BUDOWA MIKROWIÓRÓW ORAZ SKUTKI MIKRONIECIĄGŁOŚCI ICH TWORZENIA W PROCESACH WYGŁADZANIA POWIERZCHNI Z ZASTOSOWANIEM FOLII ŚCIERNYCH

Transkrypt

1 BUDOWA MIKROWIÓRÓW ORAZ SKUTKI MIKRONIECIĄGŁOŚCI ICH TWORZENIA W PROCESACH WYGŁADZANIA POWIERZCHNI Z ZASTOSOWANIEM FOLII ŚCIERNYCH Wojciech KACALAK 1, Katarzyna TANDECKA 1 1. WSTĘP Proces ygładzania oierzchni foliami ściernymi umożliia uzyskanie bardzo gładkich oierzchni. Proces ygładzania składa się z kilku zabiegó, których stosuje się narzędzia o coraz drobniejszym ścierniie. Obróbka realizoana jest orzez rzeijanie folii ściernej z rolki odającej na rolkę zijającą. Między tymi rolkami, znajduje się rolka dociskająca folię ścierną do rzedmiotu obrabianego. Od tardości rolki dociskoej i od siły jej docisku zależy ole oierzchni strefy styku narzędzia z rzedmiotem obrabianym. Cechą znamienną rocesu jest fakt, że rędkość rzesuu folii ściernej jest od 500 do 3000 razy mniejsza odniesieniu do rędkości osuu rzedmiotu obrabianego. Skutkiem tego ziarna ścierne znajdują się długo strefie obróbki i torzą ślady obróbkoe o znacznej długości. Produkty obróbki, ostające strefie ygładzania muszą omieścić się rzestrzeniach między ziarnami [4,5,6]. Pełne ykorzystanie otencjału obróbkoego folii nastęuje tedy, gdy objętość rzestrzeni między ziarnami jest najleiej yełniona roduktami obróbki [7,8]. Osiąga się to orzez odoiedni dobór rędkości osuu rzedmiotu i rędkości rzesuu folii, tak aby koszty narzędzioe były najmniejsze. Kształt i cechy stereometryczne mikroióró mają istotne znaczenie dla stonia yełnienia rzestrzeni między ziarnami rocesie ygładzania foliami 1 Politechnika Koszalińska, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, ul. Racłaicka 15-17, Koszalin

2 ściernymi. W rocesach mikroygładznia, iele zjaisk i czynnikó nabiera decydującego znaczenia o ynikach rocesu, takich jak nieciągłość rocesu torzenia mikroióró [1,2,8], torzenie yłyek, układ śladó obróbkoych. Zjaisko mikronieciągłości torzenia ióró, oodujące zmienność zagłębienia ziaren oraz arstoą strukturą ióra, oraz częstotliość ich torzenia można określić na odstaie charakterystycznej schodkoej budoy. 2. CECHY STATYSTYCZNE WIÓRÓW Do badań rocesu ygładzania użyto głoicy GW-1 (rys.1). Przedmiotami obrabianymi były talerze z dysku stałego, ykonane ze stou aluminium oraz okryte arstą niklu. Obróbkę realizoano rzez 20 sekund z rędkością rzemieszczenia oierzchni rzedmiotu strefie 75 m/min, z zastosoaną rolką dociskoą o tardości 50 o Sh. Wygładzanie rzeroadzono z oscylacją folii z częstotliością 80 Hz, rędkość rzesuu folii ynosiła 60 mm/min. W rocesie ygładzania zastosoano folię ścierną o ziarnie z elektrokorundu umieszczanym na odkładzie z folii oliestroej i arstie kleju olu elektrostatycznym, nominalna ielkość ziarna 30 µm (rys.2), symbol narzędzia: 30 IMFF. Obróbkę tych samych arunkach rzeroadzono rónież z zastosoaniem folii ściernej o ziarnie z diamentu syntetycznego, umieszczanego jako mieszaninę ściernia i kleju na oierzchni folii oliestroej metodą graitacyjną, nominalna ielkość ziarna ynosiła 30 µm, symbol narzędzia: 30IDLF (rys.2). Do badania roduktó obróbki zastosoano da systemy omiaroe. Folię ścierną z diamentoym ziarnem zbadano z ykorzystaniem mikroskou skaningoego, natomiast folię do mikroygładzania z elektrokorundoym ziarnem ściernym, zastosoano system omiaroy LEXT OLS4000 firmy Olymus, czyli konfokalnej laseroej mikroskoii skaningoej. Stierdzono, że do badań roduktó mikroygładzania obydie metody ydają się być łaście, jedyną adą mikroskou skaningoego jest brak możliości uzyskania may nieróności oierzchni rzestrzeni 3D, co jest możlie z zastosoaniem mikroskou konfokalnego (rys.3).

3 Rys. 1. Stanoisko badacze Rys. 2. Obrazy oierzchni folii ściernych tyu 30 IMFF (ziarno ścierne z elektrokorundu) i 30 IDLF (diamentoe ziarno ścierne) raz z oznaczonymi mikroiórami, roduktami rocesu ygładzania

4 Rys. 3. Maa ysokości toografii oierzchni folii ściernej raz z roduktami obróbki o rocesie mikroygładzania Rys. 4. Obrazy mikroióra (negaty i ozyty) z mikroskou skaningoego stołoego z naniesionymi oznaczeniami ykorzystanymi do oceny ich budoy Zbiór ykorzystanych arametró do oceny ukształtoania mikroióró, jako roduktó rocesó ygładzania zaierał: 4P P 4πP 4πP P R = = 2 πd P (1) KS = = = O O πr (2) 4P π d K = = o R (3) W W = O k o (4)

5 D d s = (5) d P WY = (6) WPW 2 4πP π Rd πd KS = = = R 2 2 O O O (7) gdzie: R ółczynnik okrągłości, P ole oierzchni ióra, d - długość rostokąta oisanego na kształcie ióra, (najdłuższy odcinek zaierający się kształcie ióra) (rys.4), s - szerokość rostokąta oisanego na kształcie ióra, ( najdłuższy odcinek rostoadły do d zaierający się kształcie ióra) (rys.4), KS sółczynnik kształtu, O obód ióra, K ółczynnik kołoości, W ółczynnik yukłości, W o yukła obiednia ióra, D - ółczynnik ydłużenia, WY sółczynnik yełnienia iórem yukłej obiedni jego ola, W o yukłe ole obiedni oierzchni ióra, L długość ióra, S - średnia szerokość ióra, P o - Pole oierzchni okręgu o średnicy rónoażnej do długości rostokąta oisanego na kształcie ióra d, O k - obód okręgu ekialent obodu ióra O, r romień okręgu o obodzie O k =O. Analizując arametry kształtu udoodniono, że najbardziej ydłużone mikroióry ystęują jako rodukty ygładzania foliami o ziarnie diamentoym IDLF, dla artości sółczynnika okrągłości R rzedziale 0,04 0,1 (rys.5), dla folii o ziarnie z elektrokorundu IMFF ogóle nie ystęują ióry o tak niskiej artości sółczynnika R. Im mniejsza artość tego sółczynnika, tym ióry są bardziej ydłużone, stęgoe. Dobrze tę cechę ujmuje sółczynnik ydłużenia D, którego maksymalna artość dla folii IDLF ynosi 0,85, a dla folii IMFF 0,81 (im iększa artość D, tym ióry są bardziej ydłużone). Wsółczynnik yukłości W charakteryzuje stoień skomlikoania kształtu ióra. Stierdzono, że ióry ostałe yniku obróbki foliami tyu IMFF ykazują bardziej skomlikoany kształt, co może być soodoane ich schodkoą budoą. Wartość sółczynnika W rzy sółczynniku R =0,4 dla folii IDLF ynosi 0,8 natomiast dla folii IMFF 0,77, im mniejsza artość tym kształt ióra jest bardziej skomlikoany. Można 2 2

6 rónież zauażyć, że zbiorze ióró należących do strefy ióró kolistych, bardziej zbliżone do kuli kształty rerezentują ióry ostałe yniku obróbki foliami IDLF, na co skazuje sółczynnik kształtu KS, którego maksymalna artość yniosła 0,74 (dla folii IMFF KS =0,7), im iększa artość sółczynnika, tym iór bardziej kulisty. Zaobseroano tendencję folii IDLF do torzenia rocesie ygładzania bardziej odłużnych ióró, analizując stosunek długości ióra L do jego szerokości S (rys.6). Co otierdziły analizy długości rostokąta oisanego na kształcie ióra zależności od jego ola oierzchni, zestaieniu ze średnicą koła o olu oierzchni będącym ekialentem do ola oierzchni ióra (rys. 7). Zauażono, że krzya będąca doasoaniem szystkich badanych długości tego rostokąta dla ióró będących roduktem rocesu z zastosoaniem folii IMFF, znajduje się bliżej krzyej rerezentującej średnicę koła o takim samych olu oierzchni, co skazuje na bardziej foremne kształty ióró.

7 Rys. 5. Wartości sółczynnikó kształtu mikroióró: KS, K, W, D, WY zależności od sółczynnika okrągłości R ióró, jako roduktó obróbki foliami ściernymi 30IDLF i 30IMFF, KS- sółczynnik kształtu, K sółczynnik kolistości, W sółczynnik yukłości, D sółczynnik ydłużenia, WY sółczynnik yełnienia

8 Rys. 6. Stosunek długości L ióra do jego szerokości S dla różnych ól oierzchni P W Rys. 7. Długość rostokąta oisanego na kształcie ióra d oraz średnica okręgu o olu oierzchni rónym P dla różnych ól oierzchni P

9 2. MIKRONIECIĄGŁOŚĆ ODDZIELANIA MATERIAŁU W PROCESACH MIKROSKRAWANIA Do badań rocesu mikroskraania ojedynczym diamentoym ziarnem ykorzystano bardzo gładką oierzchnię dysku stałego (rys.8) ze stou aluminium okrytego arstą niklu. Przeroadzono roces mikroskraania z rędkością rzedmiotu obrabianego v =14, mm/s. Do badań ostałej rysy zastosoano system omiaroy TalySurf CCI6000 firmy Taylor Hobson. Wyznaczono rofil dna rysy (rys.9), co ozoliło yznaczyć subobjętości V i (rys.10) usuanego materiału odczas nieciągłego rocesu mikroskraania. Na odstaie subobjętości yznaczono szerokości strefy mikronieciągłości S mi, jako odległości omiędzy maksymalnymi zagłębieniami ostrza skraającego kolejnych subobjętościach usuniętego materiału (rys.10). Nastęnie yznaczono artość średnią szerokości stref mikronieciągłości, która osłużyła do yznaczenia częstości mikronieciągłości rocesu skraania (8). Mikronieciągłość tego rocesu, uidacznia się rónież ostaci schodkoej budoy mikroióró (rys.11). Stierdzono, że grubość g ułożonych łytek torzących iór ynosi około 300 nm (rys.12), co ozala, z uzględnieniem sółczynnika sęczania określić częstości mikronieciągłości badanym rocesie. Rys. 8. Toografia oierzchni róbki rzed odziałyaniem diamentoego ziarna ściernego

10 Rys. 9. Mikrorysa ostała yniku mikroskraania ojedynczym ziarnem diamentoym o ielkości 30 µm

11 Rys. 10. Profil dna rysy raz zaznaczonymi subobjętościami usuanego materiału Rys. 11. Schodkoa budoa mikroióró

12 Rys. 12. Mikroióry, rodukty ostałe yniku obróbki oierzchni diamentoym ziarnem o rozmiarze 30 µm, obraz SEM Porónanie częstości nieciągłości oddzielania materiału na odstaie rofilu dna rysy oraz schodkoej budoy mikroióró roadzi do nastęujących ynikó: v f = S m (8) f = gdzie: f częstość mikronieciągłości rocesie oddzielania materiału yznaczana metodą badania dna rysy, f częstość mikronieciągłości rocesie oddzielania materiał yznaczana metodą badania struktury ióra, S m średnia artość szerokości strefy (rys.9), v rędkość rzedmiotu obrabianego, g grubość łytki ióra o budoie schodkoej (rys.4,12), s sółczynnik sęczania (ynikający rónież z rzemieszczeń łytek torzących schodkoą budoę ióra), dla S m =4,4 µm, s =10, v =14, µm/s oraz dla artości g =0,22 i 0,377 µm otrzymano: f =0,338 MHz, f =0,675, 0,391 MHz. Zgodność otrzymanych artości częstości ozala stierdzić, iż badanie dna rysy ojedynczych śladach obróbki może być składnikiem metodyki oceny rocesu mikroskraania. 3. PODSUMOWANIE Kształt i cechy stereometryczne mikroióró mają istotne znaczenie dla stonia yełnienia rzestrzeni między ziarnami odczas rocesu ygładzania foliami ściernymi. Koszty narzędzioe są najmniejsze óczas, gdy rzestrzenie są ełni ykorzystane. g v s (9)

13 Przeroadzono badania budoy mikroióró torzonych rocesach ygładzania oierzchni foliami ściernymi o ziarnach diamentoych i ziarnach z elektrokorundu o rozmiarze 30µm. W badaniach ykorzystano obrazy z mikroskou skaningoego oraz mikroskou konfokalnego (system omiaroy LEXT OLS4000). Do analizy kształtó ióró, ykorzystano szereg skaźnikó, takich jak: sółczynnik okrągłości R, sółczynnik kształtu KS, sółczynnik kołoości K, sółczynnik yukłości W, sółczynnik ydłużenia D, sółczynnik yełnienia iórem yukłej obiedni ióra WY. Stierdzono, że ióry, które ostały skutek działania diamentoych ziaren ściernych, charakteryzują się ydłużonym kształtem, co skazuje na mniejszą zdolność do yełnienia rzestrzeni między ziarnami, aby zminimalizoać to zjaisko, można zastosoać ruch oscylacyjny folii ściernej odczas rocesu ygładzania. Zjaisko mikronieciągłości torzenia ióró oraz jego częstotliość można określić na odstaie ich charakterystycznej schodkoej budoy. Stierdzono, że grubości schodkoo ułożonych łytek torzących iór ynoszą około 300 nm, co ozala oszacoać częstość oślizgó (rzemieszczeń elementó ióra) na f =0,4-0,7 MHz. Do oceny mikronieciągłości rocesu ygładzania oracoano rónież analizy dna rysy zdłuż kierunku obróbki ojedynczym ziarnem, dla głębokości skraania ok. 0,5 µm. Zaobseroane zmiany rofilu dna rysy ozoliły na uzuełniającą ocenę częstotliości mikronieciągłości tym rocesie. Przyjęta metodyka ozala na określenie mikronieciągłości oraz arametró statystycznych ióró i cech ich budoy. Wyniki badań ozalają na formułoanie zaleceń dotyczących ziększenia efektyności bardzo dokładnej obróbki, tym budoy folii oraz łaściości rolek dociskoych. ABSTRACT MICROCHIPS STRUCTURE AND THEIR DISCONTINUOUS FORMATION IN FINISHING PROCESSES USING MICROFINISHING FILM Research as conducted the construction of chis created in the finishing rocess using microfinishing films of diamond abrasive grain and electrocorundum. The study has been used scanning electron and confocal microscoy (OLS4000 LEXT measurement system). Shaes chis ere analyzed using the coefficients: coefficient of roundness R, form factor KS, coefficient of circularity k, coefficient of convexity, coefficient of elongation D, coefficient of convex bounding chi WY. Chis, hich ere created by the action of the diamond grains, characterized by an elongated shae, hich indicates a reduced

14 ability to fill the sace beteen grains in order to minimize this henomenon, the oscillating movement can be used during the finishing rocess. Discontinuity Phenomenon chi formation and the frequency can be determined from the characteristic steed construction. It as found that the thickness of the lates forming a staggered stacked chi is about 300 nm, hich allos to estimate the rate of sliage dislacement elements of the chi. To evaluate the rocess of finishing discontinuity analysis have been develoed cracks along the bottom toard the treatment of a single grain deth of cut to about 0.5 microns. Bottom rofile changes alloed the designation of the frequency evaluation comlementary discontinuity in the rocess. LITERATURA [1] CORONADO J.J., SINATORA A., Effect of abrasive size on ear of metallic materials and its relationshi ith microchis morhology and ear micromechanisms. Wear 271 (2011) str [2] DAVIES M.A., BURNS T.J., EVANS C.J., On the dynamics of chi formation in machining hard metals. CIRP Annals Manufacturing Technology 46 (1997) str [3] HUA J., SHIVPURI R., Prediction of chi morhology and segmentation during the machining of titanium alloys, Journal of Materials Processing Technology 150 (2004) str [4] KACALAK W., TANDECKA K., Analiza łyu cech stereometrycznych i rozmieszczenia ierzchołkó ziaren folii ściernej na ukształtoanie nieróności obrabianej oierzchni, Mechanik, CD nr 8-9 r. 2012, str [5] KACALAK W., TANDECKA K., Metrologiczne asekty oceny toografii diamentoych folii ściernych do recyzyjnego mikroygładzania, Pomiary Automatyka Kontrola, vol.57, nr5/2011, str [6] KACALAK W., TANDECKA K., Metodyka oceny toografii folii ściernych do recyzyjnego dogładzania, Archium technologii maszyn i automatyzacji, vol.31, nr 4/2011 [7] KACALAK W., TANDECKA K., Ocena otencjału technologicznego diamentoych folii ściernych z ykorzystaniem informacji o toografii oierzchni czynnej. Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 58, nr 06/2012, str [8] MANSORI M.E., SURA E., GHIDOSSI P., DEBLAISE S., DAL NEGRO T., KHANFIR H., Toard hysical descrition of form and finish erformance in dry belt finishing rocess by a triboenergetic. Journal of Materials Processing Technology 182 (2007) str [9] Weiss E., Kształtoanie jakości yrobó o ydajności obróbki rocesie dogładzania. Rozraa habilitacyjna, Poznań, 1999.