POOBRÓBKOWE UTWARDZANIE POWIERZCHNI I JEGO WPŁYW NA WSPÓŁPRACĘ CZĘŚCI W ZESPOLE

Transkrypt

1 POOBRÓBKOWE UTWARDZANIE POWIERZCHNI I JEGO WPŁYW NA WSPÓŁPRACĘ CZĘŚCI W ZESPOLE Aleksander STREUBEL, Marek KURAN Streszczenie W artykule zaprezentowano sposób umocnienia warstwy wierzchniej wierconego otworu, które towarzyszy procesowi obróbki, a mające wpływ na połączenie dwóch elementów i ich ewentualną współpracę. Ustalono zależność wielkości i głębokości zalegania umocnienia warstwy wierzchniej uzyskanej z wiercenia różnymi wiertłami w trzech różnych materiałach konstrukcyjnych. Pokazano zalety i wady umocnienia powierzchni oraz możliwości sterowania tym procesem. Słowa kluczowe prowadnik zaworowy, wiercenie, umocnienie warstwy wierzchniej Intensywny rozwój przemysłu motoryzacyjnego stawia przed producentami zwłaszcza silników spalinowych nowe zadania. Niektóre elementy występują w silniku wielokrotnie i również w ich przypadku konieczne jest zapewnienie wysokiej jakości pod względem materiałowym i wymiarowym. To drugie zagadnienie jest szczególnie istotne z uwagi na montaż części oraz ich późniejszą eksploatację. Typowym przykładem takiego elementu jest prowadnik zaworowy silnika spalinowego (rys. 1), który pod względem materiałowym jest w zasadzie dopracowanym produktem (stosowane są różnego rodzaju gatunki żeliwa oraz stopy miedzi), natomiast pod względem geometrycznym jego wykonanie często nastręcza problemów technologicznych. Wynika to z konieczności masowej produkcji oraz chęci zwiększenia wydajności, co umożliwiają współczesne, nowej konstrukcji obrabiarki oraz narzędzia. Hamulcem w tym przypadku jest brak badań zjawisk towarzyszących procesowi obróbki, a które rzutują na montaż elementów oraz ich późniejszą eksploatację. Rys. 1. Prowadniki zaworowe Fig. 1. Valve guides Analizując rys. 1, można zauważyć, że obecnie stosuje się dwa typy. Jeden pełny (rys. 1a), wykonany najczęściej ze stopów miedzi. Dla jego poprawnego montażu w głowicy silnika spalinowego ważne jest wykonanie średnicy zewnętrznej, co obecnie nie stanowi problemu. Otwory w prowadnikach wykonuje się obecnie wiertłami RT100T. Dzięki specjalnej obrabiarce i wysokim parametrom skrawania uzyskuje się wymagane efekty wymiarowo-kształtowe, a tym samym wymagane luzy do montażu zaworów. Specjalne właściwości materiału prowadnika pozwalają często uniknąć nadmiernego utwardzenia powierzchni otworu, co pozwala wyeliminować proces docierania. Jednocześnie właściwy dobór narzędzia i parametrów wiercenia gwarantuje uzyskanie prawidłowego kształtu prowadnika zaworu. Drugi typ prowadnika jest wykonywany na gotowo poza głowicą. Poprawne jego wykonanie stanowi duży problem technologiczny. Z rys. 1b można zauważyć, że wykonanie średnicy zewnętrznej nie stanowi problemu technologicznego, natomiast kłopotliwe jest uzyskanie współosiowości otworu. Duża długość prowadników (do 10D, najczęściej 7D) również utrudnia zadanie. Dodatkowy problem, to dopuszczalny błąd wykonania, równy 12 μm. W tych 12 μm muszą zmieścić się: owalność otworu różnica między największą i najmniejszą średnicą otworu w danym przekroju, stożkowość otworu różnica między największą i najmniejszą średnicą na czołach otworu. Obecnie, dzięki zastosowaniu nowoczesnych wierteł GT100 (z HSS), RT100T (pełnowęglikowe z kanałami wewnętrznymi) lub lufowych EB80 [1] (rys. 2) oraz wysokim parametrom wiercenia uzyskuje się otwory o wymaganej dokładności. 43

2 2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu a) b) c) Rys. 2. Rodzaje wierteł użytych w badaniach: a) wiertło kręte z HSS GT100, b) wiertło pełnowęglikowe z kanałami wewnętrznymi RT100T, c) wiertło lufowe EB80. Fig. 2. Types of drills which were used in research: a) twist drill GT100 made of HSS, b) solid-carbide drill RT100 with oil feeds, c) gun drill EB80 Istotnym problemem w wierceniu otworu jest utwardzenie warstwy skrawanej i warstwy wierzchniej wierconego otworu. Podczas badań prowadzonych w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji (ITMiA) Politechniki Wrocławskiej nad procesem powstawania wióra [2] stwierdzono, że narzędzie oddziałuje na materiał obrabiany w obszarze powstawania wióra, czego efektem jest utwardzenie jego warstwy wierzchniej. Również warstwa wierzchnia wykonywanego otworu ulega umocnieniu, wiertło może zatem pracować w warstwie materiału częściowo utwardzonego podczas poprzedniego przejścia. Ilościowe utwardzenie można określić po nagłym przerwaniu procesu wiercenia. Na wykonanym zgładzie metalograficznym (próbka przecięta wzdłuż osi otworu) mierzono mikrotwardość. Największe utwardzenie występuje pod ścinem wiertła, mniejsze pod narożem i jeszcze mniejsze pod prostym odcinkiem krawędzi skrawających (rys. 3). To duże utwardzenie materiału pod ścinem około dwa razy większe niż w materiale rodzimym wynika z niekorzystnych warunków skrawania. Głębokość zalegania utwardzenia zależy od rozpatrywanego miejsca na krawędzi skrawającej. W badaniach stwierdzono, że stosując optymalne warunki skrawania w podstawowych materiałach konstrukcyjnych, krawędź skrawająca pracuje w materiale nieutwardzonym. Należy dodać, że istnieją grupy materiałów konstrukcyjnych, które łatwiej skrawać, gdy mają celowo zwiększoną twardość, np. stale nierdzewne lub niektóre stale stopowe (np. 15HGM). Rys. 3. Utwardzenie warstwy wierzchniej dna otworu w zależności od promienia podczas wiercenia wiertłem krętym: materiał 15, d = 1,1 mm, = 63 m/min, f = 0,044 mm/obr, = 6 MPa Fig. 3. Hardening of the surface layer of the hole s bottom in dependence of radius at twist drill drilling: material 15, d = 1,1 mm, = 63 m/min, f = 0,044 mm/rotation, cooler presure = 6 MPa Z rys. 3 wynika, że wskutek działania ostrza wiertła utwardzeniu ulega również warstwa wierzchnia otworu. Znajomość wielkości umocnienia i głębokości zalegania tej warstwy jest ważna nie tylko dla dalszych operacji obróbczych, np. rozwiercania, gwintowania lub docierania, ale również ze względu na właściwości eksploatacyjne otworu oraz jego odporność na korozję. W prowadnikach zaworowych utwardzenie powierzchni otworu nie jest zalecane [3]. Analizując rys. 3, można zauważyć, że utwardzenie warstwy wierzchniej otworu jest o około 30% większe od materiału rodzimego, o głębokości zalegania dochodzącej do 0,05 mm. Szczegółowe badania pozwoliły na bliższe poznanie zagadnienia. Badania utwardzenia warstwy wierzchniej otworu Wyniki pokazane na rys. 3 wykazały, że celowe jest badanie utwardzenia warstwy wierzchniej otworu. Jest oczywiste, że można tu zrezygnować z badań nasad wiórów, które są bardzo pracochłonne, a skoncentrować się tyko na powierzchni otworu. W tym celu próbki były przecinane wzdłużnie, by następnie wykonać skośny szlif, co pozwala na dokładne określenie utwardzenia oraz głębokości jego zalegania. W dalszej części pracy przedstawiony zostanie wycinek badań, który pozwoli na za- 44

3 poznanie się z tym problemem. Do prezentacji wybrano wycinek badań prowadzonych na stalach 15, 1H18N9T oraz 45, ponieważ pozwalają one na najlepszą obserwację zmian. Parametry skrawania dostosowano do możliwości eksploatacyjnych wiertła krętego GT100 [1]. Na rys. 4 pokazano zależność utwardzenia warstwy wierzchniej otworu wierconego tradycyjnym wiertłem krętym GT100 (HSS). Jak można zauważyć, powierzchnia otworu jest twardsza o 40% i utwardzenie maleje w głąb materiału, by na głębokości ok. 0,05 mm osiągnąć twardość materiału rodzimego. Zastosowanie do wiercenia wierteł nowej generacji (pełnowęglikowych) RT100T oraz chłodzenia przez kanały wewnętrzne, dla tych samych parametrów wiercenia (zbyt niskie dla tego typu wiertła) w małym stopniu wpłynęło na wartość utwardzenia i głębokość jego zalegania (rys. 5). Prowadząc proces wiercenia wiertłem lufowym EB80, stwierdzono istotne zwiększenie warstwy utwardzenia warstwy wierzchniej i głębokości jej zalegania (rys. 6). Rys. 4. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem GT100 w zależności od głębokości. Materiał 15, = 25 m/min, f = 0,05 mm/obr, chłodzenie zewnętrzne 0,02 MPa Fig. 4. Hardening of the surface layer of the hole s surface in dependence of depth at GT100 drill drilling. Material 15, d = 7 mm, = 25 m/min, f = 0,05 mm/rotation, external cooling, presure = 0,02 MPa Rys. 6. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem EB80 w zależności od głębokości. Materiał 15, = 25 m/min, f = 0,05 mm/obr, chłodzenie 0,5 MPa Fig. 6. Hardening of the surface layer of the hole s surface in dependence of depth at EB80 drill drilling. Material 15, d = 7 mm, = 0,5 MPa Rys. 5. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem RT100T w zależności od głębokości. Materiał 15, = 25 m/min, f = 0,05 mm/obr, chłodzenie wewnętrzne 0,2 MPa Fig. 5. Hardening of the surface layer of the hole s surface in dependence of depth at RT100T drill drilling. Material 15, = 25 m/min, f = 0,05 mm/rotation, internal cooling, presure Rys. 7. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem RT100T w zależności od głębokości. Materiał 1H18N9T, Fig. 7. Hardening of the surface layer of the hole s surface in 45

4 2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Wynika to z geometrii ostrza wiertła (rys. 2). Siły skrawania z zewnętrznej krawędzi skrawającej dociskają listwę oporową wiertła do ścianki otworu, co ma odbicie w jej utwardzeniu. Również chropowatość powierzchni jest znacznie niższa Ra 1 μm. Duża głębokość zalegania utwardzenia (h > 0,1 mm) może być korzystna podczas dalszej współpracy dwóch elementów maszyn. Podobne badania przeprowadzono również na innych materiałach konstrukcyjnych. Na rys. 7 pokazano wynik pomiaru utwardzenia powierzchni otworu w stali kwasoodpornej wierconej wiertłem RT100T. Uzyskane wyniki są porównywalne z tymi, które uzyskano dla stali 45 (rys. 5). Obserwuje się tylko większy rozrzut wyników. Zastosowanie wierteł lufowych EB80 dało podobne rezultaty jak przy wierceniu stali 15, co wynika z porównania rys. 8 i 6. Wartość utwardzenia, jak i głębokość jego zalegania jest podobna, różnice widać w charakterze zmian twardości. Przeprowadzono również serię badań dla wierteł RT100T z podwyższonymi parametrami skrawania = 50 m/min zalecanymi przez producenta wierteł [1]. Uzyskane wyniki zarówno dla stali 15 (rys. 9), jak i stali 1H18N9T (rys. 10) wykazały znacznie mniejsze oddziaływanie wiertła na warstwę wierzchnią otworu. Umocnienie ma małą wartość w stosunku do materiału rodzimego. Z tego względu stosowanie tego typu wierteł jest korzystne dla procesu wiercenia prowadników. Rys. 9. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem RT100T w zależności od głębokości. Materiał 15, Fig. 9. Hardening of the surface layer of the hole s surface in dependence of depth at RT100T drill drilling. Material 15, Rys. 10. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem RT100T w zależności od głębokości. Materiał 1H18N9T, Fig. 10. Hardening of the surface layer of the hole s surface in Rys. 8. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem EB80 w zależności od głębokości. Materiał 1H18N9T, = 25 m/min, f = 0,05 mm/obr, chłodzenie 0,5 MPa Pic. 8. Hardening of the surface layer of the hole s surface in dependence of depth at EB80 drill drilling. Material 1H18N9T, = 0,5 MPa Efekty wiercenia innych materiałów konstrukcyjnych, np. stali 45, znacznie odbiegały od przedstawionych wcześniej wyników dla stali 15 i 1H18N9T (rys. 11). Utwardzenie jest trudno mierzalne, mieści się w polu rozrzutu wyników. Duży wpływ ma tu struktura materiału. Problem stanowi również określenie umocnienia materiału po wierceniu dla żeliwa GG25. Przyjmuje się w tym przypadku, że nie ma ono wpływu na współpracę zespołu zawór-prowadnik. Osobne zagadnienie stanowią prowadniki wykonywane ze stopów miedzi. W tym przypadku stosuje się jako ostateczną operację docieranie, 46

5 w którym naddatek wynosi około 0,1 mm i które usuwa wszystkie niedoskonałości warstwy wierzchniej. Należy pamiętać, że obok pożądanych efektów głównie ekonomicznych, często występują również negatywne. W przypadku wiercenia można do nich zaliczyć utwardzenie warstwy wierzchniej, które dla prawidłowej współpracy musi zostać usunięte w dodatkowej operacji docierania. Utwardzeniem warstwy wierzchniej można częściowo sterować przez dobór metody wiercenia, jak i parametrów skrawania. W materiałach plastycznych mniejsze utwardzenie towarzyszy wierceniu wiertłami RT100T, które dzięki wewnętrznym kanałom doprowadzającym chłodziwo do strefy skrawania pozwalają na stosowanie wysokich parametrów wiercenia. Stale do obróbki cieplnej, jak i żeliwa mają mniejsze tendencje do umocnienia powierzchni, a jednocześnie uzyskuje się lepsze efekty wymiarowo-kształtowe, co pozwala uniknąć kłopotliwego docierania. Rys. 11. Utwardzenie warstwy wierzchniej otworu wierconego wiertłem RT100T w zależności od głębokości. Materiał 45, Fig. 10. Hardening of the surface layer of the hole s surface in Podsumowanie Intensywny rozwój przemysłu obrabiarkowego, jak i narzędziowego, otwiera nowe możliwości produkcyjne. LITERATURA 1. Materiały informacyjne firmy Gühring. 2. Streubel A.: Metody wykonywania długich otworów. Politechnika Wrocławska Streubel A., Kuran M., Subbotko R.: Dokładność wierteł pełnowęglikowych stosowanych na obrabiarkach NC oraz efekty wiercenia. Inżynieria Maszyn R11, z. 1, Prof. dr hab. inż. Aleksander Streubel Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Witelona w Legnicy. Dr inż. Marek Kuran Politechnika Wrocławska we Wrocławiu. PREPROCESSED HARDENING OF SURFACE LAYER AND ITS INFLUENCE ON THE COOPERATION OF ELEMENTS IN A GROUP Abstract The paper discusses the phenomenon of strengthening the surface layer of the drill hole, which accompanies the cutting process and affecting the combination of two elements and their possible cooperation. The relation of size and depth to the strengthening of the surface layer was obtained from a variety of drill bits drilling in three different materials. The article presents the advantages and disadvantages of hardening the surface and the ability to control the process. Keywords valve guide, drilling, hardening of surface layer 47