Wiercenie jest jednym z kluczowych

Transkrypt

1 Technologia flowdrill wiercenia i gwintowania bezwiórowego DR HAB. INŻ. Aleksander Lisiecki, KATEDRA SPAWALNICTWA, POLITECHNIKA ŚLĄSKA, GLIWICE, DR INŻ. Agnieszka Kurc-Lisiecka (A.KURC@WP.PL), INSTYTUT NAUKOWY PRZEDSIĘBIORCZOŚCI I INNOWACJI, ZAKŁAD INŻYNIERII ZARZĄDZANIA, WYŻSZA SZKOŁA BANKOWA W CHORZOWIE, INŻ. Piotr Brząkala, KATEDRA SPAWALNICTWA, POLITECHNIKA ŚLĄSKA, GLIWICE, MGR INŻ. Mariusz Paś, ZAKŁAD USŁUG PRZEMYSŁOWYCH CERTUS SP. Z O.O., OLKUSZ W artykule opisano wyniki badań wpływu wybranych parametrów termowiercenia (zwanego także wierceniem tarciowym lub termicznym) wiertłem termicznym typu flat z węglików spiekanych na jakość otworów wykonanych w profilach prostokątnych ze stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm oraz stali konstrukcyjnej S235 o grubości 1,5 mm. W badaniach szczególną uwagę zwrócono na wpływ termowiercenia na mikrostrukturę i mikrotwardość stali poddanych procesowi termowiercenia. Wiercenie jest jednym z kluczowych procesów obróbki ubytkowej, ponieważ szacuje się, że w przypadku ponad 40% procesów obróbki ubytkowej konieczne jest też stosowanie technologii wiercenia [1]. Wiercenie polega na wykonywaniu otworów o przekroju kołowym przy użyciu wierteł oraz innych narzędzi specjalnych. Otwory mogą być wykonywane w pełnym materiale lub wiercenie może być tzw. wierceniem wtórnym (tzw. powiercanie), które polega na powiększaniu średnicy otworu już istniejącego. Celami wiercenia mogą być również wykonanie gotowego otworu, przygotowanie otworu do dokładnego rozwiercania lub przygotowanie otworu np. do wykonania gwintu [2]. Nowoczesne wieloostrzowe narzędzia do obróbki skrawaniem, a także narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco, w tym również wiertła, wy- konane są ze stali szybkotnącej (ang. High Speed Steel HSS). Jednak w czasie wiercenia narzędzie skrawające wykonane ze stali HSS przejmuje znaczną ilość ciepła, stąd ostrze narażone jest na odkształcenie plastyczne i obniża się jego wytrzymałość. W konsekwencji następują: szybsze zużycie wiertła, jego stępienie Rys. 1. Etapy wykonania połączeń metodą flowdrill [8] i znaczne skrócenie żywotności narzędzia. Ponadto konwencjonalne wiercenie pozostawia zadziory na krawędziach otworu, co obniża dokładność i jakość powierzchni po obróbce. Istnieje również niebezpieczeństwo zgrzania gorących wiórów, ulokowanych między krawędzią a ścianą otworu, z powierzchnią Flowdrill technology of drilling and chipless threading Słowa kluczowe: technologia flowdrill, wiercenie tarciowe, materiały cienkościenne, stal AISI 304, stal S235 Keywords: flowdrill technology, friction drilling, thin materials, AISI 304 steel, S235 steel The article describes the results of the research on the influence of the selected parameters of thermal drilling (also called friction or thermal drilling) with the use of a flat friction drilling tool made of high speed steel on the quality of holes made in rectangular profiles of the AISI 304 stainless steel of the thickness of 2 mm and of the structural grade S235 steel of the thickness of 1.5 mm. During the studies, particular attention was paid to the impact of thermal drilling on the microstructure and microhardness of the investigated steels. Rys. 2. Przebieg procesu termowiercenia otworów w badanych profilach ze stali konstrukcyjnej S235: wiercenie, gwintowanie M A J- C Z E R W I E C

2 Rys. 6. Zgłady metalograficzne z profili prostokątnych ze stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm z otworem zwykłym ( i gwintowanym ( wykonanymi w procesie termowiercenia Rys. 3. Uchwyt narzędziowy do termowiercenia ( oraz kształt narzędzi dla gwintu M8 ( Rys. 4. Profile prostokątne ze stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm ( i stali konstrukcyjnej S235 o grubości 1,5 mm ( z otworami zwykłymi i gwintowanymi wykonanymi w procesie termowiercenia Rys. 5. Przekroje poprzeczne badanych profili stalowych i otworów wykonanych metodą flowdrill (; widok wnętrza profilu z charakterystyczną dla procesu flowdrill nagwintowaną tuleją uformowaną z materiału rodzimego ścianki ( materiału obrabianego, co powoduje niekorzystne zmiany na powierzchni obrabianego detalu. Możliwe jest również przedostanie się wiórów do wnętrza profili zamkniętych, komór czy zbiorników [1-3]. Jedną z alternatywnych metod wytwarzania otworów, która pozwala na eliminację wad tradycyjnego wiercenia, jest nowoczesna metoda wiercenia i gwintowania bezwiórowego flowdrill, zwana również termowierceniem, wierceniem termicznym lub tarciowym [3]. Proces wiercenia termicznego przebiega w kilku etapach (rys. 1) [4-7]: stożkowa końcówka narzędzia styka się z materiałem, zapewniając wsparcie wiertła zarówno w kierunku kątowym, jak i osiowym (rys. 1; wirujące z dużą prędkością narzędzie zagłębia się w obrabiany materiał i punktowo zwiększa jego temperaturę (nawet do 750 C), w wyniku czego obrabiany materiał staje się plastyczny, wtedy pod wpływem siły posuwowej rozpoczyna się przetłaczanie otworu (rys. 1; c) narzędzie przebija się przez detal na wylot i zagłębia dalej (rys. 1c); d) gdy końcówka narzędzia przebije się przez ściankę detalu obrabianego (rys. 1d), narzędzie przemieszcza się dalej do przodu, rozpychając na obie strony jeszcze więcej materiału i tworząc tzw. wypływkę, formowaną (tuleję) od góry pierścieniem wiertła lub odcinaną przez ostrze wbudowane w wiertło; e) narzędzie wycofuje się, pozostawiając gotowy otwór wraz z tuleją (rys. 1e); f) w uchwycie narzędziowym wiertło zostaje zamienione na gwintownik i wewnątrz tulejki formowany jest gwint (rys. 1f); wytworzona w procesie termicznym tuleja jest dłuższa niż wynosi grubość ścianki materiału, stąd możliwe jest uzyskanie gwintu o większej długości niż w tradycyjnie wykonanym otworze; kształt wypływki zależy od rodzaju i geometrii zastosowanego narzędzia i zadanej siły posuwowej. Wiercenie termiczne jest szczególnie pożądane w przypadku wykonywania połączeń gwintowanych w materiałach cienkościennych (tj.: arkusze blach, kształtowniki, profile, rury itp.) o grubości od ok. 1 mm do 12 mm lub trudno obrabialnych (np. stale nierdzewne, stale o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej typu DP ang. Dual Phase), a także metalach nieżelaznych, jak np. aluminium, miedź, czy stopach 28 M A J- C Z E R W I E C 2018

3 GATUNEK BADANEJ STALI RODZAJ ANALIZY STĘŻENIE PIERWIASTKÓW W % MASOWYCH C Cr Ni Mn Si P S N Fe Inne według AISI USA według EN ,17 1,40 maks. 0,040 0,07 17,50-19,50 8,00-10,50 2,00 1,00 0,045 0,015 reszta maks. 0,040 Tab. 1. Skład chemiczny próbek ze stali nierdzewnej AISI 304 i stali konstrukcyjnej S235 poddanych termowierceniu 0,012 reszta Cu maks. 0,55 metali, np. mosiądz i innych. Metoda ta z powodzeniem zastępuje stosowanie zgrzewanych lub spawanych nakrętek, a także nakrętek wtłaczanych, czy wciskanych oraz nitonakrętek [2, 4-7]. Głównym celem wiercenia tarciowego jest uzyskanie tulejki (wypływki) o średniej długości od trzech do czterech razy większej niż grubość ścianki detalu (rys. 1) [9]. Kluczowymi czynnikami, na podstawie których dobierane są parametry technologiczne procesu wiercenia, są rodzaj materiału i jego grubość. Na podstawie tych informacji określane są podstawowe parametry wiercenia tarciowego, czyli prędkość obrotowa oraz posuw wgłębny, które decydują o końcowej jakości otworu i wpływają na zmiany zachodzące w obrabianym materiale [6]. Z uwagi na znaczny stopień czystości wiercenia termicznego metoda ta znalazła zastosowanie do wykonywania otworów w konstrukcjach mających kontakt z żywnością i przeznaczonych dla hydrauliki, pneumatyki oraz medycyny (np.: wyposażenie sanitarne, łóżka szpitalne, wózki inwalidzkie). Ten rodzaj obróbki jest także szeroko stosowany jako metoda wykonywania otworów w częściach oraz elementach maszyn i urządzeń przemysłowych oraz rolniczych i górniczych, a także komponentach i podzespołach dla branży motoryzacyjnej, elektronicznej, energetycznej i innych. Przebieg badań Celem badań była analiza wpływu podstawowych parametrów wiercenia tarciowego na jakość otworów wykonanych w profilach prostokątnych ze stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm oraz stali konstrukcyjnej S235 o grubości 1,5 mm (tab. 1), a także na mikrostrukturę i mikrotwardości stali poddanych procesowi termowiercenia. Proces wiercenia i gwintowania bezwiórowego profili stalowych przeprowadzono w Zakładzie Usług Przemysłowych Certus Sp. z o.o. w Olkuszu. Do badań wybrano jeden z najbardziej popularnych i szeroko stosowanych gwintów gwint metryczny M8. Próby wiercenia w obu materiałach wykonano z użyciem wiertła termicznego krótkiego typu flat o średnicy 7,3 mm, z prędkością obrotową wrzeciona 2200 obr./min (w przypadku stali nierdzewnej pręd- reklama M A J- C Z E R W I E C

4 A A B C B c) C d) Rys. 8: mikrostruktura profilu o grubości 2,0 mm ze stali nierdzewnej AISI 304, mikrostruktura materiału rodzimego szczegół A, c) mikrostruktura materiału w obszarze tworzenia się tulei szczegół B, d) mikrostruktura materiału po wierceniu termicznym szczegół C c) d) Rys. 7: mikrostruktura profilu o grubości 1,5 mm ze stali konstrukcyjnej S235, mikrostruktura materiału rodzimego szczegół A, c) mikrostruktura materiału w obszarze tworzenia się tulei szczegół B, d) mikrostruktura materiału po wierceniu termicznym szczegół C kość obrotowa została obniżona o 20%). Natomiast operację dopełniającą termowiercenie flowdrill wygniatanie gwintów w obu profilach wykonano wygniatakiem Flowtap M8TINS 6HX ze stali HSS-E, z prędkością 500 obr./min. Ponadto, aby proces wygniatania przebiegał poprawnie, konieczne jest zapewnienie odpowiedniego smarowania. Do tego celu wykorzystano pastę do wiercenia Flowdrill FD-KS, której zadaniem jest redukcja narastania materiału obrabianego na wiertle, co w efekcie wpływa na zwiększenie żywotności wiertła i poprawia jakość powierzchni tworzonej wypływki. Przykładowy przebieg procesu flowdrill w badanych profilach ze stali konstrukcyjnej S235 przedstawiono na rys. 2, a narzędzia użyte w procesie na rys. 3. Wiertło termiczne krótkie typu flat, którym wykonano otwory, składa się z trzech zasadniczych części, tj.: roboczej, stożkowej i cylindrycznej, które determinują siłę nacisku i moment obrotowy oraz temperaturę narzędzia podczas pracy. Tego typu wiertła tworzą tylko jedną wypływkę, dolną. Natomiast płaska powierzchnia tworzona jest przez zastosowane w wiertle ostrze odcinające, które odcina górny pierścień w trakcie termowiercenia. Dodatkową zaletą wiertła typu flat jest możliwość ustalenia końcowego punktu posuwu, co zapobiega zbyt głębokiemu wycięciu materiału [10, 11]. Profile prostokątne ze stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm i stali konstrukcyjnej S235 o grubości 1,5 mm z dwoma otworami zwykłymi i dwoma gwintowanymi wykonanymi w procesie termowiercenia przedstawiono na rys. 4. Jakość uzyskanych otworów oceniano podczas obserwacji makro- i mikroskopowych. Obserwacje makroskopowe zgładów metalograficznych pobranych z profili prostokątnych ze stali konstrukcyjnej S235 o grubości 1,5 mm i stali nierdzewnej AISI 304 o grubości 2 mm wykonano przy użyciu mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX9. Natomiast mikrofotografie ujawnionych po trawieniu w Nitalu struktur wykonano przy użyciu mikroskopu świetlnego Nikon Eclipse MA 100, stosując powiększenie 50x i 200x. Pomiary mikrotwardości przeprowadzono na zgładach metalograficznych pobranych na przekroju poprzecznym otworów wykonanych metodą flowdrill w profilach ze stali AISI 304 i S23, stosując obciążenie 200 g. Badania mikrotwardości przeprowadzono metodą Vickersa, wykorzystując twardościomierz Mikro-Vickers 401 MVD firmy Wilson Wolpert. Analiza wyników badań Analizę jakości powstałych tulejek (wypływek) i gwintów w obu badanych profilach stalowych rozpoczęto od badań wizualnych. Na ich podstawie stwier- 30 M A J- C Z E R W I E C 2018

5 A Rys. 9: mikrostruktura profilu o grubości 2,0 mm ze stali nierdzewnej AISI 304, mikrostruktura materiału rodzimego szczegół A, c) mikrostruktura materiału w obszarze tworzenia się tulei szczegół B, d) mikrostruktura materiału po wierceniu termicznym z gwintowaniem szczegół C dzono, że średnia długość otrzymanych w wyniku wiercenia tulejek (wypływek) jest o ok. 3-4 razy większa B C c) d) niż grubość ścianki obrabianego profilu (rys. 5, 6). Średnia długość tulei uformowanej w ściance profilu ze stali S235 po operacji wiercenia wynosi ok. 8 mm (rys. 7), a dla profilu ze stali AISI 304 ok. 6 mm (rys. 8). Z kolei otrzymane w wyniku operacji wygniatania gwinty w większości badanych próbek, zarówno ze stali S235, jak i AISI 304, odznaczają się poprawnym zarysem gwintu, jednak możliwe jest również otrzymanie niedostatecznie ukształtowanego zwoju gwintu (rys. 6b, 9). Prawdopodobną przyczyną nieprawidłowego ukształtowania się zarysu gwintu w przypadku profilu ze stal AISI 304 jest przegrzanie ( wypalenie ) wierzchołków gwintów, których grubość jest bardzo mała i w efekcie ulegają one skruszeniu. Obserwacje mikrostruktury prowadzone na mikroskopie świetlnym Nikon Eclipse MA 100 potwierdziły ferrytyczno-perlityczną mikrostrukturę stali S235 (rys. 7), a w przypadku stali AISI 304 jej austenityczną mikrostrukturę (rys. 8). W obu badanych profilach stalowych w wyniku operacji wiercenia i gwintowania bezwiórowego nastąpiło rozdrobnienie mikrostruktury, a w miejscach zginania profili jej umocnienie. reklama M A J- C Z E R W I E C

6 Rys. 10. Rozmieszczenie punktów pomiarowych i odległości pomiędzy kolejnymi pomiarami mikrotwardości HV0,2 oraz wykres rozkładu mikrotwardości HV0,2 na profilu o grubości 1,5 mm ze stali konstrukcyjnej S235 w obszarze tulei i otworu wierconego termicznie Rys. 11. Rozmieszczenie punktów pomiarowych i odległości pomiędzy kolejnymi pomiarami mikrotwardości HV0,2 oraz wykres rozkładu mikrotwardości HV0,2 na profilu o grubości 2,0 mm ze stali nierdzewnej AISI 304 w obszarze tulei i otworu wierconego termicznie Na podstawie pomiarów mikrotwardości profili ze stali S235 stwierdzono, że średnia mikrotwardość materiału rodzimego wynosi ok. 167 HV0,2 (rys. 10). Natomiast w miejscu zgięcia profilu stalowego, w wyniku którego następuje umocnienie materiału, mikrotwardość stali wzrasta średnio do ok. 208 HV0,2. Z kolei średnia mikrotwardość profilu stalowego w obszarze tworzenia się tulei wynosi ok. 190 HV0,2. Spadek mikrotwardości w obszarze tworzenia się tulei w profilu ze stali S235 wynika z uplastycznienia materiału pod wpływem działania wysokiej temperatury procesu flowdrill. Analogiczne zmiany mikrotwardości zaobserwowano w przypadku profilu ze stali AISI 304 (rys. 11), której średnia mikrotwardość wynosi ok. 259 HV0,2. Natomiast w obszarze zgięcia profilu stalowego średnia mikrotwardość strefy umocnienia wynosi ok. 340 HV0,2. Z kolei średnia mikrotwardość profilu ze stali AISI 304 w obszarze tworzenia się tulei wynosi ok. 259 HV0,2 (rys. 11). Podsumowanie Niewątpliwie technologia flowdrill jest procesem znacznie tańszym, szybszym i bardziej wydajnym od konwencjonalnych metod wykonywania otworów i ich gwintowania. Dla analizowanego otworu metrycznego M8 czas trwania operacji flowdrill wiercenia i gwintowania bezwiórowego wynosił zaledwie 2 sekundy [10]. Z kolei, aby otrzymać podobny otwór gwintowany tradycyjnymi metodami obróbki skrawaniem, należy w pracochłonności procesu uwzględnić, poza wierceniem i gwintowaniem otworu, dodatkowo dwie operacje, tj.: osadzenie i unieruchomienie elementu gwintowanego. Koszt konwencjonalnych metod wykonywania otworów zwiększają wykorzystywane w procesie nitonakrętki lub specjalne nakrętki do wspawania, które z uwagi na wytworzenie w technologii flowdrill wypływki z obrabianego materiału nie są używane. Dodatkową zaletą stosowania metody flowdrill jest jej bezwiórowy przebieg, który powoduje, że otwory charakteryzują się dużo wyższymi parametrami wytrzymałościowymi niż te wykonywane technikami ubytkowymi. Ponadto proces flowdrill można łatwo adaptować na maszyny konwencjonalne i CNC. Jednak najistotniejszą zaletą procesu jest możliwość obrabiania różnych grup materiałów, w tym trudno obrabialnych. Badania wykonano dzięki wsparciu Zakładu Usług Przemysłowych Certus Sp. z o.o. z Olkusza. Piśmiennictwo dostępne w redakcji. 32 M A J- C Z E R W I E C 2018