CHARCHALIS Adam 1 LABUDA Wojciech 2 Ocena wpływu geometrii noża tokarskiego na strukturę geometryczną powierzchni czopów wałów wykonanych ze stali austenitycznej WSTĘP Jednym z najważniejszych problemów współczesnych technik wytwarzania jest zapewnienie odpowiedniej jakości wyrobu, przy minimalizacji kosztów i jednoczesnym wzroście wydajności produkcji. Dlatego podczas projektowania procesów wytwarzania powinno się zastosować technologię, która ma istotny wpływ na trwałość i niezawodność części maszyn. Podczas obróbki wykończeniowej nadawane są ostateczne wymiary i właściwości użytkowe danego elementu. Osiąga się to poprzez zastosowanie odpowiedniego rodzaju obróbki oraz dobór właściwych parametrów danego procesu. Technolog projektujący proces kształtowania warstwy wierzchniej ma do dyspozycji różne techniki wytwarzania. Koniecznym jest znalezienie określonego rozwiązania, które będzie odpowiadać wymaganiom i warunkom pracy danej części maszyny. W siłowniach okrętowych powszechne zastosowanie znalazły odśrodkowe pompy krętne. Stosowane są one w obiegach chłodzenia silników średniej i dużej mocy, do zasilania kotłów oraz w instalacjach zęzowych, balastowych i przeciwpożarowych. Wały pomp pracują w środowisku wody morskiej i ze względu na trudne warunki eksploatacyjne są narażone na zużycie korozyjne, cierne i erozyjne. Dlatego są wykonywane ze stali odpornych na korozję. Zastosowanie drogiego materiału nie zapobiega jednak uszkodzeniom eksploatacyjnym. Do uszkodzeń wałów pomp wody morskiej należą pęknięcia i rozwarstwienia materiału na czopach, odkształcenia plastyczne, nadmierne zużywanie czopów w miejscach osadzenia tarcz wirników, sprzęgieł i uszczelnień dławic, zużycie korozyjne i erozyjne oraz wybicie rowków wpustowych. W praktyce eksploatacyjnej obserwuje się nadmierne zużywanie czopów, powodujące zmniejszenie ich średnicy oraz przekroczenie dopuszczalnych odchyłek kształtu w miejscu zamontowania uszczelnień dławic. Jedną z mechanicznych metod obróbki wykończeniowej, która umożliwia otrzymanie warstwy wierzchniej o szczególnie korzystnych właściwościach, jest obróbka nagniataniem. Wykorzystuje ona zjawisko powierzchniowych odkształceń plastycznych na zimno, wytwarzanych w warstwie wierzchniej przedmiotu. Główne cele stosowania obróbki nagniataniem w technologii części maszyn związane są przede wszystkim z: zmniejszeniem chropowatości powierzchni, zwiększeniem twardości warstwy wierzchniej, zwiększeniem odporności na zmęczenie powierzchniowe i objętościowe, zwiększeniem odporności na zużycie ścierne i zacieranie, zmniejszeniem kosztów wytwarzania. Prawidłowo wytworzona warstwa wierzchnia w technologicznych procesach produkcyjnych oraz procesach eksploatacyjnych, zapewnia maksymalną wytrzymałość powierzchniową, która zapewnia dużą trwałość eksploatacyjną. Istotnym zagadnieniem w obróbce nagniataniem jest odpowiednie przygotowanie powierzchni przed tym procesem. W celu uzyskania warstwy wierzchniej o takich samych właściwościach struktury geometrycznej powierzchni, proces toczenia wstępnego powinien być powtarzalny. 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; 81-225 Gdynia; ul. Morska 81-87,Fax: + 48 58 6901399, achar@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; 81-225 Gdynia; ul. Morska 81-87,. Tel: + 48 586901549, Fax: + 48 586901399, wlabuda@am.gdynia.pl 2573
W trakcie realizacji pracy badawczej pt. Ocena przydatności obróbki nagniataniem do poprawy właściwości eksploatacyjnych wałów pomp okrętowych." [5], zastosowanie niezmiennych parametrów technologicznych obróbki skrawaniem spowodowało uzyskanie zróżnicowanych wyników pomiarów chropowatości powierzchni badanych wałków. Uzyskane wyniki pomiarów średniego arytmetycznego odchylenia profilu nierówności (48 czopów po 3 pomiary parametru R a ), wahały się w przedziale od 0,5 do 1,18 µm. Średnia wartość parametru chropowatości R a wyniosła 0,83 µm. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy profilogram oraz udział materiałowy dla powierzchni wałka, którego wartość parametru R a wyniosła 0,83 µm. Wyniki podstawowej analizy statystycznej przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wyniki podstawowej analizy statystycznej pomiaru chropowatości powierzchni R a Średnia Mediana Minimum Maksimum Odch. Stand. Błąd Stand. 0,83 0,79 0,50 1,18 0,14 0,02 Rys.1. Przykładowy profilogram oraz udział materiałowy wałka po toczeniu wstępnym Obróbka skrawaniem stali odpornych na korozję, a w szczególności stali o strukturze austenitycznej, sprawia dużo trudności. Na skrawalność stali austenitycznych ma niekorzystny wpływ wysoka skłonność do umacniania się przez zgniot, niska przewodność cieplna i dobra ciągliwość. Wiele ośrodków naukowych, w tym również Akademia Morska w Gdyni, prowadzi badania związane z toczeniem materiałów trudno obrabialnych [1, 2, 3, 4, 7]. Planowane są badania mające na celu określenie zbioru czynników wejściowych, stałych i zakłócających dla procesu toczenia wykończeniowego czopów wałów wykonanych ze stali nierdzewnej, mających wpływ na Strukturę Geometryczną Powierzchni SGP. W artykule przedstawiono pierwszy etap badań wpływu geometrii noża tokarskiego na SGP dla toczenia wykończeniowego stali nierdzewnej X5CrNi18-10. 1 METODYKA BADAŃ Proces toczenia wykończeniowego czopów wału o średnicy 60 mm przeprowadzono na tokarce CDS 6250 BX-1000. Na rysunku 2 przedstawiono przykładową próbkę użytą w badaniach. Do procesu toczenia wykorzystano wymienne płytki firmy Sandvik. Rys. 2. Próbka użyta w badaniach 2574
W badaniach wykorzystano płytki standardowe MF, płytki o zwiększonej dokładności wykonania UM oraz płytki dogładzające z technologią Wiper - WF. Wszystkie typy płytek wykorzystane w eksperymencie występowały w trzech odmianach promienia naroża r ε = 02, 04, 08 mm. Proces toczenia przeprowadzono dla kąta przystawienia równego 90. Podczas toczenia, dla wszystkich płytek, zastosowano następujące parametry skrawania: prędkość skrawania V c = 160 m/min, posuw f = 0,106 mm/obr, głębokość skrawania a p = 0,5 mm. Do procesu toczenia wykorzystano siłomierz DKM 2010, który przedstawiony został na rysunku 3. Analizę z pomiaru sił oraz temperatury skrawania na powierzchni natarcia wymiennej płytki wieloostrzowej przedstawiono w literaturze 6. Pomiar parametrów charakteryzujących strukturę geometryczną powierzchni wykonano profilometrem T8000. Rys. 3. Siłomierz DKM 2010 2 WYNIKI BADAŃ W przemyśle maszynowym, ze względu na współpracujące elementy dąży się do uzyskania elementów o określonej chropowatości. Tak więc bardzo istotnym etapem w podstawowych badaniach eksperymentalnych jest wykonanie pomiarów i ocena chropowatości powierzchni. Prace badawcze oraz praktyka przemysłowa wykazała, że znaczącą rolę w ocenie jakości powierzchni odgrywają również krzywe profilu udziału materiałowego i jego parametry. Dlatego w celu dokładnej analizy SGP posłużono się parametrami chropowatości i udziału materiałowego. W celu analizy wpływu geometrii noża tokarskiego na uzyskaną wartość parametru chropowatości powierzchni posłużono się parametrem R a (średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości) oraz parametr R q, który z naukowego punktu widzenia jest poprawniejszy, gdyż jest to odchylenie średniokwadratowe (w statystyce odchylenie standardowe). Parametr ten bardzo dokładnie oddaje charakter nierówności profilu oraz jest niewrażliwy na rozłożenie wierzchołków chropowatości. Uzyskane wartości parametrów R t (całkowita wysokość profilu chropowatości) oraz R z (największa wysokość profilu chropowatości) pozwalają na analizę wpływu narzędzia na charakter wierzchołków nierówności powierzchni. Natomiast krzywa udziału materiałowego oraz jej parametry informują o stanie powierzchni pod względem jej przydatności eksploatacyjnej. Parametry krzywej nośności profilu chropowatości to: R k (wysokość chropowatości rdzenia), R pk (zredukowana wysokość wzniesień) oraz R vk (zredukowana głębokość wgłębień). W tabelach 2, 3, 4, 5 przedstawiono wyniki podstawowej analizy statystycznej dla parametrów chropowatości R a, R q, R t orazr z. W tabelach przedstawiono pełne oznaczenie płytki użytej w procesie toczenia. Każda płytka została wykorzystana do toczenia trzech czopów wałka przedstawionego na rysunku 1. Wartości analizy statystycznej zostały obliczone na podstawie dziewięciu pomiarów (trzy na każdym czopie). 2575
Tab. 2. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R a CCMT 09T302 MF 1,16 1,06 1,30 0,08 0,03 CCMT 09T304 MF 1,01 0,96 1,07 0,03 0,01 CCMT 09T308 MF 0,69 0,57 0,82 0,08 0,03 CCGT 09T302 UM 2,02 1,90 2,17 0,10 0,03 CCGT 09T304 UM 1,34 1,24 1,39 0,05 0,02 CCGT 09T308 UM 1,01 0,96 1,06 0,03 0,01 CCMT 09T302 WF 0,81 0,72 0,95 0,08 0,03 CCMT 09T304 WF 0,65 0,54 0,76 0,08 0,03 CCMT 09T308 WF 0,72 0,66 0,77 0,05 0,02 Tab. 3. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R q CCMT 09T302 MF 1,39 1,28 1,55 0,09 0,03 CCMT 09T304 MF 1,22 1,17 1,27 0,03 0,01 CCMT 09T308 MF 0,84 0,71 0,95 0,08 0,03 CCGT 09T302 UM 2,39 2,25 2,57 0,12 0,04 CCGT 09T304 UM 1,57 1,21 1,65 0,14 0,05 CCGT 09T308 UM 1,19 1,13 1,26 0,04 0,01 CCMT 09T302 WF 0,97 0,86 1,15 0,10 0,03 CCMT 09T304 WF 0,78 0,65 0,93 0,09 0,03 CCMT 09T308 WF 0,89 0,81 0,97 0,06 0,02 Tab. 4. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R t CCMT 09T302 MF 7,09 6,26 7,70 0,56 0,19 CCMT 09T304 MF 5,96 5,38 6,71 0,38 0,13 CCMT 09T308 MF 4,46 4,13 4,88 0,24 0,08 CCGT 09T302 UM 10,47 9,81 11,06 0,49 0,16 CCGT 09T304 UM 7,66 7,28 8,44 0,34 0,11 CCGT 09T308 UM 5,95 5,38 6,37 0,36 0,12 CCMT 09T302 WF 5,74 4,45 7,97 1,07 0,36 CCMT 09T304 WF 4,01 3,20 4,96 0,53 0,18 CCMT 09T308 WF 5,32 4,54 6,40 0,59 0,20 Tab. 5. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R z CCMT 09T302 MF 6,08 5,41 6,65 0,38 0,13 CCMT 09T304 MF 5,26 5,06 5,61 0,17 0,06 CCMT 09T308 MF 3,38 2,95 4,05 0,35 0,12 CCGT 09T302 UM 9,70 8,93 10,17 0,40 0,13 CCGT 09T304 UM 6,91 6,50 7,10 0,19 0,06 CCGT 09T308 UM 5,11 4,65 5,36 0,22 0,07 CCMT 09T302 WF 4,52 4,03 5,33 0,48 0,16 CCMT 09T304 WF 3,42 2,95 4,05 0,36 0,12 CCMT 09T308 WF 4,37 4,05 4,95 0,35 0,12 Analiza wyników pomiarów chropowatości wykazała, że płytki z technologią Wiper, osiągnęły najniższe wartości parametru chropowatości R a pośród wszystkich badanych płytek. Dla geometrii dogładzającej z promieniem naroża 04 uzyskano najniższą wartość parametru R a = 0,65 µm. Natomiast dla wartości promienna 02 wartość ta wynosi 0,81 µm. Dla płytek typu MF i UM, wartość 2576
parametru R a maleje wraz ze wzrostem promienia naroża. Najbardziej zbliżoną wartości parametru R a, w stosunku do płytek WF, uzyskano dla powierzchni toczonej płytką CCMT 09T308 MF. Natomiast wartość parametru R a, dla promienia naraża 02 płytki typu UM, charakteryzuje się dwukrotnie większą wartością, niż dla promienia naroża 08. Najniższą średnią wartością parametru R a = 0,65 µm, charakteryzuje się czoppo toczeniu płytką typu Wiper z r ε równym 04. Natomiast najwyższą średnią wartość parametru R a = 2,02 µm uzyskano dla toczenia płytką CCGT 09T302 UM. Pomiary te charakteryzują się również najwyższą wartością odchylenia standardowego, co świadczy o najmniej korzystnym procesie skrawania z punktu widzenia SGP. Przedstawiona w tabeli 3 analiza statystyczna dla parametru R q jest porównywalna jak dla parametru R a. Analiza rozkładu wierzchołków profilogramów wykazała, że najwyższe wartości parametrów R t i R z, uzyskano dla procesu toczenia płytkami z promieniami naroża 02 dla każdego typu płytek. Wraz ze wzrostem wartości promienia r ε parametry wysokości profilu maleją. Najwyższe średnie wartości wysokości profilu zarówno dla odcinka pomiarowego jak i elementarnego, otrzymano dla powierzchni toczonej płytką CCGT 09T302 UM. Wszystkie pomiary wysokości profilu charakteryzują się stosunkowo dużymi wartościami odchylenia standardowego. Wyniki podstawowej analizy parametrów krzywej udziału materiałowego przedstawiono w tabelach 6, 7 oraz 8. Najniższe wartości parametru R k uzyskano dla czopów toczonych płytkami typu WF. Najniższą średnią wartość (2,14 µm) tego parametru uzyskano dla płytki CCMT 09T304 WF. Natomiast najwyższą 6,23µm dla płytki CCGT 09T302 UM. Dla płytek z technologią Wiper uzyskano zbliżone wartości zredukowanych wysokości wzniesień w zakresie analizowanych promieni r ε. Dla płytek MF i UM najniższą wartością parametru R pk charakteryzują się czopy po toczeniu płytkami z promieniem naroża 08.Parametr zredukowanej głębokości wgłębień, dla wszystkich analizowanych płytek, charakteryzuje się średnimi wartościami od 0,65 do 0,91 µm. Uzyskane wartości tego parametru świadczą o nieregularnym wpływie promienia naroża na wgłębienia nierówności profilu. Przykładowe profilogramy wraz z krzywymi udziału materiałowego przedstawiają rysunki 5, 6, 7. Tab. 6. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R k CCMT 09T302 MF 4,00 3,16 4,68 0,48 0,16 CCMT 09T304 MF 3,48 3,12 3,94 0,28 0,09 CCMT 09T308 MF 2,41 1,78 2,89 0,35 0,12 CCGT 09T302 UM 6,23 5,35 7,14 0,65 0,22 CCGT 09T304 UM 4,66 4,20 5,16 0,27 0,09 CCGT 09T308 UM 3,59 3,38 3,85 0,15 0,05 CCMT 09T302 WF 2,80 2,51 3,24 0,29 0,10 CCMT 09T304 WF 2,14 1,60 2,51 0,28 0,09 CCMT 09T308 WF 2,38 2,27 2,51 0,09 0,03 Tab. 7. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R pk CCMT 09T302 MF 1,15 1,03 1,44 0,14 0,05 CCMT 09T304 MF 1,02 0,75 1,17 0,14 0,05 CCMT 09T308 MF 0,68 0,51 1,46 0,32 0,11 CCGT 09T302 UM 2,38 2,10 2,74 0,22 0,07 CCGT 09T304 UM 1,06 0,77 1,23 0,16 0,05 CCGT 09T308 UM 0,66 0,52 0,73 0,07 0,02 CCMT 09T302 WF 0,65 0,50 0,90 0,11 0,04 CCMT 09T304 WF 0,65 0,38 1,00 0,22 0,07 CCMT 09T308 WF 0,78 0,50 1,00 0,18 0,06 2577
Tab. 8. Wyniki podstawowej analizy statystycznej parametru R vk CCMT 09T302 MF 0,77 0,58 0,97 0,14 0,05 CCMT 09T304 MF 0,68 0,16 1,21 0,29 0,10 CCMT 09T308 MF 0,75 0,55 0,98 0,14 0,05 CCGT 09T302 UM 0,78 0,58 0,98 0,13 0,04 CCGT 09T304 UM 0,91 0,63 1,30 0,20 0,07 CCGT 09T308 UM 0,78 0,57 1,00 0,17 0,06 CCMT 09T302 WF 0,71 0,33 0,96 0,21 0,07 CCMT 09T304 WF 0,65 0,25 0,98 0,22 0,07 CCMT 09T308 WF 0,89 0,76 1,06 0,10 0,03 Rys. 5. Przykładowy profilogram oraz udział materiałowy po toczeniu płytką CCMT 09T308 MF Rys. 6. Przykładowy profilogram oraz udział materiałowypo toczeniu płytką CCGT 09T308 UM Rys. 7. Przykładowy profilogram oraz udział materiałowy po toczeniu płytkąccmt 09T308 WF WNIOSKI Analiza SGP po toczeniu wykończeniowym czopów wałów wykonanych ze stali nierdzewnej, z wykorzystaniem płytek o różnej geometrii wykazała, że czopy po toczeniu płytkami typu Wiper, charakteryzują się najmniejszymi średnimi wartościami parametrów chropowatości dla analizowanych promieni naroża. Technologia Wiper powoduje dogładzenie wierzchołków nierówności profilu. 2578
Świadczą o tym uzyskane wartości parametrów udziału materiałowego. Im mniejsza wartość parametru R pk tym lepsza odporność na ścieranie. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące toczenia wykończeniowego czopów wałów pomp okrętowych. Badania przeprowadzono na wałku ze stali nierdzewnejx5crni18-10 o średnicy 60 mm. Toczenie wykończeniowe wałów przeprowadzono na tokarce uniwersalnej CDS 6250 BX-1000. Proces skrawania wykonano przy użyciu wymiennych płytek wieloostrzowych firmy Sandvik Coromant. Do badań wykorzystano płytki standardowe (MF), płytki o zwiększonej dokładności wykonania (UM) oraz płytki dogładzające z technologią Wiper (WF). Podczas procesu toczenia zastosowano niezmienne parametry skrawania: prędkość skrawania V c = 160 m/min, posuw f = 0,106 mm/obr oraz głębokość skrawania a p = 0,5 mm. Toczenie czopów wałów przeprowadzono dla kąta przystawienia równego 90 Do procesu toczenia wykorzystano siłomierz DKM 2010.Podczas badań określono wpływ geometrii noża tokarskiego na strukturę geometryczną powierzchni. Pomiary parametrów chropowatości powierzchni oraz udziału materiałowego wykonano z wykorzystaniem profilometru T8000. The analysis of influence of cutting tool geometric on surface roughness structure of pumps shaft pins made of austenitic steel Abstract The article presents the research results referring of finishing lathing pump shaft pins. The research was performed on a roller 60 mm in diameter made of X5CrNi18-10 steel. The finish tooling of pump shaft pins was carry out on a universal CDS 6250 BX-1000 centre lathe. The finish lathing process was carried out by means of Sandvik Coromant cutting tool with replaceable inserts. In the research of lathing process used standard inserts (MF), inserts with increased tolerance (UM) and inserts with Wiper technology (WF). During the lathing the following machining parameters were used: cutting speed V c = 160 m/min, feed f = 0.106 mm/rev, cutting depth a p = 0.5 mm. The cutting process was performed at side angle of 90. The process of lathing used cutting tool dynamometer DKM 2010. During the research, the effect of cutting tool geometric on surface roughness structure of steel applied to marine pumps shaft pins was determined. Measurement of surface roughness parameters and material ratio was performed by T8000 profilometer. BIBLIOGRAFIA 1. Dyl T., Finishing intermetallic coatings in order to reduce the surface roughness. Journal of KONES Powertrains and Transport, Vol. 20, No. 1, str. 77 82, 2013. 2. Dyl T., The finishing of composite coatings in aspect of surface roughness reduction, Journal of KONES Powertrains and Transport, Vol. 20, No. 2, str. 75 81, 2013. 3. Dyl T., Starosta R., Określenie wpływu geometrii i rodzaju materiału płytek skrawających na topografię toczonych powłok kompozytowych. Inżynieria Materiałowa, Nr 6, str. 701 704, 2012. 4. Dyl T., Starosta R., Wpływ geometrii i gatunku płytek skrawających na strukturę geometryczną toczonych powłok stopowych, Inżynieria Materiałowa Nr 4, str. 395-398, 2011. 5. Labuda W., Ocena przydatności obróbki nagniataniem do poprawy właściwości eksploatacyjnych wałów pomp okrętowych. Rozprawa doktorska, 2013. 6. Labuda. W.,The analysis of cutting tool geometric on cutting forces and surface roughness of steel applied to marine pumps shaft pins, Journal of KONES Powertrains and Transport, Vol. 21, No. 1, str.147-152, 2014 7. Starosta R., Dyl T., Obróbka wykańczająca natryskiwanych płomieniowo powłok Ni-Al, ocena zużycia borazonowych płytek skrawających,. Tribologia. Teoria i Praktyka. Nr4, str. 245-252, 2011. 2579