównania wykresów wynika, że dla temperatury ostrza ok. 700˚C, dopuszczalnewartości posuwów, przy uwzględnieniu kruchej i plastycznej wytrzymałości ostrza sązbliżone, natomiast przy temperaturze ok. 800˚C, dopuszczalna wartość posuwu wyznaczonaz uwzględnieniem plastycznej wytrzymałości jest ok. pięciokrotnie mniejsza od posuwuwyznaczonego z uwzględnieniem kruchej wytrzymałości ostrza. W warunkach skrawania niezapewniających dobrego odprowadzenia ciepła ze strefy skrawania o wytrzymałości materiałuostrza narzędzia decyduje więc jego wytrzymałość plastyczna.4. WNIOSKI• Podczas nagłego wchodzenia ostrza noża w obrabiany materiał występujeniebezpieczeństwo kruchego pękania materiału ostrza na powierzchni natarcia, w obszarzestyku wióra z tą powierzchnią.• W czasie ciągłej obróbki, w obszarze styku wióra z powierzchnią natarcia, może nastąpićuplastycznienie zewnętrznej warstwy materiału ostrza, natomiast poza tą strefą możewystąpić jego kruche zniszczenie.

166 J. WODECKI• W momencie nagłego wyjścia ostrza z obrabianego materiału może nastąpić jegowykruszenie na skutek wystąpienia na powierzchni natarcia naprężeń rozciągającycho dużych wartościach. Obecność tych naprężeń należy wiązać z powstaniem ujemniezorientowanej płaszczyzny poślizgu podczas tworzenia się zadzioru.• We wszystkich badanych stanach obciążenia ostrza na powierzchni przyłożenia, w pobliżukrawędzi skrawającej, występują naprężenia ściskające, sprzyjające uplastycznieniuzewnętrznych warstw materiału ostrza, co przy wysokiej temperaturze, jaka tam występuje,może prowadzić do jego plastycznego zniszczenia.• Analiza wskazuje na duży wpływ temperatury na wytrzymałość plastyczną i w ten sposóbna ogólną wytrzymałość narzędzia skrawającego.LITERATURA1. Бетанели А., И.: Прочность и надежноть режущего инструмента. Издательство"Сабчота сакартвело", Тбилиси 1973.2. Czech M. Wodecki J.: Badania w zakresie obróbki skrawaniem stali austenitycznych.Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej Nr 1/1996, Gliwice 1996,s.111-1223. Famuła J., Mrowiec St., Nikiel J., Szumański T.: Tablice stali jakościowych. Wyd. 4,Katowice: Wyd. „Śląsk”, 1966.4. Kunstetter S.: Narzędzia skrawające do metali – konstrukcja. Wyd. 3, Warszawa: WNT1973.5. Лоладзе Т., Н.: Прочность износостойкость режущего инструмента., Москва:Издательство "Машиностроение"1982.6. Maciejny A.: Kruchość metali. Wyd. 1, Katowice Wyd. „Śląsk”, 1973.7. Pekelharing A., J.: The exit failure in interrupted cutting. Annals of the CIRP,vol. 27/1/1978, s. 5-10.8. Полетика М., Ф.: Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента.Москва: Издательство "Машиностроение", 1969.9. Rykaluk K.: Pęknięcia w konstrukcjach stalowych. Wyd.2, , Wrocław: DolnośląskieWydawnictwo Edukacyjne 2000.10. Зорев Н. Н.: Вопросы механики процесса резания металлов. Машгиз, Москва 1956.11. Praca zbiorowa: Poradnik Mechanika – obróbka skrawaniem. Tom 2, Wyd. 1, Warszawa:WNT, 1991.INVESTIGATION OF THE STRENGTH OF CUTTING TOOL WEDGEUSING FINITE ELEMENT METHODSummary. Stresses in the wedge of cutting tool in conditions of orthogonal cuttingwere determined. Different kinds of machining were taken into consideration:sinking of the wedge into processed material, continuous cutting and exit from thematerial. Strength hypothesis for determination of dangerous values of reducedstresses were suggested. The influence of feed rate on the coefficient of reserveof brittle and plastic strength was determined.