ROZWÓJ TECHNOLOGII NAGNIATANIA TOCZNEGO POWIERZCHNI FREZOWANYCH DEVELOPMENT OF ROLLER BURNISHING TECHNOLOGY OF MILLED SURFACES

Transkrypt

1 ROZWÓJ TECHNOLOGII NAGNIATANIA TOCZNEGO POWIERZCHNI FREZOWANYCH Janusz KALISZ 1, Łukasz JANCZEWSKI 1, Kazimierz CZECHOWSKI 1, Andrzej CZERWIŃSKI 1, Waldemar POLOWSKI 1, Aneta ŁĘTOCHA 1 Zamieszczono wyniki badań mających na celu określenie zalecanych w aspekcie wygładzenia powierzchni frezowanej parametrów nagniatania tocznego. Analizowano parametry struktury geometrycznej powierzchni nagniatanej po frezowaniu. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość uzyskania dużego wygładzenia powierzchni przy stosowaniu nagniatania z wierszowaniem w kierunku ortogonalnym. Słowa kluczowe: nagniatanie, frezowanie, narzędzia, struktura geometryczna powierzchni 2D i 3D. DEVELOPMENT OF ROLLER BURNISHING TECHNOLOGY OF MILLED SURFACES The results of investigations aiming for the determination of roller burnishing parameters recommended in the aspect of smoothing the milled surface are presented. Geometric structure parameters of the surface burnished after milling were analyzed. The obtained results indicate the possibility of gaining the big surface smoothing when burnishing is applied in orthogonal direction towards the direction of milling feed. Key words: burnishing, milling, tools, 2D and 3D surface geometric structure. WPROWADZENIE Jedną z głównych cech jakości technologicznej części maszyn jest ich odporność na zużywanie się, która najczęściej determinowana jest właściwościami ich warstwy wierzchniej. Odpowiednie właściwości warstwy wierzchniej części maszyn kształtowane są najczęściej w procesach obróbki mechanicznej, nierzadko poprzedzonej obróbką cieplną, a niekiedy cieplno-chemiczną. Istotny wpływ na odporność na zużywanie się części maszyn mają m.in. chropowatość powierzchni oraz twardość warstwy wierzchniej [1]. Nagniatanie umożliwia otrzymanie warstwy wierzchniej o szczególnie korzystnych właściwościach użytkowych. Obróbka ta polega na miejscowym odkształcaniu plastycznym na zimno przedmiotu wskutek siłowego oraz kinetycznego współdziałania narzędzia z powierzchnią obrabianą. Naciski powierzchniowe, jakim poddawany jest przedmiot podczas nagniatania, po przekroczeniu wartości naprężenia uplastyczniającego materiał obrabiany, powodują przemieszczenie nierówności i zgniot w warstwie wierzchniej przedmiotu obrobionego. Efektem przemieszczenia nierówności powierzchni jest zmniejszenie chropowatości powierzchni obrobionej i powstanie nowej struktury geometrycznej powierzchni (SGP), natomiast efektem zgniotu jest umocnienie materiału, które powoduje zmiany właściwości mechanicznych i fizycznych, m.in. wzrost twardości i wytrzymałości zmęczeniowej. Zjawiska te, chociaż występują najczęściej jednocześnie, mogą mieć różną intensywność zależnie od warunków i parametrów obróbki. Nagniatanie najczęściej stosowane jest jako obróbka gładkościowa, której głównym celem jest zmniejszenie nierówności powierzchni po obróbce poprzedzającej (najczęściej wiórowej), a umocnienie warstwy wierzchniej jest dodatkową jej zaletą. Nagniatanie może być także stosowane jako obróbka przede wszystkim umacniająca, mająca na celu głównie istotną zmianę właściwości mechanicznych i fizycznych w warstwie wierzchniej materiału, dla zwiększenia m.in. wytrzymałości zmęczeniowej części maszyn. Zwiększenie poprzez nagniatanie dokładności wymiarowo-kształtowej części maszyn może być praktycznie osiągane tylko w zakresie odkształceń plastycznych nierówności powierzchni przy stosowaniu sztywnego docisku i zależy w bardzo dużym stopniu od dokładności obróbki poprzedzającej nagniatanie (toczenia, frezowania lub szlifowania) [2, 3]. Rozwojem nagniatania jako obróbki wykończeniowej wyrobów zajmowało się na świecie wiele ośrodków naukowych; także w kraju na wielu uczelniach prowadzone były różnorodne badania dotyczące nagniatania. Jako przykłady firm produkujących i rozwijających narzędzia nagniatające można wymienić m.in.: Ecoroll, Cogsdill, Sugino, Kempf, Yamasa i Bright. Również w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW) zajmowano się zagadnieniami nagniatania i wykonywano różnego rodzaju narzędzia nagniatające, przede wszystkim do prowadzenia procesów nagniatania tocznego i ślizgowego. 1 mgr inż. Janusz Kalisz, dr inż. Łukasz Janczewski, dr inż. Kazimierz Czechowski, mgr inż. Andrzej Czerwiński, dr inż. Waldemar Polowski, mgr inż. Aneta Łętocha - Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania 1

2 W ostatnim czasie w IZTW prowadzone były prace m.in. z zakresu nagniatania ślizgowego i tocznego powierzchni płaskich i przestrzennych, po uprzedniej obróbce frezowaniem, opracowując do tego celu konstrukcje narzędzi przeznaczonych na obrabiarki CNC (rys. 1), w których siła docisku kulki do powierzchni nagniatanej wywierana jest poprzez odpowiednie ugięcie sprężyny [4, 5]. Zagadnienia nagniatania tocznego po frezowaniu rozwijano także w Instytucie Technologii Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, gdzie stosowano narzędzia, w których siłę nagniatania wywierano z pomocą zasilacza hydraulicznego [6]. Rys. 1. Przykłady narzędzi IZTW do nagniatania z dociskiem sprężystym powierzchni płaskich i przestrzennych na frezarkach CNC: a) metodą ślizgową za pomocą końcówki z kompozytu diamentowego, b) metodą toczną za pomocą kulki stalowej lub ceramicznej W badaniach prowadzonych w IZTW opisanych w publikacjach [5, 7] stwierdzono, że najlepsze wyniki w aspekcie wygładzenia powierzchni uzyskiwano po nagniataniu tocznym ze stosowaniem strategii nagniatania w kierunku ortogonalnym do kierunku posuwu frezowania (rys. 2). W niniejszym artykule przedstawiono wybrane wyniki badań procesu nagniatania tocznego powierzchni płaskich i przestrzennych próbek ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi (A), w których to badaniach nagniatanie prowadzono wg ww. strategii ortogonalnej, po uprzednim frezowaniu powierzchni frezem kulistym. METODYKA I WYNIKI BADAŃ NAGNIATANIA POWIERZCHNI PŁASKICH W przeprowadzonych badaniach nagniataniu poddano najpierw płaskie powierzchnie próbek ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi(A) dawniej PA6 o twardości HB. Powierzchnie próbek, w postaci równomiernie rozmieszczonych na płycie wystających na wysokość 3 mm, 25 pól o wymiarach mm, frezowano kształtująco frezem kulistym (HSS-E) o średnicy = 8 mm, pochylonym o kąt 15, przy czym zabieg frezowania wykonywany był w kierunku osi Y obrabiarki z zachowaniem takich samych parametrów dla wszystkich pól; stosowano prędkość skrawania vc = 115 m/min, głębokość skrawania ap = 0,5 mm, posuw na ostrze fz = 0,09 mm/ostrze i posuw poprzeczny (wierszowania) fwf = 0,5 mm. Po wykonaniu frezowania pól, na części ich powierzchni o wymiarach mm, przeprowadzono zabieg nagniatania wg przyjętej strategii ortogonalnej, czyli w kierunku prostopadłym do kierunku frezowania (rys. 2). Do nagniatania tocznego użyto nagniataka z dociskiem sprężystym z elementem nagniatającym w postaci kulki z ceramiki Si3N4 o promieniu R = 4,0 mm (rys. 1b); próby przeprowadzono ze stałym dosunięciem U = 0,3 mm (ugięciem sprężyny nagniataka po zetknięciu się jego elementu roboczego z powierzchnią obrabianą) i posuwem roboczym ft = 8000 mm/min. Proces obróbki frezowaniem i nagniataniem przeprowadzano w jednym zamocowaniu na pięcioosiowym centrum frezarskim typu DMC 75V Linear firmy Deckel Maho. Wszystkie programy sterujące obrabiarką, tak dla frezowania, jak i nagniatania opracowano z wykorzystaniem systemu NX CAM. W badaniach przyjęto następujące wartości czynników zmiennych wejściowych: siłę nagniatania Fn = {100 N; 200 N; 300 N} oraz posuw poprzeczny (wierszowania) fwn = {0,02 mm; 0,04 mm; 0,06 mm}. Badania zrealizowano wg planu statycznego zdeterminowanego kompletnego trójpoziomowego PS-DK3 2 ; wyniki badań przedstawiono w tabeli 1. W badaniach założono trzy powtórzenia w każdym z układów czynników zmiennych Fn i fwn oraz po sześć powtórzeń podczas pomiarów struktury geometrycznej powierzchni (SGP) po frezowaniu i nagniataniu. Pomiary 2D parametrów SGP przeprowadzane były za pomocą profilometru HOMMEL T1000; dla uzyskanych optymalnych wyników wykonano także pomiary 3D za pomocą profilometru TOPO 01. 2

3 Rys. 2. Strategia nagniatania ortogonalna Oprócz wielkości zmierzonych bezpośrednio, określono również współczynnik zmniejszenia chropowatości K Ra, który jest wynikiem stosownych przeliczeń (1): K Ra ' Ra (1) Ra gdzie: Ra średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej (wartości przed nagniataniem), Ra średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej (wartości po nagniataniu) W układzie 3D określono przyjęty umownie współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni tzn. KSa, który jest wynikiem stosownych przeliczeń (2): Sa ' K Sa (2) Sa gdzie: Sa średnia arytmetyczna wartości bezwzględnych wysokości z punktów na zdefiniowanym obszarze (wg PN-EN ISO :2012 (E): arithmetical mean height of the scale limited surface); wartości przed nagniataniem, Sa średnia arytmetyczna wartości bezwzględnych wysokości z punktów na zdefiniowanym obszarze; wartości po nagniataniu. Najmniejsze wartości parametru chropowatości Ra uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych płaskich z siłą nagniatania Fn = 100 N. Przy tej sile przy różnych posuwach poprzecznych nagniatania (fwn = 0,02 0,04 0,06 mm) średnie wartości parametru Ra różniły się w niewielkim stopniu (Ra = 0,10 0,13 m); najmniejszą średnią wartość parametru Ra równą 0,10 m uzyskano przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,04 mm, przy którym współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni był największy KRa = 20,8. Po nagniataniu tocznym powierzchni płaskiej uprzednio frezowanej uzyskiwano istotne zmniejszenie wartości poziomu odniesienia c (tj. odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia) dla udziału materiałowego profilu Rmr(c) = 50%; po frezowaniu wartości c zawierały się w zakresie 64 72% Rt, a po nagniataniu w zakresie c = 42 55% Rt. Wartość parametru chropowatości powierzchni Sa uzyskana po pomiarach 3D dla frezowania wynosiła Sa = 2,421 m natomiast dla nagniatania Sa = 0,033 m. Dla przedstawionych wyników badań współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni dla trójwymiarowej SGP wynosił w najlepszym przypadku KSa = 73,4. Dla zrealizowanego planu badań wykonano analizę statystyczną uzyskanych wyników pomiarów parametru chropowatości powierzchni Ra. Przyjęto funkcję obiektu badań w postaci odwrotności wielomianu algebraicznego drugiego stopnia zawierającego składniki liniowe oraz kwadratowe. Określona na podstawie badań eksperymentalnych funkcja obiektu badań przyjmuje postać: Ra(F n, f wn ) = (6, ,0291 F n f wn + 2, F 2 n 3, f 2 wn ) 1 (3) 3

4 Podana zależność funkcyjna (graficznie przedstawiona na rys. 3) obowiązuje w badanym zakresie oraz w podanych jednostkach zamieszczonych w tabeli 1. Uzyskano współczynnik korelacji wielowymiarowej R = 0,986, statystyka F = 2,697 (f1 = 18; f2 = 4); F < Fkr(α=0,05) = 2,922 współczynnik R był istotny. Błędy aproksymacji w stosunku do wyników badań wyniosły: maksymalny: 1, μm, przeciętny: 6, μm, średniokwadratowy: 8, μm. Tabela 1. Uśrednione wyniki badań nagniatania tocznego powierzchni płaskich, prowadzonego w kierunku ortogonalnym do posuwu frezowania. Siła nagniatania F n, N Posuw poprzeczny nagniatania (wierszowania) f wn, mm Parametry SGP po frezowaniu Ra, μm Rt, μm c, % Rt dla Rmr (c)=50% Parametry SGP po nagniataniu Ra, μm Rt, μm c, % Rt dla Rmr(c)=50% K Ra ,02 2,23 9, ,13 1, ,2 0,04 2, ,10 0, ,8 0,06 2,00 8, ,12 0, ,7 0,02 1, ,16 1, ,3 0,04 1,96 8, ,15 1, ,2 0,06 1,84 8, ,17 1, ,8 0,02 1,87 8, ,24 2, ,8 0,04 1,86 8, ,18 1, ,3 0,06 1,95 8, ,25 1, ,8 Uwagi: 1. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po frezowaniu: prostopadły do posuwu frezowania, 2. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po nagniataniu: prostopadły do kierunku nagniatania, 3. Odcinek pomiarowy L t = 4.8 mm, 4. Podana wartość c w % Rt dla Rmr(c)=50% to wartość poziomu odniesienia c (czyli odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia; wyrażona w % Rt) dla Rmr(c) = 50%, 5. Rt całkowita wysokość profilu chropowatości, 6. Rmr(c) udział materiałowy profilu chropowatości, 7. SGP struktura geometryczna powierzchni, 8. Parametry chropowatości powierzchni określone zgodnie z PN-EN ISO 4287:1999. Rys. 3. Wartości parametru chropowatości powierzchni Ra po nagniataniu tocznym w funkcji siły nagniatania Fn oraz posuwu poprzecznego nagniatania fwn (parametry nagniatania: ft = 8000 mm/min, U = 0,3 mm; nagniatanie w kierunku ortogonalnym do kierunku posuwu frezowania; funkcja obiektu badań w postaci odwrotności wielomianu drugiego stopnia) 4

5 METODYKA I WYNIKI BADAŃ NAGNIATANIA POWIERZCHNI PRZESTRZENNYCH Próbom nagniatania poddano przestrzenne (wklęsłe i wypukłe) powierzchnie próbek ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi(A) (dawne PA6) o twardości HB. Do badań wykorzystano próbki o wymiarach mm równomiernie rozmieszczone na płytach, na których wydzielono po 5 pól w postaci wysp (rys. 4). Powierzchnie próbek frezowano kształtująco frezem kulistym (HSS-E) o średnicy = 8 mm z parametrami skrawania: ap = 0,5 mm, fz = 0,05 mm/ostrze, fwf = 0,5 mm, vc = 191 m/min. Zabieg frezowania wykonywany był metodą wierszowania ze stałym odchyleniem frezu od normalnej do powierzchni o kąt 15 w kierunku prostopadłym do osi Y z zachowaniem takich samych parametrów dla wszystkich pól. Po frezowaniu powierzchni frezem kulistym na wydzielonej powierzchni przeprowadzono zabieg nagniatania. Zrealizowano próby nagniatania wg wcześniej przyjętej strategii ortogonalnej, prostopadle w stosunku do kierunku frezowania (rys. 4). W badaniach przyjęto następujące wartości zmiennych wejściowych: F n = 100 N; oraz posuw poprzeczny (wierszowania) fwn = {0,02 mm; 0,04 mm; 0,06 mm}. W badaniach założono trzy powtórzenia w układzie czynników zmiennych F n-f wn oraz czterdzieści jeden powtórzeń podczas pomiarów struktury geometrycznej powierzchni. Pomiary parametrów struktury geometrycznej powierzchni przeprowadzane były profilometrem TOPO 01 produkcji IZTW. a) b) Rys. 4. Płyty dla prób nagniatania z zaznaczonymi polami (próbkami): a) próbki z powierzchnią wypukłą, b) próbki z powierzchnią wklęsłą Stan geometryczny warstwy wierzchniej określono przez pomiar parametrów SGP, która była określana w układzie 2D i 3D. Oprócz wielkości zmierzonych bezpośrednio, określono również współczynniki zmniejszenia chropowatości KRa i KSa. Wybrane uśrednione wyniki badań przedstawiono w tabeli 2, a przykładowe widoki 3D powierzchni frezowanych i nagniatanych zamieszczono na rys. 5 i 6. Najmniejsze wartości parametru chropowatości Ra uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych przestrzennych przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,06 mm; średnie wartości parametru chropowatości Ra wynosiły: dla powierzchni wklęsłych Ra = 0,11 m, a dla wypukłych Ra = 0,12 m. Największy współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni wynosił KRa = 17,8 (dla powierzchni wklęsłych) i KRa = 18,2 (dla powierzchni wypukłych). Najmniejsze wartości parametru chropowatości Sa uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych przestrzennych przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,06 mm; średnie wartości parametru chropowatości Sa wynosiły: dla powierzchni wklęsłych Sa = 0,10 m, a dla wypukłych Sa = 0,12 m. Największy współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni wynosił KSa = 22,6 (dla powierzchni wklęsłych) i KSa = 18,4 (dla powierzchni wypukłych). Po nagniataniu tocznym powierzchni przestrzennych uprzednio frezowanych uzyskiwano następujące średnie wartości poziomu odniesienia c dla odwrotnego obszarowego udziału materiałowego powierzchni (wg PN-EN ISO :2012 (E): inverse areal material ratio of the scalelimited surface) Smc(mr) = 50%: po nagniataniu powierzchni wklęsłych wartości c zawierały się w zakresie 39 50% Sz, a po nagniataniu powierzchni wypukłych w zakresie c = 46 52% Sz. Wartości te były zbliżone do uzyskiwanych po nagniataniu powierzchni płaskich. 5

6 Tabela 2. Uśrednione wyniki badań nagniatania tocznego powierzchni przestrzennych, prowadzonego w kierunku ortogonalnym do posuwu frezowania, przy ustalonej sile nagniatania Fn = 100 N Rodzaj powierzchni Wypukła Wklęsła Posuw poprzeczny nagniatania (wierszowania) f wn, mm 0,02 Ra, μm Parametry SGP po frezowaniu Rt, μm Sa, m Sz, m c, % Sz dla Ra, μm Rt, μm Smc (mr)=50% Parametry SGP po nagniataniu Sa, m Sz, m c, % Sz dla Smc(mr)=50 % 0,04 2,10 12,85 2,17 18, ,14 1,09 0,14 1, ,9 16,1 K Ra K Sa 0,17 1,43 0,15 1, ,6 14,9 0,06 0,12 0,86 0,12 1, ,2 18,4 0,02 0,14 1,61 0,11 1, ,4 20,5 0,04 1,91 12,59 2,22 32, ,17 1,87 0,13 1, ,7 17,5 0,06 0,11 0,89 0,10 1, ,8 22,6 Uwagi: 1. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po frezowaniu: prostopadły do posuwu frezowania, 2. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po nagniataniu: prostopadły do kierunku nagniatania, 3. Podana wartość c w % Sz dla Smc(mr)=50% to wartość poziomu odniesienia c (czyli odległości od wierzchołków chropowatości do powierzchni cięcia; wyrażona w % Sz) dla Smc(mr) = 50%, 4. Sz maksymalna wysokość nierówności powierzchni (maximum height of the scale-limited surface), 5. Smc(mr) odwrotny obszarowy udział materiałowy powierzchni (inverse areal material ratio of the scale-limited surface), 6. SGP struktura geometryczna powierzchni, 7. Parametry chropowatości powierzchni 2D i 3D określone zgodnie z PN-EN ISO 4287:1999 i PN-EN ISO :2012 (E). a) b) Rys. 5. Przykładowe widoki 3D powierzchni pierwotnej niefiltrowanej po frezowaniu a) wypukłej, b) wklęsłej a) b) Rys. 6. Przykładowe widoki 3D powierzchni po nagniataniu tocznym ortogonalnym (po usunięciu kształtu i filtracji filtrem falistości): a) wypukłej, b) wklęsłej 6

7 PODSUMOWANIE W każdym przypadku dla całego badanego zakresu czynników zmiennych niezależnych Fn fwn następuje znaczne wygładzenie powierzchni nagniatanej. W optymalnych warunkach nagniatania uzyskuje się współczynnik zmniejszenia chropowatości KRa powyżej 17. Najmniejsza wartość parametru Ra po nagniataniu powierzchni płaskich wynosiła Ra = 0,10 m, a przestrzennych Ra = 0,11 m. Uzyskano korzystne znaczne zmniejszenie poziomu odniesienia c dla Rmr(c)=50% dla powierzchni płaskich i zbliżone wartości tego parametru dla powierzchni przestrzennych. Występująca po nagniataniu zmiana charakteru SGP ze zdeterminowanej na losową lub mieszaną, jest typowa dla obróbki nagniataniem, ale może być również spowodowana zakłóceniami kinematycznymi, dynamicznymi i tribologicznymi. Wyjaśnienie tego zjawiska wymaga dalszych badań. LITERATURA [1] Górski E.: Obróbka gładkościowa. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa, [2] Przybylski W.: Technologia obróbki nagniataniem. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, [3] Polowski W.: Nagniatanie. Rozdział w Poradniku inżyniera, konstruktora i mechanika Obróbka skrawaniem w praktyce pod redakcją J. Stósa. Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa, [4] Czechowski K., Polowski W., Kalisz J., Janczewski Ł., Toboła D., Wszołek J.: Zestaw narzędzi do nagniatania tocznego i ślizgowego powierzchni złożonych na obrabiarkach CNC. Mechanik, 2012, 12, [5] Kalisz J., Czerwiński A., Janczewski Ł., Czechowski K., Polowski W., Toboła D.: Wybrane aspekty modyfikacji struktury geometrycznej powierzchni po frezowaniu za pomocą nagniatania tocznego i ślizgowego. Obróbka skrawaniem interakcja proces-obrabiarka; Szkoła Obróbki Skrawaniem nr 7, Mierzęcin, 2013, [Monografia: Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2013] [dysk CD: Mechanik, 2013, 8-9]. [6] Sosnowski M., Grochała D.: Problemy technologii nagniatania powierzchni przestrzennych złożonych na centrach obróbkowych. Mechanik, 2011, 1, [7] Kalisz J., Janczewski Ł., Czechowski K., Polowski W.: Wybrane aspekty nagniatania tocznego powierzchni frezowanych. Innovative Manufacturing Technology 2013, [Monografia: Kraków, IZTW, 2013]. 7