WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW OBRÓBKI ELEKTROEROZYJNEJ NA CECHY POWIERZCHNI OBROBIONEJ

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 151 Magdalena NIEMCZEWSKA-WÓJCIK * WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW OBRÓBKI ELEKTROEROZYJNEJ NA CECHY POWIERZCHNI OBROBIONEJ THE INFLUENCE OF THE CHOSEN PARAMETERS OF ELECTRIC DISCHARGE MACHINING ON THE SURFACE FEATURES Słowa kluczowe: obróbka elektroerozyjna (EDM), techniki pomiaru, cechy powierzchni Key words: Electric Discharge Machining, measurement techniques, surface features Streszczenie Tematyka obejmuje zagadnienia z zakresu niekonwencjonalnych metod kształtowania materiałów trudnoskrawalnych obróbki elektroerozyjnej EDM. W pracy przedstawiono wyniki badań, na podstawie których określono wpływ wybranych parametrów obróbki (energii pojedynczego impulsu ) na strukturę geometryczną powierzchni obrobionej, w tym na kształt i rozmiary jej cech (kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki, pęknięcia, sferoidy). * Politechnika Krakowska, Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych, al. Jana Pawła II 37, Kraków, mnw.kipp@gmail.com.

2 152 T R I B O L O G I A WPROWADZENIE Obróbka erozyjna należy do tzw. niekonwencjonalnych metod obróbki. Stosowana jest zwykle tam, gdzie konwencjonalne metody obróbki są niewystarczające (materiały trudnoskrawalne, elementy o skomplikowanych kształtach). W zależności od rodzaju wykorzystanej energii obróbkę erozyjną dzieli się na [L. 2] obróbkę: elektroerozyjną, elektrochemiczną oraz strumieniowo-erozyjną. Zakres zastosowania poszczególnych odmian obróbki erozyjnej oraz uzyskane wyniki (wydajność procesu, stan ukonstytuowanej powierzchni) są zróżnicowane. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest obróbka elektroerozyjna (Electrical Discharge Machining EDM, Rys. 1a), w procesie której naddatek obróbkowy (warstwa zewnętrzna) usuwany jest w wyniku zjawisk (parowanie, topnienie, rozrywanie materiału) towarzyszących wyładowaniom elektrycznym (Rys. 1b, 1 warstwa materiału usunięta w wyniku parowania, 2 warstwa materiału usunięta w wyniku topnienia, 3 warstwa materiału usunięta z elektrody) w przestrzeni pomiędzy narzędziem (elektrodą roboczą) a przedmiotem obrabianym, oddzielonych warstwą dielektryka. (a) (b) Rys. 1. Obróbka elektroerozyjna [L. 2]: a) schemat, b) obszar jednego wyładowania Fig. 1. EDM process [L. 2]: schematic diagram, b) single discharge area Wynikiem procesu obróbki elektroerozyjnej jest ukształtowana struktura geometryczna powierzchni, definiowana jako zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej, tj. odchyłka kształtu i położenia, falistość, chropowatość. Wśród wymienionych najistotniejszym wyróżnikiem stanu powierzchni obrobionej jest chropowatość [L. 4], która odgrywa znaczącą rolę w przebiegu podstawowych procesów tribologicznych współpracujących elementów.

3 T R I B O L O G I A 153 Stan powierzchni ukonstytuowanej w procesie EDM stanowi zestaw cech, tj. kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki, pęknięcia czy sferoidy, których wielkość zależy od procesu erozji, a ten od czynników [L. 2]: (a) wejściowych (amplituda impulsów napięcia i natężenia prądu, czas impulsu i czas przerwy, rodzaj i właściwości fizyczne dielektryka, elektrody roboczej czy materiału obrabianego); (b) wyjściowych (zużycie elektrody, grubość warstwy zmienionej, wydajność obróbki, chropowatość powierzchni); (c) ustalonych (skład chemiczny i struktura materiału obrabianego, rodzaj i właściwości materiału elektrody roboczej, typ obrabiarki, kształt i wymiary półfabrykatu); (d) zakłócających. W niniejszej publikacji, stanowiącej kontynuację pracy opublikowanej w Tribologia teoria i praktyka nr 5/2010 przedstawiono uzupełniającą analizę struktury geometrycznej powierzchni obrobionej, ukonstytuowanej podczas procesu EDM. Z uwagi na wymagania stawiane częściom maszyn istotne jest prowadzenie badań w celu określenia wpływu różnych czynników na stan powierzchni obrobionej, a tym samym na jej właściwości użytkowe. Do realizacji tematu wykorzystano wysokiej klasy sprzęt pomiarowy przeznaczony do nieniszczących badań powierzchni oraz specjalistyczne oprogramowanie. METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań procesu obróbki elektroerozyjnej i jego wpływu na stan powierzchni obrobionej była stal narzędziowa. Obróbkę elektroerozyjną przeprowadzono na powierzchni czołowej próbek w kształcie walca o średnicy 50 mm (Rys. 2). nr 1 nr 2 nr 3 nr 4 nr 5 nr 6 Rys. 2. Badane powierzchnie Fig. 2. Examined surfaces

4 154 T R I B O L O G I A Elektrodę roboczą (narzędzie) wykonano z miedzi; jako dielektryk zastosowano naftę kosmetyczną. Źródłem impulsów elektrycznych był generator tranzystorowy, umożliwiający kontrolę energii pojedynczych impulsów elektrycznych. Energię pojedynczego impulsu elektrycznego wyznaczono na podstawie parametrów obróbki, a wartości przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Energia pojedynczych impulsów Table 1. Energy of single discharge Oznaczenie (nr 1) (nr 2) (nr 3) (nr 4) (nr 5) (nr 6) Wartość [J] 0,0016 0,0400 0,1096 0,2880 1,2000 3,0000 Właściwy dobór procesu oraz parametrów obróbki związany jest z wymaganiami stawianymi powierzchniom, uzależniony od ich przeznaczenia, a więc właściwości użytkowych [L. 3]. W prezentowanej pracy analizowano wpływ parametrów obróbki (energii pojedynczego impulsu ) na stan powierzchni obrobionej, w tym kształt i rozmiary jej cech (kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki, pęknięcia, sferoidy). Badania zrealizowano na trzech stanowiskach pomiarowych (mikroskop optyczny, skaningowy mikroskop elektronowy oraz interferometr optyczny), stanowiących wyposażenie Zakładu Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji PIB w Radomiu. Zastosowanie różnych stanowisk (technik pomiaru) pozwoliło na zebranie uzupełniających informacji na temat ukonstytuowanych w procesie EDM powierzchni oraz przeprowadzenie analizy i interpretację wyników. Do oceny stanu powierzchni obrobionej wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie metrologiczne. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Ilościowa analiza chropowatości powierzchni obrobionej badanych próbek przeprowadzona w ramach [L. 1] pozwoliła na wyznaczenie zależności między energią pojedynczego impulsu a parametrami chropowatości powierzchni (układ 3D) po obróbce EDM Rys. 3.

5 T R I B O L O G I A 155 Rys. 3. Zależność chropowatości powierzchni od energii pojedynczego impulsu Fig. 3. The relationship between surface roughness and single discharge energy Stan powierzchni (Rys. 4) zmienia się wraz z energią pojedynczego impulsu wartości parametrów chropowatości zwiększają się wraz ze wzrostem. (nr 1) (nr 2) (nr 3) (nr 4) (nr 5) (nr 6) Rys. 4. Mapa warstwicowa powierzchni po obróbce EDM Interferometr Fig. 4. Contour diagram of the surface after EDM process Interferometer

6 156 T R I B O L O G I A Zmianie ulegają również cechy powierzchni charakterystyczne dla procesu obróbki elektroerozyjnej, tj.: kratery (miseczkowate wklęsłości), wgłębienia (puste lub wypełnione jamy), nadtopienia, wypływki (elementy materiału w kształcie kropel), pęknięcia (nieciągłości powierzchni) oraz sferoidy (kulki materiału). Na obrazach uzyskanych z mikroskopu optycznego (Rys. 5) oraz skaningowego mikroskopu elektronowego (Rys. 6) przedstawiono różnice w ukształtowaniu powierzchni. Podczas obróbki EDM występująca w miejscach wyładowań wysoka temperatura powoduje nagrzanie materiału obrabianego, w wyniku czego ulega on lokalnemu topnieniu (tworząc nadtopienia) oraz częściowemu odparowaniu. (nr 1) (nr 2) (nr 3) (nr 4) (nr 5) (nr 6) Rys. 5. Obrazy powierzchni po EDM (x100) mikroskop optyczny Fig. 5. Views of the surface after EDM process (x100) optical microscope Cząstki roztopionego materiału, które nie zostały odprowadzone z przepływającym dielektrykiem, krzepną na powierzchni przedmiotu obrabianego, przybierając kształt pojedynczych lub zgrupowanych kulek (sferoid) Rys. 5. Na powierzchni obrobionej pojawiają się kratery, a wokół nich wypływki; rozmiary ich są skorelowane z parametrami obróbki. Nadtopienia materiału również zmieniają swoje rozmiary. Na Rys. 6 (nr 3, nr 4 i nr 5) widać, jak nadtopienia wydłużają się, a ich za-

7 T R I B O L O G I A 157 kończenie stanowi czasza kulista. Taka postać przyjmowana jest w fazie poprzedzającej oddzielenie kulistych produktów erozji (sferoid) od materiału obrabianego. Sferoidy mogą przyjmować postać zamkniętą (największa ilość) oraz otwartą (z otworem na czaszy kulistej). Poza tym na powierzchniach obrobionych Rys. 6 (przy wyższych wartościach nr 4 oraz nr 5) widoczne jest nawarstwianie się nadtopionego materiału. (nr 1) (nr 2) (nr 3) (nr 4) (nr 5) (nr 6) Rys. 6. Obrazy powierzchni po EDM (x200) skaningowy mikroskop elektronowy Fig. 6. Views of the surface after EDM process (x200) scanning electron microscope Przy najmniejszej wartości obszary nadtopionego materiału (liczne i małego rozmiaru) są równomiernie rozłożone. Wraz ze wzrostem energii pojedynczego impulsu zmienia się struktura powierzchni (jej topografia) zarówno nadtopienia, jak też kratery, wgłębienia (Rys. 6 nr 6) oraz sferoidy zwiększają swoje rozmiary. Zależność rozmiaru cech w funkcji energii pojedynczego impulsu przedstawia Rys. 7.

8 158 T R I B O L O G I A Rys. 7. Zależność wybranych cech powierzchni od energii pojedynczego impulsu Fig. 7. The relationship between surface features and single discharge energy Ilość kraterów, wgłębień oraz steroidów przypadająca na pole obserwacji również się zmienia wzrasta wraz ze wzrostem. Ponadto wraz ze wzrostem energii oraz czasu trwania wyładowań następował wzrost naprężeń rozciągających, co wywołało powstanie pęknięć w materiale obrabianym największe w przypadku próbek nr 6 i nr 7 (Rys. 5 i 6). PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wpływu wybranych parametrów obróbki EDM (energii pojedynczego impulsu ) na stan powierzchni obrobionej wykazały, że wraz ze wzrostem cechy powierzchni, jak kratery, wgłębienia, nadtopienia, wypływki, pęknięcia czy sferoidy istotnie się zmieniają zwiększając swoje rozmiary, zwiększają chropowatość powierzchni obrobionej. W zależności od wymagań stawianych powierzchniom obrabianym, możliwy jest dobór parametrów obróbki elektroerozyjnej (od zgrubnej po wykończeniową), a przez to sterowanie właściwościami użytkowymi powierzchni. LITERATURA 1. Niemczewska-Wójcik M.: Struktura geometryczna powierzchni ukonstytuowana w procesie obróbki elektroerozyjnej. Tribologia: teoria i praktyka 5/2010, s

9 T R I B O L O G I A Ruszaj A.: Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi. Wydawnictwo Instytutu Obróbki Skrawaniem, Kraków Szczerek M.: Metodologiczne problem systematyzacji eksperymentalnych badań tribologicznych. Biblioteka Problemów Eksploatacji, Wydawnictwo ITeE PIB, Radom Wieczorowski M.: Wykorzystanie analizy topograficznej w pomiarach nierówności powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Recenzent: Józef GAWLIK Summary The paper covers the issues concerning Electric Discharge Machining (EDM), a non-conventional method employed to machine hard materials. The research results are presented, on the basis of which the influence of the chosen EDM parameters (single discharge energy ) on the surface geometric structure, including the shape and the size of its features (crater, cavity, remelted area, flash, crack, spheroid), are then discussed.