Struktura geometryczna powierzchni po szlifowaniu napoin z węglika wolframu

Transkrypt

1 MECHANIK NR 9/ Struktura geometryczna powierzchni po szlifowaniu napoin z węglika wolframu Surface texture after grinding of deposits of tungsten carbide KAMIL SYTEK IWONA WSTAWSKA MARCIN WOJCIECHOWSKI* W niniejszej pracy przedstawiono analizę struktury geometrycznej powierzchni (SGP) po szlifowaniu napoin z węglika wolframu (WC). Obrazy 3D topografii powierzchni oraz wyniki badań uzyskano za pomocą profilografometru Hommelwerke T8000. Głównym czynnikiem mającym wpływ na SGP jest występowanie mikrorowków i wypukłości na obrabianej powierzchni, jak również inne zjawiska związane, między innymi, z mechanizmem usuwania materiału. Niniejsza praca może stanowić punkt wyjścia do dalszych badań, dotyczących skrawalności węglików spiekanych podczas obróbki narzędziami o niezdefiniowanej geometrii. SŁOWA KLUCZOWE: szlifowanie, spiekany węglik wolframu, struktura geometryczna powierzchni, napawanie This paper presents the analysis of surface texture after grinding of deposits of tungsten carbide (WC). The 3D surface topographies and the results were obtained using Hommewerke T8000 surface profiler. The main factor affecting machined surface roughness is the occurrence of micro grooves and protuberances on the machined surface, as well as other phenomena connected, inter alia, with the mechanism for material removal. This work can be also the starting point to the further research, related to the grinding performance analysis of tungsten carbide during the cutting with the tools with defined geometry. KEYWORDS: grinding, sintered tungsten carbide, surface texture, welding Wstęp * mgr inż. Kamil Sytek (kamil-sytek@wp.pl), mgr inż. Iwona Wstawska (iwona.l.wstawska@doctorate.put.poznan.pl), mgr inż. Marcin Wojciechowski (marcin.k.wojciechowski@doctorate.put.poznan.pl), Ze względu na unikalne połączenie doskonałych właściwości mechanicznych, takich jak duża twardość i wytrzymałość, węglik spiekany używany był jako materiał narzędziowy w geoinżynierii: do wiercenia skał, minerałów przy wydobywaniu ropy i gazu, wierceniu tuneli itp. [7]. Jego stosunkowo duża odporność na ścieranie i mały koszt sprawiają, że jest on coraz częściej wybierany jako materiał do produkcji części odpornych na zużycie [1-3]. Najbardziej rozpowszechnioną technologią wytwarzania materiałów z węglików spiekanych jest metalurgia proszków. Metoda ta jest jednak zbyt kosztowna i czasochłonna w przypadku produkcji jednostkowej i podczas projektowania prototypów. Technologią pozwalającą na uzyskanie węglików spiekanych o podobnej strukturze i właściwościach jest technologia laserowa DLD (Direct Laser Deposition rys. 1) [6]. Rys. 1. Schemat procesu wytwarzania węglików spiekanych technologią laserową DLD DLD jest procesem polegającym na nakładaniu powłok wiązką lasera. Umożliwia on budowanie trójwymiarowego prototypu o dużej gęstości poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału. Większość elementów wytwarzanych technologią DLD charakteryzuje się jednak obecnie małą dokładnością geometryczną, jak również dużą chropowato-

2 308 MECHANIK NR 9/2014 ścią powierzchni, wymaga więc dalszej obróbki wykończeniowej [8]. Ze względu na swoje unikalne właściwości, węgliki spiekane są trudne w obróbce [9, 10]. Jednym ze sposobów obróbki węglików spiekanych jest szlifowanie. Bardzo ważnym aspektem podczas szlifowania jest dobór odpowiedniej ściernicy, a to z kolei związane jest z takimi czynnikami jak: prędkość obwodowa ściernicy v s, prędkość obwodowa przedmiotu obrabianego v w, głębokość skrawania a p, oraz właściwości materiału obrabianego [5]. W związku z powyższym koszty procesu szlifowania mogą być bardzo wysokie i zależą głównie od kosztów narzędzi ściernych, których wydajność jest stosunkowo mała [4]. Jeżeli chodzi o nowoczesną obróbkę węglików spiekanych, warto wspomnieć o szlifowaniu ultraprecyzyjnym, dzięki któremu jesteśmy w stanie zmniejszyć wielkość uszkodzeń w warstwie podpowierzchniowej materiału obrabianego, a także dokładniej kontrolować geometrię obrobionej powierzchni przedmiotu. W wielu przypadkach obróbka ta jest obróbką wykańczającą, dzięki czemu zrezygnować można z operacji polerowania. Szlifowanie ultraprecyzyjne stosować można również do obróbki stali zahartowanych oraz węglików krzemu [10]. Tab. 1. Zakres badań [m/min] 7,5 10,5 13,5 16,5 19,5 a p =20 μm v c =25 m/s liczba przejść - 20 Topografie powierzchni 3D uzyskane zostały za pomocą profilografometru Hommelwerke T8000 (rys. 4) oraz oprogramowania komputerowego Turbo DataWin. Obszar pomiarowy wynosił 1,47x1,5 mm. Otrzymano wartości następujących parametrów: St wysokość nierówności, Sq średnie kwadratowe odchylenie rzędnych powierzchni, Sa średnie arytmetyczne odchylenie rzędnych powierzchni, Sp wysokość najwyższego wzniesienia powierzchni, Sz wysokość chropowatości według 10 punktów. Obrazy szlifowanych próbek, o powiększeniu 30 i 60 krotnym, uzyskano za pomocą mikroskopu stereoskopowego Zeiss Ste- REO Discovery.V20. Ponadto, dla każdej wartości prędkości posuwowej, wyznaczono widmową gęstość mocy rzędnych powierzchni obrobionej. Cel, zakres i metodyka badań Przeprowadzone badania miały na celu określenie skrawalności węglika wolframu na podstawie pomiaru chropowatości powierzchni obrobionej, w zakresie zmiennej wartości prędkości posuwowej. Materiałem obrabianym był węglik wolframu (WC) otrzymany technologią selektywnego spiekania laserowego (DLD rys. 2). Rys. 2. Widok obrabianej próbki Do badań zastosowano szlifierkę FUM SPC 20B. Próbki z węglika wolframu zostały zamocowane na stole obrabiarki, a następnie zeszlifowane (szlifowanie bez chłodziw. Jako narzędzia użyto diamentowej ściernicy z metaliczną osnową, o średnicy Ø=200 mm. Widok przestrzeni roboczej pokazano na rysunku 3. Rys. 4. Profilografometr Hommelwerke T8000 Wyniki badań i ich analiza Jak wynika z tabeli 1 czynnikiem zmiennym w badaniach była wartość prędkości posuwowej. Pozostałe parametry (prędkość obrotowa n, prędkość skrawania v c, głębokość szlifowania a p ) były stałe. Na rysunku 5 przedstawiono wykresy podstawowych parametrów struktury geometrycznej powierzchni (SGP) w układzie 3D w funkcji prędkości posuwowej. Z rysunku 5 wynika, iż wraz ze wzrostem prędkości posuwowej wzrastają wartości parametrów amplitudowych SGP. W przedziale wartości prędkości posuwowych od 7,5 do 16,5 m/min parametry SGP zwiększały się na podobnym poziomie, natomiast dla =19,5 m/min nastąpił nagły wzrost wartości tych parametrów. Przy zbliżonych do siebie wartościach parametrów Sa i Sq, parametry St i Sz badanej powierzchni różnią się już dość znacznie między sobą. Najmniejszą wartość średniego kwadratowego odchylenia Sq obserwuje się na powierzchni szlifowanej z prędkością posuwową =19,5 m/min. Jest ona dwa razy większa od wartości Sq powierzchni szlifowanej z prędkością posuwową =7,5 m/min. Rys. 3. Widok przestrzeni roboczej Proces szlifowania obejmował dwa etapy: usuwanie materiału oraz wyiskrzanie. Podczas procesu usuwania materiału określono liczbę przejść równą 20. Badania przeprowadzono w warunkach stałej głębokości szlifowania a p oraz zmiennych wartości prędkości posuwowych. Zakres badań przedstawiono w tabeli 1. Rozkład rzędnych szlifowanej powierzchni WC cechuje się bardzo wysokim stosunkiem St/Sq=16,0 dla =7,5 m/min. Dla pozostałych wartości prędkości posuwowych uzyskano kolejno następujące wartości stosunków St/Sq: 15,5; 12,0; 13,0; 15,4. Taki charakter powierzchni jest następstwem porowatej struktury węglika wolframu uzyskanego metodą DLD (rys. 6). Podczas procesu szlifowania pory ulegają otwarciu i na powierzchni tworzą się chaotycznie rozłożone, głębokie, pojedyncze wgłębienia o stosunkowo małej powierzchni przekroju (rys. 7).

3 MECHANIK NR 9/ Sa [μm] 0,30 0,25 0,20 0,15 0,26 0,25 0,22 0, ,32 Sa =0,22μm [m/min] Sa =0,26μm Sa =0,25μm e) Sa =0,32μm Rys. 6. Wykresy mikronierówności 3D dla: =7,5 m/min, =10,5 m/min, =13,5 m/min, =16,5 m/min, e) =19,5 m/min Rys. 5. Wpływ prędkości posuwowej na wartości parametrów amplitudowych SGP podczas szlifowania: Sa, St, Sq, Sz Sa = 0,16 μm \Rys. 7. Widok porów w obrabianej powierzchni węglika wolframu dla prędkości posuwowej =19,5 m/min W strukturze powierzchni występuje siatka śladów (mikrorowków) ukształtowanych przez poszczególne ziarna ścierne, co potwierdzają: widok 3D powierzchni oraz zdjęcia wykonane za pomocą mikroskopu stereoskopowego (rys.8). Charakterystyczną cechą szlifowania jest zmieniające się przypadkowo położenie poszczególnych mikrorowków. Zostaje jednak przy tym zachowany podstawowy

4 310 MECHANIK NR 9/2014 kierunek śladów pozostawionych przez ziarna dominujące w czynnym profilu ściernicy. e) Na rysunku 8 można zauważyć również kierunkowość SGP. Cechuje się ona jednokierunkowym równoległym wzajemnym usytuowaniem śladów obróbki. Okresowość SGP przyjmuje charakter niezdeterminowany w skutek obróbki narzędziem o nieokreślonej geometrii. Rys. 8. Widok szlifowanych próbek WC z 60-krotnym powiększeniem dla różnych wartości prędkości posuwowych: =7,5 m/min, =10,5 m/min, =13,5 m/min, =16,5 m/min, e) =19,5 m/min Topografia powierzchni po szlifowaniu węglika wolframu wykazuje się występowaniem nieregularności równoległych do wektora prędkości posuwowej. Zjawisko to jest prawdopodobnie związane z odwzorowaniem ziaren ściernicy w materiale obrabianym i ma wpływ na chropowatość powierzchni obrobionej. Nieregularności te są prawdopodobnie związane z nieciągłościami materiału formowanego podczas procesu DLD. Analiza gęstości widmowej mocy zawiera informacje dotyczące ukształtowania geometrycznego badanej powierzchni. Na szlifowanej powierzchni zauważyć można kilka wyraźnych składowych losowych, jednak żadna z nich nie jest składowa dominującą (rys. 9). Charakter badanych próbek jest pseudolosowy, nie ma dominującej częstotliwości, która kształtuje strukturę geometryczną powierzchni. Rys. 9. Gęstość widmowa mocy dla: =7,5m/min, =19,5m/min Podsumowanie W zakresie badanych czynników stwierdzono, że prędkość posuwowa ma istotny wpływ na wartości parametrów amplitudowych 3D struktury geometrycznej powierzchni. Największej zmianie uległy parametry St i Sz, natomiast pozostałe parametry (Sa i Sq) kształtowały się na podobnym poziomie.

5 MECHANIK NR 9/ Analiza gęstości widmowej mocy wykazała, iż oprócz wartości dominującym czynnikiem mającym wpływ na SGP mogą być występujące mikrorowki. Mogą one stanowić pozostałości po występujących w materiale porach. Nie mniej jednak potwierdzenie tej hipotezy wymaga przeprowadzenia dalszych badań. LITERATURA 1. Beste U., Jacobson S., Hogmark S.: Rock penetration into cemented carbide drill buttons during rock drilling. Wear 2008;264: Beste U., Jacobson S.: A new view of the deterioration and wear of WC/Co cemented carbide rock drill buttons. Wear 2008; 264: Larsen-Basse J.: Wear of hard-metals in rock drilling: a survey of the literature. Powder Metall 1973; 16: Lipiński D. Kacalak W.: Zastosowanie rozmytych ocen jakości obróbki do wielokryterialnej optymalizacji parametrów procesu zautomatyzowanego szlifowania. PAK vol. 56, nr 5/ Luo S.Y., Liao Y.S., Chou C.C., Chen J.P.: Analysis of the wear of a resin-bonded diamond wheel in the grinding of tungsten carbide, Journal of Materials Processing Technology 69 (1997) Oczoś K.E.: Rozwój urządzeń i materiałów do kształtowania przyrostowego wyrobów, Mechanik 83(2010)2, s Ren X., Miao H., Peng Z.: A review of cemented carbides for rock drilling: an old but still tough challenge in geo-engineering. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 39 (2013) Twardowski P., Wojciechowski S.: Skrawalność w procesie frezowania twardych napoin z węglików wolframu, Mechanik 12/ Wojciechowski S.,Twardowski P., Chwalczuk T.: Surface roughness analysis after machining of direct laser deposited tungsten carbide. 14 th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces (Met & Props 2013), June 17 21, ( 2013) Taipei, Taiwan. 10. Yin L., Spowage A.C., Ramesh K., Huang H., Pickering J.P., Vancoille E.Y.J.: Influence of microstructure on ultraprecision grinding of cemented carbides, International Journal of Machine Tools & Manufacture 44 (2004)