ZASTOSOWANIE KOMPUTEROWEJ ANALIZY 3D DO OCENY PARAMETRÓW POWIERZCHNI PO OBRÓBCE HYBRYDOWEJ

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE KOMPUTEROWEJ ANALIZY 3D DO OCENY PARAMETRÓW POWIERZCHNI PO OBRÓBCE HYBRYDOWEJ Wojciech Magdziarczyk Politechnika Krakowska Streszczenie Rozwój mikroelementów wymusza zapotrzebowanie na kształtowanie elementów w coraz to krótszym cyklu produkcyjnym. Z drugiej strony coraz częściej spotykamy się z materiałami o specjalnych właściwościach, które efektywnie można kształtować za pomocą metod hybrydowych. Synergia dwóch różnych form energii ukierunkowana na usuwanie naddatku przyniesie więcej korzyści niż każda z nich osobno. Intensywny rozwój zaawansowanych technologii wykazał istotny wpływ struktury geometrycznej powierzchni (SGP) na walory użytkowe elementów. Ocena parametryczna powierzchni w wyniku zastosowaniu wspomagania komputerowej analizy powierzchni w układzie trójwymiarowym (3D) może posłużyć do optymalizacji parametrów skrawania i narzędzi. 1. Obróbka hybrydowa W obliczu szacowanego tempa wzrostu udziału rynku przedmiotami o kilkumilimetrowych wymiarach, tradycyjne metody nie są w stanie sprostać wymaganiom i stają się nieopłacalne. Ponadto coraz częściej spotykamy się z materiałami o specjalnych właściwościach, które efektywnie można kształtować za pomocą metod hybrydowych. Uzasadnionym ekonomicznie w takim przypadku staje się łączenie naprzemiennie lub jednocześnie kilku form energii. Synergia dwóch różnych form energii ukierunkowana na usuwanie naddatku przynosi więcej korzyści niż każda z nich osobno. Podołanie tym wymaganiom sprawia, że możliwe jest uzyskanie dużej dokładności obróbki i zadowalającej jakości warstwy wierzchniej. Nadrzędnym celem obróbki hybrydowej jest zniwelowanie niekorzystnych efektów ubocznych występujących w działaniu każdej z metod indywidualnie i zwiększenie pozytywnych efektów, których brak w przypadku gdy procesy obróbcze działają osobno[1,2,3,4,5,6,7]. ISSN , Nr 2 (6) 2011, s

2 1.1. Stan powierzchni po obróbce EDM Powierzchnia po obróbce EDM (ang. EDM Electrical Discharge Machining) jest odwzorowaniem procesu wyładowań, jak również dokładności pozycjonowania mechanicznego układu. Błędy wg [1,4,5] wynikające z procesu obróbki można zniwelować, poprzez wzrost intensywności płukania szczeliny międzyelektrodowej. Można to uzyskać poprzez wymuszony przepływ dielektryka, zmniejszenie posuwu roboczego lub ruch drgającego elektrody. Struktura stereometryczna po obróbce przyjmuje matowy wygląd i tworzą ja kratery powstałe w zależności od prądu wyładowań wytworzonych przez generator (rys.1) 1 Rys. 1 Struktura matowa z powstałymi kraterami, w wyniku wyładowań prądu Technika kształtowania SGP W następstwie oddziaływania energii zewnętrznej na powierzchnie wywoływane są zmiany struktury geometrycznej na wytworzonej powierzchni. Energia użyta do kształtowania SGP (Struktury Geometrycznej Powierzchni) może przybierać różne formy: strumieniowej (obróbka elektroerozyjna), chemicznej (roztwarzanie) lub o charakterze hybrydowym (synergia dwóch rodzajów energii). Powstająca w taki K. E. Oczoś, Hybrydowe procesy obróbki ubytkowej- istota, przykładowe procesy, wyzwania rozwojowe, Mechanik 5-6/2000, s K. E. Oczoś, Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii. Redakcja Wydawnictw Uczelnianych Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów K. E. Oczoś, Sposób kształtowania ubytkowego. Klasyfikacja i terminologia. Mechanik, 2/2005, s A. Ruszaj, M. Chuchro, M. Zybura- Skrabalak, Niekonwencjonalne hybrydowe procesy wytwarzania elementów maszyn i narzędzi. Obróbka Ścierna Podstawy i Technika, Materiały XXIII Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów- Myczkowce, wrzesień A. Ruszaj, Procesy obróbek elektrochemicznej i elektroerozyjnej w różnych odmianach kinematycznych, Zeszyty Naukowe IOS, 76/1989. A. Ruszaj, Wybrane zagadnienia mikroobróbki elektrochemicznej i elektroerozyjnej, Inż. Maszyn, t.10, 3/2005. S. Skoczypiec, A. Ruszaj, Tendencje rozwojowe mikrotechnologii wytwarzania. Niekonwencjonalne metody wytwarzania, Mechanik 11/2009, s V. Liubimov, K.E. Oczoś, Wybrane zagadnienia kształtowania nierówności powierzchni w procesach obróbkowych, Mechanik, 3/1997, s K.E. Oczoś, V. Liubimov Rozważania nad istotnością parametrów struktury geometrycznej powierzchni w układzie 3D, Mechanik 3/2008, s

3 sposób struktura geometryczna powierzchni zależy od wiązki energii, którą cechuje niezdeterminowana geometria oraz procesu roztwarzania na granicy ziaren [1,8]. 2. Analiza SGP Struktura geometryczna powierzchni według normy [N1] to zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej, tj. odchyłek kształtu i położenia, wad powierzchni, falistości i chropowatości. Chcąc dokonać oceny struktury geometrycznej powierzchni pod kątem analizy morfologicznej, topografii, stereometrii czy parametrów 3D, istotnym jest zrozumienie w jakim celu pomiary te zostaną wykorzystane w praktycznych zastosowaniach. Rys.2 Związek między walorami użytkowymi, parametrami i ukształtowaniem geometrycznym oraz techniką kształtowania [4]. Charakterystyczny łańcuch jaki łączy walory użytkowe SGP jest ściśle powiązany z ukształtowaniem geometrycznym i parametrami geometrycznymi, które to są zależne od technik kształtowania SGP (rys.2). Odpowiednio dobrany proces technologiczny wpływa na najważniejsze ogniwo łańcucha jakim są walory użytkowe powierzchni, które zależą od warunków eksploatacji i przeznaczenia [4]. W celu przedstawienia jedynie parametrów chropowatości nie ma potrzeby sięgać po parametry 3D. Z tego powodu należy zadać fundamentalne pytania odnośnie celu analizy stosowania parametrów SGP jak: Na jaki konkretny walor eksploatacyjny wywiera konkretny parametr lub wybrany zestaw parametrów SGP? Czy istnieje zamierzona, celowa możliwość sterowania wybranymi, konkretnymi parametrami SGP? Czy konkretnie wybrany parametr, może być traktowany jako samodzielny i czy jego wartość nie zależy od pozostałych parametrów SGP? 2 10 K.E. Oczoś, V. Liubimov, Struktura geometryczna powierzchni: Podstawy klasyfikacji z atlasem charakterystycznych powierzchni kształtowanych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2003, s N1. PN 87/M 04256: Struktura geometryczna powierzchni. Chropowatość powierzchni. Terminologia ogólna;

4 Wielość parametrów SGP jaka występuje obecnie powoduje jedynie trudności w ocenie ich celowości i przydatności wykorzystania. Fakt ten jest o tyle istotny, że parametry w układzie 3D nie są znormalizowane. Charakter ich występowania ogranicza się jedynie do norm firmowych. Szereg badań jakich dokonano z inicjatywy uznanych światowych stowarzyszeń i organizacji (ASME, CIRP i in.) przyniosło logiczne uzasadnione rezultaty. Ponad 70% firm uważa parametr Ra za najbardziej znaczący pod względem miernika funkcjonalności SGP. Odpowiednio pozostałe parametry częstości wykorzystania obrazuje tablica 1. Informacji o stosowaniu parametrów SGP w układzie 3D praktycznie nie uzyskano [9]. Tablica 1 Częstość wykorzystania parametrów SGP w celu określenia właściwości eksploatacyjnych powierzchni w (%) Parametr SGP Ra Rz Rt Rq Std Rds Rdq Częstość wykorzystania Uzyskany sondaż wykorzystania parametrów SGP świadczy o bezpodstawności wprowadzenia niektórych z nich. 3. Aparatura pomiarowa W związku z powyższym w celu określenia miernika funkcjonalności SGP, trzeba przeprowadzić analizę wykorzystania parametrów 3D. W tym celu, zostały przeprowadzone badania chropowatości powierzchni wykonane przy pomocy systemu pomiarowego firmy Taylor Hobson (rys 3). Rys. 3 Urządzenie pomiarowe do SGP firmy Taylor Hobson 132

5 3.1. Możliwość sterowania parametrami SGP Przez pojęcie sterowania parametrami SGP rozumie się istnienie zależności analitycznej lub graficznej konkretnego parametru. W tabl. 2 wg [9] zostały wymienione parametry SGP, którymi jednoznacznie i skuteczne zrealizowano proces obróbkowy. Tablica 2 Częstość wzmiankowania możliwości sterowania parametrami SGP w (%) Parametr SGP Ra Rz Rt Rq Std Częstość wykorzystania 100 ~ W odniesieniu do sterowania parametrami w układzie 3D można jedynie przyjąć wykorzystanie parametrów: Sa, St, Sq. Na dzień dzisiejszy brak jest możliwości wykorzystania innych parametrów w sterowaniu SGP Niezależność parametrów SGP Przy wyborze sposobu identyfikacji SGP, niezależność konkretnego parametru może odgrywać bardzo istotną rolę. Pozwoliło by to w sposób obiektywny i jednoznaczny ustalić jego wartość. Jako przykład można wymienić jedynie parametr St (wysokość nierówności) i Std (kierunek tekstury powierzchni) [9].W praktyce większość parametrów łączy się z sobą w sposób analityczny lub korelacyjny. 133

6 3.3. Charakterystyka parametrów obróbkowych próbek Poniżej przedstawiono badania jakie wykonano na próbkach, które zostały wykonane po obróbce EDM. Próbka I Parametry obróbkowe próbki I Czas impulsu 10 µs Czas przerwy µs Natężenie 72 A Próbka II Parametry obróbkowe próbki II Czas impulsu 10 µs Czas przerwy µs Natężenie(Przejście wyiskrzające) 74 A 134

7 Wyniki zestawiono w tabeli 3. Tablica 3 Parametry podstawowe, uzyskane przy pomocy systemu pomiarowego do SGP firmy Taylor Hobson Próbka I Parametry 2D - R/5x0,8mm Ra 5,4423 µm Średnie odchylenie arytmetyczne Rz 35,955 µm Średnie odchylenie średniokwadratowe Rt 40,902 µm Wysokość dziesięciu punktów powierzchni Rq 7,050 µm Asymetria powierzchni Parametry amplitudy wg EUR 15178N Sa 5,93 µm Średnie odchylenie arytmetyczne Sq 7,3 µm Średnie odchylenie średniokwadratowe Sz 42,7 µm Wysokość dziesięciu punktów powierzchni Ssk 0,382 - Asymetria powierzchni Sku 2,74 - Kurtoza powierzchni Sp 26,2 µm Maksymalna wysokość szczytu Sv 17,8 µm Maksymalna głębokość szczeliny St 44 µm Całkowita wysokość Parametry pola i objętości Smr 0,0208 % Polowy stosunek materiałowy powierzchni Sdc 16,5 µm Różnica wysokości obrazu 135

8 Próbka II Parametry 2D - R/5x0,8mm Ra 4,5108 µm Średnie odchylenie arytmetyczne Rz 28,205 µm Średnie odchylenie średniokwadratowe Rt 35,474 µm Wysokość dziesięciu punktów powierzchni Rq 5,5973 µm Asymetria powierzchni Parametry amplitudy wg EUR 15178N Sa 5,38 µm Średnie odchylenie arytmetyczne Sq 6,37 µm Średnie odchylenie średniokwadratowe Sz 43,3 µm Wysokość dziesięciu punktów powierzchni Ssk -0,117 - Asymetria powierzchni Sku 2,76 - Kurtoza powierzchni Sp 22,1 µm Maksymalna wysokość szczytu Sv 24,7 µm Maksymalna głębokość szczeliny St 46,7 µm Całkowita wysokość Parametry pola i objętości Smr 0,0129 % Polowy stosunek materiałowy powierzchni Sdc 14,2 µm Różnica wysokości obrazu Próbka I (Chropowatość 3D, lc- 0,8mm) Falistość powierzchni, lc- 0,8mm 136

9 Próbka II (Chropowatość 3D, lc- 0,8mm) Falistość powierzchni, lc-0,8mm Rys. 4 Chropowatość i falistość powierzchni w ujęciu 3D Na podstawie uzyskanych wyników można przyjąć że, parametr podstawowy powinien charakteryzować niezbędne wymagania SGP w zależności od jego przeznaczenia. Powinno się nim dać sterować podczas kształtowania powierzchni i powinien być niezależny od pozostałych parametrów. Parametr pomocniczy 137

10 powinien zawsze występować z parametrem podstawowym i może on jedynie uszczegóławiać walory funkcjonalne powierzchni w zależności od konkretnych warunków eksploatacyjnych. Podsumowanie Z przeprowadzonej analizy wynika, że istnieje możliwość sterowania niektórymi parametrami SGP. W niektórych przypadkach parametry te mogą stać się niezależnymi, co wpływa na właściwości eksploatacyjne powierzchni. Ogólny wniosek jaki płynie z powyższych rozważań, jest taki, że struktura geometryczna powierzchni, szczególnie elementów współpracujących ze sobą, powinna być analizowana w oparciu o parametry 3D. Wybór techniki powinien zostać tak dobrany, aby brał pod uwagę parametry funkcjonalne i geometryczne. Należy brać pod uwagę konieczność hybrydowych technik analizy powierzchni jednocześnie. Prowadzi to w konsekwencji do uzyskania pełniejszych informacji poddanego analizie elementu. 138