Wpływ geometrii ostrza na kształtowanie się reakcji materiału na skrawające narzędzie

Autorzy: J. Jonak, J. Podgórski

W artykule przedstawiono wyniki badan nad wpływem geometrii ostrza, parametrów skrawanego materiału oraz wielkości współczynnika tarcia ostrza o skrawany materiał na kształtowanie się reakcji materiału na ostrze. Jak wykazują badania (np. Jonak 1994), wartość proporcji składowych całkowitej siły skrawania, tj. stycznej (Fc) do odporowej (Fp), w przypadku skrawania naturalnych materiałów kruchych (skał) waha się w przedziale 0,3-0,6, zależnie od geometrii ostrza czy wlasciwości skrawanego materiału. W niektórych przypadkach może ona osiągać znacznie większe wartosci (1,0-3,5), np. dla stępionych ostrzy stożkowych, w trakcie skrawania np. piaskowców zerwonych, charakteryzujących się dużym współczynnikiem tarcia.

Dla stali proporcja ta często waha się na poziomie 1,0-1,25 [3], zależnie od warunków skrawania i właściwości skrawanego materiału. Podobnie w procesie skrawania ceramiki technicznej, w szerokim zakresie parametrów skrawania, rodzaju i stanu ostrza oraz środowiska skrawania, występuje zależność Fp Fc (Kawalec i in. 2000). Prezentowane badania prowadzono na drodze analiz MES, z wykorzystaniem systemu ALGOR, którego możliwości rozszerzono o zagadnienia kontaktowe.

Analizę prowadzono dla płaskiego stanu odkształcenia, zakładając nieskończoną szerokość ostrza i pomijając wpływ oddziaływań bocznych powierzchni ostrza i skały. Przyjęto skrawany ośrodek skalny jako materiał dwuwarstwowy (pomiędzy ostrze a litą skałę wprowadzono warstwę pośrednią, symulującą zachowanie się warstwy miału, jaka powstaje pomiędzy ostrzem a skałą w rzeczywistym procesie skrawania).

Analizę przeprowadzono dla różnych kombinacji stałych materiałowych charakteryzujących te warstwy oraz dla liniowej i nieliniowej charakterystyki materiału. W przypadku modelu nieliniowego przyjęto model ciała sprężysto-idealnieplastycznego Drackera-Pragera.

W wyniku analizy stwierdzono, że na wartość reakcji materiału na ostrze, spośród jego parametrów geometrycznych, decydujące znaczenie ma promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej, wartość kąta natarcia oraz wartość pasma zużycia ostrza. Ponadto, wartość tej proporcji zależy od parametrów charakteryzujących skałę, a w tym współczynnika tarcia ostrza o skrawany materiał, proporcji ich parametrów wytrzymałościowych (fc/ff), założonej sztywności warstw oraz ich liczby Poisssona.

Wartość proporcji (Fp/Fc), tj. proporcji siły reakcji materiału na ostrze (Fp) do siły wymuszającej ruch ostrza (Fc), dla ostrza ostrego (rn = 0,01 mm, a[alfa]o = b[beta]o = 5°) wahała się na poziomie 0,3. Kierunek reakcji był taki, że nóż był "wyciągany" z uchwytu. Wzrost promienia zaokrąglenia krawędzi skrawającej (rn) do 1,5 mm powodował gwałtowne zmniejszenie się rozpatrywanej proporcji do wartości około 0,03 (i poniżej, zależnie od współczynnika tarcia). Podobnie, zmniejszanie kąta natarcia ostrza (g[gamma]o = -7,5°), powodowało zmniejszenie się rozpatrywanej proporcji do poziomu 0,1. Zmienił się też kierunek reakcji (Fp).

Ostrze było "wypychane" ze strefy skrawania. Zaobserwowane tendencje są zgodne z wynikami innych badań (np. Ingraffea i in., w druku), niemniej niezbędne jest prowadzenie dalszych badań, celem doskonalenia proponowanej metody, zwłaszcza pod kątem opracowania procedur ułatwiających automatyzację niektórych czynności, zwiększenia precyzji obliczeń itd. Oczekuje się, że proponowana metoda stanie się wygodnym narzędziem projektowo - badawczym służącym do szybszego i bardziej efektywnego doboru narzędzi do skrawania określonych formacji skalnych itd.