ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA FAKULTA STROJNÍ KATEDRA TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ EXPERIMENTÁLNÍ METODY V OBRÁBĚNÍ ÚLOHA č. 4 (Skupina č. 1) OPTIMALIZACE ŘEZNÉHO PROCESU (Trvanlivost břitu, dlouhodobá zkouška obrobitelnosti při podélném soustružení výkonnými řeznými VBD) Jméno: Bc. Tomáš Pícha (S15N0060K) 2016/2017 Bc. Radek Veselý (S15N0078K)
1. Zadání Postup: 1) určit jednoduchý Taylorův vztah měřit pro zadané řezné rychlosti opotřebení v závislosti na čase zkonstruovat graf VB v závislosti na době řezání pro všechny řezné rychlosti dohromady zkonstruovat graf log T v závislosti na log vc pro VBkrit určit m a ctv 2) určení hospodárného úběru poměr strojního času a času řezu 1,2, čas výměny nástroje (řezné hrany) 2 min vypočítat optimální trvanlivost z hlediska maximálního výkonu řezání Toptt vypočítat voptt 1. Zadání: Určete řeznou rychlost voptt pro maximální řezný výkon při obrábění oceli DIN 1.4541. Podélné soustružení proběhlo za následujících řezných podmínek: vc = 150, 200, 250, 300 m/min fot = 0,15 mm, ap = 1 mm, VBkrit = 0,2 mm t [min] VBB [µm] t [min] VBB [µm] t [min] VBB [µm] t [min] VBB [µm] v c1 = 150 4,5 0,123 9 0,107 13,3 0,107 22,18 0,107 34,25 0,107 45,9 0,176 56,75 0,198 v c2 = 200 5,25 0,07 10,5 0,123 17,8 0,22 v c3 = 250 5,25 0,069 10,5 0,134 15,75 0,187 v c4 = 300 2 0,133 4 0,158 6 0,231 2. Teoretický rozbor řešené úlohy 3. Popis měření 4. Laboratorní pomůcky a podmínky měření (pozn.: jako při měření na hale) Obráběcí stroj: Materiál obrobku: Způsob upnutí obrobku: Nástroj: Průměr: Řezný materiál: Typ VBD: Procesní kapalina: Další pomůcky: Software: 5. Výpočty 6. Vyhodnocení experimentu 7. Závěr
2. Teoretický rozbor řešené úlohy Trvanlivost břitu Trvanlivost břitu určuje celkovou dobu, po kterou je nástroj schopen odebírat třísku. Je to součet časů, po které je nástroj v řezu do jeho otupení. Otupený nástroj se buď přeostří nebo vyřadí. U nástrojů s výměnnými břitovými destičkami se nejčastěji pootočí destička, pokud jde o vícenásobnou břitovou destičku. Kritériem otupení je nejčastěji vznik hřbetní plošky, tedy její velikost [VB] viz obr. níže. Vlivy na velikost opotřebení: Řezné podmínky Geometrie břitu nástroje Druh materiálu nástroje Řezné prostředí Způsob namáhání Způsob obrábění Obrázek 1 - označení opotřebení břitu nástroje Zkoušky obrobitelnosti Stupeň obrobitelnosti je obvykle různý pro jednotlivé typy obrábění (frézování, soustružení, atd.), proto je nutné pro každou metodu provádět zkoušku zvlášť. Dle provádění se rozlišují zkoušky dlouhodobé a krátkodobé. Dlouhodobá zkouška obrobitelnosti Provádí se s dohodnutými řeznými konstantními parametry (ap přísuv, f posuv) a odstupňovanou řeznou rychlostí až do optimálního otupení břitu (VBkrit). Výhodou zkoušky je velká přesnost oproti krátkodobým zkouškám. Nevýhodami jsou pak především časová náročnost zkoušky a spotřeba obráběného materiálu. Popis dlouhodobé zkoušky Naměření hodnot opotřebení na hřbetu nástroje (hodnota VB) pro několik hodnot řezných v závislosti na čase při konstantních řezných parametrech (přísuv - ap, posuv - f).
Z naměřených hodnot se sestrojí se do grafu křivky otupení. Obrázek 2 - Graf opotřebení v závislosti na době řezání pro všechny řezné rychlosti Z grafu se odečtou hodnoty trvanlivosti pro domluvenou hodnotu koického (optimálního) opotřebení (VBkrit) pro každou řeznou rychlost. Sestrojí se graf závislosti trvanlivosti (T) na řezné rychlosti (vc) v logaritmickém měřítku pro danou hodnotu opotřebení VBkrit. V grafu se vytvoří směrnice trendu ze získaných bodů. Z rovnice přímky směrnice lze následnou úpravou do tvaru Taylorova vztahu odečíst koeficienty m a Ctv. Obrázek 3 - Graf závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti v logaritmickém měřítku
Taylorův vztah Taylorův vztah popisuje závislost trvanlivosti břitu (T) na řezné rychlosti (v) [ T=f(v) ] Základní Taylorův vztah: T c Tv min, m / min m v CTV m Taylorova konstanta; teoretická trvanlivost břitu při řezné rychlosti 1 m/min. Konstanta je dána druhem materiálu břitu. exponent; směrnice přímky k ose vc. Exponent m závisí na aktuálním rozsahu řezné rychlosti a druhu řezného materiálu. Jednotlivé řezné materiály mají doporučené hodnoty řezné rychlosti. Tím je dána hodnota exponentu m. Příklad hodnot velikosti exponentu m pro rychlořeznou ocel, slinuté karbidy a řeznou keramiku. Ze základního Taylorova vztahu vyplívá, že největší vliv na trvanlivost břitu má řezná rychlost. Další parametry jako posuv (f) a přísuv (ap) jsou oproti vlivu řezné rychlosti výrazněji nižší. Tyto parametry se zahrnují do rozšířeného Taylorova vztahu. Rozšířený Taylorův vztah T v m c a min, m/ min, mm mm Tvhs x T, y f T P
3. Popis měření Před samotným zahájením experimentuje, bylo nutné stanovit řezné podmínky. Byl zvolen konstantní posuv (f) a přísuv (ap). Dále byly určeny řezné rychlosti, při kterých se bude zjišťovat opotřebení břitu. Byla stanovena kritická hodnota opotřebení břitu VBkrit, které se mělo při obrábění každou řeznou rychlostí postupně dosáhnout. Před samotným měřením se změří počáteční opotřebení nástroje Dalším krokem je zaříznutí řezné části nástroje, první obrábění, které se nezaznamenává (naměřené opotřebení slouží jako výchozí bod) Následně probíhá opakované obrábění po stanovený čas s následným přeměřením opotřebení řezné části nástroje na digitálním mikroskopu. Předchozí krok se opakuje tolikrát, dokud není dosaženo stanovené hodnoty VBkrit. 4. Laboratorní pomůcky a podmínky měření (Laboratorní experiment frézování) Obráběcí stroj: Konzolová frézka Materiál obrobku: DIN 1.4541 Způsob upnutí obrobku: Do svěráku Nástroj: Čelní fréza Průměr: 100 Řezný materiál: SK Typ VBD: negativní Procesní kapalina: bez chlazení Další pomůcky: mikroskop, posuvné měřítko, stopky
5. Výpočty Určení Taylorova vztahu Graf opotřebení v závislosti na době řezání pro všechny řezné rychlosti (VBkrit = 0,2 mm) Trvanlivosti pro VBkrit = 0,2mm Pro vc1 => T1 = 58 min Pro vc2 => T2 = 17 min Pro vc3 => T3 = 16 min Pro vc4 => T4 = 5 min (Pro určení hodnoty pro vc1 a vc3 byla křivka protažena k hodnotě VBkrit) Výpočet hodnot pro sestrojení grafu závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti v logaritmickém měřítku Měření vc [m/min] T [min] log vc log T 1 [vc1] 150 58 2,176 1,763 2 [vc2] 200 17 2,301 1,230 3 [vc3] 250 16 2,398 1,204 4 [vc4] 300 5 2,477 0,699
Graf závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti v logaritmickém měřítku Určení exponentů m a CTv z rovnice přímky (spojnice trendu) Úprava Taylorova vztahu do tvaru rovnice přímky z grafu (log vc, log T) [Taylorův vztah ] T = C Tv v m => log T = log C Tv v m => log T = log C Tv log v m => log T = log C Tv m log v = logt = m log vc + log C Tv y = 3, 2024x + 8, 7115 logt = m log vc + log C Tv [ y = logt; x = log vc] => m = 3, 2024 log C Tv = 8, 7115 => C Tv = 10 8,7115 = 2, 517 10^9 Taylorův vztah po dosazení konstant T = C Tv 2, 517 10^9 = vm v 3,2024
Určení hospodárnosti úběru Určení optimální řezné rychlosti m v opt = C Tv T opt Určení optimální trvanlivosti T opt = (m 1) λ t Ax m = 3,2024 λ = 1,2 (zadání) t AX = 2 (zadání) C Tv = 2,517 10^9 T opt = (3, 2024 1) 1, 2 2 = 5, 285[min] v opt = 3,2024 2, 517 10^9 5, 285 v opt 512, 6 [m/min]
6. Vyhodnocení experimentu Bylo provedeno sestrojení grafu závislosti opotřebení břitu VB na čase pro všechny řezné rychlosti. U hodnot řezné rychlosti 150 m/min a 250 m/min bylo nutné křivku protáhnout, aby bylo dosaženo kritické hodnoty (pro přesnější experiment by bylo nutné v měření pokračovat nebo změnit řezné podmínky). Z grafu byly odečteny hodnoty doby trvanlivosti břitu pro opotřebení VBkrit pro příslušné řezné rychlosti. Bylo provedeno sestrojení grafu závislosti trvanlivosti břitu (pro VBkrit) na řezné rychlosti v logaritmickém měřítku (log T na log vc). V grafu byla konstruována přímka regrese z hodnot trvanlivosti a řezné rychlosti. Následně byla zjištěna rovnice přímky, ze které je možno získat hodnoty koeficientů m a CTV. Byl sestaven Taylorův vztah se získanými koeficienty Pomocí získaného vztahu a zadaných hodnot (poměr strojního času a času řezu a doby výměny nástroje) bylo možno vypočítat optimální dobu trvanlivosti a optimální řeznou rychlost. Výpočtem byly zjištěny hodnota Topt pro zadané hodnoty [poměr strojního času a času řezu 1,2 ; čas výměny nástroje (řezné hrany) 2 min] a vopt z hlediska získaného Topt. [Topt = 5,285 min ; vopt = 512,6 m/min ]. 7. Závěr Experiment dlouhodobé zkoušky obrobitelnosti byl řešen z hodnot, které nebyly měřeny na laboratorním cvičení. Byla zkoušena trvanlivost břitu při podélném soustružení mat. DIN 1.4541. Experimentem a následným řešením byly zjištěny exponenty Taylorova vztahu, který byl využit pro výpočet Topt (optimální trvanlivost) a vopt (optimální řezná rychlost). Hodnota Topt byla stanovena na 5,285 min při hodnotě vopt na 512,6 m/min.