Wpływ twardości materiału obrabianego na jakość powierzchni po docieraniu

Transkrypt

1 MOLENDA Justyna 1 CHARCHALIS Adam 2 Wpływ twardości materiału obrabianego na jakość powierzchni po docieraniu WSTĘP Wraz ze wzrostem wymagań obróbkowych stawianych elementom maszyn i narzędzi w zakresie dokładności wymiarowo-kształtowej zwiększa się znaczenie i obszar zastosowań obróbki bardzo dokładnej. Jednym ze sposobów takiej obróbki jest docieranie. Stosuje się je najczęściej wtedy, gdy wymagana jest jednocześnie wysoka dokładność kształtu (głównie płaskość w docieraniu jednotarczowym), dokładność wymiarowa oraz określona mikrostereometria powierzchni obrobionej. Powierzchnie po docieraniu charakteryzują się nieukierunkowanymi śladami obróbki, co sprzyja poprawie szczelności przylegania elementów w eksploatacji. Ich struktura stereometryczna jest bardzo korzystna w połączeniach ślizgowych, ze względu na zdolność utrzymywania warstwy smaru oraz w połączeniach stałych ze względu na dużą nośność. Spośród wszystkich metod docierania najpowszechniej stosowane jest docieranie powierzchni płaskich. Może być ono prowadzone w układzie jedno- lub dwutarczowym, przy czym układ dwutarczowy używany jest do obróbki powierzchni płasko-równoległych. Celem obróbki prowadzonej na docierarkach jednotarczowych jest wytworzenie jednostronnie płaskiej powierzchni o odpowiedniej jakości, a jej zalety sprowadzają się do jednoczesnej obróbki wielu przedmiotów oraz możliwości uzyskiwania małych tolerancji kształtu. W niektórych przypadkach można odwracać przedmioty i docierać przeciwległe powierzchnie [1,4,5,6,7,8]. 1. KSZTAŁTOWANIE POWIERZCHNI OBRABIANEJ Do jednostronnego docierania powierzchni płaskich stosuje się najczęściej docierarki o pierścieniowym układzie wykonawczym (rysunek 1), standardowo z 3 lub 4 pierścieniami prowadzącymi (2), w których umieszczone są separatory (5) z przedmiotami obrabianymi (4). Docierane elementy mogą również wypełniać pierścienie bez separatorów, ich upakowanie będzie wtedy największe. Pierścienie spełniają także funkcję elementów wyrównujących powierzchnię tarczy (1). Pierścienie prowadzące, pod wpływem sił tarcia wywołujących moment obrotowy, obracają się z prędkością n pp, zależną od prędkości obrotowej docieraka n d, warunków tarcia w strefie kontaktu przedmiot powierzchnia czynna docieraka i od położenia promieniowego pierścienia, regulowanego dźwignią prowadzącą (3). Obracająca się tarcza napędza również, leżące bezpośrednio na niej przedmioty obrabiane, które obracają się niekiedy wokół własnej osi, przy czym po zarysach innych niż kołowy, obrót taki umożliwić można przez odpowiednią konstrukcję separatora [1,6,7]. 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska Tel: , , Fax: , jmolenda@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska Tel: , , Fax: , achar@am.gdynia.pl 3363

2 Rys. 1. Układ wykonawczy docierarki jednotarczowej ABRALAP 380 Istotę docierania jednotarczowego przedstawiono na rysunku 2. Między docierakiem a przedmiotami obrabianymi, pozostającymi w ruchu względnym, tworzy się szczelina robocza, którą wypełnia warstwa ścierniwa w nośniku. Mieszanina nośnika i materiału ściernego o postaci zawiesiny w cieczy lub mikropasty, podawana jest na powierzchnię docieraka w sposób kroplowy lub okresowo [2,3,6,10]. Rys. 2. Zasada docierania jednotarczowego [5,6] Narzędziem w procesie docierania jest docierak, a rolę ostrzy skrawających spełniają mikroziarna ścierne, które w szczelinie roboczej mogą przyjmować różne położenia (rysunek 3). Rys. 3. Położenie mikroziaren ściernych w strefie obróbki podczas docierania; PO - przedmiot obrabiany, D - docierak, 1, 2, 3, - mikroziarna ścierne, P siła całkowita obciążająca obrabiany przedmiot [1] Można założyć, że w dowolnym momencie docierania na sumę mikroziaren ściernych składają się [1,6]: 3364

3 1 - mikroziarna wgniecione w powierzchnię docieraka, powodujące mikroskrawanie i odkształcenie (sprężyste lub plastyczne) materiału obrabianego, 2 - mikroziarna toczące się, powodujące mikroskrawanie lub odkształcenie materiału obrabianego i docieraka, 3 - mikroziarna osadzone w docieraku, nie oddziałujące na przedmiot obrabiany, 4 - mikroziarna wgniecione w powierzchnie docieraną, powodujące mikroskrawanie lub odkształcenie materiału docieraka, 5 - mikroziarna bierne, nie oddziałujące na docierak i przedmiot, 6 - mikroziarna wgniecione w powierzchnię obrabianą, nie oddziałujące na docierak. Położenie mikroziaren w strefie obróbki wpływa na mechanizm kształtowania powierzchni obrabianej w efekcie powtarzających się ruchów tocznych ziaren (rysunek 3), z poślizgiem lub bez (2), lub ich osadzania w docieraku (1), względnie co zdarza się zazwyczaj realizacji pierwszych i drugich w stopniu zależnym od ich kształtu oraz stanu powierzchni docieraka i przedmiotu obrabianego. Naddatek z powierzchni obrabianej usuwany jest w następstwie odkształcenia plastycznego, mikroskrawania lub propagacji pęknięć (rysunek 4). Zazwyczaj wszystkie mechanizmy występują jednocześnie, przy dominacji jednego z nich. Obróbka materiałów ciągliwych odbywa się głównie przez mikroskrawanie oraz odkształcenie plastyczne, naddatek usuwany jest wtedy w dwóch etapach: umocnienie materiału w wyniku odkształcenia, odrywanie cząstek na skutek umocnienia [2,3,5,6,10]. Kształtowanie powierzchni elementów z materiałów kruchych, jak ceramika, następuje przede wszystkim na skutek propagacji pęknięć [1,2,5,6,10], ale również, jak dowodzi literatura [5,10], w warunkach ciągliwego usuwania materiału, przez odkształcenie plastyczne. Warunkiem jest zastosowanie minimalnej głębokości skrawania mniejszej od krytycznej (50 nm 1µm). a) odkształcenie plastyczne b) mikroskrawanie c) propagacja pęknięć Rys. 4. Możliwe mechanizmy usuwania materiału [5] Jak wykazano, twardość materiału przedmiotu obrabianego ma zasadniczy wpływ na przebieg (mechanizm) usuwania naddatku z powierzchni obrabianej, a zatem również na efekty docierania. Podstawowymi parametrami opisującymi rezultaty tego procesu obróbkowego są jego wydajność i uzyskana jakość powierzchni. W tej pracy jakość powierzchni opisywana jest przez jej chropowatość, opisaną parametrem R a, oraz strukturę powierzchni [8,9]. 3365

4 2. STANOWISKO BADAWCZE I WARUNKI PROWADZENIA PRÓB Dla zróżnicowania twardości materiału obrabianego wybrano stal C45. Przygotowano próbki walcowe o średnicy 17 mm i wysokości nominalnej 10 mm. Podzielono je na trzy grupy, w zależności od planowanej obróbki cieplnej: 1. normalizowane, o twardości 160 HV, 2. obrabiane cieplnie do twardości 440 HV, 3. hartowane, o twardości 650 HV. Twardość próbek wyznaczono według metody Rockwell a, stosując, w zależności od spodziewanej wartości twardości, dwa rodzaje wgłębników (stożek, kulka) i obciążeń. Wyniki poddano standardowej analizie statystycznej (analiza błędów grubych, wyznaczenie wartości średnich). W celu porównania twardości próbek z różnych grup, wyznaczoną wartość średnią, którą następnie zamieniono na skalę Vickers a. Dla zmniejszenia rozrzutu wysokości próbek oraz zapewnienia podobnego stanu powierzchni przed docieraniem wszystkie próbki szlifowano do średniej chropowatości powierzchni opisanej parametrem R a równej 0,66 μm dla stali normalizowanej i o twardości 440 HV oraz 0,57 μm - dla stali hartowanej. Po szlifowaniu próbki docierano w oddzielnych dla każdej grupy próbach, z zastosowaniem tych samych warunków obróbki. Wykorzystano zawiesinę ścierną węglika krzemu o numerze ziarna F400 i koncentracji K s = 0,24. Dawkowano ją kroplowo z wydajnością 15 ml/min. Próbki umieszczono równomiernie w separatorach (rysunku 1), tak że ich środki znajdowały się w odległości 47 mm od środka pierścienia. Przy prędkości docieraka n d = 65 obr/min, prędkość docierania wynosiła v = 49 m/min. Obróbkę przeprowadzono zachowując nacisk jednostkowy p = 0,04 MPa. Rys. 5. Docierarka jednotarczowa ABRALAP 380 [8,9] Badania wykonano na docierarce jednotarczowej ABRALAP 380 (rysunek 5), przeznaczonej do obróbki powierzchni płaskich, o podstawowym układzie wykonawczym (rysunek 3). Składa się on z trzech pierścieni prowadzących, bez własnego napędu, poruszających się po czynnej powierzchni docieraka pod wpływem działania momentu tarcia z prędkością zależną od prędkości tarczy, 3366

5 napędzanej przez silnik elektryczny. Ruch pierścieni ograniczają rolki prowadzące. W pierścieniach umieszczano obrabiane elementy w specjalnie przygotowanych separatorach (rysunek 1). Żądany nacisk jednostkowy na przedmioty wywoływano za pośrednictwem przekładek filcowych, umieszczając na nich właściwe obciążniki. W czasie badań obrabiarkę wyposażono w płaski, rowkowany, żeliwny docierak oraz w trzy pierścienie prowadzące. Wbudowany czasomierz umożliwia ustawienie czasu obróbki z dokładnością do 1 sekundy, a układ kinematyczny zapewnia bezpośrednią regulację szybkości obrotowej docieraka w zakresie do 56,5 obr/min. Jest ona wyposażona również w czterokanałowy obrotomierz zbudowany z optycznych czujników odbiciowych SCOO 1002P i programowalnego tachometru 7760 firmy Trumeter, który umożliwia odczyt wartości szybkości obrotowej pierścieni i tarczy. 3. WYNIKI POMIARÓW W celu sprawdzenia zmiany jakości powierzchni w rezultacie procesu docierania, wyznaczono chropowatość powierzchni próbek oraz wykonano jej fotogramy z wykorzystaniem odwróconego mikroskopu Axiovert 25. Następnie próbki docierano przez 10, 15 i 20 minut. Po obróbce powtórzono pomiary. Wyniki badań chropowatości powierzchni w zależności od twardości materiału obrabianego i czasu obróbki przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Zależności wartości średnich parametru chropowatości R a od twardości materiału obrabianego i czasu obróbki (SiC-F400, p = 0,04 MPa, v = 49 m/min) Na podstawie wyników parametru R a, wyznaczono również stopień poprawy chropowatości powierzchni opisany współczynnikiem KR a : gdzie: ' R a KR a ' (R a R a ) 100 (1) ' R a początkowa wartość chropowatości powierzchni, R a średnia chropowatość powierzchni po obróbce. Wyniki przedstawiono na rysunku

6 Rys. 7. Zależności współczynnika KR a od twardości materiału obrabianego i czasu obróbki (SiC-F400, p = 0,04 MPa, v = 49 m/min) Wyniki wskazują na spodziewaną zależność zarówno R a, jak i KR a od czasu obróbki. Jego zwiększenie skutkuje spadkiem chropowatości i wzrostem KR a. Uzyskane wartości R a dla różnej twardości nie są już tak oczywiste. Najmniejszą chropowatość po obróbce uzyskano dla próbek o twardości 440 HV, a największą dla próbek normalizowanych, o najmniejszej twardości. W celu lepszego rozpoznania tej zależności oraz zbadania struktury powierzchni, dodatkowo wykonano jej fotogramy z wykorzystaniem odwróconego mikroskopu Axiovert 25. Zastosowano 50 krotne powiększenie. Uzyskane obrazy przedstawiono na rysunku 8. a) b) 20 µm 20 µm c) d) 20 µm 20 µm Rys. 8. Powierzchnia próbek ze stali C45: a) przed docieraniem oraz po docieraniu: b) o twardości 160 HV, c) o twardości 440 HV, d) o twardości 650 HV (SiC-F400, p = 0,04 MPa, v = 49 m/min) 3368

7 Widoczną na rysunku 8a powierzchnię cechują jednokierunkowe ślady aktywności roboczej ziaren, typowe dla szlifowania czyli obróbki ziarnem spojonym. Po docieraniu, w wyniku pracy luźnych mikroziaren, ślady obróbki są wielokierunkowe, co potwierdzają kolejne zdjęcia (rysunek 8 b-d). Porównując je można zauważyć różnice w ilości i jasności rowków. Materiałem obrabianym była stal C45, naddatek usuwany jest zatem głównie przez mikroskrawanie i odkształcenie plastyczne, stąd obecność rowków. Na podstawie jasności, kierując się wiedzą ogólną o mechanizmie usuwania naddatku podczas docierania materiałów ciągliwych i znajomością zasady działania mikroskopu optycznego, można wnioskować o zróżnicowaniu ich głębokości Na powierzchni przedstawionej na rysunku 8b, ze względu na najmniejszą twardość, występują przede wszystkim rowki głębokie, co świadczy o intensywnym oddziaływaniu ziaren ściernych. Tłumaczy to największą uzyskaną chropowatość, w porównaniu do próbek o większej twardości. Wygląd powierzchni stali o twardości 440 HV (rysunek 8c) charakteryzują najliczniejsze z prezentowanych ślady po pracy mikroziaren w szczelinie roboczej. Jednak w tym przypadku liczba rowków głębokich i płytkich jest porównywalna, co w efekcie dało względnie niską chropowatość powierzchni. Ponownie potwierdza to przedstawione wcześniej wyniki. Przedstawioną na rysunku 8d powierzchnię stali hartowanej, cechują tymczasem mniej liczne, płytkie rowki, co tak, jak poprzednio pozostaje w zgodzie z przytoczonymi wynikami. Próbki hartowane cechowała niska chropowatość R a. WNIOSKI Docieranie należy do grupy najdokładniejszych metod obróbki przedmiotów, w stosunku do których stawiane są duże wymagania wymiarowo-kształtowe. Podstawowe znaczenie ma zatem uzyskiwana jakość powierzchni obrobionej. W pracy analizowano wpływ twardości materiału obrabianego na chropowatość powierzchni po obróbce. W literaturze przedmiotu, do opisu chropowatości powierzchni, najczęściej stosowanym parametrem jest parametr R a. Również autorzy tej pracy przyjęli go do rozważań. Ponadto analizowano parametr poprawy chropowatości KR a. Wyniki wskazują, że zarówno R a i KR a zależą od czasu obróbki, jak i od twardości. Jednak ta zależność nie jest jednakowa. W przypadku czasu jest ona spodziewana, wydłużenie czasu obróbki skutkuje zmniejszeniem chropowatości powierzchni. Zależność od twardości nie jest tak oczywista. Najlepszą jakościowo powierzchnię otrzymano dla stali o twardości 440 HV, najgorszą dla stali normalizowanej. Jakość powierzchni próbek ze stali hartowanej jest niewiele gorsza od uzyskanej dla stali o twardości 440 HV. Może to wynikać z doboru parametrów obróbki, które pozostawały stałe niezależnie od twardości materiału obrabianego. Streszczenie Obecnie, wobec wysokich wymagań co do stanu powierzchni, jakie konstruktorzy stawiają elementom maszyn, szczególne znaczenie ma rozwój metod obróbki bardzo dokładnej. Jedną z takich metod jest docieranie, rozwijane przede wszystkim w zakresie obróbki powierzchni płaskich. Naddatek z powierzchni obrabianej usuwany jest w następstwie wzajemnego oddziaływania pomiędzy powierzchnią obrabianą, powierzchnią docieraka i mikroziarnami ściernymi. Przebieg tego procesu ściśle zależy od twardości materiału obrabianego. Obróbka materiałów ciągliwych odbywa się głównie przez mikroskrawanie oraz odkształcenie plastyczne, naddatek usuwany jest wtedy w dwóch etapach: umocnienie materiału w wyniku odkształcenia i odrywanie cząstek na skutek umocnienia. Kształtowanie powierzchni elementów z materiałów kruchych, jak ceramika, następuje przede wszystkim na skutek propagacji pęknięć. W celu sprawdzenia, jak twardość materiału obrabianego wpływa na efekty docierania, wykonano szereg prób. Do badań wybrano próbki ze stali C45, które obrabiano cieplnie w celu uzyskania trzech wartości twardości: 160 HV, 440 HV i 650 HV. Tak przygotowane próbki szlifowano, następnie docierano stosując te same parametry obróbki. W pracy przedstawiono wyniki badań stereometrii powierzchni prowadzonych przed i po procesie docierania. Potwierdzają one, że twardość ma zasadniczy wpływ na jakość powierzchni obrobionej, którą w tej pracy opisano parametrami chropowatości Ra i poprawy chropowatości KRa. Dodatkowo analizowano fotogramy powierzchni wykonane odwróconym mikroskopem Axiovert

8 Influence of material hardness of workpiece on surface quality after lapping Abstract The finishing processes are an important perspective to be considered today to meet the goals like parallelism, tolerances, flatness, and smooth surface of workpieces. These processes are high-precision abrasive processes. A leading importance in this perspective has the lapping process. It leads to a surface with low roughness and high precision. The most extensively used type of lapping process is flat lapping. Stock removal is a result of interactions between abrasive grains, workpiece, and tool surfaces. The mechanism of material removal process strongly depends on workpiece material hardness. At ductile materials (e.g. steel) microcutting and microploughing mainly appear while at brittle materials (e.g. ceramics) microcracking exists. The goal of this paper was to check the influence of workpiece material hardness on workpiece surface quality. For the research steel C45 samples were chosen. Samples were divided to three groups according to planned heat treatment (planned hardnesses). Obtained Vicker s hardness in each group were 160, 440, and 650 HV. Then speciments were grounded to surface roughness R a = 0.67 µm. After grinding lapping process was conducted. Experiments were carried out with the same lapping parameters for each group. This paper presents the results of workpiece surfaces measurements conducted before and after lapping. They confirm the influence of material hardness on workpiece surface quality. The surface quality is described by R a and KR a parameters. Additionally surface photographs were analysed. They were performed with use of inverted microscope Axiovert 25. BIBLIOGRAFIA 1. Barylski A., Badania kształtowania powierzchni materiałów ceramicznych przez docieranie. Tribologia 2004, nr Evans C.J., Paul E., Dornfeld D., Lucca D.A., Byrne G., Tricard M., Klocke F., Dambon O., Mullany B.A., Material removal mechanisms in lapping and polishing. Annals of the CIRP 2003, vol. 52, nr Groover M.P., Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes and systems, 3rd edition. John Wiley & Sons, Inc., USA Kainer G. B., Identification of methods and means of monitoring precision components in finishing operations and following manufacture. Measurement Techniques 2008, vol. 51, nr Klocke F., Manufacturing Processes 2: Grinding, Honing, Lapping. Springer Verlag, Berlin Heidelberg Marinescu I. D., Uhlmann E., Doi T. K., Handbook of lapping and polishing. CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton Molenda J., Influence of lapping velocity, pressure, and time on ceramic elements machining results. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni 2013, nr Molenda J., Charchalis A., Dependence between workpiece material hardness and face lapping results of steel C45. Solid State Phenomena, Trans Tech Publications, Switzerland, Mechatronic Systems and Materials VI Molenda J., Charchalis A.: Steel C45 elements lapping. Journal of KONES Powertrain and Transport 2014, vol. 21, nr Sreejith P. S., Ngoi B. K. A., Material removal mechanism in precision machining of new materials. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2001, nr