NAGNIATANIE PŁASKICH POWIERZCHNI FREZOWANYCH

Transkrypt

1 XII Konferencja Naukowa Technologia obróbki przez nagniatanie NAGNIATANIE PŁASKICH POWIERZCHNI FREZOWANYCH Janusz KALISZ, Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków STRESZCZENIE W artykule zamieszczono wyniki badań mających na celu określenie zalecanych parametrów nagniatania tocznego stopu aluminium w aspekcie wygładzenia płaskich powierzchni frezowanych. Analizowano parametry struktury geometrycznej powierzchni nagniatanej po frezowaniu. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość uzyskania dużego wygładzenia powierzchni przy stosowaniu nagniatania z wierszowaniem w kierunku ortogonalnym. Słowa kluczowe: nagniatanie, frezowanie, struktura geometryczna powierzchni 1. WPROWADZENIE Jedną z głównych cech jakości technologicznej części maszyn jest ich odporność na zużycie, która najczęściej determinowana jest właściwościami ich warstwy wierzchniej. Odpowiednie właściwości warstwy wierzchniej części maszyn kształtowane są najczęściej w procesach obróbki mechanicznej, nierzadko poprzedzonej obróbką cieplną, a niekiedy cieplno-chemiczną. Istotny wpływ na odporność na zużycie części maszyn mają m.in. chropowatość powierzchni oraz twardość warstwy wierzchniej [1]. 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. Zjawiska te, chociaż występują najczęściej jednocześnie, mogą mieć różną intensywność zależnie od warunków i parametrów obróbki. Nagniatanie najczęściej stosowane jest jako [1, 2]: obróbka gładkościowa, której głównym celem jest zmniejszenie nierówności powierzchni po obróbce poprzedzającej (najczęściej wiórowej), a umocnienie warstwy wierzchniej jest dodatkową jej zaletą, umacniająca, mająca na celu głównie istotną zmianę właściwości mechanicznych i fizycznych w warstwie wierzchniej materiału, dla zwiększenia m.in. wytrzymałości zmęczeniowej części maszyn, obróbka wymiarowo-gładkościowa mająca na celu określone zwiększenie dokładności wymiarowej z jednoczesnym zmniejszeniem chropowatości powierzchni może być praktycznie osiągane tylko w zakresie odkształceń plastycznych nierówności powierzchni -118-

2 przy stosowaniu sztywnego docisku i zależy w bardzo dużym stopniu od dokładności obróbki poprzedzającej nagniatanie (toczenia, frezowania lub szlifowania). W Zakładzie Obróbki Skrawaniem i Narzędzi IZTW prace z zakresu nagniatania prowadzone są od kilkudziesięciu lat, w tym również dotyczące nagniatania tocznego powierzchni płaskich, a zwłaszcza płaskich pierścieniowych; 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 elementu nagniatającego do powierzchni nagniatanej wywierana jest poprzez odpowiednie ugięcie sprężyny [5,6]. Zagadnienia nagniatania tocznego po frezowaniu rozwijano także w Instytucie Technologii Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, gdzie stosowano narzędzia, w których siłę nagniatania wywierano z pomocą zasilacza hydraulicznego [7,8]. Badania przeprowadzono na stalach C45 (20 HRC) i 42CrMo4 (35 HRC) [8]. 2. METODYKA BADAŃ Proces nagniatania realizowano narzędziem wykonanym w IZTW: nagniatakiem tocznym z elementem nagniatającym ceramicznym (Si3N4) w kształcie kulki o promieniu 4 mm (rys. 1), w których siła docisku kulki do powierzchni nagniatanej wywierana jest poprzez odpowiednie ugięcie sprężyny. Rys.1. Narzędzie IZTW do nagniatania z dociskiem sprężystym powierzchni płaskich i przestrzennych na frezarkach CNC metodą toczną, za pomocą kulki stalowej lub ceramicznej W przeprowadzonych badaniach nagniataniu poddano płaskie powierzchnie próbek ze stopu aluminium EN AW-AlCu4MgSi(A) o twardości 110 HB. Powierzchnie próbek, w postaci równomiernie rozmieszczonych na płycie 25 obszarów o wymiarach 60x30 mm i wysokość 3 mm (Rys. 2), frezowano kształtująco frezem kulistym (HSS-E) o średnicy 8 mm, pochylonym o kąt 15, przy czym zabieg frezowania wykonywany był w kierunku osi Y obrabiarki z zachowaniem takich samych parametrów dla wszystkich obszarów; stosowano prędkość skrawania vc = 190 m/min, głębokość skrawania ap = 0,5 mm, posuw na ostrze fz = 0,09 mm/ostrze i posuw poprzeczny (wierszowania) fwf = 0,5 mm. Po wykonaniu frezowania, na połowie wydzielonych obszarów o wymiarach 30x30 mm, przeprowadzono nagniatanie w dwóch etapach: -119-

3 etap pierwszy: nagniatanie wg przyjętych strategii (rys. 3) siłą Fn = 200 N i posuwem poprzecznym (wierszowania) fwn = 0,04 mm, etap drugi: dla strategii nagniatania, która przyniosła najlepsze efektu wykonane zostały badania w których przyjęto: siłę nagniatania Fn = {100 N; 200 N; 300 N} oraz posuw wierszowania fwn = {0,02 mm; 0,04 mm; 0,06 mm}. a) b) Rys. 2. Próbka do prób nagniatania z wydzielonymi obszarami (a) oraz nagniatak w trakcie pracy (b) Rys.3. Strategie nagniatania przyjęte w badaniach: a) ortogonalna, b) równoległa, c) krzyżowa 90, d) krzyżowa ±45 Próby przeprowadzono ze stałym dosunięciem U = 0,3 mm (ugięciem sprężyny nagniataka po zetknięciu się jego elementu roboczego z powierzchnią obrabianą) i posuwem roboczym ft = 8000 mm/min. Proces obróbki frezowaniem i nagniataniem przeprowadzano w jednym zamocowaniu na pięcioosiowym centrum frezarskim typu DMC 75V Linear firmy DECKEL MAHO. Wszystkie programy sterujące obrabiarką, tak dla frezowania, jak i nagniatania opracowano z wykorzystaniem systemu NX CAM. Pomiary 2D parametrów SGP przeprowadzane były za pomocą profilometru HOMMEL TESTER T1000; dla uzyskanych w badaniach optymalnych wyników wykonano także pomiary 3D za pomocą profilometru TOPO

4 Oprócz wielkości zmierzonych bezpośrednio, określono również współczynnik zmniejszenia chropowatości KRa, który jest wynikiem stosownych przeliczeń (1): K Ra ' Ra Ra (1) gdzie: Ra średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej (wartości przed nagniataniem), Ra średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej (wartości po nagniataniu) 3. WYNIKI BADAŃ W pierwszym etapie badań po w wyniku nagniatania uzyskano polepszenie parametrów chropowatości powierzchni dla wszystkich strategii z wyjątkiem strategii równoległej (tab. 1, rys. 4 i 5), gdzie uzyskano gorsze parametry chropowatości niż po frezowaniu. Najmniejsze wartości parametrów chropowatości Ra = 0,15 m, Rz = 0,89 m, Rt = 1,19 m uzyskano po nagniataniu powierzchni frezowanych płaskich według strategii ortogonalnej. Uzyskano także zmniejszenie wartości poziomu odniesienia c (tj. odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia) dla udziału materiałowego profilu Rmr(c) = 50%; po frezowaniu uśredniona wartość c wynosiła 77% Rt, a po nagniataniu zawierała się zakresie c = 47 74% Rt. Tabela 1. Porównanie uśrednionych wyników prób nagniatana tocznego przeprowadzonych według różnych strategii dla siły nagniatania F n = 200 N oraz posuwu wierszowania f wn = 0,04 mm Ra μm Rt μm Rz μm c, % Rt dla Rmr(c)=50% Frezowanie 1,96 8,69 8, Nagniatanie wg strategii ortogonalnej ,19 0, ,07 Nagniatanie wg strategii krzyżowej ± ,77 1, ,52 Nagniatanie wg strategii krzyżowej ± ,97 1, ,26 Nagniatanie wg strategii równoległej ,52 9, ,83 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. Odcinek pomiarowy Lt = 4,8 mm, 4. Podana wartość c w % Rt dla Rmr(c)=50% to wartość poziomu odniesienia c (czyli odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia; wyrażona w % Rt) dla Rmr(c) = 50%, 5. Rt całkowita wysokość profilu chropowatości, 1. Rz największa wysokość profilu chropowatości, 6. Rmr(c) udział materiałowy profilu chropowatości, 7. Parametry chropowatości powierzchni określone zgodnie z PN-EN ISO 4287:1999. K Ra -121-

5 a) b) Rys. 4. Porównanie uzyskanych parametrów chropowatości Ra (a) oraz wartości poziomu odniesienia c (b) dla różnych strategii nagniatania Rys. 5. Porównanie uzyskanych parametrów chropowatości Rz i Rt dla różnych strategii nagniatania -122-

6 W drugim etapie badań dla nagniatania wg strategii ortogonalnej najmniejsze wartości parametru chropowatości Ra uzyskano po nagniataniu z siłą Fn = 100 N (tab. 2, rys. 6, 7, 8, 9). Przy założonej sile dla różnych posuwów poprzecznych nagniatania fwn = {0,02 mm; 0,04 mm; 0,06 mm} średnie wartości parametru Ra różniły się w niewielkim stopniu (Ra = 0,10 0,13 m); najmniejszą średnią wartość parametru Ra = 0,10 m uzyskano przy posuwie poprzecznym nagniatania fwn = 0,04 mm, przy którym współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni był największy KRa = 19,42. Tabela 2. Uśrednione wyniki z prób nagniatania tocznego, wierszowanie w kierunku ortogonalnym do śladów obróbki po frezowaniu Siła nagniata nia [N] Posuw wierszowania f wn, mm Parametry SGP po frezowaniu Ra, μm Rz, μm Rt, μm c, % Rt dla Rmr(c)=50% Parametry SGP po nagniataniu c, % Rt Ra, Rz, Rt, K Ra dla μm μm m Rmr(c)=50% 0,13 0, ,84 0,02 0,04 0,10 0,58 0, ,42 0,06 0,12 0,68 0, ,05 0,02 0,16 0,98 1, ,72 0,04 1,96 8,23 8, ,15 0,89 1, ,07 0,06 0,17 0,94 1, ,58 0,02 0,24 1,89 2, ,35 0,04 0,18 1,09 1, ,14 0,06 0,26 1,39 1, ,27 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. Odcinek pomiarowy Lt = 4.8 mm, 4. Podana wartość c w % Rt dla Rmr(c)=50% to wartość poziomu odniesienia c (czyli odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia; wyrażona w % Rt) dla Rmr(c) = 50%, 5. Rt całkowita wysokość profilu chropowatości, 6. Rz największa wysokość profilu chropowatości, 7. Rmr(c) udział materiałowy profilu chropowatości, 8. Parametry chropowatości powierzchni określone zgodnie z PN-EN ISO 4287:1999. Rys. 6. Zależność chropowatości powierzchni Ra po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji siły nagniatania F n -123-

7 W wyniku nagniatania zaobserwowano korzystną zmianę krzywej udziału materiałowego. W efekcie nagniatania wysokość profilu wyrażana parametrem Rt uległa znacznemu zmniejszeniu (Rt = 8,69 m, Rt = 0,74 2,70 m) a wierzchołki nierówności zostały wygładzone (rys. 10, 11). Zmniejszeniu uległa także największa wysokość profilu chropowatości wyrażana parametrem Rz (Rz = 8,23 m, Rz = 0,58 1,89 m). Rys. 7. Zależność chropowatości powierzchni Ra po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji posuwu poprzecznego nagniatania f wn Rys. 8. Zależność współczynnika zmniejszenia chropowatości K Ra po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji siły nagniatania F n Rys. 9. Zależność współczynnika zmniejszenia chropowatości K Ra po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji posuwu poprzecznego nagniatania f wn -124-

8 Rys. 10. Zależność chropowatości powierzchni Rz po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji siły nagniatania F n Rys. 11. Zależność chropowatości powierzchni Rz po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji posuwu poprzecznego nagniatania f wn Po nagniataniu tocznym ortogonalnym powierzchni płaskiej uprzednio frezowanej uzyskiwano istotne zmniejszenie wartości poziomu odniesienia c (tj. odległości od wierzchołków profilu chropowatości do linii cięcia) dla udziału materiałowego profilu Rmr(c) = 50%; po frezowaniu uśredniona wartość c wynosiła 77% Rt, a po nagniataniu zawierała się w zakresie c = 38 55% Rt (rys. 12, 13). Rys. 12. Wartości poziomu odniesienia c po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji siły nagniatania F n -125-

9 Rys. 13. Wartości poziomu odniesienia c po nagniataniu tocznym ortogonalnym w funkcji posuwu poprzecznego nagniatania f wn Poniżej przedstawiono zarejestrowane przykładowe wykresy chropowatości, falistości i profilu pierwotnego po frezowaniu (Rys. 14) i nagniataniu (Rys. 15). Rys. 14. Wykres chropowatości, falistości i profilu pierwotnego powierzchni po frezowaniu -126-

10 Rys. 15. Wykres chropowatości, falistości i profilu pierwotnego powierzchni po nagniataniu tocznym ortogonalnym. Parametry nagniatania: siła nagniatania F n = 100 N, posuw poprzeczny f wn = 0.04 mm Obróbka nagniataniem jest powierzchniową obróbką plastyczną, a więc obróbką nieubytkową i niesie ze sobą różne pozytywne skutki. Jednym z nich jest korzystny przebieg (rozkład) udziału materiałowego Rmr(c), co widać na rysunku 16. Rysunek 16a pokazuje wykres udziału materiałowego powierzchni po frezowaniu. Wykres ma charakter degresywny, zdecydowanie niekorzystny z punktu widzenia tribologii. Na rysunku 16b pokazano wykres udziału materiałowego po nagniataniu tocznym. Wykres ma charakter progresywny, zdecydowanie korzystny z punktu widzenia tribologii. To właśnie ta zdecydowana zmiana charakteru krzywych nośności (krzywe Abbott a Firestona) jest m.in. jedną z wielu zalet powodujących, że powierzchnie części maszyn poddane obróbce nagniataniem wykazują większą odporność na zużycie. Rys. 16. Przykładowe krzywe Abbotta po frezowaniu (a) i nagniataniu tocznym (b). Parametry nagniatania: siła nagniatania F n = 100 N, posuw poprzeczny f wn = 0.04 mm Na kolejnych rysunkach przedstawiono wykresy 3D struktury geometrycznej powierzchni (powierzchnie filtrowane) po frezowaniu (Rys. 17) i nagniataniu (Rys. 18). Przedstawione -127-

11 powierzchnie po nagniataniu uzyskano dla parametrów nagniatania: siły Fn = 100 N, posuwu fwn = 0,04 mm. Dla przedstawionej powierzchni uzyskano w pomiarach 2D najmniejszą wartość parametru chropowatości powierzchni Ramin = 0,1 m i największą wartość KRamax = 19,42. Dla porównania, wartość chropowatości Sa powierzchni uzyskana po pomiarach 3D dla frezowania wynosiła Sa = 2,421 m, natomiast dla nagniatania Sa = 0,033 m. Analogicznie do współczynnika KRa można stworzyć współczynnik KSa tzn. współczynnik zmniejszenia chropowatości powierzchni dla trójwymiarowej struktury geometrycznej powierzchni. Dla przedstawionych wyników badań uzyskano największą wartość współczynnika KSa = 73,4. Rys. 17. Wykres 3D chropowatości powierzchni uzyskany po frezowaniu Rys. 18. Wykres 3D chropowatości powierzchni uzyskany po nagniataniu tocznym ortogonalnym. Parametry nagniatania: siła nagniatania F n = 100 N, posuw poprzeczny f wn = 0.04 mm 4. PODSUMOWANIE Badanie strategii nagniatania ortogonalnej, krzyżowej (±45 i 90 ) i równoległej (w stosunku do kierunku frezowania poprzedzającego nagniatanie) wykazało, że istotnie lepsze parametry SGP pozwala uzyskiwać nagniatanie ortogonalne. Integracja kształtującego frezowania oraz wykończeniowego nagniatania powierzchni płaskich na frezarkach CNC jest celowa ze względu na znaczną poprawę SGP i obniżenie kosztów produkcji. Można uzyskać wielkości Ra 0,10 m oraz duże wartości KRa. Duże prędkości posuwu we współczesnych centrach frezarskich czynią nagniatanie zabiegiem wydajnym. Ponadto jako powierzchniowa obróbka plastyczna niesie ze sobą jej znane i korzystne skutki, co jest szczególnie istotne przy obróbce skomplikowanych i drogich części jak matryce, formy, tłoczniki itp. Uzyskane wartości współczynnika zmniejszenia chropowatości KRa > 19 przy jednym przejściu narzędzia (nagniataka) wskazują, że nagniatanie powierzchni płaskich spełnia warunki właściwe dla obróbki wykończeniowej ponadto jest to obróbka efektywna. Przyjęty sposób frezowania (frezem kulistym) i strategia nagniatania (ortogonalna) mogą być stosowane zarówno do obróbki wykończeniowej powierzchni płaskich (2D), jak i powierzchni przestrzennych (3D) o niedużym stopniu zakrzywienia, w obu przypadkach warunki obróbki są bardzo podobne

12 LITERATURA [1] Przybylski W.: Technologia obróbki nagniataniem. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, [2] Polowski W.: Nagniatanie. Rozdział w Poradniku inżyniera, konstruktora i mechanika Obróbka skrawaniem w praktyce pod redakcją J. Stósa. Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa, [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, [Monografia: Kraków, IZTW, 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 procesobrabiarka; Szkoła Obróbki Skrawaniem nr 7, Mierzęcin, 2013, [Monografia: Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 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, [Monografia: Kraków, IZTW, 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 BURNISHING OF MILLED FLAT SURFACES SUMMARY The results of investigations of aluminium alloy aiming for the determination of ball burnishing parameters recommended in the aspect of smoothing the milled flat surfaces are presented. Geometric structure parameters of the surface burnished after milling were analyzed. The obtained results indicate the possibility of gaining the best surface smoothing when burnishing is applied in orthogonal direction towards the direction of milling feed