SKRAWALNO W PROCESIE TOCZENIA STALI 55NiCrMoV O ZRÓ NICOWANEJ MIKROSTRUKTURZE I MIKROTWARDO CI

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 MIECZYSAW KAWALEC, PAWE KROCZAK SZYMON WOJCIECHOWSKI SKRAWALNO W PROCESIE TOCZENIA STALI 55NiCrMoV O ZRÓNICOWANEJ MIKROSTRUKTURZE I MIKROTWARDOCI Artyku jest powicony ocenie skrawalnoci stali stopowej narzdziowej 55NiCrMoV na podstawie zmiany wartoci wspóczynnika skrócenia wióra k l w procesie nieswobodnego toczenia stali mikkiej, zahartowanej tradycyjnie i laserowo oraz rodzaju i odmiany wióra. Stwierdzono istotny wpyw parametrów skrawania f i a p stali zrónicowanych strukturalnie oraz majcych rón twardo na badane wskaniki skrawalnoci. Sowa kluczowe: wspóczynnik skrócenia wióra, rodzaj wióra, toczenie nieswobodne, hartowanie 1. WPROWADZENIE Obecnie w zakresie ubytkowego ksztatowania elementów maszyn widoczne s wyrane tendencje do integracji rónych zabiegów technologicznych (w tym rónych sposobów skrawania) na jednym stanowisku obróbkowym. Przyczynia si to do intensyfikacji produkcji, poprawy jakoci wyrobów i pozwala uwzgldni ekologiczne aspekty obróbki. Znacznie zaawansowane s prace badawcze i wdroenia przemysowe dotyczce tzw. obróbek czonych, kompletnych i hybrydowych [5, 6, 9, 12, 16, 17, 21]. Dotychczasowe badania wasne, gównie o charakterze poznawczym, wykazuj, e wdraanie i rozwój na przykad obróbki hybrydowej (jednoczesne hartowanie i skrawanie) ujawniaj nowe wane problemy badawcze. Niezbdna jest ilociowa ocena skrawalnoci uwzgldniana w rónych procedurach optymalizacyjnych. Stal o zrónicowanej jakociowo mikrostrukturze po hartowaniu laserowym ma inne waciwoci mechaniczne ni stal po hartowaniu tradycyjnym, co powinno mie wpyw na uytkowe i fizykalne wskaniki skrawalnoci [1, 3, 9, 15, 20]. Jednym z wanych wskaników skrawalnoci jest odksztacenie war- Prof. dr hab. in. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznaskiej. Mgr in. doktoranci Wydziau Budowy Maszyn i Zarzdzania Politechniki Poznaskiej.

2 22 M. Kawalec, P. Kroczak, S. Wojciechowski stwy skrawanej materiau, oceniane za pomoc tzw. wspóczynnika zgrubienia k h lub skrócenia k l [3, 7, 13, 15, 22]. W odniesieniu do stali zahartowanych oraz twardych stopów skrawanych w warunkach powstawania tzw. wióra pioksztatnego [2, 7, 8, 13, 15] z adiabatycznym cinaniem moliwo takiej oceny jest czciowo rozwizana. 2. CEL I ZAKRES BADA Celem bada bya ilociowa ocena wspóczynnika skrócenia wióra k l w procesie skrawania na mikko i twardo stali 55NiCrMoV (wedug [19]) zrónicowanej pod wzgldem twardoci i mikrostruktury w wyniku rónych warunków obróbki cieplnej (zwaszcza hartowania). Badano wpyw parametrów skrawania: zmiennej gbokoci skrawania (dosuwu) a p (0,05, 0,1, 0,2 mm) i zmiennego posuwu f (0,04, 0,1, 0,2 mm/obr) przy staej prdkoci skrawania v c = 100 m/min na wspóczynnik skrócenia wióra k l tej stali. 3. METODYKA I TECHNIKA BADA Próbki ze stali 55NiCrMoV6, wykonane w postaci piercieni o rednicy zewntrznej d = mm i dugoci l = 33 mm, toczono w stanie mikkim (stan dostawy), po zahartowaniu tradycyjnym i zahartowaniu laserowym (rys. 1). a) b) HVmax=762 HVmin=533 Rys. 1. Mikrostruktura próbki: a) zahartowanej laserowo (P = 1500 W), b) zahartowanej tradycyjnie Fig. 1. Sample microstructure: a) laser hardened (P = 1500 W), b) conventional hardened

3 Skrawalno w procesie toczenia stali 55NiCrMoV 23 Mikrotwardo mierzono na twardociomierzu firmy Buehler MICROMET 2104, zgodnie z norm [18]. Twardo próbek (zmierzon od powierzchni w gb do 0,2 mm) przedstawiono w tablicy 1. Odlego od powierzchni [mm] Rozkad mikrotwardoci HV0,1 od powierzchni w gb próbek Microhardness distribution HV0,1 from surface deep into samples Próbka zahartowana tradycyjnie Próbka zahartowana laserowo P = 1000 W Próbka zahartowana laserowo P = 1500 W Tablica 1 Próbka w stanie mikkim 0, , , , , , , , , , HV 0, Hartowanie laserowe wykonano na stanowisku badawczym wyposaonym w laser gazowy CO 2 o maksymalnej mocy P = 2600 W firmy Trumpf oraz tokark TUM 35D1 [9]. Przed przystpieniem do hartowania próbki badawcze pokryto warstw absorpcyjn (gwaszem). Przyjto nastpujce parametry hartowania laserowego: prdko przesuwu wizki v cl = 5 m/min, rednica wizki d l = 1 mm, posuw wizki f l = 0,25 mm/obr, moc wizki laserowej P 1 = 1000 W oraz P 2 = 1500 W. Przed przystpieniem do toczenia, majcego na celu ocen k l = f(f, a p ), próbki zahartowane laserowo przetoczono na gboko skrawania a p = 0,05 mm, aby usun nierównoci warstwy wierzchniej powstae w wyniku przetopienia podczas hartowania. Wspóczynnik skrócenia wióra k l wyznaczono metod wagow [13, 15, 22]. W metodzie tej wielkociami mierzonymi dowiadczalnie s: dugo wióra l w oraz jego masa m w. Wspóczynnik skrócenia wióra wyraa si wzorem (1): gdzie: m w masa wióra [g], f posuw [mm/obr], a p gboko skrawania (dosuw) [mm], mw k l, (1) f a l p w

4 24 M. Kawalec, P. Kroczak, S. Wojciechowski l w dugo wióra [mm], gsto stali [g/mm 3 ]. Gsto stali 55NiCrMoV6, wynoszc 0,00785 g/mm 3, wzito z tablicy [23]. Mas wiórów zmierzono na wadze torsyjnej typu PRLT-TN2 o rozdzielczoci 2 mg. Podczas obróbki stali zahartowanych w pewnych zakresach parametrów skrawania pojawiaj si tzw. wióry pioksztatne [7, 8, 13, 15] (rys. 2a). Wióry te powstay w procesie nieswobodnego toczenia zaokrglon krawdzi naroa pytek (rys. 2b). Stosowano pytki ostrzowe SNGA firmy Sumitomo Electric z ceramiki mieszanej (Al 2 O 3 +TiC) o symbolu NB100C z powok nano ZX (TiN/AlN), mocowane w oprawce o symbolu PSBNR W celu zminimalizowania wpywu zuycia ostrza na badane wskaniki ostrza skrawajce wymieniano na nowe w chwili, gdy zuycie VB c wynosio okoo 0,06 mm. Geometria ostrza narzdzia skrawajcego bya nastpujca: gówny kt przystawienia r = 75 o, promie naroa r = 0,8 mm, promie zaokrglenia krawdzi skrawajcej r n = 7 9 m [9], gówny kt natarcia o = 6 o, gówny kt przyo- enia o = 6 o, kt pochylenia gównej krawdzi skrawajcej s = 7 o. a) b) r Rys. 2. Schemat przedstawiajcy: a) wiór pioksztatny, b) elementy geometryczne warstwy skrawanej Fig. 2. Diagram presenting: a) saw-toothed chip, b) geometrical elements of undeformed chip Dla kadego badanego parametru a p i f wspóczynnik skrócenia k l wyznaczano cztery razy, a nastpnie na podstawie tej próby obliczano jego warto redni arytmetyczn i rozstp. Na podstawie zadanej gbokoci skrawania a p i posuwu f wyznaczano redni grubo warstwy skrawanej h r zgodnie z równaniem (2): f a p hr [mm], (2) b

5 Skrawalno w procesie toczenia stali 55NiCrMoV 25 gdzie b jest szerokoci warstwy skrawanej (rys. 2b) wyraon równaniem (3): b 2 a p f r arccos 1 arccos 1 r 8r [mm]. (3) Przekrój poprzeczny warstwy skrawanej A = fa p w zakresie stosowanych parametrów skrawania róni si nieznacznie (od 0,2 do 5%) w porównaniu z dokadn zalenoci A = f (f, a p, r ) przedstawion w pracy [11]. 4. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Zmiany wartoci wspóczynnika skrócenia k l w funkcji posuwu f przy rónych gbokociach skrawania a p stali w stanie dostawy i zahartowanej tradycyjnie przedstawiono na rys. 3 i 4. Zaobserwowano, e niezalenie od stanu obróbki cieplnej wspóczynniki skrócenia k l malej ze wzrostem posuwu f i gbokoci skrawania a p. Jest to prawidowo charakterystyczna dla stali, przedstawiona midzy innymi w literaturze [3, 7, 13, 15]. Spadek wartoci wspóczynnika skrócenia k l z przyrostem gbokoci skrawania a p jest najbardziej widoczny w przypadku badanej stali w stanie mikkim (rys. 3). Warto wspóczynnika skrócenia k l dla stali zahartowanej tradycyjnie jest mniejsza od 1, gdy gboko skrawania a p 0,2 mm i posuw f 0,1 mm/obr. Podobne jakociowo wyniki przedstawiono w pracach [7, 8, 13]. Na rysunku 5 porównano wartoci wspóczynnika skrócenia wióra k l badanej stali (mikkiej, zahartowanej laserowo i tradycyjnie) w funkcji posuwu f. Z wykresu wynika, e najmniejsz warto wspóczynnika skrócenia k l ma stal zahartowana laserowo. Nieznacznie wiksze wartoci k l zaobserwowano dla stali zahartowanej tradycyjnie, a ponad 23 razy wiksze dla stali w stanie dostawy. Na rysunku 6 porównano wartoci wspóczynnika skrócenia wióra k l badanej stali (mikkiej, zahartowanej laserowo i tradycyjnie) w funkcji redniej gruboci warstwy skrawanej h r. Zaobserwowano, e wraz ze wzrostem redniej gruboci warstwy skrawanej h r (niezalenie od warunków obróbki cieplnej) zmniejsza si warto wspóczynnika skrócenia k l. Zauwaono, e dla próbek zahartowanych tradycyjnie i laserowo wspóczynnik skrócenia wióra k l 1, gdy h r > 0,05 mm. W tablicy 2 zamieszczono róne charakterystyczne rodzaje i ksztaty wiórów otrzymanych w wyniku toczenia badanej stali (mikkiej, zahartowanej laserowo i tradycyjnie) z rónymi kombinacjami parametrów f i a p.

6 26 M. Kawalec, P. Kroczak, S. Wojciechowski kl 12,5 11,5 10,5 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 aap=0,05mm p = aap=0,1mm p aap=0,2mm p 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 f [mm/obr] Rys. 3. Wpyw posuwu f i gbokoci skrawania a p na wspóczynnik skrócenia wióra k l stali w stanie dostawy Fig. 3. Influence of feed f and depth of cut a p on chip shortening ratio k l of steel in soft condition 3 2,5 2 ap=0,05mm a p ap=0,1mm a p ap=0,2mm a p kl 1,5 1 0,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 f [mm/obr] Rys. 4. Wpyw posuwu f i gbokoci skrawania a p na wspóczynnik skrócenia wióra k l stali zahartowanej tradycyjnie Fig. 4. Influence of feed f and depth of cut a p on chip shortening ratio k l of conventionally hardened steel

7 Skrawalno w procesie toczenia stali 55NiCrMoV NiCrMoV stan dostawy 55NiCrMoV zahartowana tradycyjnie 55NiCrMoV zahartowana laserowo - P= P = 1500 W kl ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 f [mm/obr] Rys. 5. Porównanie wartoci wspóczynnika skrócenia wióra k l stali w stanie dostawy oraz zahartowanej tradycyjnie i laserowo Fig. 5. Comparison of chip shortening ratio k l values of steel in soft, conventionally and laser hardened conditions k lr ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 h mm] r 55NiCrMoV - stan dostawy 55NiCrMoV zahartowana tradycyjnie 55NiCrMoV 55NiCrMoV zahartowana zahartowana laserowo laserowo -P=1000- próba W 1 Rys. 6. Wpyw redniej gruboci warstwy skrawanej h r na wspóczynnik skrócenia wióra k l stali w stanie dostawy oraz zahartowanej tradycyjnie i laserowo Fig. 6. Influence of mean undeformed chip thickness h r on chip shortening ratio k l of steel in soft, conventionally and laser hardened conditions

8 28 M. Kawalec, P. Kroczak, S. Wojciechowski Na podstawie kodu klasyfikacyjnego ISO (wedug [18]) mona stwierdzi, e podczas obróbki stali w stanie dostawy przy posuwie f = 0,04 mm/obr formowane s wióry pasmowe dugie, natomiast przy wikszych wartociach posuwu tworzy si wiór rubowy otwarty dugi. W wyniku skrawania stali zahartowanej tradycyjnie otrzymuje si gównie spltane wióry segmentowe. Najdrobniejsze wióry (elementowe) zaobserwowano podczas obróbki stali hartowanej laserowo z moc P = 1500 W przy posuwie f = 0,04 mm/obr. Rodzaje i ksztaty wiórów Types and shapes of chips Tablica 2 f [mm/obr] a p [mm] Stal mikka HV0,1(0,2) Stal zahartowana tradycyjnie Stal zahartowana laserowo, P = 1500 W 0,04 0,05 0,2 0,05 0,04 0,2 0,2 0,2 5. WNIOSKI KOCOWE 1. Badania jednego z wanych wskaników skrawalnoci, którym jest odksztacenie plastyczne warstwy skrawanej w procesie formowania wióra, wykazay istotny wpyw mikrotwardoci stali oraz parametrów skrawania f i a p na wspóczynnik skrócenia wióra k l. 2. Najmniejsze wartoci wspóczynnika skrócenia wióra k l wystpuj podczas toczenia stali zahartowanej laserowo wizk o mocy P = 1500 W. Prawdopodobnie jest to zwizane z jej najwiksz redni twardoci i najwikszym stopniem dyspersji mikrostruktury.

9 Skrawalno w procesie toczenia stali 55NiCrMoV W wyniku obróbki stali zahartowanej laserowo powstaj bardzo rozdrobnione i spltane wióry, a w zakresie parametrów f > 0,1 mm/obr, a p > 0,1 mm, dla których h r > 0,05 mm, równie wióry pioksztatne ze zlokalizowan stref cinania. LITERATURA [1] Badania metalograficzne próbek ze stali 55NiCrMoV, sprawozdanie z bada nr 86/08 BM , badania INOP, listopad 2008, zlecenie IMt/135/08 (niepublikowane). [2] Barbacki A., Kawalec M., Hamrol A., Turning and grinding as source of microstructural changes in the surface layer of hardened steel, Journal of Materials Processing Technology, 2003, 133, s [3] Bobrov V. F., Osnovy teorii rezania metallov, Moskva, Mašinostroenie [4] Brammertz P. H., Die Entstehung der Oberflächenrauheit beim Feindrehen, Industrie Anzeiger, 1961, Nr 2 6 Jan., s [5] Brecher Ch. i in., Hybride Fertigungszelle für die Dreh-Fräs-und Laserbearbeitung, VDI-Z, 2007, 149, 9, s [6] Darlewski J., Kawalec M., ebrowski H. (red.) i in., Trendy w ubytkowych metodach obróbki, Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocawskiej, 1997, nr 67, Konferencje nr 29, s [7] Kawalec M., Fizyczne i technologiczne zagadnienia przy obróbce z maymi grubociami warstwy skrawanej, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej [8] Kawalec M., Skrawanie hartowanych stali i eliwa narzdziami o okrelonej geometrii ostrza, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej [9] Kawalec M., Barbacki A., Jankowiak M. i in., Hybrydowy i sekwencyjny proces dokadnego toczenia zahartowanych laserowo stali stopowych, raport kocowy projektu badawczego MNiSW nr 4T07D 03928, Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznaskiej 2008 (niepublikowany). [10] Kawalec M. i in., Dowiadczalne podstawy efektywnego stosowania nowoczesnych materia- ów i narzdzi skrawajcych w obróbce skrawaniem. Cz 1. Skrawalno stali mikkiej, zahartowanej tradycyjnie oraz laserowo, sprawozdanie z bada realizowanych w ramach dziaalnoci statutowej nr /08/DS., Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznaskiej 2008 (praca niepublikowana). [11] Kawalec M., Jankowiak M., Leszczyski T., Warstwa skrawana oraz zuycie ostrzy narzdzi punktowych podczas dokadnej obróbki wiórowej, Prace Instytutu Technologii Budowy Maszyn Politechniki Poznaskiej przygotowane na posiedzenie Sekcji Podstaw Technologii KBM PAN, Pozna, czerwiec 1981, s [12] Kawalec M., Jankowiak M., Nowakowski Z., Borowski J., Warstwa wierzchnia stali narzdziowej 55NiCrMoV po laserowym zahartowaniu i toczeniu, Studia i Materiay, 2007, t. 25, nr 2, Gorzów Wlkp., Wydawnictwo IBEN, s [13] Kloczkowski K., Kawalec M., Odksztacenie plastyczne wióra podczas skrawania ostrzem z regularnego azotku boru hartowanej stali H15, w: VI Krajowa Konferencja Postpy w teorii i technice obróbki materiaów, Kraków, IOS 1990, s [14] Kusiski J., Lasery i ich zastosowanie w inynierii materiaowej, Kraków, Wyd. Akapit [15] Miernik M., Skrawalno metali. Metody okrelania i prognozowania, Wrocaw, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej [16] Oczo K. E., Hybrydowe procesy obróbki ubytkowej istota, przykadowe procesy, wyzwania rozwojowe, Mechanik, 2000, 73, nr 5 6, s

10 30 M. Kawalec, P. Kroczak, S. Wojciechowski [17] Oczo K. E., Wybrane aspekty racjonalnego doboru technik ksztatowania wyrobów (gównie ubytkowego), Mechanik, 2008, 81, nr 5 6, s [18] PN-EN ISO :2007 Metale. Pomiar twardoci sposobem Vickersa. Cz 1: Metoda bada. [19] PN-EN ISO 4957:2004 Stale narzdziowe. [20] Pawowski W., Skrawno rónych ostrzy do toczenia zahartowanych stali metod laserow i tradycyjn, praca dyplomowa, Politechnika Poznaska, Wydzia Budowy Maszyn i Zarzdzania [21] Radziejewska J., Kalita W., Modyfikacja warstwy wierzchniej metali metodami hybrydowymi (wizka lasera + obróbka mechaniczna), w: Badania Mechanicznych waciwoci materiaów i laserowe obróbki materiaów. Materiay Konferencji Ocena stopnia degradacji nateriaów [!] i laserowe obróbki materiaów, Zakopane, Centrum Doskonaoci Lapromat IPPN PAN 2005, t. 3, s [22] Szablewski P., Odksztacenie wióra w warstwie wierzchniej w procesie toczenia Inconelu 718, w: Obróbka skrawaniem 1, Wysoka produktywno, red. P. Cichosz, Wrocaw, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej 2007, s [23] Tablice matematyczne, fizyczne, chemiczne i astronomiczne, Warszawa, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Praca wpyna do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. in. Hubert Lato MACHINABILITY IN TURNING PROCESS OF 55NiCrMoV STEEL WITH DIVERSIFIED MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS S u m m a r y This article concerns of hardened tool steel 55NiCrMoV machinability on the basis of chip shortening ratio k l value variations in non-free turning process of soft, conventional and laser hardened steel also types and varieties of chip. It was found an significant influence of cutting parameters f and a p, of steel with diversified structure and having different hardness, on machinability indicators. Key words: chip shortening ratio, chip type, non-free turning, hardening