STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI STOPU PA10 PO NAGNIATANIU TOCZNYM

Transkrypt

1 67/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI STOPU PA10 PO NAGNIATANIU TOCZNYM M. PONIATOWSKA 1 A. PATEJUK 2 Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45C, Białystok STRESZCZENIE W artykule zostały przedstawione wyniki badań mikrogeometrii powierzchni stopu aluminium PA10 po nagniataniu tocznym w szerokim zakresie średnich nacisków jednostkowych. Określono wartości parametrów wysokościowych, wzdłużnych oraz funkcję gęstości widmowej mocy profilu chropowatości. Badania poszerzone o analizę mikroskopową wybranych powierzchni pozwoliły na wskazanie najbardziej korzystnych parametrów technologicznych obróbki. Key words: alloy PA10, burnishing, microgeometry of surface 1. WSTĘP Polepszenie właściwości użytkowych wyrobów sprowadza się w wielu przypadkach do właściwej obróbki cieplnej i mechanicznej materiału z jakiego są wykonane poszczególne części tego wyrobu. Jednym z istotniejszych elementów nowoczesnych technikach wytwarzania jest problem uzyskanie dobrej i powtarzalnej jakości wyrobów. Z tego też względu jednym z podstawowych zadań, które się z tym wiążą jest jakość warstwy wierzchnie [1]. Jedną z metod powierzchniowych obróbek wykańczających stosowaną w technologii różnych elementów maszyn jest obróbka nagniataniem. Polega ona na wywołaniu miejscowego odkształcenia plastycznego w warstwie wierzchniej, co powoduje powstanie nowej, korzystnej struktury o znacznie lepszych własnościach fizykomechanicznych. Miejscowe odkształcenia plastyczne wytwarzane są w strefie 1 dr inż. mponiat@pb.bialystok.pl 2 dr inż. apatejuk@pb.bialystok.pl

2 styku elementu nagniatającego (może to być kulka, rolka lub krążek) z powierzchnią nagniataną pod wpływem siły docisku w układzie obróbkowym. Obróbka nagniataniem umożliwia uzyskanie przede wszystkim dużej gładkości powierzchni oraz znacznego umocnienia mechanicznego warstwy wierzchniej. W zależności od celu stosowania obróbki, uwzględniając własności obrabianego materiału, dobiera się odpowiednie parametry technologiczne, szczególnie parametry siłowe. Chropowatość powierzchni jest jednym z ważniejszych parametrów decydujących o jakości każdego rodzaju obróbki. Chropowatość powierzchni jest zwykle charakteryzowana parametrami, których wyznaczenia dokonuje się przez pomiar nierówności [2 4]. Opis chropowatości powierzchni za pomocą parametrów jest niejednoznaczny. Dla kompleksowej charakterystyki oprócz parametrów stosuje się funkcje częstotliwościowe profilu chropowatości charakteryzujące strukturę geometryczną powierzchni w dziedzinie częstotliwości - widma amplitudowe i funkcje gęstości widmowej mocy (FGWM) [5]. 2. PRZEDMIOT, ZAKRES I MEETODYKA BADAŃ W badaniach wykorzystano próbek wykonanych ze stopu aluminium PA10 o twardości 58,6 HB. Próbki wykonano metodą toczona i szlifowania rys. 1a. Struktura geometryczna powierzchni była typowa dla tego rodzaju obróbki, widoczne wzdłużne ślady obróbcze charakterystyczne dla procesu szlifowania. W następnej kolejności przeszlifowane próbki poddano nagniataniu stosując następujące parametry (rys. 1b): prędkość obrotową 1,2 obr/s, liczbę obrotów 12, średnie naciski jednostkowe 452,9; 462,2; 521,2; 539,8; 563,5 MPa; ciecz chłodząca w postaci mieszaniny oleju maszynowego z naftą w stosunku 1:1. Proces nagniatania, poza ogólnym optycznym wygładzeniem powierzchni, spowodował zmniejszenie rys po szlifowaniu. Ze wzrostem nacisków nagniatania zwiększał się stopień deformacji plastycznej, co skutkowało rozwalcowaniem wierzchołków nierówności i ukonstytuowaniem nowej jakościowo warstwy. Badania mikrogeometrii przeprowadzono na skomputeryzowanym stanowisku pomiarowym z profilometrem Surtronic 3P firmy Rank Taylor Hobson przy uwzględnieniu wytycznych zawartych w literaturze [6]. Odstęp próbkowania wynosił 0,5 µm, promień zaokrąglenia końcówki pomiarowej - 5 µm, rozdzielczość - 0,01 µm. W ramach badań procesu nagniatania wykonano m.in. badania wpływu średnich nacisków jednostkowych na zalecane przez normy i stosowane w praktyce do oceny profilu chropowatości wybrane parametry wysokościowe Ra, Rq i Rv, wzdłużny RSm [2, 3]. Badanie te nie wykazały korelacji parametrów siłowych obróbki z większością z wymienionych parametrów mimo, że badane powierzchnie różniły się własnościami fizycznymi. Przeprowadzono więc badania wpływu średnich nacisków jednostkowych na strukturę widmową mikroprofili powierzchni. Badano funkcję gęstości widmowej mocy (FGWM). Wyniki otrzymano w postaci wykresów FGWM - spektrogramów. 98

3 a Pow. 10x b Pow. 10x Rys. 1. Widok ogólmy próbek użytych w badaniach: a po szlifowaniu, b po nagniataniu Fig. 1. The general view of samples used in researches: a after grinding, b after burnishing 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Próbki do badań zarówno przed procesem nagniatania jak i po jego realizacji były poddane obserwacjom mikroskopowym. Z typowych obszarów powierzchni wykonano dokumentację fotograficzną. Przykładowy wygląd powierzchni wraz z odpowiadającym jej profilogramem oraz wykresu FGWM powierzchni po szlifowaniu prezentuje rys. 2a. Profile powierzchni po szlifowaniu cechowała struktura widmowa 99

4 o charakterze mieszanym; spektrogramy zawierały składowe okresowe niskich częstotliwości oraz składowe losowe wyższych rzędów. Typowy spektrogram (rys. 2a) zawierał składową okresową o częstotliwości ok. 3 mm -1 i gęstości mocy µm 3 oraz wiele składowych losowych o gęstości mocy kilkakrotnie niższej, malejącej ze wzrostem częstotliwości. Przeprowadzone próby nagniatania przy naciskach N= 452,9 MPa nie spowodowały większych zmian w składzie widma rys. 2b. Spadła natomiast ok. 3-krotnie GWM wszystkich składowych. Oznacza to, że na powierzchni pozostały nierówności po obróbce poprzedzającej, nastąpiło jedynie nieznaczne zmniejszenie wysokości nierówności w całym zakresie częstotliwości. Jest to efekt niewielkiego zagłębienia rolki nagniatającej w materiał [5]. Zwiększenie nacisków nagniatania spowodowało dalszy spadek mocy poszczególnych składowych. Porównując spektrogramy powierzchni przed i po nagniataniu przy N = 462,2 MPa (rys. 2a, 2c) można zauważyć kilkudziesięciokrotny spadek mocy występujących w widmie składowych; główna składowa charakteryzowała się GWM w granicach 0,2-0,4 µm 3, pozostałe wielokrotnie niższą. Nie uległa zmianie jedynie GWM składowej o częstotliwości f = 22 mm -1 (λ = 0,05 mm). Świadczy to o występowaniu nierówności po obróbce poprzedzającej o wyraźnie mniejszych wysokościach w całym zakresie częstotliwości; nastąpiło znaczne wygładzenie mikronierówności z powodu większego zagłębienia rolki nagniatającej w materiał [5]. Zwiększenie nacisków do N = 521,2 MPa, spowodowało wygaszenie składowych wyższych rzędów, powyżej 33 mm -1. GWM głównej składowej wynosiła ok. 4 µm 3, czyli nastąpił przepływ mocy w kierunku niskich częstotliwości (rys. 2d). Nagniatane z naciskami N = 539,8 MPa wywołują zupełne wygładzenie powierzchni w zakresie wysokich częstotliwości oraz generowanie nierówności długookresowych o większych amplitudach, na profilogramach wszystkich powierzchni można zauważyć efekt pofalowania powierzchni (rys. 2e). GWM głównej składowej wynosiła ponad 5,5 µm 3. Powierzchnie nagniatane charakteryzowały się metalicznym połyskiem, co świadczy o braku składowych wysokich rzędów w widmie struktury geometrycznej. Natomiast przy naciskach, N = 563,5 MPa nastąpił dalszy wzrost mocy głównej składowej (rys. 2f), która osiągała wartości zbliżone do zaobserwowanych na powierzchniach wyjściowych. Zaobserwowano więc wygładzenie nierówności w zakresie fal krótkookresowych oraz generowanie nierówności o dużej amplitudzie w zakresie fal długookresowych. Na profilogramie wyraźnie widać pofalowanie powierzchni. Jednocześnie na badanych powierzchniach wystąpiły miejscowe zmatowienia co świadczy o naruszeniu struktury materiału; nastąpiło uszkodzenie warstwy wierzchniej spowodowane zbyt wysokim stopniem odkształcenia materiału [5]. 100

5 a b c d e f Rys. 2. Spektrogramy powierzchni po szlifowaniu (a - Ra = 0,867 µm, RSm = µm) i nagniataniu (b-f) z naciskami jednostkowymi: b N = 452,9 MPa, Ra = 0,408 µm, RSm = 9,012 µm, c N = 462,2 MPa, Ra = 0,198 µm, RSm = 6,522 µm, d N = 521,2 MPa, Ra = 0,213 µm, RSm = 7,801 µm, e - N=539,8 MPa, Ra = 0, 239 µm, RSm = 10,337 µm, f N = 563,5 MPa, Ra = 0,222 µm, RSm = 9,267 µm. Fig. 2. Spectrograms of surface after grinding (a - Ra = 0,867 µm, RSm= µm) and burnishing (b - f) with unit pressures: b - N=452,9 MPa, Ra = 0,408 µm, RSm = 9,012 µm, c N = 462,2 MPa, Ra = 0,198 µm, RSm = 6,522 µm, d - N=521,2 MPa, Ra = 0,213 µm, RSm = 7,801 µm, e - N=539,8 MPa, Ra =0, 239 µm, RSm = 10,337 µm, f N = 563,5 MPa, Ra = 0,222 µm, RSm = 9,267 µm. 101

6 4. PODSUMOWANIE Badania wykazały, że nagniatanie w szerokim zakresie średnich nacisków jednostkowych, pomimo że nieznacznie wpływa na wartości badanych parametrów wysokościowych i wzdłużnych chropowatości powierzchni w istotny sposób zmienia strukturę geometryczną nierówności. Poza ogólnym, optycznym wygładzeniem wpływ ten można zaobserwować analizując spektrogramy wykresy FGWM. Umożliwiają one badanie rozkładu wysokości (mocy) nierówności w dziedzinie częstotliwości. Spośród badanych powierzchni największą gładkość charakteryzowaną parametrami chropowatości posiadały powierzchnie nagniatane ze średnimi naciskami jednostkowymi N = 462,2 MPa. Mikrostruktura geometryczna tych powierzchni zawierała składowe o niewielkich wysokościach w całym zakresie częstotliwości. LITERATURA [1] Ciecińska B., Patejuk A., Zielecki W.: Wpływ parametrów toczenia na chropowatość powierzchni intermetali z układu NiAl. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. 6 (1997) [2] Nowicki B.: Struktura geometryczna. Chropowatość i falistość powierzchni. WNT Warszawa [3] PN EN ISO 4287:1999, Struktura geometryczna powierzchni: metoda profilowa. Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni. [4] Oczoś E., Liubimov V.: Struktura geometryczna powierzchni. OWPRz. Rzeszów [5] Cheung Ch. F., Lee W. B.: A multi-spectrum analysis of surface roughness formation in ultra-precision machining. Precision Engineering 24 (2000). [6] Tubielewicz K.: Analiza zjawisk towarzyszących odkształceniu warstwy wierzchniej w procesie nagniatania. Seria monografie nr 13, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa [7] Poniatowska M., Patejuk A.: Metodyka badań mikrogeometrii powierzchni z wykorzystaniem przyrządu HOMMEL TESTER T-1000 w aspekcie opisu właściwości tribologicznych. Aparat. Bad. i Dydak.. T.X. Nr 4 (2005) GEOMETRICAL STRUCTURE OF SURFACE OF ALLOY PA10 AFTER ROLLING BURNISHING ABSTRACT The article presents results of the microgeometry researches of surface alloy aluminium PA10 after rolling burnishing in wide range of mean unit pressure. The value of height, longitudinal parameters and power spectral density function of profile roughness were qualified. The researches broaden by microscopic analysis of selected surfaces allowed to choose the most profitable technological parameters of processing. Recenzował: prof. Edward Fraś. 102