III. DIO

1. TEHNOLOGIJA OBRADE MATERIJALA

1. DEFINIRANJE PROIZVODNJEKod obrade materijala je namjera da se postigne određeni oblik, određene

dimenzije i određene kvalitete površine proizvoda. Kod čelika i drugih legura metala, pored ovog gore navedenog, je moguće mijenjati i strukturu samog materijala, a time i njihova svojstva. Kao što je, na primjer, čvrstoća, tvrdoća, žilavost i drugo. Ovaj postupak se naziva toplinska obrada. Ovi postupci mogu slijediti nakon drugih procesa obrade, kao što je na primjer obrada odvajanjem strugotine, lijevanje ili plastična obrada.

Proizvodnja se može definirati kao jedna transformacija ili promjena sirovog materijala ili predmeta u korisni proizvod upotrebom najlakših i najjeftinijih metoda. Nije važno proizvodi li se na ovaj ili onaj način, ovom ili onom metodom, nego je važno proizvoditi na najlakši, najbrži i najefektivniji način. S upotrebom manje efektivnih metoda cijena proizvodnje će biti visoka, a izradci neće moći bit konkurentni istim proizvodima iz drugih tvornica. Vrijeme proizvodnje mora biti što kraće s namjerom da se osvoji što veći dio tržišta. Zadatak je stručnjaka da odrede i definiraju materijale, strojeve, opremu, alat i željeni proces, kojim će se izraditi proizvod na efektan način. Drugim riječima njihov je zadatak da pronađu optimalnu kombinaciju materijala, strojeva i metoda kojima se postiže ekonomska proizvodnja bez grešaka. Stručnjaci stoga moraju posjedovati velika teoretska i praktična znanja o materijalima, strojevima i proizvodnim metodama, kako bi za probleme u proizvodnji mogli razviti nova rješenja.

- Odnos između proizvodnje i životnog standardaŽivotni standardi i ekonomije u svim industrijski razvijenim državama zavise od

mogućnosti vlastite proizvodnje i sudjelovanju u internacionalnoj trgovini s istima, te dostupnosti raznih servisa i usluga za sve građane. U državama koje imaju visoki životni standard, normalna familija ima jedan ili više automobila, televizora i drugih aparata te uređaja. Ljudima su također dostupne različite usluge u različitim domenama kao što su: zdravstvo, policija, vatrogasci i drugo. Ove institucije također koriste različitu opremu, uređaje, instrumente i drugo. Svu ovu opremu, uređaje i aparate možemo promatrati kao proizvode koji su nastali iz sirovog materijala. Jednostavno se može objasniti da države koje proizvode ove proizvode i imaju dostupne razne usluge imaju visoki životni standard. Na drugoj strani mi vidimo da države, koje u velikim količinama imaju različite sirovine, a ne mogu ih iskoristiti zbog toga što nemaju odgovarajuću tehnologiju i znanje, obično su siromašne i smatraju se slabo razvijenim. Drugim riječima, možemo reći da životni standard ljudi u velikom dijelu određuje znanje o obradi sirovih materijala u korisne proizvode. Tipičan primjer visokorazvijenih zemalja su Japan i Švicarska, veliki uvoznici sirovina, koje zatim obrađuju u gotove proizvode i masovno izvoze u druge zemlje.

13

- Podjela proizvodne tehnikePostoje različite proizvodne metode. One obuhvaćaju široki spektar načina

proizvodnje izradaka ili proizvoda. Metode obrada se baziraju samo na nekoliko osnovnih principa. Uobičajeno je da se ove metode grupiraju, zavisno o osnovnom principu, koji se koristi u odgovarajućem slučaju. Proizvodna tehnika se prema DIN standardu dijeli u šest važnih grupa:

1. Lijevanje je jedna od najstarijih metoda oblikovanja materijala kojom se iz materijala, koji je u formi tekućine, plina ili praška, proizvode izradci (nazivaju se odljevci).

2. Plastična obrada obuhvaća plastične metode oblikovanja u koje spadaju: prešanje, kovanje, duboko vučenje, savijanje, provlačenje, valjanje i drugo.

3. Obrada odvajanjem čestica je najvažnija grupa i objedinjuje niz postupaka pomoću kojih dobijemo željeni oblik obrađivanog predmeta odvajanjem. Ova grupa se dijeli na tri osnovne podgrupe:

o Obrada rezanjem, o Obrada odvajanjem strugotine i o Obrada odstranjivanja viška materijala.

4. Spajanje obuhvaća: o zavarivanje, o lemljenje, o lijepljenje,o mehanička montaža i drugo.

5. Površinska zaštita sadržava sve metode nanošenja zaštitnih prevlaka na materijal.

6. Mijenjanje svojstva materijala (toplinska obrada) ova grupa pokriva sve forme mijenjanja svojstva materijala kao što su na primjer kaljenje i žarenje.

- Obrada rezanjem Kod obrade rezanjem materijal se djelovanjem dva noža dijeli na dva dijela. Kada se noževi pritisnu jedan prema drugome, raste naprezanje u području između noževa i prvo nastaje elastično naprezanje, koje zatim prelazi u plastično naprezanje. Zajednički pritisak noževa dovodi uvijek do reznog naprezanja. Kada su ova naprezanja dovoljno velika, drugim riječima kada prekorače reznu čvrstoću materijala rezanja, nastaje odvajanje ili rezanje materijala ispred vrha noža, koji se kreće prema sredini materijala. Kada se dio materijala, između vrhova noževa toliko smanjio da naprezanja dostignu granicu loma materijala, nastaje posljednja faza rezanja, koja se naziva lom materijala.Obrada rezanjem ima ove zajedničko karakteristike:

- Brz i efektivan način dijeljenja materijala koji se može primjeniti kod većine materijala.

- Rezne operacije (štancanje) kod kojih se alat konstruira u odnosu na proizvod (oblik, materijal i drugo.), iz ekonomskih razloga predviđa seriju obradaka.

- Rezna površina u pravilu nije idealna.- Obrada rezanjem uzrokuje velike plastične deformacije materijala i kvaliteta

reza jako ovisi o plastičnim svojstvima materijala.

14

OBRADA ODVAJANJEM ČESTICAObrada rezanjem je u principu dijeljenje materijala s jednim rezom i može se

izvoditi uz pomoć noža ili, u specijalnim slučajevima, tanke žice. Dijelovi materijala su praktično nedeformirani i dijeljenje se izvodi bez gubitka materijala. Ovi rezni procesi se koriste kod organskih materijala, koji se lako režu.

Obrada odvajanjem strugotine je najvažniji industrijski proces koji ima godišnju vrijednost preko 300 milijardi dolara. Materijali, za čiju su obradu potrebne velike sile rezanja, zahtijevaju i snažne alate, a ne mogu dijeliti materijal prema gore navedenom principu. Kod ovih postupaka strugotina se plastično deformira, savija i odvaja od izratka. Geometrija alata je dizajnirana na taj način da je dobivena obrađena površina što je moguće manje plastično deformirana.

Obrada kod koje je glavna karakteristika odstranjivanje “viška” materijala se naziva gruba obrada. Ako je primarna namjera izrada finih površina s točnim mjerama obratka onda se naziva fina obrada.

Brušenje i srodne metode također spadaju u obradu odvajanjem strugotine. Ovim obradama se stvara mikro strugotina pomoću velikog broja reznih zrna pri velikim reznim brzinama.

Većina materijala se može obrađivati s jednim ili drugim procesom obrade odvajanjem strugotine. Materijal alata, odnosno njegova tvrdoća, čvrstoća, postojanost na visokim temperaturama i otpornost na trošenje, određuje praktične granice (tehničke i ekonomske) u kojima se postupci odvajanjem strugotine mogu primijeniti na materijal obrade. Obrada odvajanjem strugotine ima manje ograničenja nego plastična i obrada rezanjem ili štancanjem. Obrada odvajanjem strugotine također ima veliki broj različitih procesa.

15

OSNOVE OBRADE ODVAJANJEM STRUGOTINE Obrada odvajanjem čestica je široki pojam, koji pokriva veliki broj procesa

obrade, koji služe za odstranjivanje viška materijala s obratka, obično u obliku strugotine. Obrade odvajanjem strugotine se upotrebljavaju kako bi se odljevci, odkivci ili blokovi metala obradili s alatom u željene oblike točno određenih dimenzija i kvaliteta površina kako bi ispunili konstrukcijske zahtjeve. Gotovo u svakom proizvodu se nalaze komponente koje zahtijevaju obradu, često velike točnosti. Zbog velike dodane vrijednosti finalnom proizvodu je skup procesa obrada odvajanjem strugotine najvažniji od svih osnovnih procesa proizvodnje. Može se isto reći, da je obrada odvajanjem čestica najčešće primijenjena i najskuplja obrada. Glavnina industrijske primjene obrade odvajanjem čestica je u metalima, ali se također raširila i na druge materijale.Obrada odvajanjem čestica se izvodi u velikom broju alatnih strojeva.Najvažniji procesi odvajanjem strugotine su:

1. Tokarenje 2. Glodanje3. Blanjanje i dubljenje4. Bušenje, upuštanje i razvrtavanje5. Piljenje6. Grebanje7. Abrazivni postupci obrade (brušenje, lepanje, honanje, superfiniš, poliranje

itd.)

Koji ćemo postupak obrade odabrati ovisi ne samo o ekonomskim razlozima već i tome kolika se točnost obrade traži i o potrebnoj kvaliteti. Tri glavna faktora vezana su uz proces obrade odvajanjem čestica:

- obradak,- alat, - alatni stroj

Alat nazivamo sredstva kojim se obrađuje obradak u toku proizvodnje.

16

- Varijable u procesima obrada odvajanjem strugotineObrada odvajanjem čestica se sastoji od nezavisnih (ulaznih) varijabli, zavisnih

varijabli i nezavisno-zavisnih međusobnih reakcija. Operator na alatnom stroju ili inženjer ima kontrolu nad nezavisnim ili ulaznim varijablama i može ih odrediti kod planiranja procesa obrade odvajanjem čestica.

- Nezavisne ili ulazne varijable- Materijal obrade, kemijska struktura obradka može se odrediti ili je već

poznata. vrlo često se materijal obradka bira radi toga što se lako obrađuje. lijevano željezo ili aluminij, na primjer su dobro poznati po lakoj obradivosti. Drugi materijali, kao što je to nehrđajući čelik ili titan, se teško obrađuju. Oni stvaraju velike sile rezanja, nisku kvalitetu obrađene površine i imaju vrlo kratku trajnost alata.

- Početna geometrija obradka Veličina i oblik predmeta obrade može biti uvjetovana prethodnim procesom (lijevanje, kovanje, prešanje itd.) Obično ova varijabla direktno utječe na izbor proces obrade i na sam izabrani proces, kao i na dubinu rezanja.

- Karakteristika procesa obrade Izbor procesa obrade koji ima za cilj pretvorbu sirovog obradka u konačni proizvod mora biti bazirana na geometriji obratka (veličini i obliku), zahtijevanoj kvaliteti obrade i tolerancijama i količini obradaka. Strojna obrada se može grupirati u tri glavne grupe:

- tradicionalna obrada odvajanjem strugotine,- abrazivni procesi obrade,- nekonvencijonalni procesi obrade.

- Materijal alata U upotrebi su tri najčešća materijala alata brzorezni čelik (HSS), tvrdi metali i alati s presvlakama (Titanijev karbid i Titanijev nitrid). Kubični bor nitrid, keramika i dijamant se također primjenjuju. Izbor materijala alata koji omogućuju ispunjenje traženih zahtjeva se još uvijek bazira na iskustvu. Tvrđi materijala alata se može suprotstaviti njegovom trošenju na visokim brzinama rezanja. Veća brzina rezanja stvara veću reznu temperaturu i proizvodi manje trajanje alata. Zadržavanje tvrdoće na povišenim temperaturama kao i veća trajnost alata su poželjne karakteristike alata.

- Parametri obrade Za svaku strojnu obradu potrebno je odrediti brzinu rezanja, posmak i dubinu rezanja. Mnogi faktori zavise od izbora ovih parametara. Pravilna selekcija ovih parametara zavisi od ulaznih varijabli: dodatni materijal koji je potrebno ukloniti, materijal obratka i materijal alata te vrsta strojne obrade/a.

- Geometrija alata Rezni alati se odabiru kao bi izvršili specifične operacije. I geometrija alata se određuje kako bi se ispunile specifične funkcije obrade. Uglavnom su veliki grudni i leđni kutovi poželjni, ali oni su mogući samo kod brzoreznih čelika. Kutovi i kod alata iz tvrdog metala, keramike i drugih vrlo tvrdih materijala moraju biti vrlo mali zbog toga da se izbjegnu deformacije i lom vrha alata. Veća preciznost zahtjeva bolju geometriju rezne oštrice alata.

17

Stezne naprave Predmeti obrade se drže na određenoj poziciji u odnosu na alat stegnuti u stezne naprave ili u same alatne strojeve. Za različite alatne strojeve postoje i različite vrste steznih naprava (od univerzalnih do specijalnih steznih naprava). Stezne naprave su isto tako ključne za postizanje precizne obrade kao što su to i pravilan odabir reznih tekućina i alatnog stroja.

- Rezne tekućine Izbor odgovarajuće rezne tekućine za kombinaciju materijala predmeta obrade, materijala alata i parametara obrade je značajna kako bi rezultati procesa obrade bili kvalitetni. Rezna tekućina služi za:

- hlađenje radnog predmeta, alata i strugotine, - smanjenje trenja podmazivanjem, - odstranjivanje strugotine iz zone rezanja,- poboljšavanje kvalitete obrađene površine.

- Zavisne varijableObradni proces određuju zavisne varijable i prije spomenute nezavisne ili ulazne varijable. Operater obično ima indirektnu kontrolu ovih varijabli. U najvažnije zavisne varijable spadaju:

- Sile rezanja i snagaKod obrade metala određenom brzinom rezanja, posmakom i dubinom rezanja, sa ili bez rezne tekućine, određenim materijalom alata i njegovom geometrijom, stvaraju se sile rezanja za koje je potrebna snaga. Promjena svake ulazne varijable mijenja sile rezanja, ova promjena je indirektna. Sile su važne zbog toga jer one utječu na deformaciju: alata, obradka, steznih naprava, koje konačno utječu na dimenzije gotovog proizvoda. Sile također igraju važnu ulogu na fenomen vibracija uobičajenih u strojnoj obradi. Iz ovoga je očito da proizvodni inženjer mora biti u mogućnosti predvidjeti sile (i snagu) tako da može specificirati sigurnu opremu i proizvodnu operaciju, koja uključuje alatni stroj, vrstu alata i stezne naprave.

- Svojstva i veličina predmeta obradeCilj proizvodnog procesa je postizanje obrađene površine željenih dimenzija i geometrije s traženim mehaničkim svojstvima. Pošto je strojna obrada odvajanjem strugotine proces velike lokalne, plastične deformacije svaka obrađena površina će imati neka zaostala naprezanja preostala u samom obradku. Zaostala naprezanja su po prirodi vlačna i mogu djelovati na novonastalu površinu tako da dolazi do njenog djelomičnog starenja ili do stvaranja korozije. Tako da proizvodni inženjer mora odabrati odgovarajući nivo ulaznih varijabli kako bi se obradio proizvod koji je unutar tolerancija specificiranim od konstruktora koji ima i zadovoljavajuću kvalitetu površine.

- Kvaliteta površine Završna fina obrada obrađene površine je zavisna od geometrije alata, materijala alata, vrste strojne obrade, brzine, posmaka, dubine rezanja i upotrebe rezne tekućine. Kvaliteta površine je također zavisna od varijabilnosti procesa. Grube površine imaju veću varijabilnost nego fine površine. Često se mora odrediti više različitih obrada, koja mogu biti gruba i fina da bi se postigla željena kvaliteta površine ili je možda potrebno odabrati više različitih procesa, kao što je na primjer tokarenje i cilindrično brušenje u svrhu postizavanja željene kvalitete obrade.

18

- Trošenje alataS povećanjem trošenja alata smanjuje se točnost obrade. Plastična deformacija i trenje u zoni obrade generiraju velike količine energije, koja podiže temperaturu alata i time smanjuje otpornost alata na trošenje. Ovaj problem je vrlo značajan, pošto se s trošenjem alata mijenjaju njegove dimenzije i sama geometrija. Tupi alat podiže sile rezanja, koje povećavaju deformaciju radnog obradka, može doći do stvaranaja vibracija, koje mogu pogoršati kvalitetu obrađene površine. Povećanje potrebne snage rezanja uzrokuje povećanje topline, koja povećava brzinu trošenja alata. Promjena dimenzija alata utječe na promjenu dimenzija radnog predmeta. Operater može izabrati manju brzinu rezanja, koja stvara manju količinu topline. Tako se manje troši alat, ali time utječe na brzinu proizvodnje, pošto se smanjuje brzina uklanjanja viška materijala. Kako bi se održala veća brzina odstranjivanja materijala operater može povećati posmak i dubina rezanja. Povećanje posmaka i dubine rezanja direktno pak utječu na povećanje silea rezanja.

- Odnos između ulaznih varijabli i procesaRazumijevanje veze između ulaznih varijabli i procesa obrade je važno za

proizvodnog inženjera. Obrada odvajanjem čestica je jedinstven proces plastične deformacije koji je jedino ograničen s reznim alatom. Velika naprezanja i brzine deformacija su prisutne u ovim procesima. Ogromna različitost ulaznih varijabli rezultira u skoro beskonačnom broju različitih kombinacija strojne brade. U osnovi postoje tri osnovna postupka kako bi se «uhvatilo u koštac» s ovim problemima.

- IskustvoZa koje je potrebno puno vremena, pošto se znanje postiže samo velikim brojem pokušaja i grešaka, koje se zatim mogu primijeniti u drugim situacijama. Ovi aktiviteti su potrebni svaki puta kada dolazi novi materijal u upotrebu. Na primjer bile su potrebne godine da bi industrija naučila kako se obrađuje titan. Nažalost sva znanja koja vrijede za jedan proces ne mogu se kompletno prenijeti i na drugi.

- EksperimentiEksperimenti strojne obrade odvajanjem čestica su skupi, vremenski dugo traju i teško su izvedivi.

- TeorijaBilo je puno pokušaja da se napravi matematički model strojne obrade odvajanjem čestica. Ove teorije pokušavaju predvidjeti pravac reznog procesa obrade odvajanjem čestica. Ovi modeli variraju od vrlo grubih procjena do vrlo sofisticiranih matematičkih modela konačnih elemenata. Ovi modeli su vrlo važni kod točnih predviđanja sila rezanja i trošenja alata. Iako dosadašnje teorije plastičnih deformacija metala nisu u mogućnosti predvidjeti vrijednosti reznih naprezanja i međusobnog djelovanja između strugotine i alata.

19

- Osnovna geometrija alataPri obradi odvajanjem čestica razlikujemo alate s geometrijski određenim

oblikom i alate s geometrijski neodređenim oblikom. Primjer alata s geometrijski određenom oštricom je tokarski nož, dok je primjer alata s geometrijski neodređenom oštricom je zrno u brusnoj ploči.

1. Prednja (grudna) površina, površina po kojoj klizi strugotina, a okrenuta je u smjeru relativnog kretanja između alata i obratka.

2. Slobodna (leđna) površina, koja je okrenuta u smjeru obrađene površine predmeta.

Slika 1.6 Površine i oštrice tokarskog noža iz brzoreznog čelika.

Oblik klinastog vrha alata određuju kutovi alata:1. Prednji (grudni) kut , je kut između okomite ravnine na obrađenu površinu

obratka i prednje površine alata. 2. Kut oštrenja (kut klina) , Kut između prednje površine alata i slobodne površine

alata.3. Slobodni (leđni) kut , je kut između slobodne površine alata i i obrađene

površine obratka.

20

DRŠKAREZNI DIO

Glavna oštrica

Glavna slobodna površina

Prednja površina

Pomoćna oštrica

- vršni kut oštrice, - kut namještanja, -kut nagiba oštrice, - stražnji kut, - prednji kut, -kut klina noža.

A

POGLED A-A

A

Slika 1.6 Definicija kutova tokarskog noža.

Slika 1.6 Definicija kutova tokarskog noža.

- Mehanizam stvaranja strugotineProces obrade odvajanjem strugotine je proces pri kojem oštrica alata ulazi u

materijal obratka i odstranjuje sloj materijala u obliku strugotine. Osnovni mehanizam stvaranja strugotine je isti za sve vrste obrade odvajanjem strugotine. Čak i uz upotrebu sofisticiranih tehnika i opreme, koje se danas upotrebljavaju u modernoj proizvodnji ovaj mehanizam je isti za sve obrade odvajanjem strugotine. S ulaskom reznog alata u obradak, materijal ispred alata se deformira i reže uz velika naprezanja. Materijal napušta reznu zonu po grudnoj površini alata u obliku strugotine. Na slici 1.6 je prikazan držač alata s okretnom pločicom koja reže obradak i stvara strugotinu.

Slika 1.6 Držač alata s okretnom pločicom, koja reže obradak i stvara strugotinu.

Osnovni mehanizam rezanja materijala je lokalna rezna smična deformacija materijala obratka ispred rezne oštrice alata. Relativno gibanje između alata i obratka za vrijeme rezanja komprimira materijal obratka ispred oštrice alata i nastaje rezna deformacija (koja se naziva i primarna deformacija), ona stvara strugotinu. Strugotina klizi preko grudne površine alata i dolazi do dodatne deformacije zbog rezanja i klizanja strugotine, koja se naziva sekundarna deformacija. Ova dva deformacijska procesa su uzajamno povezana. Materijal koji struže po grudnoj površini se zagrijao i plastično deformirao za vrijeme prolaza kroz primarnu plastičnu deformaciju; zato je sekundarni deformacijski proces pod utjecajem fenomena u reznoj površini. Isto tako je pravac smicanja pod direktnim utjecajem

21

a

Obradak

A

B

v - Brzina rezanja brusnog zrna

- stražnji kut, - kut klina noža, - prednji kut,- kut površine smicanja,a- dubina rezanja, -kut nagiba oštrice,A-B - površina smicanja

deformacije na grudnoj površini i trenja. Pravac smicanja utječe na zagrijavanje i naprezanje strugotine u primarnoj deformaciji.

Slika 1.6 Prikaz naprezanja i plastične deformacije u zoni rezanja.

22

r s

p q

Radijalno tlačno naprezanje v

vc

Plastično naprezanje

(tlak)

Alat

Strugotina

Obradak

r r

Ravnina smicanja

Elastičnonaprezanje

(tlak)

Radijalno vlačno naprezanje

Fv - glavna sila rezanja, djeluje u smjeru brzine rezanja i najveća je od svih komponenti.

Ff – posmična sila rezanja, djeluje u smjeru posmičnog kretanja alata.

Fp – natražna sila rezanja, odrivna sila (otpor

prodiranja alata u obradak), djeluje u smjeru radijalnog pomoćnog kretanja. Okomita je na obrađenu površinu.

v – brzina rezanjavf – brzina posmakave – rezultirajuća brzina

- Sile rezanja Sile rezanja moraju biti dovoljno velike kako bi došlo do rezanja materijala i stvaranja strugotine. Kod trajne promjene oblika materijala došlo je do prijelaza granice plastičnosti materijala. Strugotina nastaje kombinacijom plastične deformacije i loma materijala. Deformirana strugotina se lomom odvaja od osnovnog materijala. Rezni proces i formiranje strugotine može se najlakše analizirati ako je glavna oštrica okomita na relativno kretanje materijala, vidi sliku . Nedeformirana debljina strugotine t1 je veličina dubine rezanaj, dok je t2 debljina strugotine nakon napuštanja obradka.

Slika 1. Stvaranje strugotine deformacijom materijala koji se reže.

Analizirati ćemo sile rezanja kod uzdužnog tokarenja. Kod tokarenja Kod mjerenja sila u praksi dobijemo komponente rezultantne sile u koordinatnom sistemu alatnog stroja.

Slika 1. Sile razanja pri tokarenju.

23

vf

v

Ff

Fv

Fp

Glavna sila rezanja djeluje u tangencionalnom smjeru rotirajućeg obratka i predstavlja otpor rotaciji obratka. U normalnim operacija glavna sila rezanja je najveća sila rezanja i koristi 98% ukupne energije. Posmična sila rezanja djeluje u smjeru osi obratka i predstavlja otpor uzdužnom posmaku alata. Veličina posmična sila rezanja je otprilike 50% vrijednosti sile rezanja. Obično je brzina posmaka vrlo mala u odnosu na brzinu rezanja, sila posmaka koristi samo 1% ukupne energije. Natražna sila rezanja djeluje u radijalnom smjeru od simetrale obratka. Natražna sila je najmanja sila rezanja. Obično 50% veličine posmične sile rezanja. Njezin utjecaj na ukupnu snagu je zanemarljivo mala zbog toga što je brzina u radijalnom smjeru vrlo mala. Približni međusobni odnos je:

Fv : Ff : Fp = 5 : 2 : 1

Za istrošene materijale u literaturi se mogu naći podaci za približan odnos:Fv : Ff : Fp = 5 : 4 : 3

Sile rezanja nastaju za vrijeme procesa rezanja zbog otpora materijala predmeta obrade koji alat pri svom kretanju mora savladati, a zavisi od:

a) Materijala predmeta obrade, njegove čvrstoće, žilavosti i strukture materijala obrađivanog predmeta, specifične topline i sposobnosti odvođenja topline.

b) Veličine i oblika strugotine.c) Brzine rezanja.d) Alata, njegovog kuta prednje grudne površine i oštrice alata.

Važno je odrediti veličinu sila rezanja:- Kako bi se izbjegla deformacija radnog obradka i alata.

Deformacija djeluje na točnost obrade: tolerancije i kvalitetu površine.- Dimenzioniranja (odabira) stezne naprave.

Važno je odrediti snagu rezanja kako bi se:- Odabrao odgovarajući alatni stroj s potrebnom snagom.- Izračunalo vrijeme obrade.- Izračunala stvaranje topline.

24

- TROŠENJE ALATA I TRAJNOST OŠTRICE ALATAU procesu obrade materijala odvajanjem strugotine dolazi do trošenja alata, koje

snažno utječe na mehanizme stvaranja strugotine u funkcionalnom i ekonomskom smislu. Zbog toga je od izuzetnog značaja da se razumiju mehanizmi i procesi koji djeluju između obratka, strugotine i alata. Vrlo složeni proces stvaranja strugotine se provodi pod velikim opterećenjima, brzinama rezanja i trenjima, koja uzrokuju visoka naprezanja i deformacije. Zbog čega dolazi do razvoja velikih sila rezanja i toplina. Sve ovo dovodi do velikog ubrzanja fizikalnih i kemijskih procesa vezanih uz trošenje alata.

Slika 1. Površine trošenja alata.

Trajnost alata je jedan od najvažnijih ekonomskih faktora u procesu obrade materijala odvajanjem strugotine. Sve površine alata koje su u dodiru s strugotinom i obratkom se troše. Cijena procesa obrade u velikoj mjeri ovisi o trošenju alata, koje određuje trajnost alata i u većoj mjeri utječe na površinu obrade i točnost obrade. Trošenje alata mijenja originalnu geometriju alata. Kako bi se postigla ekonomična trajnost alata za gubu obradu se uobičajeno bira: materijal alata, geometrija alata, brzina rezanja, dubina rezanja i posmak. Izbor parametra obrade koji bi proizveli vrlo kratku trajnost oštrice nisu ekonomični zbog troškova: brušenja alata, zamjena pločica i alata. S druge strane izbor male brzine rezanja i posmaka kako bi se dobila veća trajnost oštrice nije ekonomičan zbog male produktivnosti uzrokovane povećanim troškovima alatnog stroja i radnika. Iz ovoga je vidljivo da svako poboljšanje koje povećava trajnost alata bez smanjenja produktivnosti obrade biti će korisno. U svrhu stvaranja uvjeta z atakva poboljšanja čine se veliki napori kako bi se razumjelo ponašanja alata, kako se on troši, koji su mehanizmi trošenja i oblici istrošenog alata.

25

Istrošeni alat

Trošenje leđne površine alata

Strugotina

Obradak

Stvaranje kratera

Zaglađivanje oštrice alata

v

Adhezija materijala obratka

(BUE)

- Vrste trošenja alataVeliki broj naučnika proučavao je, i danas proučava, mehanizme trošenja alata, koje klasificiramo u četiri osnovne grupe:

1. Adhezivno trošenje, koje uzrokuje međusobno «zavarivanje» vrhova površina koje su u dodiru (klizanju).

2. Abrazivno trošenje, koje uzrokuje skidanjem strugotine (čestica) ili «oranje» uz pomoć partikala.

3. Difuzijsko trošenje između materijala strugotine i materijala alata na nivou atoma dolazi do difuzije atoma iz jedne površine u drugu.

4. Korozijsko trošenje, koje uzrokuju elektrokemijski mehanizmi, koji djeluju na površinama dodira.

- Adhezivno trošenje Kod adhezivnog trošenja alata zbog djelovanja visokih pritisaka površina alata i strugotine su toliko blizu jedna drugoj da nastaju snažne molekularne veze koje uzrokuju zavarivanje vrhova mikroneravnina. Prethodi plastična deformacija materijala obratka koja podiže toplinu i temperaturu strugotine i alata. Ako je veza imeđu dviju površina snažnija od veza u osnovnim materijalima (strugotina i alat), u relativnom kretanju mogu se dijelići materijala odlomiti od baznog materijala i vezati se za drugi materijal. Obično se veza kida na strani materijala obratka i strugotine, što dovodi do lijepljenja materijala obratka na alat. No mogu se i mali dijelići površine alata zavariti za povšinu strugotine i zajedno s njom napustiti površinu alata. S vremenom se povećava i broj razorenih mikrovarova, a time se povećava i trošenje alata.

- Abrazivno trošenje (Brusno trošenje) Zbog vrlo tvrdih čestica koje se nalaze gotovo u svakoj mikrostrukturi materijala obratka dolazi do «oranja» površine alata. Uzrok tome kod čelika je martenzit i cementit dok su kod drugih materijala to razne vrlo tvrde čestice. Uvjet nastajanja abrazivnog trošenja je da jedan od dva materijala vrlo tvrd ili da se stvaraju tvrde čestice ili partikli.

- Difuzijsko trošenje Zbog vrlo visokih pritisaka i temperatura dolazi do mikroprelazaka na atomskom nivou. Veličina difuzije atoma raste eksponencijalno s povećanjem temperature.

- Korozijsko trošenje Na povišenim temperaturama dolazi do intezivnog stvaranja mikrogalvanskih elemenata. Karbidi predstavljaju mikrokatode, dok je kobalt mikroanoda te dolazi do oksidacije materijala alata. Oksidi koji nastaju se vrlo lako odstrane s površine alata što uzrokuje trošenje alata.

26

- Oblici Trošenja Trošenje alata se primjećuje kad alat mijenja svoje geometrijske karakteristike. Postoje tri osnovne vrste trošenja:

1. Topljenje vrha oštrice alata.2. Lom oštrice alata.3. Postepeno odstranjivanje čestica materijala alata.

Taljenje oštrice alata nastaje kada je intenzitet energije veći no što oštrica može podnjeti. Lom oštrice alata nastaje kada sile rezanja prijeđu kritičnu vrijednost ili kada nastaju udarci prilikom obrade. Ovo se naročito odnosi na krte materijale alata. Postepeno odstranjivanje čestica materijala alata nastaje sve dok alat obrađuje predmet.

Slika Trošenje grudne i slobodne površine alata

Slika 1. Kriteriji istrošenja alata.

27

KM

KT

VB

Prvo se primjećuje trošenje slobodne oštrice alata.VB Širina trošenja slobodne površine (0,2-0,8 mm).Zatim se pojavljuje trošenje grudne površine alata i stvaranje kratera. K stvaranje kratera (0,2-0,5 mm) K=KT/KM dubina kratera/udaljenost od središta kratera od originalnog vrha alata. Vrijednosti KT i VB zavise od vrste primijenjenog materijala alata.

Kod prijevremenog loma oštrice alata operater na alatnom stroju odmah uoči da je alat neprikladan i da ga treba zamijeniti. Dok kod ostalih oblika trošenja postoje indikatori ili metode praćenja :

- Vanjski izgled obratka (značajnija povećanje hrapavosti obrađene površine obratka),

- Povećanje veličine istrošenja slobodne površine iznad kriterija istrošenja (VB),- Povećanje dubine i širine kratera iznad veličine kriterija istrošenja (K),- Naglo povećanje sila rezanja ili snage,- Nemogućnost postizanja dimenzijonalnih toleracija obratka,- Naglim porastom temperature i promjena oblika i boje strugotine.

- Utjecaj brzine rezanja na trajnost oštrice alata (Taylor-ova formula)1906. godine F.W. Taylor objavio je jednadžbu koja povezuje brzinu rezanja (v) i trajnost oštrice (T).

v – brzina rezanja (m/min).T – trajnost oštrice alata (min).n – komponenta trajnosti oštrice, koja se određuje putem eksperimenata.CT – komponenta koja zavisi od materijala alata i materijala obrade.

Taylorova formula je osnovni dio niza metoda koje se upotrebljavaju kod ekonomskih proračuna obrade skidanjem čestica.

28

- Troškovi obrade skidanjem strugotineTroškovi koji su vezani uz iskorištavanje alatnog stroja i alata za obradu skidanjem strugotine nazivaju se operacijski troškovi Ko i sastoje se od troškova alatnog stroja Kas za vrijeme obrada skidanjem čestica se događa i troškovi alata koji se upotrebljava Ka.

tas – efektivno vrijeme obrade.i – broj oštrica po proizvodu

Troškovi obrade su pod utjecajem tehnoloških parametara obrade koji se biraju. Normalno je ispitati kako troškovi obrade variraju s brzinom rezanja.

- Obradivost materijalaKarakteristike obrade materijala skidanjem strugotine (Machinability)

1. Trajnost alata, T (15, 20, 30 min)2. Volumen odstranjenog materijala za trajnosti alata, V (mm3)3. Sile rezanja Fv, Fs, Fp4. Kvaliteta obrade, Ra (m)5. Oblik strugotine

29

asas tK iKa

v (m/min)

$/kom S većom brzinom rezanja smanjuje se vrijeme obrade, a time su i troškovi obrade manji. Istovremeno troškovi alata rastu zbog povećanog trošenja alata i povećanog broja mijenjanja oštrica alata.

- Izbor materijala alata

TOKARENJE

GLODANJE

BUŠENJE

PILJENJE

BRUŠENJE

- Plošno brušenje

- Brušenje cilindričnih površina

- Brušenje bez centra

- Unutrašnje brušenje

- Brusilice za specijalne namjene

- Brusne ploče

LEPANJE

- Procesi lepanja

- Ploče za lepanje

- Prednosti i nedostaci

HONANJE

- Postupak honanja

- Izbor abrazivnih kamena za honanje

- Prednosti i nedostaci honanja

30

NEKONVENCIJONALNI NAČINI OBRADENekonvencijonalni načini obrade su obrade kod kojih se odstranjivanje

(dijeljenje) materijala zbiva uz pomoć prijenosa energije, koji nije samo mehanički. Prijenos energije može biti mehanički, kemijski, elektrokemijski, električni, optički ili termički. Primarni cilj nekonvencijonalnih metoda obrade je obrada novih materijala kao što su: tvrdi metali, keramike, staklo i drugo. Svakim danom otkrivaju se novi materijali, koji nalaze svoju primjenu u specifičnim područjima. Kod većine ovih materijala obrada konvecijalnim metodama stvara velike probleme (lom i trošenje alata, neekonomičnost ili nemogućnost obrade). Dok se nekonvencionalni načini obrade primjenjuju bez uobičajenih ograničenja u odnosu na svojstvo obradivosti materijala. Druga područja njihove primjene su kod procesa kod kojih su: konvencijalne metode jako skupe, vremena obrade predugačka, veliki zahtjevi točnosti obrade ili veliki rizici zbog deformacije radnog obradka ili nepovoljnog utjecaja na površinski sloj materijala. Najvažnije nekonvencijonalne metode su:

o obrada iskrom,o elektrokemijska obrada,o obrada s laserom, o ultrazvučna obrada,o obrada s elektronskim zrakama,o obrada s vodenim mlazom,o kemijska obrada.

OBRADA LASEROM

ELEKTROEROZIJA ISKROM

ELEKTROKEMIJSKA OBRADA

KEMIJSKA OBRADA

ULTRAZVUČNA OBRADA

OBRADA MLAZOM VODEOBRADA SNOPOM ELEKTRONA

Materijalima, u širem smislu, nazivaju se krute, tekuće i plinovite tvari, koje se koriste u izradi dijelova, te izgradnji, pogonu i održavanju sustava. Materijali korišteni pri izradi dijelova i izgradnji sustava, u pravilu kruti, nazivaju se tehnički ili konstrukcijski materijali (građevinski, strojarski, elektrotehnički, specijalni). U literaturi se često koristi i termin materijali u užem smislu, pri čemu se podrazumijeva-ju samo tehnički materijali. Kruti, tekući i plinoviti materijali koji se koriste (u pravilu i troše), pri pogonu i održavanju dijela/sustava nazivaju se "pogonski materijali".

Tehnički materijali se mogu klasificirati u pet grupa: metali, keramika, polimeri, poluvodiči i kompozitni materijali (Tablica 2.1). Materijali u svakoj od ovih grupa imaju različite strukture i svojstva. Slika 2.1 prikazuje osnovne predstavnike tehničkih materijala, njihovu namjenu i svojstva.

Tablica 3.1 Osnovni primjeri, namjene i svojstva za svaku kategoriju materijala

31

NAMJENA SVOJSTVA

METALIBakarSivi lijevAlatni čelici

BrodogradnjaElektrična žicaBlok automobilskog motoraKljuč za izvijanje

Visoka električna provodljivost, dobra kovnostLjevenost, obradivost, prigušene vibracijeZnačajnije očvršćivanje sa toplinskom obradom

KERAMIKASiO2-Na2O-CaAl2O3, MgO, SiO2

Barium nitrat

Prozorsko stakloVatrootporni kontejneriTransducer za radio opremu

Optički upotrebljivi, toplinski izolatorToplinski izolator, visoka temperatura taljenjaKonvertira zvuk u elektricitet

POLIMERIPolietilenEpoksidiFenoli

Pakovanje hraneElektronikaLjepila

Lako se formira u tanke, fleksibilni. folijeElektrični izolatori i otporni na vlaguČvrsti, otporni na vlagu

POLUVODIČISilicijGaAr

TranzistoriVlaknasti-optički sistemi

Jedinstveno električno ponašanjeKonvertira električne signale u svijetlo

KOMPOZITIUgljik-epoksidWC-CoTi-naslaga na čeliku

Avionska industrijaBrodogradnjaAlatiPosuda reaktora

Visok omjer čvrstoća-težinaVisoka tvrdoća i žilavostNiska cijena, visoka čvrst. otporni na koroziju

3.2 TEHNIČKI MATERIJALI I NJIHOVA SVOJSTVA Selekcija materijala se bazira na njihovim svojstvima, koja prave razliku između

materijala. Materijali imaju stotine različitih svojstava. Mi ćemo se zadržati na najvažnijima. Najvažnije kategorije svojstava materijala koja se moraju uzeti u obzir kod selekcije materijala prikazana su u tablici 3.2.

- Kemijska svojstva Su karakteristike materijala koje se odnose na njegovu strukturu i njegovo formiranje iz osnovnih elemenata. Ova svojstva se ispituju u laboratorijima i vizualno se ne mogu odrediti. Često je nužno promijeniti ili uništiti materijal da bi se odredila njegova kemijskih svojstava.

- Fizikalna svojstvaSu karakteristike materijala koje se odnose na interakcije ovih materijala sa različitim formama energije i drugim formama materije. Fizikalna svojstva se obično mjere bez uništavanja ili mijenjanja materijala. Na primjer, boja je fizikalno svojstvo, koja se može odrediti jednostavno gledanjem. Gustoća materijala se određuje mjerenjem težine i volumena predmeta.

- Mehanička svojstvaOpisuju kako se materijal ponaša kad je izložen djelovanju sila. Najvažnija su čvrstoća i tvrdoća. Čvrstoća prema načinu, kako sile djeluju imamo čvrstoću na istezanje, pritisak, savijanje, odrez i sukanje. Ispitivanja mehaničkih svojstava se izvode sa destrukcijom (uništavanjem) materijala. Na primjer, tvrdoća se ispituje penetracijom tvrđeg predmeta (šiljka ili kugle) u materijal.

32

- Dimenzionalna svojstva Su svojstva koja se odnose na oblik materijala i njegove površinske karakteristike. Moguće dimenzije, oblik, hrapavost površine i tolerancije materijala su često najvažniji faktori pri selekciji. Na primjer površinska hrapavost (jako je važna kod mnogih primjena materijala) je dimenzijsko svojstvo koje se određuje mjerenjima.

Tablica 3.2 Svojstva materijala

SVOJSTVA MATERIJALAKEMIJSKA FIZIKALNA MEHANIČKA DIMENZIONALNA

METAL

SastavMikrostrukturaFazeVeličina zrnaKorozijaPrimjese

Vlačna svojstvaŽilavostIztezljivostZamorTvrdoća

Mogući obliciMoguće dimenzijeTolerancije Moguće kvalitete površine

POLIMER

SastavFilerKristalnostZapaljivostKemijski otpor

TališteToplinskaElektrična

Vlačna svojstvaToplinski poremećajiTlačna čvrstoćaŽilavost

TolerancijeStabilnostMoguće dimenzije

KERAMIKA

SastavPoroznostVeličina zrnaKorozijaVezivo

MagnetskaOptičkaAkustička Vlačna svojstva

Tlačna čvrstoćaŽilavostTvrdoća

Mogući obliciMoguće dimenzijeTolerancijeStabilnost

KOMPPOZ

SastavMatricaVolumno povećanjePojačanjeOtpornost na koroziju.

Vlačna svojstvaTlačna čvrstoća ŽilavostTvrdoća

Mogući obliciMoguće dimenzijeTolerancijeStabilnost

3.3 STRUKTURAStruktura materijala se može promatrati na nekoliko nivoa (slika 3.1).

- Atomska struktura i raspored elektronaAtomska struktura utječe na vezivanje atoma, ona nam pomaže pri kategorizaciji materijala u metale, poluvodiče, keramičke materijale i polimere. Iz atomske strukture mogu se izvući glavni zaključci o mehaničkim i fizikalnim svojstvima materijala. Raspored elektrona, koji okružuju jezgru atoma, utječe na električna, magnetska, toplinska i optička svojstva materijala. Raspored elektrona također utječe na veze između samih atoma.

- Raspored atomaNa slijedećem nivou, se promatra raspored atoma. Metali, poluvodiči, mnogi keramički materijali i neki polimeri imaju sređen raspored atoma. Ovi materijali se nazivaju kristalni materijali. Kristali se definiraju kao dijelovi krute materije u kojima su atomi pravilno raspoređeni. Neki keramički materijali i polimeri kao i sve kapljevine nemaju

33

sređen raspored atoma. Ovi materijali se nazivaju amorfni materijali ili staklasti materijali (glassy) i ponašaju se potpuno različito od kristalnih materijala. Na primjer, staklasti amorfni polietilen je proziran, a kristalni polietilen je neproziran materijal koji propušta svjetlo.

- MikrostrukturaMikrostruktura je struktura poliranih i nagriženih materijala, koju dobijemo uz pomoć mikroskopa uz povećanja većim od 10 puta. Mikrostruktura pokazuje: prisutne faze, njihov volumni udio u materijalu, primjese, veličinu zrna i toplinsku obradu materijala. Zrnatu strukturu imaju mnogi metali, poluvodiči i keramički materijali. Veličina zrna i njihov oblik utječu na ponašanje materijala. U nekim specifičnim slučajevima, kao što je, na primjer, u silikonskim čipovima želi se proizvesti materijal koji sadrži samo jedno zrno ili materijal koji ima samo jedan kristal. Međutim, kod mnogih metala je prisutno više faza. Faza materijala ima jedinstven raspored atoma i svojstva. Kontrolom vrste, veličine, rasporeda i količine faza u materijalu kontroliraju se svojstva materijala.

Slika 3.1 Četiri strukture materijala:

a) atomska strukturab) kristalna strukturac) mikrostruktura (x100)d) mikrostruktura (x200)

34