MIKRONIERÓWNOŚĆ POWIERZCHNI OBROBIONEJ STOPU INCONEL 718 PO PROCESIE TOCZENIA

Transkrypt

1 Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I P O Z N AŃSKIEJ Nr 2 Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 25 PIOTR SZABLEWSKI, MIECZYSŁAW KAWALEC MIKRONIERÓWNOŚĆ POWIERZCHNI OBROBIONEJ STOPU INCONEL 718 PO PROCESIE TOCZENIA W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu posuwu na różne parametry charakteryzujące mikronierówność powierzchni obrobionej po toczeniu wzdłużnym. Obrabiano na sucho trudno skrawalny superstop żarowytrzymały Inconel 718 płytkami ostrzowymi z węglików spiekanych gatunku IC328 z powłokami przeciwzużyciowymi oraz płytkami z ceramiki narzędziowej typu SiAlON. Stwierdzono zwiększającą się niestabilność parametrów mikronierówności (Ra, Rz, Rt, Sm) ze zmianami posuwu ostrza oraz ich coraz większe odstępstwa od wartości teoretycznych wynikających z odwzorowania kinematyczno-geometrycznego ostrzy w materiale. Słowa kluczowe: mikronierówność, toczenie, węglik spiekany, ceramika narzędziowa, Inconel WSTĘP Stopy żarowytrzymałe na osnowie niklu (zwane też superstopami) dzięki swoim właściwościom są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym. Materiały te wykorzystuje się między innymi na: korpusy turbin, komory spalania, łopatki, zawory wydechowe itp. Niestety, te same właściwości sprawiają, że stopy te są bardzo trudno skrawalne. Do najważniejszych cech materiału typu Inconel należą: duża twardość, duża wytrzymałość w wysokiej temperaturze, skłonność do reakcji z narzędziem, skłonność do umacniania się oraz mała przewodność cieplna [9]. Większość stopów na osnowie niklu zawiera od 1 do 2% chromu, do 8% aluminium i tytanu (łącznie), od 5 do 15% kobaltu oraz niewielkie ilości boru, cyrkonu, magnezu i węgla. Innymi dodatkami są jeszcze molibden, niob i wolfram [2, 8]. Wśród dostępnych na rynku superstopów 718 jest jednym z dominujących. Około 45% odkuwek i 25% odlewów jest wykonywanych ze stopu Inconel 718 [2].

2 94 P. Szablewski, M. Kawalec Bardzo duży nacisk kładzie się na jakość powierzchni elementów wykonanych ze stopu Inconel 718, ponieważ elementy te przenoszą duże obciążenia [1]. Kontrola obrobionej powierzchni jest wymagana po to, aby zapewnić odpowiednie warunki dla uzyskania większej trwałości, odporności na zmęczenie, maksymalnej wydajności i funkcjonalnej zamienności obrobionego elementu. W tradycyjnej obróbce na usunięcie materiału jest używana energia mechaniczna. Towarzyszy temu deformacja narzędzia i części obrabianej, będąca przyczyną wytworzenia ciepła i odkształceń plastycznych. Generowane ciepło zazwyczaj zmienia mikrostrukturę stopu i powoduje powstanie naprężeń. Temperatura i odkształcenie, razem lub samodzielnie, mogą spowodować pęknięcia i mikrostrukturalne zmiany podczas obróbki [3]. Podczas badań przeprowadzonych w laboratorium Zakładu Obróbki Skrawaniem Politechniki Poznańskiej wykonano szereg prób toczenia Inconelu 718. Ich celem było przybliżenie problemów towarzyszących obróbce tego superstopu, a w szczególności trudności związanych z kształtowaniem warstwy wierzchniej. Podobne badania prowadzili autorzy pracy [3], którzy stwierdzili, że bardzo dużą rolę w kształtowaniu powierzchni obrobionej odgrywają kształt i geometria narzędzia i że zastosowanie płytek okrągłych pozwala uzyskać mniejszą chropowatość powierzchni niż zastosowanie płytek rombowych. W prezentowanych tutaj badaniach nie chodziło jednak o rozstrzygnięcie kwestii, jaki kształt płytki pozwala uzyskać lepszą jakość powierzchni. Badania te miały pokazać, jak wartość posuwu wpływa na chropowatość powierzchni obrobionej. 2. ZAKRES I METODYKA BADAŃ Badania dotyczyły toczenia wzdłużnego wałka o średnicy d = 46,4 mm i długości l = 16 mm z materiału Inconel 718 o twardości 34 HRC. Próby wykonano na tokarce TUR56 bez użycia cieczy chłodząco-smarującej. We wszystkich próbach zachowano tę samą głębokość skrawania (dosuw) a p =,25 mm. W badaniach zastosowano dwa rodzaje płytek wieloostrzowych: WNMG 848-PP IC328 węglik spiekany firmy ISCAR pokrywany metodą PVD [5] oraz RNGN ceramika narzędziowa firmy SANDVIK na osnowie SiAlON [1]. Na podstawie literatury, zaleceń producentów narzędzi oraz badań wstępnych przyjęto dla płytek ostrzowych z węglików spiekanych v c = 62 m/min, a dla płytek na osnowie SiAlON v c = 263 m/min. Wartości posuwu f zmieniano w zakresie,5,3 mm/obr. Dla każdego posuwu narzędzia zakładano nowe ostrze. Parametry chropowatości mierzono na profilografometrze Hommel Tester T1, przyjmując odcinek elementarny l e =,8 mm i odcinek pomiarowy L = 4,8 mm.

3 Mikronierówność powierzchni obrobionej stopu Inconel Na wykresach zależności parametrów chropowatości Ra, Rz od posuwu f naniesiono wartości średnie i przedziały ufności dla poziomu istotności α =,1 i rozkładu t-studenta. Podane wartości wskaźnika zużycia ostrza VB c dotyczą maksymalnych wartości po przejściu ostrza. Teoretyczną wysokość mikronierówności powierzchni Rzt dla każdego odwzorowania ostrza w materiale obrabianym określono z zależności: 2 f Rzt =, (1) 8 dla której przyjęto minimalną grubość warstwy skrawanej h min =. Do porównania teoretycznej wysokości mikronierówności Rat z wartością rzeczywistą Ra wykorzystano wzór [4, 6, 7]: ε r ε 2,321f Rat =, 2566Rzt. (2) r Wyznaczono również stosunek Ri = f(f) średniej wartości parametru Ra lub Rz do odpowiednich wartości teoretycznych Ri (tj. Ra lub Rz) oraz zależność Sm = f(f). 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rysunkach od 1 do 4 przedstawiono wpływ posuwu f na wartość parametrów chropowatości powierzchni obrobionej po toczeniu. Porównując teoretyczne parametry chropowatości Rat i Rzt z wartościami rzeczywistymi Ra i Rz, uzyskanymi podczas prób, łatwo zauważyć, że przy małych wartościach posuwu istnieje między nimi znaczna różnica. Powodem takiej sytuacji jest między innymi to, że dla wyznaczenia teoretycznych wartości parametrów chropowatości przyjmuje się wierne odwzorowanie ostrza, h min = [6]. W rzeczywistości h min = f(r n ) >, co w zakresie małych grubości warstwy skrawanej, związanych ściśle z wartością posuwu f, uwidacznia się bardzo mocno. Analizując zależność parametru chropowatości Ra od posuwu f dla płytki z ceramiki narzędziowej (rys. 3), można dostrzec, że przy posuwie f =,5 mm/obr w przedziale ufności chropowatości Ra (dla przyjętego poziomu istotności α =,1) mieszczą się średnie wartości Ra dla pozostałych posuwów oraz że Ra > Rat i Rz > Rzt.

4 96 P. Szablewski, M. Kawalec 4 Ra, Rat 3,5 [µm] 3 WNMG 848-PP IC328 v c = 62 m/min, r ε =,8 mm VB c =,19 mm 2,5 2 1,5 1,5 Rat Ra,5,1,15,2,25,3,35 Rys. 1. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rat i rzeczywiste Ra mikronierówności powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z węglika spiekanego IC328; materiał obrabiany Inconel 718 Fig. 1. Influence of feed f on theoretical roughness parameter Rat and real roughness parameter Ra of machined surface during turning of Inconel 718 using carbide insert IC328 Rz, 3 Rzt [µm] 25 2 WNMG 848-PP IC328 v c = 62 m/min, r ε =,8 mm VB c =,19 mm Rzt Rz,5,1,15,2,25,3,35 Rys. 2. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rzt i rzeczywiste Rz mikronierówności powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z węglika spiekanego IC328; materiał obrabiany Inconel 718 Fig. 2. Influence of feed f on theoretical roughness parameter Rzt and real roughness parameter Rz of machined surface during turning of Inconel 718 using carbide insert IC328

5 Mikronierówność powierzchni obrobionej stopu Inconel Ra, 1 Rat,9 [µm],8,7,6,5,4,3,2,1 RNGN v c = 263 m/min, r ε = 6,35 mm VB c =,17 mm,5,1,15,2,25,3,35 Ra Rat Rys. 3. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rat i rzeczywiste Ra mikronierówności powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z ceramiki 68; materiał obrabiany Inconel 718 Fig. 3. Influence of feed f on theoretical roughness parameter Rat and real roughness parameter Ra of machined surface during turning of Inconel 718 using ceramic insert 68 Rz, 12 Rzt [µm] 1 8 RNGN v c = 263 m/min, r ε = 6,35 mm VB c =,17 mm 6 4 Rz 2 Rzt,5,1,15,2,25,3,35 Rys. 4. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rzt i rzeczywiste Rz mikronierówności powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z ceramiki 68; materiał obrabiany Inconel 718 Fig. 4. Influence of feed f on theoretical roughness parameter Rzt and real roughness parameter Rz of machined surface during turning of Inconel 718 using ceramic insert 68 Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono profile chropowatości po toczeniu płytką z węglika spiekanego i ceramiki narzędziowej dla różnych wartości posuwu f. Dla małych wartości posuwu można zauważyć zarówno podczas toczenia płytką z

6 98 P. Szablewski, M. Kawalec węglika spiekanego, jak i płytką z ceramiki narzędziowej dużą niestabilność procesu. W obu przypadkach wartość parametru Ra dla posuwu f =,5 mm/obr i f =,3 mm/obr jest zbliżona, natomiast wartość maksymalnej wysokości chropowatości dla posuwu f =,5 mm/obr jest znacznie większa. a) b) Rys. 5. Profile chropowatości poprzecznej powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z węglika spiekanego dla różnych wartości posuwu: a) f =,5 mm/obr, b) f =,3 mm/obr Fig. 5. Transverse roughness profile of machined surface after turning by carbide tool for various feeds: a) f =,5 mm/rev, b) f =,3 mm/rev a) b) Rys. 6. Profile chropowatości poprzecznej powierzchni obrobionej po toczeniu płytką z ceramiki narzędziowej dla różnych wartości posuwu: a) f =,5 mm/obr, b) f =,3 mm/obr Fig. 6. Transverse roughness profile of machined surface after turning by ceramic tool for various feeds: a) f =,5 mm/rev, b) f =,3 mm/rev Wpływ posuwu f na Ri = Ri/Rit przedstawiono na rys. 7 i 8. Wynika z nich, że wartość posuwu f ma bardzo duży wpływ na Ri, zwłaszcza gdy

7 Mikronierówność powierzchni obrobionej stopu Inconel wartości posuwu f,1 mm/obr. Dla małych posuwów (f =,5,1 mm/obr) wartości rzeczywiste Ra i Rz są znacznie większe niż teoretyczne Rat i Rzt. Ri Ra Ra= Rato Rat Rz Rz= Rzto Rzt Rys. 7. Wpływ posuwu f na Ri dla płytki z węglika spiekanego IC328 Fig. 7. Influence of feed f on Ri for carbide insert IC Ri Ra Ra= Rat Rz Rz= Rzt ,5,1,2,3 Rys. 8. Wpływ posuwu f na Ri dla płytki z ceramiki narzędziowej 68 Fig. 8. Influence of feed f on Ri for ceramic insert 68 Na rysunku 9 pokazano wpływ posuwu f na parametr Sm. Jest na nim widoczny bardzo duży rozstęp tego parametru dla wartości posuwu f,1 mm/obr. Różnica pomiędzy Sm max a Sm min jest bardzo wyraźna zwłaszcza

8 1 P. Szablewski, M. Kawalec dla płytki z ceramiki narzędziowej. Jest to związane ze zwiększającą się niestabilnością tworzonych mikronierówności, gdy grubość warstwy skrawanej h jest mała, gdyż h << f. Znacznie mniejsze rozstępy tego parametru obserwowano w przypadku płytki z węglika spiekanego. Należy zaznaczyć, że płytka z węglika spiekanego miała promień naroża r ε =,8 mm, natomiast promień naroża płytki ceramicznej r ε = 6,35 mm. Parametr Sm przybliża się do wartości teoretycznej (Smt = f) przy posuwie f =,3 mm/obr. Sm [µm] 45 4 Sm max płytka WNMG 35 płytka RNGN Sm Sm min,5,1,15,2,25,3,35 Rys. 9. Wpływ posuwu f na parametr Sm; porównanie wartości średnich, minimalnych i maksymalnych Fig. 9. Influence of feed f on Sm parameter; comparision of mean, minimal and maximal values 4. WNIOSKI KOŃCOWE 1. Dla przyjętych parametrów skrawania uzyskano mniejsze wartości parametrów chropowatości Ra i Rz powierzchni obrobionych płytkami ceramicznymi niż płytkami z węglików spiekanych. 2. Zaobserwowano znaczną niestabilność struktury geometrycznej powierzchni obrobionej (SGP) i duże różnice Ri w zakresie f,1 mm/obr, zwłaszcza w odniesieniu do powierzchni obrobionych ostrzami z ceramiki narzędziowej. Dla ostrzy z węglika spiekanego stosunki wartości rzeczywistych Ra, Rz, Sm do wartości teoretycznych Rat, Rzt, Smt są mniejsze niż dla ostrzy z ceramiki narzędziowej, jednakże także dla płytki z węglika spiekanego wartości rzeczywiste parametrów chropowatości są znacznie większe niż wartości teoretyczne.

9 Mikronierówność powierzchni obrobionej stopu Inconel W przyjętych warunkach skrawania minimalne wartości chropowatości powierzchni obrobionej uzyskuje się w zakresie posuwów f =,1,3 mm/obr. Stosowanie najmniejszej z badanych wartości posuwu f =,5 mm/obr jest niekorzystne ze względu na chropowatość powierzchni obrobionej. LITERATURA [1] Alauddin M., El Baradie M.A., Hashmi M.S.J., Optimization of surface finish in end milling Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology, 1996, 56, s [2] Choudhury I.A., El-Baradie M.A., Machinability of nickel-base super alloys: general review, Journal of Materials Processing Technology, 1998, 77, s [3] Ezugwu E.O., Tang S.H., Suface abuse when machining cast iron (G-17) and nickel-base superalloy (Inconel 718) with ceramic tools, Journal of Materials Processing Technology, 1995, 55, s [4] Grzesik W., Podstawy skrawania materiałów metalowych, Warszawa, WNT [5] Iscar, The Complete Range of Turning Tools, ISCAR LTD 2. [6] Kawalec M., Warziniak W., Analiza mikronierówności powierzchni toczonych w warunkach skrawania skośnego różnych materiałów, Archiwum Technologii Budowy Maszyn, 1992, z. 9, s [7] Kawalec M., Jankowiak M., Kształtowanie mikronierówności powierzchni w procesie dokładnego toczenia ostrzami polikrystalicznymi, Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń, 1998, vol. 22, nr 3, s [8] Maciejny A., Hernas A., Żarowytrzymałe stopy metali, Polska Akademia Nauk, Oddział w Katowicach, Komisja Hutnictwa, [9] Rahman M., Seah W.K.H., Teo T.T., The machinability of Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology, 1997, 63, s [1] Sandvik Coromant, New tools from Sandvik Coromant, Suplement to turning and rotating catalogs, LIT-SUP T/R2.2, 22. Recenzent: dr hab. inż Edward Pająk, prof. nadzw. MICROROUGHNESS OF MACHINED SURFACE OF INCONEL 718 SUPERALLOY AFTER TURNING S u m m a r y The results of influence of feed on various microroughness parameters of the machined surface after turning, have been shown in the paper. Inconel 718 superalloy was being machining without coolant, using cemented carbide inserts IC328 with nanolayers coatings and a ceramic tool SiAlON. The growing instability of microroughness parameters (Ra, Rz, Rt, Sm) together with changes of feed edge and their increasing deviation from theoretical value, consequential of kinematic-geometrical representation of cutting edge in the machined material, have been affirmed. Key words: microroughness, turning, cemented carbide, ceramic tool, Inconel 718

10 12 P. Szablewski, M. Kawalec Mgr inż. Piotr Szablewski Pratt & Whitney Kalisz Sp. z o.o. ul. Elektryczna 4a, 62 8 Kalisz tel. (62) , e mail: piotr.szablewski@pwk.com.pl Prof. dr hab. inż. Mieczysław Kawalec Instytut Technologii Mechanicznej, Politechniki Poznańskiej ul. Piotrowo 3, Poznań tel. (61) , e mail: mieczysław.kawalec@put.poznan.pl