SI A SKRAWANIA PODCZAS TOCZENIA CERAMIKI Si 3 N 4 W WARUNKACH LAM

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 MARIAN JANKOWIAK SI A SKRAWANIA PODCZAS TOCZENIA CERAMIKI Si 3 N 4 W WARUNKACH LAM W artykule przedstawiono wp yw temperatury nagrzewanej laserowo warstwy skrawanej twardej ceramiki technicznej Si 3 N 4, posuwu, g boko ci skrawania oraz zu ycia ostrzy na si skrawania podczas wzd u nego toczenia ostrzami wykonanymi z ró nych materia ów narz dziowych: polikrystalicznego diamentu i azotku boru oraz powlekanego w glika spiekanego. Wykazano, e wzrost temperatury warstwy skrawanej ceramiki Si 3 N 4 w warunkach laserowego wspomagania toczenia (LAM) istotnie zmniejsza si skrawania badanymi ostrzami. Wzrost posuwu i g boko ci skrawania powoduje wzrost si y skrawania intensywniejszy ni w przypadku tradycyjnego toczenia innych materia ów konstrukcyjnych. Potwierdzono, e istnieje istotna korelacja pomi dzy si skrawania podczas laserowego wspomagania toczenia a zu yciem stosowanych ostrzy. S owa kluczowe: laserowe wspomaganie toczenia, twarda ceramika techniczna, si a skrawania 1. WPROWADZENIE Ci gle rosn ce wymagania obróbki stopów tytanu i niklu, ceramiki technicznej oraz materia ów kompozytowych cz sto wykraczaj poza mo liwo ci tradycyjnych metod obróbki. Metody te polegaj g ównie na usuwaniu naddatku obróbkowego ostrzami o zdefiniowanej kraw dzi skrawaj cej. Wymienione materia y nale do grupy materia ów trudno skrawalnych, gdy podczas ich obróbki nast puje intensywne zu ycie ostrzy skrawaj cych, powstaj du e si y skrawania i du e napr enia obróbkowe. Do poprawy skrawalno ci tych materia ów d y si przez stosowanie obróbki hybrydowej, polegaj cej na dostarczeniu do strefy skrawania dodatkowej energii cieplnej za pomoc plazmy lub promienia lasera. Proces nagrzewania promieniem lasera jest okre lany jako laserowe wspomaganie obróbki (LAM). Jest ono badane w wielu o rodkach naukowych na wiecie oraz w Polsce. Pozytywne efekty obróbki hybrydowej stwierdzono w zakresie zu ycia ostrzy i warto ci si skrawania podczas toczenia materia ów ceramicz- Dr in. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Pozna skiej. Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach jako projekt badawczy.

2 12 M. Jankowiak nych [2, 7 17, 22, 25 27, 33], inconelu 718 [1, 32], zahartowanej stali [6, 29], stali narz dziowej i stelitu [3], eliwa wermikularnego [30], kompozytów metalowo-ceramicznych [31] oraz mikrofrezowania stopu aluminium [18]. Popraw skrawalno ci ocenia si równie na podstawie zmniejszenia energii w a ciwej skrawania [1, 25], chropowato ci powierzchni obrobionej [28, 30] lub napr e cinaj cych w strefie skrawania [21]. Badania wykaza y równie, e toczenie w warunkach LAM zmniejsza istotnie koszty jednostkowe wytwarzania w porównaniu z toczeniem tradycyjnym [1, 30]. Tematyka laserowego wspomagania obróbki materia ów trudnoskrawalnych jest nadal aktualna i rozwijana w wielu o rodkach naukowych. 2. CEL, ZAKRES I TECHNIKA BADA Celem bada by o okre lenie wp ywu temperatury warstwy skrawanej nagrzewanej laserowo ceramiki Si 3 N 4 oraz posuwu f, g boko ci skrawania a p i zu ycia ostrzy VB c na si skrawania F c podczas toczenia wzd u nego. Warstw skrawan podczas skrawania nagrzewano promieniem lasera CO 2 (TLF 2600t TRUMPF) o rednicy d l = 6 mm do temperatury z zakresu 2 = ºC. Stosowano posuw o warto ci f = 0,04 0,14 mm/obr oraz g boko skrawania a p = 0,1 0,225 mm. Badania prowadzono dla sta ej pr dko ci skrawania v c = 10 m/min. Materia em obrabianym by y tulejki o wymiarach Ø14 4,5 104 mm z twardej ceramiki technicznej Si 3 N 4 (>96%), produkcji Norton Dias (Republika Czeska), wykonane w technologii HIPSN. Wed ug danych producenta ich w a ciwo ci by y nast puj ce: g sto 3,23 g/cm 3, wielko ziarna (d 50) < 1 µm, mikrotwardo HV 0,1, modu spr ysto ci E 3, MPa. Ostrzami skrawaj cymi by y wymienne p ytki ostrzowe produkcji Kennametal (USA): TPGN z naro em z polikrystalicznego diamentu KD100, TPGN z naro em z polikrystalicznego azotku boru KD050, SNMG MS z drobnoziarnistego w glika wolframu KC5510 z nanopow ok TiAlN (naniesion metod PVD). Badania wykonano na stanowisku sk adaj cym si z tokarki uniwersalnej zintegrowanej z laserem technologicznym w Zak adzie Obróbki Skrawaniem Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Pozna skiej (rys. 1) [7, 8]. Obróbka hybrydowa (laserowe wspomaganie skrawania) wymaga utrzymywania sta ej, za o onej temperatury warstwy skrawanej. Do jej kontroli wykorzystano termometry bezkontaktowe (pirometry) serii Marathon firmy Raytek, o rozdzielczo ci optycznej 300:1, mierz ce temperatur powierzchni obrabianej w dwóch punktach (rys. 2). Punkt pomiaru B, oddalony k towo od punktu A

3 Si a skrawania podczas toczenia ceramiki v fl n o v f 2 Rys. 1. Widok strefy skrawania nagrzewanej laserowo [7, 8] Fig. 1. View of turning zone heated via laser [7, 8] Rys. 2. Miejsca pomiaru temperatury przedmiotu obrabianego podczas LAM [7, 8] Fig. 2. The place of workpiece temperature measured during LAM [7, 8] o 90, le cy w p aszczy nie przechodz cej przez o promienia laserowego i prostopad ej do osi toczonego przedmiotu, jest miejscem, w którym znajduje si naro e ostrza skrawaj cego w warunkach LAM, a temperatura 2 jest temperatur regulowan. Utrzymywanie sta ej temperatury zapewnia specjalny autorski program [4] dzia aj cy na zasadzie ujemnego sprz enia zwrotnego. Program ten utrzymywa zadan temperatur 2, a ka dorazowa jej zmiana wynikaj ca z przebiegu skrawania powodowa a zmian mocy promienia laserowego w celu powrotu do temperatury zadanej. Si skrawania mierzono si omierzem tensometrycznym w asnej konstrukcji, wyposa onym w mostek tensometryczny firmy Tenmex. 3. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Wyniki bada wp ywu temperatury warstwy skrawanej ostrzami z polikrystalicznego diamentu, azotku boru i powlekanego w glika spiekanego przedstawiono na rys. 3. Wida, e wzrost temperatury od 1100 C do 1500 C powoduje zmniejszenie si y skrawania F c od kilku do kilkunastu razy, w zale no ci od u ytego ostrza. Tak du zmian si y skrawania pod wp ywem zmian temperatury potwierdzono w badaniach opisanych w pracach [18, 33], natomiast w badaniach omówionych w publikacjach [1, 3, 22, 25, 27 32] zmiana ta by a najwy- ej kilkukrotna. Zmniejszanie si y skrawania w badanym zakresie temperatury wynika ze zmi kczenia szklistej fazy osnowy ceramiki Si 3 N 4 [22]. Si a skrawania w temperaturze 1100 C ma warto zbli on do si y skrawania podczas tra-

4 14 M. Jankowiak dycyjnego toczenia ceramiki Si 3 N 4 [20]. Najwi ksze warto ci si y zarejestrowano dla ostrzy z w glików spiekanych, najmniejsze natomiast dla ostrzy z polikrystalicznego diamentu. Wynika to prawdopodobnie z ró nicy promienia kraw dzi skrawaj cej r n : dla ostrzy w glikowych r n 20 m, natomiast dla ostrzy diamentowych r n 4 m; promie kraw dzi skrawaj cej ma istotne znaczenie podczas skrawania ma ych grubo ci warstwy skrawanej. Nale y zauwa y, e ró nice w warto ciach si y skrawania ostrzami supertwardymi i w glikowym malej wraz ze wzrostem temperatury 2 warstwy skrawanej. 60 Si a skrawania F c [N] F c = 7047* ,2 * 2 R 2 = 0,9 WS -7,0 F c = 8E+22 2 R 2 = 0,9723 PCBN 10 PKD -9,2 F c = 3E Temperatura skrawania [ C] Rys. 3. Si a skrawania F c w funkcji temperatury 2 warstwy skrawanej ceramiki Si 3 N 4 toczonej ostrzami z polikrystalicznego diamentu (PKD) i azotku boru (PKBN) oraz w glika spiekanego (WS) Fig. 3. Cutting force F c in function of cut temperature 2 for ceramics Si 3 N 4 turned with polycrystalline diamond (PCD) and boron nitride (PCBN) as well as coated cemented carbide wedges (HW) Wraz ze wzrostem rzeczywistej g boko ci skrawania i posuwu (rys. 4 5) zwi ksza si monotonicznie si a skrawania, przy czym zwi ksza si ona intensywniej ni w przypadku tradycyjnego toczenia wi kszo ci materia ów konstrukcyjnych. Wyk adniki pot gowe w równaniach regresji s istotnie wi ksze od jedno ci zarówno w równaniach F c (a p ), jak i F c (f). W przypadku zmiany g boko ci skrawania wynika to ze zmiany w a ciwo ci nagrzewanego materia u ceramicznego w g bi warstwy wierzchniej, co jest zwi zane z rozk adem temperatury w przedmiocie obrabianym. Oznacza to, e gdy stosowano wi ksz g boko skrawania, naro e ostrza znajdowa o si w obszarze o mniejszym stopniu zmi kczenia szklistej fazy osnowy toczonej ceramiki, w efekcie czego si a skrawania ros a wi cej ni proporcjonalnie.

5 Si a skrawania podczas toczenia ceramiki PCBN 1,32 F c = 164,3a p Si a skrawania F c [N] WS 1,61 F c = 204,9a p 5 1,94 F c = 267,7a p PKD 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 G boko skrawania a p [mm] Rys. 4. Wp yw g boko ci skrawania na si skrawania podczas toczenia ró nymi ostrzami ceramiki Si 3 N 4 w temperaturze 2 = C Fig. 4. Cutting depth influence on cutting force during turning of ceramics Si 3 N 4 with different wedges in temperature 2 = C 30 Si a skrawania F c [N] F c = 325 f 1,28 PCBN R 2 = 0,98 F c = 379 f 1,37 WS F c = 307 f 1,45 PKD 0 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Posuw f [mm/obr] Rys. 5. Wp yw posuwu na si skrawania podczas toczenia ró nymi ostrzami ceramiki Si 3 N 4 w temperaturze 2 = C Fig. 5. Feed influence on cutting force during turning of ceramics Si 3 N 4 with different wedges in temperature 2 = C

6 16 M. Jankowiak rednia si a skrawania Fc [N] WS F c = 101VB c - 0,03 R 2 = 0,95 PKD F c = 82VBc - 1,12 R 2 = 0,91 F c = 48VB c + 1,14 R 2 = 0,96 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Zu ycie ostrza VB c PCBN Rys. 6. Si a skrawania w funkcji zu ycia ostrzy z ró nych materia ów narz dziowych podczas toczenia ceramiki Si 3 N 4 w temperaturze 2 = C Fig. 6. Cutting force in wedge wear function for different tool materials during turning of ceramics Si 3 N 4 in temperature 2 = C W przypadku zmiany posuwu (rys. 5) zwi kszenie parametru f powoduje wzrost pr dko ci ruchu posuwowego v f, wskutek czego ostrze skrawaj ce wyprzedza fal ciep a nagrzewaj cego warstw skrawan, gdy przewodno ceramiki Si 3 N 4 jest ma a. Zatem im wi ksza pr dko v f, tym czynna kraw d skrawaj ca znajduje si w mniej nagrzanym, czyli mniej zmi kczonym, obszarze warstwy skrawanej, co powoduje wzrost si y skrawania na skutek wzrostu przekroju warstwy skrawanej oraz zmiany w a ciwo ci materia u obrabianego. Analiza wyników bada wskazuje, e wp yw g boko ci skrawania i posuwu na si podczas laserowego wspomagania skrawania zale y g ównie od w a ciwo ci materia u obrabianego. W przypadku obróbki ceramiki Al 2 O 3 dwukrotny wzrost posuwu spowodowa 12-procentowy wzrost si y skrawania [2], natomiast wzrost posuwu podczas obróbki porcelitu powodowa nieznaczne zwi kszenie si y skrawania. Przeciwnie jest z g boko ci skrawania jej zmiana powoduje proporcjonaln zmian si y skrawania [27]. Podobnie jest podczas toczenia w warunkach LAM zahartowanej stali wzrost g boko ci skrawania poci ga za sob proporcjonalny wzrost si y skrawania [28]. Wyniki bada przedstawione na rys. 6 wskazuj na liniow korelacj pomi dzy zu yciem badanych ostrzy a si skrawania w warunkach laserowego wspomagania toczenia ceramiki Si 3 N 4. Korelacja ta jest najwi ksza dla ostrzy z w glików spiekanych, a mniejsza dla badanych ostrzy supertwardych. Spowodowane jest to ró nicami w zu yciu tych ostrzy [7, 8].

7 Si a skrawania podczas toczenia ceramiki PODSUMOWANIE Na podstawie bada w asnych oraz analizy literatury sformu owano wnioski ko cowe: 1) zwi kszenie w badanym zakresie temperatury nagrzewanej laserowo ceramiki Si 3 N 4 powoduje istotne zmniejszenie si y skrawania wskutek zmi kczenia szklistej fazy osnowy, co prowadzi w efekcie do poprawy jej skrawalno ci, 2) zwi kszenie posuwu i g boko ci skrawania powoduje wi cej ni proporcjonalny wzrost si y skrawania na skutek wzrostu przekroju poprzecznego warstwy skrawanej oraz zmian w a ciwo ci warstwy skrawanej w otoczeniu czynnej kraw dzi skrawaj cej. Badania wykaza y, e istnieje liniowa korelacja pomi dzy wska nikiem VB c zu ycia badanych ostrzy a si skrawania podczas toczenia ceramiki Si 3 N 4 w warunkach LAM. LITERATURA [1] Anderson M., Patwa R., Shin Y. C., Laser-assisted machining of Inconel 718 with an economic analysis, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, vol. 46, s [2] Chang C.-W., Kuo C.-P., An investigation of laser assisted machining of Al 2 O 3 ceramics planning, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, vol. 47, s [3] Chryssolouris G., Anifantis N., Kariagannis S., Laser assisted machining: an overview, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1997, 119, s [4] Czerwi ski M., Uk ad zewn trznego sterowania stanowiska laserowego, praca dyplomowa pod kierunkiem M. Jankowiaka, Politechnika Pozna ska, Wydzia Budowy Maszyn i Zarz dzania [5] Dubey A. K., Yadava V., Laser beam machining A reviev, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, vol. 48, s [6] Dumitrescu P., Koshy P., Stenekes J., Elbestawi M. A., High-power diode laser assisted hard turning of AISI D2 tool steel, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, vol. 46, s [7] Jankowiak M., Zu ycie ostrzy z ró nych materia ów narz dziowych podczas wspomaganego laserowo procesu toczenia twardej ceramiki Si 3 N 4, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2008, vol. 28, nr 2, s [8] Jankowiak M., Zu ycie ostrzy skrawaj cych podczas toczenia ceramiki Si 3 N 4 nagrzewanej laserowo, w: X Jubileuszowy Kongres Eksploatacji Urz dze Technicznych. Materia y konferencyjne, Stare Jab onki 6 9 IX 2005, Radom, Instytut Technologii Eksploatacji Pa stwowy Instytut Badawczy 2005, s [9] Jankowiak M., Przestacki D., Laserowe wspomaganie toczenia materia ów trudno skrawalnych, w: Obróbka skrawaniem 2. Innowacje, red. J. Stós, Kraków Bukowina Tatrza ska, IZTW (d.ios) 2008, s [10] Jankowiak M., Przestacki D., Nowak I., Tool cutting ability of carbide wedged during turning of hard ceramics and metal matrix composite, w: Proceedings International Science Conference of Material Science and Manufacturing Technology MITECH, Prague, Czech University of Agriculture Prague, 2008, s

8 18 M. Jankowiak [11] Jankowiak M., Influence of Si 3 N 4 ceramics laser heating conditions on wear of wedges and roughness of machined surface in hybrid turning, w: Proceedings of 9 th International Conference TECHNOLOGY, Bratislava 2005, s [12] Jankowiak M., Bartkowiak K., Machinability of laser heated silicon nitride ceramics during turning process, w: Proceedings of the 25 th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics ICALEO 2006, Scottsdale, AZ, USA, s [13] Jankowiak M., Kawalec M., Nowak I., Grabchenko A. I., Wear of superhard wedges in hybrid turning of hard technical ceramics, w: Rezanie i instrument v tehnologi eskih sistemah, 2002, 61, Har kov, s [14] Jankowiak M., Nowak I., Influence of laser heating conditions of ceramics Si 3 N 4 on wear of diamond wedges, w: Zbirnik naukovih statej, Har kov NTU KhPI 2006, vol. 1, s [15] Jankowiak M., Laserowe wspomaganie toczenia twardej ceramiki Si 3 N 4, w: Wybrane zagadnienia obróbek skoncentrowan wi zk energii, red. M. Styp-Rekowski, Bydgoszcz, BTN 2003, s [16] Kawalec M., Jankowiak M., Nowak I., Machinability of Si 3 N 4 technical ceramics with laser heating of machined zone, w: Rezanie i instrument v tehnologi eskih sistemah, 57, Har kov 2000, s [17] Kawalec M., Jankowiak M., Nowakowski Z., Twardowski P., Rybicki M., Hard machining of steel and technical ceramics, w: 1 st Jubilee Scientific Conference Manufacturing Engineering in Time of Information Society, Gda sk, Department of Manufacturing Engineering and Automation, Gdansk University of Technology, 2006, s [18] Jeon Y., Pfefferkorn F., Effect of laser preheating the workpiece on micro end milling of metals, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2008, 130, s [19] Kavalec M., Krul G., Iznos režu ih instumentov, osna ennyh plastinami iz sverhtvërdyh materialov, pri to enii tvërdoj keramiki Al 2 O 3 i Si 3 N 4, Sverhtvërdye materialy, 1999, 1, s [20] Kawalec M., Jankowiak M., Skrawno ostrzy z pow ok diamentow w procesie toczenia twardej ceramiki technicznej Al 2 O 3 i Si 3 N 4, w: Zbiór prac VI Konferencji Naukowo- -Technicznej Kszta towanie materia ów niemetalowych NM 2001, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej 2001, s [21] Lei S., Shin Y. C., Incropera F. P., Deformation mechanisms and constitutive modeling of silicon nitride undergoing laser-assisted machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture 2000, vol. 40, s [22] Lei S., Shin Y. C., Incropera F. P., Experimental investigation of thermo-mechanical characteristics in laser-assisted machining of silicon nitride ceramics, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2001, 123, s [23] Meijer J., Laser beam machining (LBM), state of the art and new opportunities, Journal of Materials Technology, 2004, 149, s [24] Pfefferkorn F. E., Lei S., Jeon Y., Haddad G., A metric for defining the energy efficiency of thermally assisted machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, vol. 49, s [25] Pfefferkorn F. E., Shin Y. C., Tian Y., Incropera F. P., Laser assisted machining of magnesia-partially-stabilized zirconia, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, vol. 126, s [26] Rebro P., Shin Y. C., Design of operating conditions for crackfree laser-assisted machining of mullite, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, vol. 44, s [27] Rebro P., Shin Y. C., Incropera F. P., Laser-assisted machining of reaction sintered mulite ceramics, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124, s [28] Shin Y. C., Lei. S., Pfefferkorn F. E., Rebro P., Rozzi J. C., Incropera F. P., Laser- -assisted machining: is potential and future, Machining Technology, 2000, vol. 11, 3, s. 1 6.

9 Si a skrawania podczas toczenia ceramiki [29] Singh R., Melkote S. N., Charakterization of a hybrid laser-assisted mechanical micromachining (LAMM) process for a difficult-to-machine material, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, vol. 47, s [30] Skvarenina S., Shin Y. C., Laser-assisted machining of compacted graphite iron, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, vol. 46, s [31] Wang Y., Yang L. J., Wang N. J., An investigation of laser-assisted machining of Al 2 O 3 particle reinforced aluminium matrix composite, Journal of Materials Technology, 2002, 129, s [32] Wang Z. Y., Rajurkar K. P., Fan J., Lei S., Shin Y. C., Petrescu G., Hybrid machining of Inconel 718, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, vol. 43, s [33] Yang B., Shen X., Lei S., Mechanism of edge chiping in laser-assisted milling of silicon nitride ceramics, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, vol. 49, s Praca wp yn a do Redakcji: Recenzent: prof. dr hab. in. Hubert Lato CUTTING FORCE DURING TURNING OF CERAMICS Si 3 N 4 IN LASER ASSISTED MACHINING CONDITIONS S u m m a r y In this paper there was presented influence of undeformed chip temperature of technical ceramics Si 3 N 4 heated by laser as well as feed, depth of cut and wedge wear on cutting force during longitudinal turning with wedges made of different tool materials: polycrystalline diamond and boron nitride as well as coated cemented carbide. There was revealed that increasing of cut temperature of ceramics Si 3 N 4 in laser assisted turning conditions substantially decreased cutting force. Increasing of feed and cutting depth causes increasing of cutting force more intensively than in case of conventional turning of other constructional materials. It was confirmed that there was substantial correlation between cutting force during laser assisted turning and wear of used wedges. Key words: laser assisted turning, hard technical ceramics, cutting force