NAGNIATANIE TOCZNE POWIERZCHNI FREZOWANYCH O ZŁOŻONYCH KSZTAŁTACH

Transkrypt

1 NAGNIATANIE TOCZNE POWIERZCHNI FREZOWANYCH O ZŁOŻONYCH KSZTAŁTACH Janusz KALISZ 1, Aneta ŁĘTOCHA, Kazimierz CZECHOWSKI 1, Andrzej CZERWIŃSKI 1, Łukasz JANCZEWSKI 1 1. WPROWADZENIE Istnieje wiele metod obróbki wykończeniowej, które umożliwiają kształtowanie części maszyn, urządzeń i przyrządów zgodnie z wymaganiami dokładności i gładkości; wybór właściwego sposobu obróbki gładkościowej zależy głównie od celu jej stosowania. Nagniatanie umożliwia otrzymanie warstwy wierzchniej o szczególnie korzystnych właściwościach użytkowych. Obróbka ta polega na miejscowym odkształcaniu plastycznym na zimno przedmiotu wskutek siłowego oraz kinetycznego współdziałania narzędzia z powierzchnią obrabianą. Naciski powierzchniowe, jakim poddawany jest przedmiot podczas nagniatania, po przekroczeniu wartości naprężenia uplastyczniającego materiał obrabiany, powodują przemieszczenie nierówności i zgniot w warstwie wierzchniej przedmiotu obrobionego. Efektem przemieszczenia nierówności powierzchni jest zmniejszenie chropowatości powierzchni obrobionej i powstanie nowej struktury geometrycznej powierzchni (SGP), natomiast efektem zgniotu jest umocnienie materiału, które powoduje zmiany właściwości mechanicznych i fizycznych, m.in. wzrost twardości i wytrzymałości zmęczeniowej [1,2]. W procesie nagniatania następuje niewielkie nagrzewanie się przedmiotu obrabianego, co wyklucza przypalenia, odwęglenia i deformacje cieplne, mogące wystąpić w innych metodach obróbki wykończeniowej, dlatego też może być z powodzeniem stosowany również do obróbki wyrobów ze stopów aluminium. Stopy aluminium charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi oraz dobrą obrabialnością a niektóre z nich ze względu wymaganą dobrą polerowalność stosowane są do budowy form, tak jak badany stop EN AW-AlCu4MgSi(A) wykorzystywany jest do budowy form prototypowych i małoseryjnych. W Zakładzie Obróbki Skrawaniem i Narzędzi IZTW w ostatnim czasie prowadzone były prace z zakresu nagniatania ślizgowego i tocznego powierzchni płaskich i przestrzennych na 5-osiowym centrum frezarskim CNC, po uprzedniej obróbce frezowaniem [3-6]. Opracowane zostały do tego celu konstrukcje narzędzi przeznaczonych na obrabiarki CNC, w których siła docisku kulki do powierzchni nagniatanej wywierana jest poprzez odpowiednie ugięcie sprężyny [3,4]. Podjęte badania miały na celu określenie możliwości poprawy właściwości warstwy wierzchniej a w efekcie wydłużenie żywotności i eliminację regeneracji elementów form wykonanych ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi(A). Zagadnienia nagniatania tocznego po frezowaniu rozwijano także w Instytucie Technologii 1 Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, ul. Wrocławska 37a 461

2 J. KALISZ, A. ŁĘTOCHA, K. CZECHOWSKI, A. CZERWIŃSKI, Ł. JANCZEWSKI Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, gdzie stosowano narzędzia, w których siłę nagniatania wywierano za pomocą zasilacza hydraulicznego [7,8]. 2. METODYKA BADAŃ Próbom nagniatania poddano krzywoliniowe powierzchnie (wklęsłe i wypukłe) próbek ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi(A) (dawne PA6) o twardości HB. Do badań wykorzystano próbki o wymiarach 80x19 mm równomiernie rozmieszczone na płytach, na których wydzielono po 5 obszarów (Rys. 1). Powierzchnie próbek frezowano kształtująco frezem kulistym (HSS-E) o średnicy φ 8 mm z parametrami skrawania: ap = 0,5 mm, fz = 0,05 mm/ostrze, fwf =0,5 mm, vc = 190 m/min. Zabieg frezowania wykonywany był metodą wierszowania ze stałym odchyleniem frezu od normalnej do powierzchni o kąt 15 w kierunku prostopadłym do osi Y z zachowaniem takich samych parametrów dla wszystkich pól. Po frezowaniu powierzchni frezem kulistym na połowie każdego z wydzielonych obszarów przeprowadzono zabieg nagniatania, co pozwoliło na wykonanie pomiarów zarówno powierzchni frezowanych jak i nagniatanych już po zakończeniu całego procesu obróbki, poza obrabiarką. Zrealizowano próby nagniatania wg wcześniej przyjętej strategii ortogonalnej, prostopadle w stosunku do kierunku frezowania (Rys. 1) [5,6]. W celu zmniejszenia tarcia i zwiększenia trwałości nagniataków w procesie nagniatania jako środek smarujący stosowano olej maszynowy. Proces nagniatania realizowano jednym przejściem wykonanym w IZTW nagniatakiem tocznym z elementem nagniatającym ceramicznym (Si3N4) w kształcie kulki o promieniu 4 mm (Rys. 2). Rys. 1. Płyty dla prób nagniatania z wydzielonymi obszarami: a) próbki z powierzchnią wypukłą, b) próbki z powierzchnią wklęsłą Opierając się na wynikach badań prowadzonych w IZTW nagniatanie realizowano wg przyjętej strategii ortogonalnej ze stałym posuwem ft =8000 mm/min, stałą wartością siły nacisku sprężystego Fn=100 N ale z różnymi wartościami posuwu poprzecznego fwn = {0.02 mm, 0.04 mm, 0.06 mm) [5,6]. Cały proces obróbki (frezowanie i nagniatanie) przeprowadzano w jednym zamocowaniu na pięcioosiowym centrum frezarskim DMC 75V Linear. Chropowatość powierzchni po frezowaniu i nagniataniu mierzono profilometrem TOPO 01. Wszystkie programy sterujące obrabiarką, tak dla frezowania, jak i nagniatania opracowano z wykorzystaniem systemu NX CAM. 462

3 Nagniatanie toczne powierzchni frezowanych o złożonych kształtach Rys. 2. Nagniatak toczny z elementem nagniatającym ceramicznym w kształcie kulki Stan geometryczny warstwy wierzchniej określono przez pomiar parametrów SGP, która była określana w układzie 2D i 3D. Oprócz wielkości zmierzonych bezpośrednio, określono również współczynniki zmniejszenia chropowatości KRa(1) i KSa (2). K Ra ' Ra = (1) Ra gdzie: Ra średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej (wartości przed nagniataniem), Ra wartości po nagniataniu. K Sa ' Sa = (2) Sa gdzie: Sa średnia arytmetyczna wartości bezwzględnych wysokości z punktów na zdefiniowanym obszarze (wg PN- EN ISO :2012 (E): arithmetical mean height of the scale limited surface); wartości przed nagniataniem, Sa średnia arytmetyczna wartości bezwzględnych wysokości z punktów na zdefiniowanym obszarze; wartości po nagniataniu. 3. WYNIKI BADAŃ Wybrane uśrednione wyniki badań przedstawiono w tabeli 1. Najmniejsze wartości parametru chropowatości Ra uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,06 mm; średnie wartości parametru chropowatości Ra wynosiły: dla powierzchni wklęsłych Ra = 0,13, a dla wypukłych Ra = 0,12. Największy współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni wynosił KRa = 17,75 (dla powierzchni wklęsłych) i KRa = 17,83 (dla powierzchni wypukłych). Najmniejsze wartości parametru chropowatości Sa uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych przestrzennych przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,04 mm i fwn = 0,06 mm; najmniejsze wartości parametru chropowatości Sa wynosiły: dla powierzchni wklęsłych Sa = 0,13, a dla wypukłych Sa = 0,12. Największy współczynnik zmniejszenia 463

4 J. KALISZ, A. ŁĘTOCHA, K. CZECHOWSKI, A. CZERWIŃSKI, Ł. JANCZEWSKI chropowatości powierzchni wynosił KSa = 16,49 (dla powierzchni wklęsłych) i KSa = 16,95 (dla powierzchni wypukłych). Tabela 1. Uśrednione wyniki badań nagniatania tocznego powierzchni przestrzennych, prowadzonego w kierunku ortogonalnym do posuwu frezowania, przy ustalonej sile nagniatania F n = 100 N Rodzaj powierzchni Wypukła Wklęsła Posuw poprzeczny nagniatania f wn, mm 0,02 Ra Parametry SGP po frezowaniu Rt Sa Sz c, % Sz dla Smc (mr)=50 % Ra Parametry SGP po nagniataniu Rt Sa Sz c, % Sz dla Smc(mr)=50% 0,04 2,14 9,92 2,14 14, ,13 0,81 0,13 1, ,19 16,95 K Ra K Sa 0,18 1,09 0,18 1, ,89 11,87 0,06 0,12 0,52 0,13 1, ,83 16,43 0,02 0,18 1,08 0,17 1, ,82 13,58 0,04 2,31 10,30 2,49 11, ,16 0,51 0,15 1, ,75 15,07 0,06 0,13 0,50 0,14 1, ,75 16,49 Uwagi: 1. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po frezowaniu: prostopadły do posuwu frezowania, 2. Kierunek pomiaru parametrów struktury geometrycznej powierzchni po nagniataniu: prostopadły do kierunku nagniatania, 3. Podana wartość c w % Sz dla Smc(mr)=50% to wartość poziomu odniesienia c (czyli odległości od wierzchołków chropowatości do powierzchni cięcia; wyrażona w % Sz) dla Smc(mr) = 50%, 4. Sz maksymalna wysokość nierówności powierzchni (maximum height of the scale-limited surface), 5. Smc(mr) odwrotny obszarowy udział materiałowy powierzchni (inverse areal material ratio of the scale-limited surface), 6. SGP struktura geometryczna powierzchni, 7. Parametry chropowatości powierzchni 2D i 3D określone zgodnie z PN-EN ISO 4287:1999 i PN-EN ISO :2012 (E). Zależności chropowatości powierzchni Ra, Sa oraz współczynnika zmniejszenia chropowatości KRa,, KSa w funkcji posuwu poprzecznego fwn dla badanego stopu aluminium przedstawiono w sposób graficzny na rysunkach 3, 4. Po nagniataniu uzyskiwano następujące średnie wartości poziomu odniesienia c dla odwrotnego obszarowego udziału materiałowego powierzchni (wg PN-EN ISO :2012 (E): inverse areal material ratio of the scale-limited surface) Smc(mr) = 50%): dla powierzchni wklęsłych wartości c zawierały się w zakresie 47 50% Sz, a wypukłych w zakresie c = 43 52% Sz (Rys. 5). Rys. 3. Zależność K Ra=f(f wn) oraz Ra=f(f wn) po nagniataniu tocznym ortogonalnym powierzchni 464

5 Nagniatanie toczne powierzchni frezowanych o złożonych kształtach krzywoliniowych wypukłych (a) oraz wklęsłych (b); siła nagniatania F n=100 [N] Rys. 4. Zależność K Sa=f(f wn) oraz Sa=f(f wn) po nagniataniu tocznym ortogonalnym powierzchni krzywoliniowych wypukłych (a) oraz wklęsłych (b); siła nagniatania F n=100 [N] Rys. 5. Wartość poziomu odniesienia c (% Sz) dla Smc(mr) = 50% po nagniataniu tocznym ortogonalnym powierzchni krzywoliniowych wypukłych (a) oraz wklęsłych (b) w zależności od posuwu wierszowania; siła nagniatania F n=100 [N] Przykładowe widoki 3D powierzchni frezowanych i nagniatanych zamieszczono na rysunkach 6, 7, 8. Rys. 6. Widok 3D powierzchni wypukłej po frezowaniu: a) pierwotnej niefiltrowanej, b) po usunięciu kształtu i filtracji filtrem falistości 465

6 J. KALISZ, A. ŁĘTOCHA, K. CZECHOWSKI, A. CZERWIŃSKI, Ł. JANCZEWSKI Rys. 7. Widok 3D powierzchni wklęsłej po frezowaniu: a) pierwotnej niefiltrowanej, b) po usunięciu kształtu i filtracji filtrem falistości Rys. 8. Widok 3D powierzchni po nagniataniu po usunięciu kształtu i filtracji filtrem falistości: a) wklęsłej, b) wypukłej 4. PODSUMOWANIE W każdym przypadku dla całego badanego zakresu czynnika zmiennego niezależnego fwn następuje znaczne wygładzenie powierzchni nagniatanej. W optymalnych warunkach nagniatania uzyskuje się współczynnik zmniejszenia chropowatości KRa powyżej 17. Najmniejsza wartość parametru Ra po nagniataniu powierzchni krzywoliniowych wypukłych wynosiła Ra = 0,12, a wklęsłych Ra = 0,13. Uzyskano korzystne znaczne zmniejszenie poziomu odniesienia c dla Smc(mr)=50% dla powierzchni krzywoliniowych wypukłych i zbliżone wartości tego parametru dla powierzchni wklęsłych. Występująca po nagniataniu zmiana charakteru SGP ze zdeterminowanej na losową lub mieszaną, jest typowa dla obróbki nagniataniem, ale może być również spowodowana zakłóceniami kinematycznymi, dynamicznymi i tribologicznymi. Proces nagniatania tocznego kulką ceramiczną elementów ze stopu AlCu4MgSi(A) powierzchni uprzednio frezowanych poprawia jakość technologicznej warstwy wierzchniej, 466

7 Nagniatanie toczne powierzchni frezowanych o złożonych kształtach wpływając korzystnie na jej chropowatość powierzchni, udział materiałowy. Przydatność tej metody jako obróbki wykończeniowej elementów form wymaga jednak dodatkowych badań jak np. stopnia umocnienia i rozkładu naprężeń własnych w warstwie wierzchniej, zużycia ściernego. LITERATURA [1] PRZYBYLSKI W., Technologia obróbki nagniataniem. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,, [2] POLOWSKI W., Nagniatanie. Rozdział w Poradniku inżyniera, konstruktora i mechanika. Obróbka skrawaniem w praktyce pod redakcją J. Stósa. Warszawa, Wydawnictwo Verlag Dashofer,,2008. [3] CZECHOWSKI K., POLOWSKI W., KALISZ J., JANCZEWSKI Ł., TOBOŁA D., WSZOŁEK J., Zestaw narzędzi do obróbki nagniataniem na obrabiarkach sterowanych numerycznie. Innovative Manufacturing Technology 2, Kraków, 2012, , [4] CZECHOWSKI K., POLOWSKI W., KALISZ J., JANCZEWSKI Ł., TOBOŁA D., WSZOŁEK J.: Zestaw narzędzi do nagniatania tocznego i ślizgowego powierzchni złożonych na obrabiarkach CNC. Mechanik, 2012, 12, [5] KALISZ J., CZERWIŃSKI A., JANCZEWSKI Ł., CZECHOWSKI K., POLOWSKI W., TOBOŁA D., Wybrane aspekty modyfikacji struktury geometrycznej powierzchni po frezowaniu za pomocą nagniatania tocznego i ślizgowego. Obróbka skrawaniem interakcja proces-obrabiarka, VII Szkoła Obróbki Skrawaniem, Mierzęcin, 2013, Dysk CD: Mechanik, 2013, 8-9. [6] KALISZ J., JANCZEWSKI Ł., CZECHOWSKI K., POLOWSKI W., Wybrane aspekty nagniatania tocznego powierzchni frezowanych. Innovative Manufacturing Technology 2013, Kraków, 2013, [7] SOSNOWSKI M., GROCHAŁA D.: Problemy technologii nagniatania powierzchni przestrzennych złożonych na centrach obróbkowych. Mechanik, 2011, 1, [8] GROCHAŁA D.: Nagniatanie narzędziami hydrostatycznymi złożonych powierzchni przestrzennych na frezarkach CNC, Praca Doktorska, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Szczecin,