State in the art in the field of bore shaping in the thin materials using thermal drilling technique

Transkrypt

1 State in the art in the field of bore shaping in the thin materials using thermal drilling technique Stan wiedzy i techniki w zakresie kształtowania otworów w materiałach cienkościennych z wykorzystaniem techniki wiercenia tarciowego Kacper SZWAŁEK, Krzysztof NADOLNY Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Produkcji Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, Koszalin, kacper0191@interia.pl, krzysztof.nadolny@tu.koszalin.pl ABSTRACT. Hole drilling process is using as main method for manufacturing elements and machine parts. Drilling is also a base for many technological operations. Currently many kind of drilling is using for a specific applications. A special case is manufacturing the threaded holes in thin materials. This publication is a technique state reviev in a field of thermal drilling knowledge and technique and possibilities resulting from using this method. KEY WORDS: thermal drilling, thermoforming, thin materials, strength properties STRESZCZENIE. Proces wiercenia otworów znajduje szerokie zastosowanie jako metoda wykonywania elementów i części maszyn. Jest bazą dla wielu operacji technologicznych. Aktualnie funkcjonuje wiele odmian wiercenia charakterystycznych dla konkretnych zastosowań. Szczególnym przypadkiem jest wykonywanie otworów gwintowanych w materiałach cienkościennych. Ten artykuł stanowi przegląd stanu wiedzy techniki w zakresie techniki wiercenia tarciowego oraz możliwości płynących z jej stosowania. SŁOWA KLUCZOWE: wiercenie tarciowe, termoformowaie, materiały cienkościenne, właściwości wytrzymałościowe

2 2 Kacper Szwałek, Krzysztof Nadolny 1. Wprowadzenie Proces wiercenia otworów znajduje szerokie zastosowanie jako metoda wykonywania elementów i części maszyn. Jest bazą dla wielu operacji technologicznych. Aktualnie funkcjonuje wiele odmian wiercenia charakterystycznych dla konkretnych zastosowań. Sposób wiercenia determinowany jest przez potencjalne zastosowanie otworu. Czy ma być on wykorzystany jako element połączenia części maszyn, czy jako np. kanał smarujący, czy będzie gwintowany czy nie? Szczególnym problemem występującym w budowie maszyn jest uzyskanie pełnowartościowego gwintu w elementach o niewielkiej grubości (tj. arkusze blach, kształtowniki itp.) bez stosowania dodatkowych elementów złącznych. Rozwiązaniem problemu wykonywania odpowiednio wytrzymałych połączeń gwintowych w elementach cienkościennych jest wykorzystanie metody wiercenia tarciowego. Jest to innowacyjny sposób wykonywania otworów w elementach cienkościennych, który pozwala na wykonanie pełnowartościowego gwintu w wierconym materiale. Dzieje się to dzięki niestandardowemu podejściu do procesu i wykorzystaniu siły tarcia zamiast ostrza skrawającego materiał i wyprowadzającego go poza otwór. W momencie zetknięcia stożkowo zakończonego wirującego wiertła z wierconym materiałem punktowo wytwarza się duża ilość ciepła, która podgrzewa materiał. Temperatura wzrasta do momentu osiągnięci punktu plastycznego płynięcia, co pozwala na wypływanie roztopionego materiału na zewnątrz powstałego otworu. Proces ten kończy się uformowaniem jednolitej z materiałem wierconym tulejki, której długość wynosi nawet czterokrotność grubości materiału obrabianego [7]. Tulejka taka może zostać nagwintowana. Tego typu połączenie elementów cienkościennych jest dużo bardziej wytrzymałe od nitonakrętek i dużo szybsze w wykonaniu oraz zapewnia ono szczelność większą niż konwencjonalne metody. 2. Charakterystyka metody wiercenia tarciowego Wiercenie tarciowe (spotyka się również określenia termowiercenie lub wiercenie termiczne) jest innowacyjną, bezwiórową metodą wykonywania otworów. Tarcie, o którym mowa w nazwie, powstaje w wyniku zetknięcia stożkowo zakończonego wirującego narzędzia z powierzchnią materiału obrabianego. Proces ten został opracowany w celu umożliwienia wykonywania gwintów w materiałach cienkościennych (arkusze blach lub profile), które pozwalają na wykonywanie szczelnych połączeń, bez użycia dodatkowych elementów łączących, takich jak na przykład nitonakrętki. Głównym celem wiercenia tarciowego jest uzyskanie tulejki o grubości od trzech do czterech razy większej niż grubość materiału rodzimego (rys. 1) [4, 8].

3 Stan wiedzy i techniki w zakresie kształtowania otworów w materiałach... 3 Rys. 1. Przekrój poprzeczny otworu wykonanego techniką wiercenia tarciowego[8] Fig. 1. Cross-section of bore manufactured by thermal drilling technique [8] Wykonywanie otworów z wykorzystaniem metody wiercenia tarciowego rozpoczyna się w momencie zetknięcia wirującego narzędzia z obrabianym materiałem (rys. 2) [9]. Pod wpływem obrotów i siły posuwowej wytwarzane jest tarcie, które punktowo zwiększa temperaturę materiału, która może osiągnąć nawet 750 C w trakcie trwania procesu. Temperatura zwiększa się aż do osiągnięcia wielkości, w której materiał staje się plastyczny. Wtedy pod wpływem siły posuwowej rozpoczyna się przetłaczanie otworu. Narzędzie o geometrii stożka powoduje stopniowe powiększanie średnicy otworu i wydłużanie formowanej tulejki. W końcowej części procesu kształtowana jest wypływka. Jej kształt i wielkość zależy od rodzaju i geometrii zastosowanego narzędzia, a także od ustawionej siły posuwowej. Rys. 2. Schemat przebiegu procesu wiercenia tarciowego [9] Fig. 2. Thermal drillnig process scheme [9] 3. Parametry technologiczne wiercenia tarciowego Podstawowymi czynnikami, według których dobierane są parametry technologiczne procesu wiercenia są rodzaj materiału oraz jego grubość. Informacje te niezbędne są do określenia dwóch podstawowych parametrów wiercenia tarciowego, którymi są prędkość obrotowa oraz posuw wgłębny. Parametry te decydujące są dla końcowej

4 4 Kacper Szwałek, Krzysztof Nadolny jakości otworu oraz wpływają one na zmiany zachodzące w materiale. Przykładowo zbyt mała wartość posuwu wgłębnego przy jednocześnie zbyt dużej prędkości obrotowej może prowadzić do wytworzenia się temperatury w strefie obróbki, która spowoduje przegrzanie materiału, co niekorzystnie wpłynie na jego trwałość i ograniczy zakres stosowalności. Z drugiej zaś strony zbyt duża wartość posuwu przy jednocześnie zbyt małych obrotach powoduje, że otwór powstały jest efektem przepychania wiertła przez materiał. Skutkuje to niedostateczną wielkością tulejki, niską tolerancją wymiarową oraz zniekształceniem plastycznym materiału w okolicach strefy obróbki, poprzez powstawanie widocznych wgnieceń. Materiały, które można poddawać procesom wiercenia tarciowego stanowią bardzo niejednorodną grupę. Zaliczyć można do niej [3]: stale konstrukcyjne i zwykłe; stale stopowe (nierdzewne i kwasoodporne); metale nieżelazne i ich stopy (brązy, mosiądze, stopy aluminium). Każda z wymienionych grup materiałów charakteryzuje się różnymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi, co skutkuje innym zapotrzebowaniem na energię niezbędną do wywołania zjawiska odkształcania plastycznego materiału. Co do zasady praktyka warsztatowa wskazuje na zależność, według której im mniejsza jest twardość materiału, tym większa powinna być prędkość obrotowa wrzeciona [4]. 4. Zalety bezwiórowego wykonywania otworów Z wielu punktów widzenia wykonywanie otworów z wykorzystaniem metody wiercenia tarciowego posiada cechy, które stawiają ten proces ponad procesem konwencjonalnego wiercenia. Termowiercenie jest procesem tańszym i szybszym niż tradycyjne metody wykonywania otworów [5]. Wynika to z krótszego czasu wykonania otworu i jego późniejszego gwintowania. Wykonanie otworu gwintowanego tą metodą wymaga jedynie dwóch operacji. W pierwszej w jednym przejściu formowany jest otwór, a druga operacja to wykonanie gwintu. Aby uzyskać podobny efekt tradycyjnymi metodami należy dodać jeszcze osadzenie i unieruchomienie elementu gwintowanego. Najczęściej wykorzystuje się nitonakrętki lub specjalne nakrętki do wspawania, których zakup zwiększa koszt wykonania pojedynczego otworu. Takie połączenie nie gwarantuje ani szczelności, ani wysokich parametrów wytrzymałościowych w porównaniu z gwintem wykonanym w pełnym materiale (rys. 3) [3].

5 Stan wiedzy i techniki w zakresie kształtowania otworów w materiałach... 5 Rys. 3. Różnice w połączeniach gwintowanych w materiałach cienkościennych: a) gwint w materiale; b) nakrętka spawana; c) nitonakrętka; d) otwór uformowany termicznie; e) gwint w uformowanym materiale [3] Fig. 3. Differences in thin materials threaded connections: a) threaded material; b) welded nut; c) blind rivet nut; d) thermal formed hole; e) thread in thermal formed hole [3] Wiercenie tarciowe jako proces obróbki bezwiórowej powoduje również, że wykonywane otwory charakteryzują się dużo wyższymi parametrami wytrzymałościowymi, niż te wykonywane technikami ubytkowymi. Jako, że z formowanego otworu nie jest usuwany żaden materiał, nie zostaje istotnie naruszona jego struktura. Materiał jedynie formowany jest wokół narzędzia, co powoduje zagęszczenie struktury materiału, co prowadzi do jego umocnienia w strefie obróbki. Wyniki badań opublikowane w 2007 roku wykonanych przez Han-Minga, Shin-Mina oraz Lieh Daia dowodzą, że w przypadku wykonywania otworów w stalach nierdzewnych możliwe jest znaczne zwiększenie parametru twardości (HV). Osiągnięte rezultaty mieszczą się w zakresie od 50 do 70 jednostek w zależności od zastosowanej prędkości wiercenia. Jak można odczytać z ilustracji zawartej na rysunku 4 punkty pomiarowe w zasięgu strefy c, o długości 3 mm, rozmieszczone są równomiernie (rys. 4) [3]. Natomiast wartość odczytana z ostatniego punktu oddalonego od krawędzi o 5 mm można przyjąć za wielkość, która odpowiada twardości materiału rodzimego, nie poddanego żadnej obróbce. Z danych zawartych na wykresie zamieszczonym na rysunku 5 można odczytać, że zmiany twardości zanikają już w odległości 3 mm od krawędzi otworu rys. 5). Tak niewielka strefa zmian może świadczyć również o niewielkiej strefie wpływu ciepła, dzięki przejmowaniu znacznej ilości ciepła przez narzędzie, a nie rozchodzenie się go w wierconej stali nierdzewnej AISI 304.

6 6 Kacper Szwałek, Krzysztof Nadolny Rys. 4. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych dla badań twardości materiału [3] Fig. 4. Scheme of measuring points location for material hardness study [3] Ponadto można też wskazać korzyści, które nie mają bezpośredniego przełożenia na parametry jakości wyrobu, ale ze względu na ich użyteczność godne są odnotowania. Jednym z czynników, który powoduje zmniejszenie kosztów, jak i skraca czas potrzebny do ukształtowania otworu, jest fakt niestosowania chłodziwa. Ma to znaczący wpływ na środowisko jak i komfort pracy operatora (brak par olejów). Możliwe jest stosowanie mgiełki smarnej, lub specjalnej pasty. Ponadto brak konieczności pracochłonnego czyszczenia obrobionego przedmiotu z wiórów i resztek płynów stanowi dużą zaletę, szczególnie podczas kształtowania otworów w zamkniętych profilach lub zbiornikach. Duży stopień czystości wiercenia tarciowego pozwala stosować tą metodę do wykonywania otworów w konstrukcjach przeznaczonych do zastosowań medycznych, czy też mających kontakt z żywnością [7].

7 Twardość Stan wiedzy i techniki w zakresie kształtowania otworów w materiałach... 7 Odległość Rys. 5. Wykres zależności twardości stali AISI 304 w zależności od odległości punktu pomiarowego od krawędzi otworu [3] Fig. 5. Realtional graph of the AISI 304 steel hardness according to length between measuring points and hole edge [3] 5. Podsumowanie i wnioski Informacje zebrane w trakcie analizy źródeł literaturowych będących podstawą do powstania tego artykułu pozwoliły na sformułowanie poniższych wniosków. 1. Głównym celem wykonywania otworów techniką wiercenia tarciowego jest możliwość uzyskania wytrzymałego gwintu w materiałach cienkościennych. 2. Otwory wykonywane metodą wiercenia tarciowego charakteryzują się uformowaną tulejką o długości od trzech do czterech razy większą niż grubość obrabianego materiału. 3. Koszty wykonania i czas trwania operacji w procesie wiercenia tarciowego stanowią realną konkurencję dla wykonywania otworów metodami konwencjonalnymi. 4. Otwory wykonywane metodą wiercenia tarciowego charakteryzują się umocnieniem materiału w strefie obróbki. 5. Termo-formowanie otworów jest procesem bardziej przyjaznym środowisku niż ubytkowe metody wykonywania otworów.

8 8 Kacper Szwałek, Krzysztof Nadolny Literatura [1] CICHOSZ P., 2002, Techniki Wytwarzania, Obróbka Ubytkowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej [2] GÓRNY J., 2005, Wykonywanie Części Maszyn W Procesach Obróbki Skrawaniem, Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy. [3] HAN-MING C., SHIN-MIN L., LIEH DAI Y., 2007, Machining Characteristic Study Of Friction Drilling On AISI 304 Stainless Steel, Journal Of Materials Processing Technology ( ) [4] MILLER S.F., BLAU P.J., SHIN A.J., 2006, Tool Wear In Friction Drilling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) [5] MILLER S.F., TAO J., SHIN J., 2005, Friction Drilling Of Cast Metals, International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 (2006) [6] PACYNA J., 2005, Metaloznastwo Wybrane Zagadnienia, Uczelnianie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne. [7] SHIN MIN L., HAN MING C., FUANG YUAN H., BIING HWA Y., 2008, Friction Drilling Of Austenitic Stainless Steel By Uncoated And PVD AlCrN- And TiAlN-coated tungsten carbide tools, International Journal of Machine Tools & Manufacture 49 (2009) [8] Materiały firmy Unimex. [9] Materiały firmy Nova Trading. [10] Materiały firmy Stjorsen.