BADANIA MODELOWE PROCESU MIKROSKRAWANIA

Transkrypt

1 BADANIA MODELOWE PROCESU MIKROSKRAWANIA Wojciech KACALAK 1, Katarzyna TANDECKA 1, Radosław SEMPRUCH 1 Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki modelowania przemieszczeń materiału w strefie skrawania. Przeprowadzono badania modelowania fizycznego oraz wyprowadzono wnioski dotyczące kształtu strefy i procesów tworzenia wypływek oraz oddzielania materiału obrabianego. Zbadano zmienność zagłębienia ziaren ściernych w materiał obrabiany i na tej podstawie wyznaczono częstość mikronieciągłości procesu skrawania. Słowa kluczowe: ziarno ścierne, nieciągłość procesu, mikroskrawanie Summary: In the paper results of modeling movements of material in the cutting zone were presented. Physical modeling studies were conducted. The inference were conducted for shape of the cutting zone, the processes of creating burrs and separation of work material. The researches were conducted for volatility the depth of cut of the abrasive grains. Calculations were made for the frequency of micromachining process discontinuities. Key words: abrasive grain, process discontinuities, micromachining 1. CECHY PROCESÓW MIKROSKRAWANIA W procesach mikroskrawania oraz wygładzania ściernego, wiele zjawisk w strefie obróbki, mających cechy probabilistyczne, wywiera decydujący wpływ na wyniki procesu. Są nimi: nieciągłość procesu tworzenia mikrowiórów (w mikroi submikroskali), cieplne i mechaniczne odkształcenia narzędzi i materiału obrabianego w strefach otaczających ziarna zagłębione w powierzchnię przedmiotu, a zwłaszcza liniowe i kątowe przemieszczenia ziaren ściernych pod wpływem oporów skrawania, a także losowość samego procesu mikroskrawania, tym wyższa im mniejsze są średnie przekroje warstw skrawanych poszczególnymi ostrzami. We wszystkich sposobach obróbki ziarna ścierne, w strefie styku z przedmiotem, przemieszczają się w przybliżeniu stycznie do obrabianej powierzchni, a ich zagłębienie w materiał jest zróżnicowane i zmienne wzdłuż toru skrawania[1]. Zmienność zagłębienia ziaren ściernych w warstwę wierzchnią przedmiotu jest skutkiem wielu czynników. Do najważniejszych można zaliczyć: zmienność zagłębienia nominalnego, która zależy od kinematycznych cech metody i cech układu technologicznego, nierówność powierzchni przedmiotu w strefie obróbki, podatność lokalną materiału obrabianego i przemieszczenia ziaren ściernych, drgania narzędzia i ziaren ściernych, znaczne lokalne zróżnicowanie (w strefie oddziaływania ziarna) przyrostów temperatur, zwłaszcza podczas obróbki z bardzo dużymi prędkościami materiałów o małej przewodności cieplnej, zmienność topografii czynnej powierzchni narzędzi ściernych w wyniku 1 Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, Koszalin, katarzyna.tandecka@tu.koszalin.pl

2 zużywania i wykruszania się ziaren, zmienność właściwości materiału obrabianego w mikroobjętościach porównywanych z objętościami warstw skrawanych, makro- i mikronieciągłości procesu tworzenia wiórów. Przed ziarnem ściernym, między dolną częścią powierzchni natarcia, a powierzchnią ścinania materiału obrabianego, tworzy się strefa chwilowego zastoju materiału, która nie może być stabilną w warunkach bardzo wysokich temperatur oraz nieciągłości naprzemiennego procesu narastania lokalnych odkształceń i oddzielania materiału. Można to określić, jako stan stabilizowanych fluktuacji, stanowiących typową cechę procesu o częstotliwościach zależnych od prędkości skrawania i cech materiału obrabianego. W mikroobróbce ściernej zagłębienie ostrza w materiał obrabiany jest znacznie mniejsze od promieni zaokrąglenia jego naroży i jest porównywalne z wysokością nierówności powierzchni w strefie mikroskrawania [2,3]. Dlatego analiza kierunków przemieszczeń materiału w strefie obróbki, jest podstawą oceny i prognozowania efektywności procesu. W pracy [4,5,6,8] podkreślono, że siły tarcia jakie występują między rozpatrywaną cząstką materiału a powierzchnią ostrza są jedynie częścią składową oporów skrawania. Rozpatrywana cząstka bowiem w swym ruchu stycznym do powierzchni ostrza, musi pokonać opory przemieszczeń innych cząstek w otoczeniu strefy. Schemat do analizy oporów przemieszczania materiału w strefie mikroskrawania przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiono kształt strefy kontaktu kulistego wierzchołka ostrza z materiałem, kształty powstających wiórów oraz wypływek. Rysunek ten jest schematem do modelowania procesu mikroskrawania z uwzględnieniem plastyczności materiałów i oporów tarcia materiału o powierzchnię narzędzia. Wśród wyróżnionych charakterystycznych obszarów w strefie mikroskrawania widoczne są obszary, w których oddzielany materiał przemieszczany jest w kierunku zbliżonym do kierunku ruchu ostrza. Można zauważyć, że boczne wypływki, zwłaszcza podczas mikroskrawania w warunkach znacznego tarcia obrabianego materiału o powierzchnię ostrza, mają postać podobną do postaci tworzącego się mikrowióra. Badania mikroskopowe wykazały także że mogą mieć budowę płytkową o cechach zbliżonych do płytkowej budowy mikrowiórów

3 MECHANIK NR 8-9/2013 Rys. 1. Schemat do analizy oporów przemieszczania materiału w strefie mikroskrawania [4,5]

4 Rys. 2. Strefa mikroskrawania i kierunki przemieszczania się materiału [4,5] 2. MODELOWANIE PROCESU MIKROSKRAWANIA Na proces mikroskrawania, zwłaszcza na jego efektywność, mają zasadniczy wpływ warunki oddzielania materiału w obszarach otaczających strefę mikroskrawania. Małe opory tarcia między materiałem obrabianym a powierzchnią ostrza sprzyjają bocznym przemieszczeniom się materiału i tworzeniu bocznych wypełnionych wypiętrzeń stanowiących wypływki, co oznacza, że znaczna część pracy mikroskrawania przeznaczona jest nie na usuwanie lecz na boczne przemieszczanie materiału. Badano procesy przemieszczania materiału podczas mikroskrawania ostrzami o różnych kształtach. Akwizycję danych przeprowadzono z zastosowaniem skanera optycznego Atos Triple Scan, który jest bardziej przydatny do analizy cech geometrycznych wypływek od metod stykowych i optycznych w badaniach wypiętrzeń materiału. Badania i analizy proporcji między przekrojami wypływek i przekrojami mikrorys, kształtowanych podczas mikroskrawania, w których do wyznaczania zarysu przekroju wykorzystuje się metody stykowe lub metody optyczne, mogą być obarczone poważnymi błędami szacowania objętości wypływek, gdyż puste fragmenty pod bocznym wiórem uznaje się za pełną wypływkę. Jest to niezwykle ważne stwierdzenie, zarówno ze względów poznawczych jak i praktycznych, dla poprawnej metodyki interpretacji wyników, gdyż dotąd przyjmowało się, że jeśli w przekroju poprzecznym mikrorysy, pole wypływek jest większe od pola rysy [9], to jest to wyłącznie skutkiem nieregularnych przemieszczeń materiału wzdłuż wypływki. Przeprowadzono badania procesu przemieszczeń materiału w wyniku oddziaływania ostrzy o określonym kształcie. W badaniach modelowych przyjęto,

5 że dla skali 2000:1 do 5000:1 (ostrze modelowe r m = µm, ostrze wierzchołka ziarna ściernego r s =4-10 µm), materiałem o cechach właściwych dla tej proporcji geometrycznej, będzie baza stanowiąca mieszankę kaolinu, wosku pszczelego i oleju oraz wypełnienie (gips). Zastosowano trzy klasy plastyczności materiału modelowego: 1. M1 100% bazy, 0% wypełnienia (materiał charakteryzuje się znaczną plastycznością), 2. M % bazy, 8-10% wypełnienia (materiał charakteryzuje się mniejszą plastycznością), 3. M % bazy, 20-30% wypełnienia z wychłodzeniem do temperatury 0-6 o C. W zależności od składu i plastyczności materiału oraz kształtu ostrza otrzymano wyniki (rys.3 5) pozwalające na wnioskowanie w zakresie wpływu tych cech na efektywność oddzielania materiału. a) b) c) Rys. 3. Strefa odziaływania otrza o wierzchołku kulistym o średnicy 40 mm w procesie modelowania fizycznego z wykorzystaniem materiału o znacznej plastyczności klasa M1, zagłębienie ostrza 7mm

6 a) b) c) d) Rys. 4. Strefa odziaływania ostrza o wierzchołku kulistym o średnicy 40 mm materiału o wyższej zawartości składnika wypełniającego (mniejszej plastyczności), klasa M2, zagłębienie ostrza 10 mm

7 a) b) Rys. 5. Strefa oddziaływania ostrza w kształcie ściętego ostrosłupa o podstawie kwadratu 25x25 mm i kącie rozwarcia 90, klasa plastyczności M3, zagłębienie ostrza 6 mm 3. BADANIA EFEKTYWNOŚCI MIKROSKRAWANIA Z ZASTOSOWANIEM RÓŻNYCH WSPÓŁCZYNNIKÓW TARCIA MIĘDZY ZIARNEM ŚCIERNYM A MATERIAŁEM OBRABIANYM Do badań procesu mikroskrawania pojedynczym ziarnem wykorzystano bardzo gładką powierzchnię dysku stałego (rys.6,7) ze stopu aluminium pokrytego warstwą niklu. Przeprowadzono badania mikroskrawania z zastosowaniem: ziaren ściernych z elektrokorundu o nominalnym rozmiarze ziarna 9 µm osadzonych w małym fragmencie folii ściernej IMFF z cienką warstwą spoiwa łączącego ziarna z folią,

8 MECHANIK NR 8-9/2013 ziaren ściernych z elektrokorundu o nominalnym rozmiarze ziarna 9 µm pokrytych cienką warstwą spoiwa, folia ILF. Przeprowadzono proces mikroskrawania z prędkością przesuwu ziaren ściernych vf =1 mm/s i nieruchomym przedmiocie obrabianym z wykorzystaniem głowicy do mikrowygładzania GW-1 (rys.8). Rys. 6. Obraz powierzchni próbki (wykorzystano talerze dysku stałego) Rys. 7. Parametry oceny struktury geometrycznej powierzchni dysku stałego

9 MECHANIK NR 8-9/2013 Rys. 8. Stanowisko badawcze procesów mikroskrawania Do badań powstałych rys (rys.9,10) zastosowano system pomiarowy TalySurf CCI6000 firmy Taylor Hobson. Wyznaczono profile dna rys (rys.11,12), co pozwoliło z wykorzystaniem analizy motywów (rys.13) wyznaczyć subobjętości Vi (rys. 14,15) usuwanego materiału wynikające z oddzielania mikropłytek materiału, będącego skutkiem nieciągłości procesu mikroskrawania. Na podstawie objętości Vi wyznaczono szerokości stref mikronieciągłości Smi (rys. 13), jako odległości pomiędzy maksymalnymi zagłębieniami ostrza skrawającego w kolejnych subobjętościach usuniętego materiału. Następnie wyznaczono wartość średnią szerokości stref mikronieciągłości, która posłużyła do wyznaczenia częstości mikronieciągłości procesu skrawania (1). v fp = p (1) Sm fp częstość mikronieciągłości w procesie oddzielania materiału wyznaczana metodą badania dna rysy, Sm szerokość strefy, jako średnia odległość pomiędzy maksymalnymi zagłębieniami ostrza, vp - prędkość ruchu głównego przedmiotu. Częstości mikronieciągłości w procesie oddzielania materiału wyznaczone metodą badania dna rysy dla małej prędkości mikroskrawania (1 mm/s) wynoszą: f pimff 9 = f pilf 9 = S mimff 9 vf SmILF 9 mm s = = 361Hz 0,00277 mm 1 vf mm s = = 274Hz 0,00365mm

10 MECHANIK NR 8-9/2013 Rys. 9. Fragment śladu mikroskrawania ziarnem z elektrokorundu o rozmiarze 9 µm Rys. 10. Fragment śladu mikroskrawania elektrokorundowym ziarnem ściernym pokrytym cienką warstwą spoiwa o rozmiarze 9 µm, folia ILF9 Rys. 11. Profil dna śladu mikroskrawania ziarnem z elektrokorundu o rozmiarze 9 µm. Rys. 12. Profil dna śladu mikroskrawania ziarnem ściernym z elektrokorundu pokrytego cienką warstwą spoiwa, o rozmiarze 9 µm

11 MECHANIK NR 8-9/2013 Rys. 13. Mikrorysa powstała w wyniku mikroskrawania pojedynczym ziarnem ściernym z zaznaczonymi szerokościami strefy mikronieciągłości Smi i subobjętościami usuniętego materiału Vi

12 Rys. 14. Maksymalne wartości głębokości śladu mikroskrawania wraz zaznaczonymi subobjętościami motywów usuwanego materiału ziarnem o rozmiarze 9 µm Rys. 15. Maksymalne wartości głębokości śladu mikroskrawania wraz zaznaczonymi subobjętościami motywów usuwanego materiału ziarnem o rozmiarze 9 µm

13 Rys. 16. Przekrój poprzeczny śladu mikroskrawania ostrzem o wymiarach 9 µm Rys. 17. Przekrój poprzeczny śladu mikroskrawania ostrzem pokrytym cienką warstwą spoiwa o wymiarach 9 µm Częstość mikronieciągłości w procesie oddzielania materiału dla ziaren ściernych nie pokrytych cienką warstwą spoiwa wynosi 361 Hz, jest to o ok 25% więcej w odniesieniu do częstości mikronieciągłości procesu skrawania ziarnami ściernymi pokrytymi warstwą spoiwa, która obniża współczynnik tarcia pomiędzy ziarnem ściernym a materiałem obrabianym w początkowej fazie procesu obróbki. Zjawisko obniżenia właściwości skrawnych ziarna ściernego pokrytego cienką warstwą spoiwa obserwujemy podczas badań mikrorys. Folie ścierne z odkrytymi ziarnami ściernymi można zatem stosować w procesie przygotowania powierzchni do procesu dogładzania powierzchni narzędziami z ziarnami ściernymi pokrytymi cienką warstwą spoiwa. 4. WNIOSKI W pracy przedstawiono wyniki modelowania przemieszczeń materiału w strefie skrawania. Przeprowadzono badania modelowania fizycznego oraz wyprowadzono wnioski dotyczące kształtu strefy i procesów tworzenia wypływek oraz odzielania materiału obrabianego

14 Zwiększanie współczynnika tarcia ograniczające przepływ materiału w kierunku prostopadłym do toru ostrza oraz zwiększenie oporów bocznego przepływu materiału wywołane zmniejszeniem plastyczności (rys.5), znacząco zwiększa efektywność mikroskrawania. Ze względu na zdolność do oddzielania materiału płaska powierzchnia natarcia korzystniejsza od wypukłej. Zmienność zagłębienia ziaren ściernych w materiał obrabiany jest niekorzystną, choć nieuniknioną cechą procesów mikroskrawania. Trzeba przy tym zauważyć, iż energia właściwa obróbki zależy nie tylko od średnich wartości parametrów warstw skrawanych, ale także od zakresu zmienności i rozkładu wartości tych parametrów. Na podstawie zmienności zagłębień ziaren ściernych wyznaczono częstość mikronieciągłości, która wyniosła około 300 Hz. We wcześniejszych pracach autorów [7], na podstawie obserwacji budowy wiórów stwierdzono wstępnie, że częstotliwość mikronieciągłości procesu tworzenia wióra sięga kilku MHz, a więc przekracza częstości uzyskiwane przez wymuszenie w układach mechanicznych. Może to przyczyniać się do korzystnego lokalnego obniżenia granicy wytrzymałości obrabianego materiału. Ten kierunek badań może być ważny dla rozwoju technologii nanoobróbki. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/05/B/ST8/ LITERATURA [1] ANDERSON D., WARKENTIN A., BAUER R., Comparison of spherical and truncated cone geometries for single abrasive-grain cutting, Journal of Materials Processing Technology, vol. 212, 2012, pp [2] RECH J., KERMOUCHE G., GRZESIK W., GARCIA-ROSALES C., KHELLOUKI A., GARCIA- NAVAS V., Characterization and modelling of the residua stresses induced by belt finishing on a AISI52100 hardened steel, Journal of Materials Processing Technology, vol. 208, 2008, pp [3] KERMOUCHE G., RECH J., HAMDI H., BERGHEAU J.M., On the residual stress field induced by a scratching round abrasive grain, Wear Vol. 269, 2010, pp [4] KACALAK W., KASPRZYK M. Opory przemieszczeń materiału w strefie mikroskrawania. XXII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Gdańsk, [5] KACALAK W., KRZYŻYŃSKI T., KUKIEŁKA L., KASPRZYK M.: Material movement resistance in the zone of micro-machining with abrasive grain tool-points, Modern Techniques and Technologies, Scientific Book of the Department of Mechanical Engineering, No 29, Koszalin [6] KACALAK W., KASPRZYK M., GUTNIK M., TRACZYK R.: Opory przemieszczeń materiału w strefie mikroskrawania, XXV Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, [7] KACALAK W., TANDECKA K., Budowa mikrowiórów oraz skutki ich mikronieciągłości ich tworzenia w procesach wygładzania powierzchni z zastosowaniem folii ściernych, Innovative Manufacturing Technology, Kraków 2012, str [8] MUSIAŁ W. Kształtowanie warstwy wierzchniej materiału ceramicznego w warunkach plastycznego płynięcia, Monografia, Koszalin [9] TAHSIN TCECELLI O., XUN CHEN., Experimental investigation of material removal mechanism in single grit grinding, International Journal Of Machine Tools & Manufacture, vol , pp