Workshop Practice Lecture_8_5_December_2021 PDF

Basic WORKSHOP PRACTISE Module 4. Metal Cutting ‫ قطع المعادن‬.5 ‫الوحدة‬ Lesson 8. Metal Cutting ‫ قطع المعادن‬.8 ‫الدرس‬ Prepared by Prof. Dr. S. Allam  Topics to be Covered  Introduction...

Basic WORKSHOP PRACTISE Module 4. Metal Cutting ‫ قطع المعادن‬.5 ‫الوحدة‬ Lesson 8. Metal Cutting ‫ قطع المعادن‬.8 ‫الدرس‬ Prepared by Prof. Dr. S. Allam  Topics to be Covered  Introduction ‫ مقدمة‬  Machining process ‫ عملية التصنيع‬  Basic type of chip in machining.‫ النوع األساسي للرقاقة في المعالجة‬  Classification of metal cutting ‫ تصنيف القطع المعدنية‬  Essential properties of cutting tool ‫ الخصائص األساسية ألداة القطع‬  Cutting tool materials ‫ مواد أداة القطع‬  Variables in metal cutting ‫ المتغيرات في تقطيع المعادن‬  Determining shear plane angle..‫تحديد زاوية مستوى القص‬   Force acting on tool in metal cutting..‫قوة العمل على أداة في قطع المعادن‬   Power consumption in metal cutting ‫ استهالك الطاقة في تقطيع المعادن‬  Introduction Metal cutting or “Machining” is a process which removing unwanted materials from the work piece by the form of chips..‫قطع المعادن أو "التصنيع" هي عملية يتم فيها إزالة المواد غير المرغوب فيها من قطعة العمل على شكل رقائق‬ Turning ‫تحول‬ Drilling ‫حفر‬ Milling ‫طحن‬ The cutting action is done by having suitable relative motion between a hard edged cutting tool and the work piece. In the figure the tool is moving from right to left taking a depth of cut and producing a chip..‫ تتحرك األداة من اليمين إلى اليسار مع أخذ عمق القطع وإنتاج شريحة‬، ‫في الشكل‬ - Rake angle ( ): Angle between the plane perpendicular to work-part and the tool face. ‫ الزاوية بين المستوى المتعامد مع‬:)( ‫ زاوية الخليع‬- -.‫جزء العمل ووجه األداة‬  Three dimensions of a machining process 1. Cutting speed v- Primary motion-m/s (The speed which the work material passes the major cutting edge) )‫ (السرعة التي تتجاوز بها مادة العمل حافة القطع الرئيسية‬- ‫ الحركة األساسية‬: ( V mm / s) ‫سرعة القطع‬ 2. Feed (f): Secondary motion-mm/rev (The velocity at which the cutter is fed ) )‫ دورة (السرعة التي يتم بها تغذية القاطع‬/ ‫ مم‬- ‫ الحركة الثانوية‬-‫التغذية و‬ 3. Depth of cut (d): (The amount of penetration to the work surface) )‫ (مقدار االختراق لسطح العمل‬-‫عمق القطع د‬ For certain operations, material removal rate (MMR) can be found as: :‫ يمكن العثور على معدل إزالة المواد على النحو التالي‬، ‫بالنسبة لعمليات معينة‬ MRR = vfd (mm/rev) where v = cutting speed(mm/s) ; f = feed(mm/rev); d = depth(mm) of cut Chip formation in metal cutting ‫تشكيل رقاقة في قطع المعادن‬ Chip formation Geometrical illustration of chip formation  The chip is formed by a process of shearing. The shearing is take place along in the shear plane..‫ يتم القص على طول مستوى القص‬.‫تتكون الرقاقة من خالل عملية القص‬   This plane is at an angle Ø to the finished surface called the shear angle. Below the shear plan the work piece is unreformed and parallel shear plates moving up the face of the tool when cutting progress. ‫ تكون قطعة العمل غير مصححة وتتحرك ألواح القص المتوازية ألعلى‬، ‫ أسفل خطة القص‬.‫ للسطح النهائي تسمى زاوية القص‬Ø ‫هذا المستوى بزاوية‬ .‫وجه األداة عند تقدم القطع‬ Shearing: Relative motion in between two different planes in a material ‫ الحركة النسبية بين مستويين مختلفين في مادة ما‬:‫القص‬  Three basic type of chip in machining ‫ثالثة أنواع أساسية من الرقائق في القطع‬ The various types of chips found in metal cutting are classified under following heads 1. Continuous chip..‫ رقاقة مستمرة‬.1 2. Continuous chip with built-up edge (BUE chip). ‫ رقاقة مستمرة مع حافة مدمجة‬.2 3. Discontinuous chip. ‫ رقاقة متقطعة‬.3 (1) (2) (3)  1. Continuous chip Such chips are in the form of long ribbons of uniform thickness as shown in figure..‫تكون هذه الرقائق على شكل شرائط طويلة ذات سماكة موحدة كما هو موضح في الشكل‬ Usually form with ductile materials at high cutting speeds and/or high rake angles. Generally produce good surface finish..‫ تنتج بشكل عام تشطيب جيد للسطح‬.‫تتشكل عادة بمواد مطيلة بسرعات قطع عالية وزاوية الخليع كبيرة‬ Usually following conditions are result for their formation..‫عادة ما تكون الشروط التالية نتيجة لتشكيلها‬ 1. Ductile work piece material. ‫ مادة الشغل المطيلة‬.1 2. Fine feed. ‫ التغذية الدقيقة‬.2 3. Sharp cutting edge. ‫ حافة القطع الحادة‬.3 4. Effective use of cutting fluid. ‫ االستخدام الفعال لسائل القطع‬.4 5. Large rake angle. ‫ زاوية الخليع كبيرة‬.5 Ductile: Capable of having its shape changed permanently by means of applied mechanical force..‫قادرة على تغيير شكلها بشكل دائم عن طريق القوة الميكانيكية المطبقة‬:‫مطيل‬  2. Continuous chip with built-up edge (BUE chip) ‫شريحة مستمرة مع حافة مدمجة‬ Such chips are in the form of long but not smooth as shown figure ‫هذه الرقائق في شكل طويل ولكن ليس سلس كما هو موضح في الشكل‬  Under above condition the friction between the chip and the tool is so great that the chip material welds itself to the face..‫كبيرا جدًا لدرجة أن مادة الرقاقة تلتصق بالوجه‬ ً ‫ يكون االحتكاك بين الشريحة واألداة‬، ‫ في ظل الظروف المذكورة أعاله‬  The presence of the welded material further increases the friction and this leads to the building up of layer upon layer of chip material..‫ يؤدي وجود المادة الملحومة إلى زيادة االحتكاك مما يؤدي إلى تكوين طبقة فوق طبقة من مادة الرقاقة‬ Usually following conditions are result for their formation..‫عادة ما تكون الشروط التالية نتيجة لتشكيلها‬ 1. Ductile work piece material 2. large depth of cut ‫ مادة الشغل المطيلة‬.1 ‫ عمق القطع الكبير‬.2 3. Low rake angle ‫ زاوية الخليع منخفضة‬.3 4. Lower cutting speed ‫ سرعة القطع المنخفضة‬.4 5. Ineffective use of cutting fluid ‫ االستخدام غير الفعال لسائل القطع‬.5 6. High friction at tool face ‫ االحتكاك العالي في وجه األداة‬.6  3. Discontinuous chip ‫ رقاقة متقطعة‬.3 Such chips are in the form short as shown figure  During the chip formation material undergoes severe strain and if the work material is brittle, then fracture will occur in the primary deformation zone..‫ فسيحدث الكسر في منطقة التشوه األولية‬، ‫ أثناء تعرض مادة تكوين الرقاقة إلى إجهاد شديد وإذا كانت مادة العمل هشة‬  Under this condition the chip is broken in to pieces..‫ تنكسر الرقاقة إلى قطع‬، ‫في ظل هذه الحالة‬ Usually following conditions are result for their formation. 1. Brittle work piece material ‫مادة قطعة العمل الهشة‬.1 2. Lower cutting speed ‫سرعة القطع المنخفضة‬.2 ‫زاوية الخليع غير كافية‬.3 3. Insufficient rake angle ‫االهتزاز على أداة اآللة‬.4 4. Vibration on the machine tool  Classification of metal cutting ‫تصنيف قطع المعادن‬ The metal cutting process has been classified in to two groups  Orthogonal cutting (two dimensional cutting) )‫قطع متعامد (قطع ثنائي األبعاد‬  Oblique cutting (three dimensional cutting) )‫قطع مائل (قطع ثالثي األبعاد‬ Orthogonal cutting ‫قطع متعامد‬ Oblique cutting ‫قطع مائل‬  Orthogonal cutting (two dimensional cutting)  It is the cutting operation in which the cutting edge is straight, parallel to the original plane surface of the work piece, and perpendicular to the direction of cutting, ` ‫ وعمود ًياا‬، ‫ موازية لسطح المستوى األصلي لقطعة العمل‬، ‫ إنها عملية القطع التي تكون فيها حافة القطع مستقيمة‬ ، ‫على اتجاه القطع‬ The chip flows over the tool face. The chip coils are formed ‫ ياتم‬.‫تتادفق الرقاقاة علاى وجاه األداة‬ ‫تشكيل لفائف الرقائق‬ Only two components of the cutting forces are acting on the tool. ‫يعمل على األداة مكونان فقط‬.‫من قوى القطع‬ Act on a smaller area and , therefore heat development per unit area is too high and tool life is less ‫ وبالتالي فإن التطور الحراري لكل وحدة مساحة مرتفع جدًا وعمر األداة أقل‬، ‫ العمل على مساحة أصغر‬  Oblique cutting (three dimensional cutting)  In this type of cutting, the cutting edge is placed at an angle to the direction of tool travel in order to allow a free flow of chips as the tool is fed into the work piece. ‫ يتم وضع حافة القطع بزاوية في اتجاه حركة األداة للسماح بالتدفق الحر للرقائق أثناء‬، ‫ في هذا النوع من القطع‬.‫إدخال األداة في قطعة العمل‬ It acts on large area and therefore tool life is more ‫إنه يعمل على مساحة كبيرة وبالتالي فإن عمر األداة هو أكثر‬ The chip flows on the tool face making an angle..‫تتدفق الرقاقة على وجه األداة وتصنع زاوية‬ The chip flows sideway in long curl..‫تتدفق الرقاقة بشكل جانبي في حليقة طويلة‬ Three components of the forces act at cutting edge. ‫ثالثة مكونات للقوى تعمل في طليعة‬ Different type of chips produced in two different machining operations ‫يتم إنتاج أنواع مختلفة من الرقائق في عمليتي تشغيل مختلفتين‬  Essential properties of cutting tool ‫الخصائص األساسية ألداة القطع‬ 1. Toughness: Impact forces on the tool in machining operations, vibration, during machining do not chip or fracture the tool..‫ وأثناء المعالجة اآللية إلى كسر األداة أو كسرها‬، ‫ واالهتزاز‬، ‫ ال تؤدي قوى التأثير على األداة في عمليات المعالجة‬:‫المتانة‬ 2. Hot hardness: Hardness , strength and wear resistance of the tool are maintained at elevated temperatures..‫ يتم الحفاظ على الصالبة والقوة ومقاومة التآكل لألداة في درجات حرارة مرتفعة‬:‫ الصالبة الساخنة‬ 3. Wear resistance: Acceptable tool life is obtained before the tool is replaced..‫ يتم الحصول على عمر مقبول لألداة قبل استبدال األداة‬:‫ مقاومة التآكل‬ 4. Chemical stability: No reactions between tool material and work part are allowed to prevent tool wear. ‫ ال يسامح باأي تفاااعالت باين ماادة األداة وجازء العماال‬:‫ االساتقرار الكيمياائي‬.4.‫لمنع تآكل األداة‬  Cutting tool materials ‫مواد أداة القطع‬ 1. High speed steels ‫ الفوالذ عالي السرعة‬.1 2. Cast cobalt alloys ‫ يلقي سبائك الكوبالت‬.2 3. Carbides ‫ الكربيدات‬.3 4. Alumina based ceramics.‫ سيراميك أساسه األلومينا‬.4 5. Coated tools ‫ أدوات مغلفة‬.5 6. Cubic boron nitride ‫ نيتريد البورون المكعب‬.6 7. Silicon nitride (SiN) Ceramics ‫ سيراميك نيتريد السيليكون‬.7 8. Diamond ‫ الماس‬.8 Hardness of Cutting Tool Materials as a Function of Temperature ‫صالبة مواد أدوات القطع كدالة في درجة الحرارة‬ The hardness of various cutting- tool materials as a function of temperature (hot hardness). The wide range in each group of materials is due to the variety of tool compositions and treatments available for that group. ‫صااالبة مااواد أدوات القطااع المختلفااة كدالااة لدرجااة‬.)‫الحرارة (الصالبة الساخنة‬ ‫يرجع النطاق الواسع في كل مجموعاة مان الماواد‬ ‫إلاااى تناااوع تركيباااات األدوات والعالجاااات المتاحاااة‬.‫لتلك المجموعة‬ General Characteristics of Cutting-Tool Materials ‫الخصائص العامة لمواد أدوات القطع‬  Variables in metal cutting ‫المتغيرات في تقطيع المعادن‬ The major independent variables in the cutting process are as follows  Tool material, coatings , and tool condition  Tool shape, sharpness, tool surface finish  Work piece material, condition, temperature  Cutting parameters, speed, feed, depth of cut  Application of cutting fluids  Characteristic of the machine tool, stiffness, damping  Work holdings and fixtures :‫ المتغيرات المستقلة الرئيسية في عملية القطع هي كما يلي‬ ‫مواد األداة والطالء وحالة األداة‬  ‫ تشطيب سطح األداة‬، ‫ الحدة‬، ‫شكل األداة‬  ‫مادة قطعة العمل والحالة ودرجة الحرارة‬  ‫ عمق القطع‬، ‫ التغذية‬، ‫ السرعة‬، ‫معلمات القطع‬  ‫تطبيق سوائل القطع‬  ‫ التخميد‬، ‫ الصالبة‬، ‫خصائص اآللة‬  ‫مقتنيات العمل والتجهيزات‬   Variables in metal cutting The major dependant variables in the cutting process are as follows  Surface finish produced on the work piece after machining  Type of chip produced  Temperature development in the work piece ,the chip, tool  Wear and failure of the tool  Force and energy dissipated in the cutting process :‫ المتغيرات الرئيسية التابعة في عملية القطع هي كما يلي‬.‫ يتم االنتهاء من السطح على قطعة العمل بعد المعالجة اآللية‬.‫ نوع الرقاقة المنتجة‬.‫ األداة‬، ‫ الرقاقة‬، ‫ تطور درجة الحرارة في قطعة العمل‬.‫ تآكل وفشل األداةت‬ ‫ بدد القوة والطاقة في عملية القطع‬ Determining shear plane angle ‫تحديد زاوية مستوى القص‬ D  Velocity relationship in metal cutting There are three types of velocities involved in metal cutting (1) Cutting velocity Vc - Velocity of the tool relative to the work (2) Chip velocity V f - The velocity of the tool relative to the tool (3) Shearing velocity Vs - The velocity of the chip relative to the work piece Vf  VTW  Vc Vs  VCT  V f  VCW  Vs  Vc Velocity relationship in metal cutting cont.. According to the principles of relative motion Vs Vf Vc VCW  VCT  VTW     According to the sine rule Vf 90  (   ) Vf Vs Vc  Vs   Sin Cos Cos (   ) (90   )  Vc Cos Vc Vs  Cos(   ) Forces acting on metal chip in metal cutting  Force acting on tool in metal cutting Let forces in tool holder (applied load to the tool) is Ft and Fc Ft Thrust force (forces acting perpendicular to the work surface) )‫قوة الدفع (القوى التي تعمل بشكل عمودي على سطح العمل‬ Fc Cutting force (force acting along the cutting velocity) )‫قوة القطع (القوة المؤثرة على طول سرعة القطع‬ Ft Fc Tool F N Ft and Fc can be measured using dynamometer  Merchant circle diagram for represent cutting forces ‫مخطط دائرة ميرشانت لتمثيل قوى القطع‬ All these forces can be represented with the help of a circle known as the merchant force circle’ ‫ تم إنشاء مخطط دائرة ميرشانت لتسهيل تحليل قووى القطوع التوي تعمول أثنواء‬ Fs  RCos(     ) )‫القطع المتعامد (ثنائي األبعاد‬ Ft Cos  Fc Sin  F  Fc Cos  Ft Sin   tan 1    Fs  RCos(     ) Fs  Ft  Fc Cos(     ) 2 2 F  Ft  Fc Sin 2 2  Power consumption in metal cutting ‫استهالك الطاقة في تقطيع المعادن‬ The power consumption in metal cutting is given by the following expression ‫يتم تحديد استهالك الطاقة في قطع المعادن من خالل التعبير التالي‬ Power consumption W  FcVc  The energy consumed per unit volume of metal removed is given by the following expression ‫ يتم التعبير عن الطاقة المستهلكة لكل وحدة حجم للمعادن المزالة من خالل التعبير التالي‬ FcVc Power consumption per unit volume W  Vcb1t1 t1 Un-deformed chip thickness ‫سمك رقاقة غير مشوه‬ b1 With of the chip to be removed ‫مع الشريحة المراد إزالتها‬