Badanie powierzchni elementów ceramicznych po docieraniu

Transkrypt

1 MOLENDA Justyna 1 CHARCHALIS Adam 2 Badanie powierzchni elementów ceramicznych po docieraniu WSTĘP Docieranie jako rodzaj obróbki wykończeniowej ma obecnie wiele zastosowań, między innymi w przemyśle kosmicznym, samochodowym, narzędziowym, medycznym, elektrooptyce, wytwarzaniu elementów urządzeń do archiwizacji danych, elementów pomp i zaworów. Nie ma w zasadzie ograniczeń jeżeli chodzi o gatunek i stan obrabianego materiału. Docieranie umożliwia obróbkę również tych materiałów, które ze względu na swoje właściwości nie mogą być obrabiane innymi metodami, lub jest to ekonomicznie nieuzasadnione. W szczególności, są to kruche elementy ceramiczne, materiały półprzewodnikowe i różne rodzaje szkła. Ponieważ ceramika ze względu na swoje szczególne właściwości należy do najtrudniej obrabianych materiałów konstrukcyjnych, należy przywiązywać szczególną uwagę do wyboru metody obróbki i doboru jej parametrów. Zastosowanie znajdują tylko niektóre metody wytwarzania. Szeroko wykorzystywane są przede wszystkim szlifowanie, docieranie i polerowanie. Docieranie stosuje się najczęściej wtedy, gdy wymagana jest jednocześnie wysoka dokładność kształtu, dokładność wymiarowa oraz określona mikrostereometria powierzchni obrobionej. Jako rodzaj obróbki wykończeniowej, docieranie ma obecnie wiele zastosowań, między innymi w przemyśle kosmicznym, samochodowym, narzędziowym, medycznym, elektrooptyce, wytwarzaniu elementów urządzeń do archiwizacji danych, elementów pomp i zaworów. Pozwala ono na uzyskanie chropowatości powierzchni elementów ceramicznych R a = 1 0,01 µm [2,5,6,8,9,10]. 1. OBRÓBKA WYKOŃCZENIOWA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH Ceramika techniczna stanowi obecnie dużą grupę materiałów obrabianych ściernie. Zakres jej zastosowań obejmuje współcześnie prawie wszystkie dziedziny techniki, od inżynierii chemicznej, elektrotechniki i elektroniki, energetyki, optyki i medycyny, aż do budowy maszyn i kształtowania materiałów (elektroceramika, magnetoceramika, nukleoceramika, optoceramika, bioceramika, ceramika silnikowa i maszynowa, ceramika narzędziowa). Przyjmuje ona postać litych elementów ceramicznych, ceramiczno-metalowych lub powłok. Jej szerokie wykorzystywanie wynika z licznych zalet. Podkreślić tu należy wysoką twardość, odporność na ścieranie, odporność na korozję, mechaniczną wytrzymałość w wysokiej temperaturze, trwałość kształtu, korzystny stosunek masy do objętości. Istotną cechą prawie wszystkich materiałów ceramicznych jest ponadto ich kruchość. Te szczególne cechy ceramiki, w połączeniu z wysokimi wymaganiami pod względem jakości powierzchni obrobionej oraz dokładności wymiarowo-kształtowej wyrobu, sprawiają, że należy ona do grupy najtrudniej obrabianych materiałów konstrukcyjnych i należy przywiązywać szczególną uwagę do wyboru metody obróbki i doboru jej parametrów. Zastosowanie znajdują tylko niektóre metody wytwarzania. Szeroko wykorzystywane są przede wszystkim szlifowanie, docieranie i polerowanie [2,3,8,9]. W porównaniu do docierania podstawową zaletą szlifowania bardzo dokładnego jest krótszy czas obróbki i stosowanie chłodziwa zamiast ścierniwa. Jakość i płaskość uzyskiwanych powierzchni jest porównywalna. Stan powierzchni po szlifowaniu różni się jednak od docieranej. Ze względu na znacznie wyższe parametry skrawania, podczas szlifowania na przedmiot obrabiany działają większe siły i temperatury, czego skutkiem są uszkodzenia powierzchni (mikropęknięcia, naprężenia własne). 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska Tel: , , Fax: , jmolenda@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska Tel: , , Fax: , achar@am.gdynia.pl 3355

2 Parametry stosowane podczas szlifowania wymagają ponadto zastosowania sztywnych obrabiarek o wysokowydajnych napędach i ciągłego, intensywnego chłodzenia. Z drugiej strony, docieranie charakteryzują korzystne właściwości, zwłaszcza w odniesieniu do materiałów ceramicznych, do których należy zaliczyć: prostotę procesu pod względem techniczno maszynowym, brak konieczności mocowania elementów docieranych i wynikających z tego odkształceń przedmiotu, uwarunkowane procesem, niewielkie indukowanie mikropęknięć i naprężeń własnych, uzyskiwanie na powierzchniach docieranych wielokierunkowych śladów obróbkowych [1,2,3,8]. Efektywną technicznie i ekonomicznie obróbkę powierzchni elementów ceramicznych umożliwia proces technologiczny złożony ze szlifowania ściernicami diamentowymi i docierania, ewentualnie uzupełniony polerowaniem. W przeciwieństwie do polerowana, docieranie stosuje się głównie w celu usunięcia naddatku i zwiększenia dokładności kształtu. Dlatego w procesach wytwórczych polerowanie wykonuje się zazwyczaj po docieraniu. Docieranie przeprowadzane jest w dwóch etapach: obróbki wstępnej, kiedy następuje poprawa dokładności wymiarowej i kształtowej elementu i obróbki końcowej, zmniejszającej uszkodzenia powierzchni oraz kształtującej wymaganą jej chropowatość [2,3,9]. 2. DOCIERANIE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH Narzędziem w procesie docierania jest docierak, a rolę ostrzy skrawających spełniają mikroziarna ścierne, które w szczelinie roboczej mogą przyjmować różne położenia (rysunek 1). Ziarna dostarczane są w przestrzeń roboczą, znajdującą się pomiędzy powierzchnią docieraka a powierzchnią obrabianą, w postaci zawiesiny w cieczy lub mikropasty. W wyniku obrotu tarczy docierającej i separatorów ziarna ścierne wykonują ruchy toczne (z poślizgiem lub bez) lub osadzają się w docieraku, co powoduje ubytek materiału z powierzchni obrabianej. Naddatek z powierzchni obrabianej usuwany jest w następstwie odkształcenia plastycznego, mikroskrawania lub propagacji pęknięć. P p A Przedmiot obrabiany H p x i X Docierak H d Rys. 1. Schemat strefy kontaktu przedmiotu z docierakiem poprzez mikroziarna ścierne podczas docierania; 1, 2, 3, - mikroziarna ścierne, p- nacisk jednostkowy Zazwyczaj wszystkie mechanizmy występują jednocześnie, przy dominacji jednego z nich, w zależności od rodzaju obrabianego materiału. Kształtowanie powierzchni elementów z materiałów kruchych, jak ceramika, następuje przede wszystkim na skutek propagacji pęknięć [1,2,6,8], ale również, jak dowodzi literatura [3,6], w warunkach ciągliwego usuwania materiału, przez odkształcenie plastyczne. Warunkiem jest zastosowanie minimalnej głębokości skrawania mniejszej od krytycznej (50 nm 1µm). W trakcie obróbki ziarna ulegają procesom niszczenia i zużywania. W wyniku tego zmniejszają się ich wymiary, tym bardziej im większe jest obciążenie. Zmiana wymiarów ziaren skutkuje, przy tym samym obciążeniu, zmniejszeniem wysokości szczeliny roboczej, zwiększeniem liczby ziaren aktywnych oraz zmniejszeniem obciążenia pojedynczego ziarna. W sytuacji, gdy proces prowadzony jest w warunkach okresowego uzupełniania ścierniwa, opisane zmiany skutkują poprawą jakości 3356

3 obrabianej powierzchni przy jednoczesnym obniżeniu wydajności obróbki, w stosunku do procesu prowadzonego przy kroplowym dawkowaniu zawiesiny ściernej [8]. 3. PRZYGOTOWANIE PRÓBEK Spośród licznej grupy elementów ceramicznych, do badań wybrano płytki zaworów instalacji wodnych (rysunek 2), dla których w procesie wytwarzania, ze względu na szczególną ważność płaskości i wymaganej chropowatości powierzchni, konieczne jest docieranie. Elementy wykonane były z ceramiki tlenkowej Al 2 O 3 (95%), która jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych, m.in. na narzędzia skrawające, elementy uszczelnień mechanicznych, łożysk i prowadnic, jako materiał ścierny, czy izolator elektryczny i cieplny [5,8]. Rys. 2. Płytki zaworowe docierane w czasie badań Z uwagi na zastosowanie płytek jako elementów uszczelniających, dla uzyskania wymaganej szczelności, należy zapewnić wysoką jakość i płaskość ich powierzchni. Można to uzyskać odpowiednio planując przebieg i parametry procesu technologicznego. W tym przypadku zastosowano szlifowanie i docieranie. Stereometrię powierzchni próbek badano po szlifowaniu i po docieraniu. Jako parametry opisujące jakość powierzchni przyjęto parametr R a, R k. Jak wykazała analiza literatury [1,2,3,8] są to parametry najczęściej wykorzystywane przez badaczy do analizy powierzchni po obróbce wykończeniowej. 4. STANOWISKO POMIAROWE I WYNIKI BADAŃ Pomiary chropowatości powierzchni próbek wykonano z wykorzystaniem profilometru stykowego HOMMEL TESTER T8000-R60, co pozwoliło na wykonanie pomiarów zarówno w ujęciu dwuwymiarowym rejestracja profilu chropowatości powierzchni, jak i przestrzennym rejestracja topografii powierzchni. Pomiary wykonano przy zachowaniu tych samych warunków. Długość odcinka elementarnego dobrano względem spodziewanej wartości chropowatości, która powinna mieścić się w zakresie 0,1 < R a 2 µm. Długość odcinka elementarnego ustalono zatem, zgodnie z zaleceniami normy PN-ISO 4288:1997, na l r = 0,8 mm. Wszystkie zmierzone wartości R a mieściły się w podanym zakresie zmienności, nie było zatem potrzeby zmiany długości odcinka elementarnego w czasie badań [4,11]. Dodatkowo do oceny powierzchni próbek wykorzystano konfokalny mikroskop laserowy LEXT OLS4000. Umożliwia on bardzo dokładne i powtarzalne trójwymiarowe obrazowanie struktur powierzchni w zakresie powiększeń od 108 do razy. Zaletą mikroskopu LEXT OLS 4000 jest możliwość bezdotykowych pomiarów oraz możliwość ich dokonywania bez wcześniejszego jakiegokolwiek przygotowania powierzchni do badań, co w przypadku próbek z ceramiki technicznej było szczególnie ważne [7]. Badania wykonano po szlifowaniu, w stanie dostarczonym przez producenta płytek, oraz po docieraniu. Obróbkę zrealizowano na jednotarczowej docierarce pierścieniowej ABRALAP 380, z podstawowym układem wykonawczym (rysunek 3). 3357

4 Rys. 3. Rozmieszczenie próbek w pierścieniu prowadzącym Rys. 4. Rozmieszczenie próbek w pierścieniu prowadzącym Zastosowano ścierniwo sporządzone na bazie węglika boru o trzech ziarnistościach: F400, F800 i F1200. Przedmioty umieszczano w separatorach w sposób pokazany na rysunku 4 i obciążano tak, by uzyskać nacisk jednostkowy p = 0,04 MPa. Prędkość docierania ustalono na v = 49 m/min. Próbki docierano przez 20 minut. Jakość powierzchni sprawdzano dla 10 próbek pomiarowych dla każdego wymiaru ziarna. Chropowatość mierzono trzykrotnie, w różnych kierunkach. W ten sposób uzyskano po 30 wyników dla każdego wymiaru. Po eliminacji błędów grubych za pomocą statystyki Grubbsa, wyznaczono wartości średnie parametrów chropowatości (tabela 1). Tab. 1. Wartości średnie parametru R a chropowatości próbek R a [µm] Po docieraniu Po docieraniu Po docieraniu Po szlifowaniu F400 F800 F1200 0,74 0,69 0,48 0,42 R k [µm] Po docieraniu Po docieraniu Po docieraniu Po szlifowaniu F400 F800 F1200 2,42 1,83 1,35 1,15 p = 0,04 MPa v = 49 m/min p = 0,04 MPa v = 49 m/min W celu dokonania kompleksowej analizy jakościowej stanu struktury geometrycznej powierzchni, uzyskanych podczas docierania, wykonano również pomiary topografii wybranych próbek, wyniki przedstawiono na rysunku

5 a ) b ) c ) Rys. 5. Struktura geometryczna powierzchni próbek z ceramiki Al 2 O 3 : a) przed docieraniem oraz po docieraniu przy p = 0,04 MPa, v = 49 m/min mikroziarnami: b) BC-400, c) BC-F1200 Porównując stereometrie powierzchni przed i po docieraniu z wykorzystaniem ścierniwa o ziarnistości F1200 można zauważyć, że jakość powierzchni przed obróbką (rysunek 5a) jest widocznie gorsza od uzyskanej w efekcie docierania końcowego (rysunek 5c). Obejmuje liczne nierówności występujące na większych obszarach. Docieranie przeprowadzone w warunkach docierania dokładnego wyraźnie wyrównuje powierzchnię, nie widać kierunkowych śladów obróbki, a widoczna ziarnista budowa wynika z cech materiału. Porównując natomiast próbki przed docieraniem i po docieraniu ziarnem BC-F400 (rysunek 5b), trudno zauważyć tak zdecydowane różnice w topografii powierzchni. Wysokość nierówności została zredukowana, ciągle jednak są one widoczne. 1 2 Rys. 6. Struktura geometryczna powierzchni próbki z ceramiki Al 2 O 3 po docieraniu (BC-F800, p = 0,038 MPa, v = 49 m/min): 1 ziarno ścierne, 2 ślady kontaktu mikroziaren z powierzchnią (konfokalny mikroskop skaningowy) Dodatkowo, na rysunku 6 przedstawiono obraz z konfokalnego mikroskopu skaningowego, jako przydatny w ocenie zmian zachodzących podczas transformacji warstwy wierzchniej [76,64]. 3359

6 Prezentowana struktura powierzchni wykazuje cechy podobne do przedstawionej na rys. 5b. Wierzchołki nierówności zostały ścięte w czasie obróbki. Pozostały zagłębienia, które są efektem procesu usuwania naddatku (2), gdyż jest on usuwany na skutek propagacji pęknięć i odrywania ziaren ceramiki. Na obrazie widoczne są również zanieczyszczenia ziarnami ściernymi (1). Na rysunku 7 przedstawiono raport z analizy topografii próbki pokazanej na rysunku 6, wykonany przez LEXT OLS4000. Na podstawie danych z 11 profili wyznaczono parametry chropowatości tożsame z podanymi w tabeli 1, wyznaczonymi przez profilometr. Rys. 7. Parametry chropowatości w wybranych 11 przekrojach 3360

7 WNIOSKI Szerokie stosowanie ceramiki technicznej w każdej właściwie dziedzinie techniki wynika z jej szczególnych cech wytrzymałościowych. Te cechy jednak, sprawiają jednocześnie, że należy ona do materiałów najtrudniej obrabialnych. Do wykorzystania nadają się tylko niektóre metody obróbki, wśród nich jest docieranie. Pozwala ono, przy zastosowaniu stosunkowo prostych środków technologicznych, na obróbkę nawet tych najtrudniej obrabialnych materiałów. Pomimo ich porowatości, również od elementów ceramicznych wymaga się wysokiej jakości obrobionej powierzchni. Do jej sprawdzania można wykorzystać wiele metod. W pracy autorzy proponują zastosowanie profilometru stykowego oraz konfokalnego mikroskopu skaningowego. Zastosowanie mikroskopu świetlnego w tym przypadku nie dało pożądanego efektu. Wyniki wskazują na przydatność zaproponowanych metod do oceny jakości powierzchni. Pomiary tych samych próbek, dają porównywalne wyniki analizowanych parametrów. Streszczenie Ceramika techniczna stanowi obecnie dużą grupę materiałów obrabianych ściernie. Zakres jej zastosowań obejmuje współcześnie prawie wszystkie dziedziny techniki. Ponieważ, ze względu na swoje szczególne właściwości, ceramika należy do najtrudniej obrabianych materiałów konstrukcyjnych, należy przywiązywać szczególną uwagę do wyboru metody obróbki i doboru jej parametrów. Zastosowanie znajdują tylko niektóre metody wytwarzania. Szeroko wykorzystywane są przede wszystkim szlifowanie, docieranie i polerowanie. Efektywną technicznie i ekonomicznie obróbkę powierzchni elementów ceramicznych umożliwia proces technologiczny złożony ze szlifowania ściernicami diamentowymi i docierania, ewentualnie uzupełniony polerowaniem. Do badań wybrano płytki zaworów instalacji wodnych, których w proces wytwarzania zawiera szlifowanie i docieranie. Elementy wykonane były z ceramiki tlenkowej Al 2 O 3 (95%), która jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych. Do obróbki wykorzystano węglik boru o wymiarze ziarna F400, F800 i F1200. Jakość powierzchni próbek mierzono przed i po docieraniu. Wykorzystano w tym celu profilometr stykowy HOMMEL TESTER T8000-R60 oraz konfokalny mikroskop skaningowy LEXT OLS Do analizy wykorzystano wyznaczone przez urządzenia topografie powierzchni. Badania wykazały, że analizowane parametry chropowatości powierzchni R a i R k są tożsame dla obu metod. Investigation of the quality of workpiece surface after lapping Abstract Ceramics in recent years have been sought in many applications due to their improved properties like low density, high fracture toughness, high hardness and wear resistance, good high temperature strength and others. On the negative side, they are far less ductile than metals and tend to fracture immediately when any attempt is made to deform them by mechanical work. This is why machining of ceramic materials is a big challenge and quite expensive affair. Primarily they are finished by abrasive machining processes such as grinding, lapping and polishing. To obtain all necessary machining qualities without much investment, design engineers have suggested the lapping process, used especially after grinding. Polishing usually is used after lapping. This paper reports the observations of surfaces of Al 2 O 3 (95%) samples after grinding and lapping process. Aluminium oxide is one of the hardest material known, what promotes a series of applications in mechanical engineering, like bearings and seals. During research Al 2 O 3 sealing elements were being lapped. Three sizes of boron carbide grains were used: F400, F800, and F1200. Workpiece surfaces quality were investigated before and after lapping. For this purpose HOMMEL TESTER T8000-R60 profilometer and laser confocal microscope LEXT OLS Achieved surface topographies were analysed. The analysis indicate that determined roughness parameters R a i R k are similar for both measuring method. BIBLIOGRAFIA 1. Bakharev V. P. Dispersion of ceramics and composites in diamond finishing by free abrasive. Russian Engineering Research 2009, vol. 29, nr Barylski A., Badania kształtowania powierzchni materiałów ceramicznych przez docieranie. Tribologia 2004, nr Gafarov A. M., Gafarov V. A., Aziz S. Sh., Kelbiev F. M., Surface roughness in lapping with dosen removal of surface layer. Russian Engineering Research 2011, vol. 31, nr

8 4. HOMMEL TESTER T8000-R60. Instrukcja obsługi. 5. Kainer G. B., Identification of methods and means of monitoring precision components in finishing operations and following manufacture. Measurement Techniques 2008, vol. 51, nr Klocke F., Manufacturing Processes 2: Grinding, Honing, Lapping. Springer Verlag, Berlin Heidelberg Konfokalny laserowy mikroskop skaningowy LEXT OLS4000. Materiały firmy Olympus. 8. Marinescu I. D., Tonshoff H. K., Inasaki I., Handbook of ceramic grinding and polishing. Noyes Publications/William Andrew Publishing, LLC., New York Molenda J., Influence of lapping velocity, pressure, and time on ceramic elements machining results. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni 2013, nr Molenda J., Barylski A., Al 2 O 3 sealing elements lapping. Journal of KONES Powertrain and Transport 2012, vol. 19, nr Wieczorowski M., Cellary A., Chajda J.: Przewodnik po pomiarach nierówności powierzchni czyli o chropowatości i nie tylko. Zakład Wydawniczy M-Druk, Poznań