PROCESY MIKROSKRAWANIA W NISKICH TEMPERATURACH

Transkrypt

1 XIX NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ, ŁÓDŹ 1996 mikroskrawanie, niskie temperatury Wojciech KACALAK, Ryszard LEWKOWICZ, Wojciech ZAWADKA, Błażej BAŁASZ * PROCESY MIKROSKRAWANIA W NISKICH TEMPERATURACH Badania procesu mikroskrawania w niskich temperaturach (do 79K), stanowią część programu mającego na celu opracowanie podstaw nowych technologii mikroobróbki ściernej materiałów trudno obrabialnych. Zamierzeniem jest opracowanie technologii, które pozwolą uzyskać dokładność rzędu 0,1 µm oraz zdecydowanie ograniczą naprężenia w warstwie wierzchniej. 1. WPROWADZENIE Obecnie wysokie wymagania dotyczą nie tylko dokładności wykonania, zwraca się również uwagę na właściwości fizyczne wytworzonej powierzchni. Wymóg ten sprawia, że obróbka ostateczna musi przebiegać przy niskiej energii, aby nie zachodziły niepożądane zmiany fizyczne powierzchni, nie pojawiały się naprężenia rozciągające, ani nie następowały zmiany składu chemicznego. Jest to powodem do poszukiwania nowych technologii, które spełnią te wymagania. W mikroskrawaniu warstw o małej grubości, zjawiska o niewielkim często znaczeniu w obróbce skrawaniem, a nawet zgrubnej obróbce ściernej, nabierają znaczenia decydującego o przebiegu i efektach procesu. Takimi zjawiskami są: nieciągłość procesu i częstość tworzenia mikrowiórów, cieplne i mechaniczne sublokalne odkształcenia narzędzi i materiału obrabianego, zmiany topografii aktywnej powierzchni narzędzia, zmienność warunków mikroskrawania wzdłuż drogi pracy każdego z ostrzy stykających się z obrabianym materiałem. Spotykane w literaturze różnice w wynikach badań dotyczące warunków, jakie muszą być spełnione, aby następowało oddzielenie materiału, skłoniły do analizy wpływów tych czynników, które były dotąd zaliczane do grupy czynników zakłócających. Posługiwanie się graniczną wartością stosunku zagłębienia ziarna w materiał obrabiany h do promienia zaokrąglenia wierzchołka r, jako warunkiem oddzielenia materiału, prowadzi do bardzo rozbieżnych wyników. Jako kryterium geometryczne skuteczności mikroskrawania przyjmuje się zwykle współczynnik k, zależny od przekrojów bocznych wypływek F w1 i F w2 oraz pola przekroju rowka F r k = f ( s ) = [ F ( F + F )]: F = 1 ( F + F ): F 0 k 1 1 r w1 w2 r w1 w2 r który jest stosunkiem przekroju materiału oddzielonego do nominalnego przekroju rysy. * Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie

2 Badania przeprowadzone w zakresie bardzo małych zagłębień ostrza, wykazują iż czynnikiem o dużym znaczeniu jest stosunek szerokości warstwy skrawanej b do zagłębienia ziarna h, czyli b:h. Współczynnik k jest tym większy, im większa jest wartość stosunku s 1 =h:r i im większa jest wartość stosunku b:h. Wynika z tego uproszczone lecz znacznie dokładniejsze kryterium oceny prawdopodobieństwa oddzielenia materiału ( s K K K hb ), 3 = k T p r gdzie K k, K T, K p są odpowiednio współczynnikami ujmującymi wpływ kształtu powierzchni natarcia ostrza, warunków tarcia na powierzchni natarcia oraz plastyczności obrabianego materiału WARUNKI BADAŃ Stanowisko badawcze zainstalowano na szlifierce do płaszczyzn SPC 20B. Zawiera ono zespoły opisane poniżej (rys. 1.). Uchwyt ostrza skrawającego zamocowany został na obudowie wrzeciona ściernicy. Rys. 1. Schemat procesu mikroskrawania w temperaturze ciekłego azotu (78 K) 1-obudowa termiczna, 2-ostrze, 3- próbka, 4-czujnik temperatury próbki, 5-uchwyt i mechanizm do pochylania próbki Ostrze skrawające zamocowane było podatnie, przy czym znana była charakterystyka układu jego zamocowania. Próbka była ustalona w specjalnym korpusie (obudowie) umieszczonym na stole szlifierki i oparta na wałeczkach zapewniających ukośne jej położenie w

3 stosunku do płaszczyzny stołu szlifierki. W ten sposób uzyskano zmienną głębokość skrawania wzdłuż drogi przemieszczania się ostrza skrawającego. Zestaw wyposażono w obudowę termiczną (pojemnik ciekłego azotu). Przed rozpoczęciem głównego cyklu badań przeprowadzano w danym ustawieniu skrawanie w temperaturze otoczenia. Następnie próbka była zalewana ciekłym azotem. Po ustabilizowaniu się temperatury następował właściwy cykl eksperymentów. Podczas przemieszczania ostrza skrawającego wzdłuż powierzchni próbki zagłębienie ostrza w materiał obrabiany rejestrowane było przez system komputerowy zainstalowany na stanowisku badawczym. 3. PROGRAM BADAŃ Podczas badań jako narzędzi skrawających użyto: piramidki diamentowej do badania twardości metodą Vickersa, pojedynczego ziarna diamentu o kształtach nieregularnych inkludowanego w specjalnej oprawce, pojedynczego ziarna węglika krzemu, pojedynczego ziarna elektrokorundu. Zastosowanie jako narzędzia piramidki diamentowej Vickersa umożliwiło skrawanie narzędziem o określonej geometrii jak również zmianę parametrów geometrycznych ostrza w zależności od ustawienia piramidki w stosunku do kierunku ruchu głównego. Piramidka o kącie wierzchołkowym zakończona jest krawędzią prostoliniową o długości 0,002 mm. Zmianę geometrii ostrza uzyskiwano poprzez zmienne ustawienie charakterystycznych elementów geometrycznych piramidki w stosunku do kierunku ruchu głównego. Położenie elementu skrawającego w stosunku do kierunku ruchu głównego ustawiano z użyciem mikroskopu. Geometrię ziaren nieregularnych: diamentu, węglika krzemu i elektrokorundu określano na podstawie zdjęć wykonanych z użyciem mikroskopu skaningowego. Wybierając materiał próbek kierowano się tym, by ich właściwości były dostatecznie zróżnicowane a ich zastosowania w wystarczająco powszechne. Do badań użyto następujących materiałów: stali konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego 40H obrobionej cieplnie do twardości 40 HRC, stali odpornej na korozję 3H13 obrobionej cieplnie do twardości 35 RC, mosiądzu do przeróbki plastycznej M63 w stanie twardym, stopu aluminium do konstrukcji lotniczych i pojazdów mechanicznych PA6N, miedzi rafinowanej ogniowo M3G. Próby skrawania dla każdego z wymienionych materiałów przeprowadzono w dwóch zakresach temperatur - w temperaturze pokojowej oraz w temperaturze obniżonej do 78K. Ponieważ dla właściwej interpretacji wyników najbardziej istotnym jest określenie miejsca

4 na próbce, w którym nastąpił pierwszy kontakt z ostrzem, to próbki szlifowano a następnie docierano do chropowatości wyjściowej Ra<0,1µm. Na tak przygotowanej powierzchni wykonywano rysy z szybkością skrawania 2,5 i 5 m/min. Uzasadnieniem dla przyjęcia tak małych szybkości skrawania było z jednej strony dążenie do ograniczenia ilości ciepła w strefie skrawania, a z drugiej strony przeświadczenie, że w praktycznych zastosowaniach obróbki ściernej w superniskich temperaturach przeważać będą procesy takie jak docieranie i gładzenie. 4. WYNIKI BADAŃ Dla oceny wyników badań procesu mikroskrawania w niskich temperaturach przyjęto, że miarą skrawalności materiału obrabianego będzie wartość współczynnika k. Pola rys i wypływek określano dokonując przekrojów poprzecznych śladów obróbki na profilografometrze Hommelwerke Rys. 2. Wartości współczynnika k podczas mikroskrawania stali 40H w temperaturach 293K i 79K W badaniach wykorzystano program komputerowy współpracujący z profilografometrem, służący do automatycznego obliczania wielkości pól rys i wypływek podczas wyznaczania przekroju poprzecznego śladu obróbki. Wybrane wyniki przedstawiono na rysunkach 2, 3 i 4 w formie zależności współczynnika k od głębokości utworzonej rysy. Z badań

5 wynika że stal wykazuje najkorzystniejsze zmniejszenie wartości granicznej (minimalnej grubości warstwy skrawanej) w niskich temperaturach oraz na znaczący wzrost wartości współczynnika k. Stop aluminium wykazywał również znaczącą Rys. 3. Wartości współczynnika k podczas mikroskrawania stali 13H3 w temperaturach 293K i 79K

6 Rys. 4. Wartości współczynnika k podczas mikroskrawania stopu aluminium PA6N w temperaturach 293K i 79K poprawę skrawalności w niskich temperaturach. Natomiast miedz i mosiądz wykazywały małoznaczącą poprawę skrawalności w niskich temperaturach (spowodowane jest to stosunkowo niewielkimi zmianami własności wytrzymałościowym miedzi w niskich temperaturach). Zmiana właściwości materiału spowodowana obniżeniem temperatury, powoduje zmniejszenie energii właściwej procesu mikroskrawania. Wzrasta efektywność mikroobróbki, gdyż zmniejszenie plastyczności powoduje spadek oporu bocznego przepływu materiału. Tym samym zmniejsza się skłonność do bocznego przemieszczenia materiału i tworzenia niekorzystnych wypływek na bokach rowka tworzonego narożem ziarna ściernego. 5. PODSUMOWANIE BADAŃ PROCESU MIKROSKRAWANIA W NISKICH TEMPERATURACH Badanie mikroskrawania w bardzo niskich temperaturach pozwoli na pełniejszy opis procesów mikroobróbki. Opracowanie nowych sposobów zwiększenia efektywności i zmniejszenia energochłonności, a także pośrednio zwiększenia dokładności niektórych procesów obróbki ściernej, pozwoli na opracowanie nowej technologii. Można przewidywać zastosowanie wyników tej i następnych prac przede wszystkim w procesach docierania i gładzenia.

7 THE MICROCUTTING PROCESS IN LOW TEMPERATURES Research work on the microcutting in low temperatures (up to 79K) is the part of the programme the aim of which is scientific description of technology of abrasive machining of materials which are difficult to machine. Using the new technology it is expected to obtain the exactitude of 0,1 µm and the inevitable reduction of strain in the surface layer. LITERATURA [1] BORKOWSKI J.: Podstawy stosowania monokrystalicznych ziarn węglika krzemu w obróbce ściernej. Monografie Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Koszalinie, [2] KACALAK W., KAPŁONEK S.: Wybrane aspekty nieciągłości procesu powstawania wióra podczas skrawania ściernego. Materiały V Międzynarodowej Konferencji "Postępy w teorii i technice obróbki materiałów- Obróbka ścierna, materiały i narzędzia ścierne", Kraków 1979, s [3] KACALAK W., WOŹNIAK K.: Wpływ kształtu ziarn ściernych na przebieg i wyniki szlifowania. Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń 1/1980, s [4] KACALAK W:. Wyznaczenie trwałości narzędzi ściernych z uwzględnieniem losowego charakteru procesu szlifowania z nałożonymi warunkami ograniczającymi, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Politechnika Poznańska nr 30/84 Poznań, 1984 r. s [5] KACALAK W.: Wprowadzenie do modelowania procesów szlifowania z uwzględnieniem probabilistycznego charakteru topografii powierzchni oraz zużycia ściernicy. Prace XI Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej. Łódź 1988, s [6] KACALAK W., LEWKOWICZ R.: Efektywność procesu mikroskrawania w niskich temperaturach. XVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej Kraków-Myślenice, wrzesień 1994, s [7] KACALAK W., LEWKOWICZ R.: Wybrane problemy mikroskrawania w próżni. XVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej Kraków-Myślenice, wrzesień 1994, s [8] MARCINIAK M., PLUCIŃSKI E.: Model tribologiczno - energetyczny obróbki ściernej. Prace X Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej. Wrocław 1987, s [9] OCZOŚ K., PORZYCKI J.: Szlifowanie. Podstawy i technika. WNT Warszawa [10] OSTROWSKI W.J.: Teoreticeskie osnovy processa slifovania. Wyd. Uniwersytetu Leningradzkiego, Leningrad [11] OSTROWSKI W.J.:Analiz deformacji metala pri slifovani detalej priborov. Rezanie i Instrument, Charków, [12] PLUTA Z., KACALAK W.: Mikroskopische Untersuchung von Diamantkorn-Spanspuren auf Aluminiumoxid- Keramik. Industrie Diamanten Rundschau 3/1983, s