KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 JÓZEF BORKOWSKI *, MARZENA SUTOWSKA * * WPŁYW WARUNKÓW PROCESU CIĘCIA WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ WODNO-ŚCIERNĄ NA PARAMETRY SGP W artykule scharakteryzowano strukturę geometryczną powierzchni (SGP) materiałów przecinanych wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Przedstawiono rezultaty badań wpływu głównych parametrów przecinania na wartości parametrów SGP. Analiza wyników pozwoliła na wytypowanie grupy parametrów struktury geometrycznej powierzchni charakterystycznych dla omawianego sposobu obróbki, które wykazują największą wrażliwość na zmiany parametrów procesu przecinania. Słowa kluczowe: przecinanie materiałów, struga wodno-ścierna, struktura powierzchni 1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ h grubość materiału, p w ciśnienie wody, r promień trajektorii głowicy tnącej, R współczynnik korelacji, popr.r 2 skorygowany współczynnik wielokrotnej determinacji, Sa średnie arytmetyczne odchylenie, Sci zdolność przywierania płynu do powierzchni przecięcia, Sdq średniokwadratowe nachylenie nierówności, Sdr rozwinięcie powierzchni, Sds gęstość powierzchniowa wierzchołków miejscowych wzniesień, SHTp wysokość obszaru nośnego, Smmr współczynnik objętości materiału, Sq średnie kwadratowe odchylenie, Ssc średnia arytmetyczna krzywizna wierzchołków nierówności, Ssk współczynnik skośności, * Prof. dr hab. inż. Centrum Niekonwencjonalnych Technologii Hydrostrumieniowych ** Mgr inż. Politechniki Koszalińskiej.
44 St Str Sv Sz v v f α J. Borkowski, M. Sutowska wysokość nierówności, wskaźnik tekstury powierzchni, maksymalna głębokość wgłębienia, wysokość nierówności według 10 punktów, prędkość pomiaru, prędkość przesuwu głowicy roboczej, założony poziom istotności. 2. WPROWADZENIE Metody, w których wykorzystuje się wysokociśnieniową strugę wodno-ścierną jako narzędzie obróbki, znajdują szerokie zastosowanie nie tylko do skutecznego oczyszczania powierzchni [2] i ultragładkiego jej wykańczania (do Ra = = 7 nm) [7], lecz również do wydajnego przecinania różnych materiałów [1]. W ostatnim dziesięcioleciu przecinanie materiałów z wykorzystaniem strugi wodno-ściernej coraz skuteczniej konkuruje z konwencjonalnymi metodami cięcia z uwagi na jego liczne zalety. Do zalet tych można zaliczyć m.in. brak termicznego oddziaływania strugi na materiał obrabiany oraz małe naciski występujące podczas przecinania. Doskonalenie tego sposobu obróbki wymaga analizy, a więc rejestracji powierzchni otrzymywanych w procesie cięcia wysokociśnieniową strugą wodno- -ścierną [6]. Skuteczną metodą oceny powierzchni jest analiza ich topografii, oparta na pomiarze nierówności w układzie przestrzennym. Ten sposób pomiaru pozwala na lepsze zaprezentowanie wyników obróbki w porównaniu z tradycyjną metodą profilową w układzie 2D. Do ilościowej oceny struktury geometrycznej powierzchni niezbędne jest użycie parametrów opisujących ją w sposób liczbowy. W niniejszym artykule wytypowano grupę parametrów SGP, charakterystycznych dla omawianego typu obróbki, których wartości zależą w znacznym stopniu od zmiany zasadniczych parametrów cięcia. 3. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI PRZECINANYCH WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ WODNO-ŚCIERNĄ Na powierzchniach otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną ze względu na ich ukształtowanie geometryczne można wyróżnić dwa obszary: obszar nr 1 pozbawiony śladów obróbkowych na powierzchni obrobionej oraz obszar nr 2, na którym te ślady występują, tworząc w miarę równoległe, lekko zakrzywione rowki (rys. 1).
Wpływ warunków procesu cięcia 45 kierunek wnikania strugi v f obszar nr 1 obszar nr 2 Rys. 1. Obraz powierzchni przeciętej wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną (materiał 0H18N9, v f = 0,28 mm/s, p = 350 MPa, h = 20 mm) Fig. 1. Surface scan cut off with high-pressure water-abrasive jet (material 0H18N9, v f = 0,28 mm/s, p = 350 MPa, h = 20 mm) Zmienność ukształtowania przeciętych powierzchni związana jest z nierównomiernym rozkładem energii kinetycznej cząstek ściernych, stanowiących jeden z komponentów strugi wodno-ściernej. Podczas przecinania materiału przeważająca liczba cząstek ściernych w obszarze nr 1 ma energię wystarczającą do wykonania gładkiego przecięcia. Jednak wraz ze wzrostem głębokości wnikania strugi w materiał ich liczba maleje, a nierówny rozkład energii kinetycznej poszczególnych ziaren ścierniwa prowadzi do powstawania w dolnym obszarze przecinanej powierzchni coraz wyraźniejszych śladów obróbkowych [4]. W analizie ukształtowania geometrycznego powierzchni przeciętych strugą wodno-ścierną można się posłużyć cechami charakterystycznymi SGP, do których należą: kierunkowość, okresowość oraz izotropowość [5]. a) b) Rys. 2. Funkcja autokorelacji powierzchni przeciętej strugą wodno-ścierną: a) obszar nr 1, b) obszar nr 2 Fig. 2. Autocorrelation function for surface cut off with water-abrasive jet: a) area no. 1, b) area no. 2
46 J. Borkowski, M. Sutowska Usytuowanie śladów obróbkowych na przeciętych powierzchniach wskazuje na losowe ukierunkowanie struktury geometrycznej tych przecięć. Otrzymana w wyniku cięcia mikrostruktura jest powierzchnią przejściową pomiędzy anizotropową a izotropową. Świadczą o tym obrazy funkcji autokorelacji wygenerowane dla obu obszarów powierzchni przecięcia (rys. 2). Dokonując oceny struktury powierzchni, można się posłużyć pięcioma grupami parametrów SGP, do których należą parametry: amplitudowe, przestrzenne, powierzchniowe i objętościowe, hybrydowe oraz funkcjonalne [3]. Wyznaczanie wartości wszystkich parametrów jest czasochłonne. Dotychczas nie udało się wyselekcjonować uniwersalnego zestawu parametrów SGP, jednakowo przydatnego do każdego rodzaju powierzchni [5], którym można by się posługiwać, dokonując również ilościowej analizy struktury geometrycznej powierzchni otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. 4. BADANIA WSPÓŁZALEŻNOŚCI WYSTĘPUJĄCYCH POMIĘDZY ZASADNICZYMI PARAMETRAMI PROCESU CIĘCIA A PARAMETRAMI SGP 4.1. Metodyka badań W badaniach własnych podjęto próbę wyodrębnienia grupy parametrów SGP charakterystycznych dla wysokociśnieniowego przecinania materiałów strugą wodno-ścierną. Za kryterium selekcji przyjęto wrażliwość parametrów SGP na zmiany warunków cięcia. Wpływ zasadniczych parametrów cięcia na zmiany parametrów SGP badano z użyciem maszyny RCT 32 do cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną firmy Resato. Do badań wykorzystywano głowicę tnącą firmy Resato, wyposażoną w dwie dysze: wodną o średnicy 0,25 mm oraz ogniskującą φ 0,76 mm. Komponentem strugi wodno-ściernej był garnet #80 o stałym wydatku ok. 3 g/s. Badania wykonywano na nierdzewnej stali chromowo-niklowej gatunku 0H18N9 o grubości 20 mm. Schemat badań przedstawiono na rys. 3. Topografię wyznaczonych obszarów A i B (2 mm 2 mm) badano za pomocą profilografometru przestrzennego TALYSCAN 150. Pomiary wykonywano w 4001 przejściach z krokiem próbkowania 0,5 μm. Podczas jednego przejścia rejestrowano 401 linii co 5 μm. Prędkość pomiaru v = 7,5 mm/s. Do określenia wartości parametrów SGP wykorzystywano program Taly Map Universal 3.1 firmy Taylor Hobson.
Wpływ warunków procesu cięcia 47 Parametry procesu przecinania Proces przecinania p w {350; 300; 275; 175} MPa v f, {0,12; 0,15; 0,18; 0,24; 0,32} mm/s r {10} mm =p0 Pomiary SGP Rys. 3. Schemat planu badań Fig. 3. Schema of the research plan Wyniki pomiarów Parametry amplitudowe Parametry przestrzenne Parametry powierzchniowe i objętościowe Parametry hybrydowe Parametry funkcjonalne 4.2. Wyniki badań i ich analiza Związki zachodzące pomiędzy parametrami obróbki a parametrami SGP badano za pomocą programu STATISTICA 6.0, korzystając z modułu Regresja wieloraka. Wybrane wyniki analizy statystycznej zamieszczono w tablicach 1 3. Tablica 1 zawiera wyniki analizy statystycznej wpływu prędkości posuwu głowicy roboczej na parametry SGP. Zgromadzone dane przedstawiają m.in. estymowane równania regresji opisujące współzależności parametrów SGP i v f. W tablicy 1 zaprezentowano również wartości współczynników R i popr.r 2, które informują o stopniu dopasowania równania regresji do danych doświadczalnych. Duże wartości tych współczynników (powyżej 0,9) świadczą o dobrym dopasowaniu otrzymanych funkcji regresji do wyników badań. Obliczone wartości statystyki t dla współczynników kierunkowych wygenerowanych równań regresji znacznie przekraczają wartość krytyczną t 0,05/2,3 = = 10,13 dla trzech stopni swobody przy założonym poziomie istotności α = 0,05. Świadczy to o dużym wpływie v f na wartości parametrów SGP zamieszczonych w tablicy 1. Potwierdzenie tego stanowią zarówno małe wartości poziomu istotności p, które są mniejsze od α, oraz obliczone statystyki F, które znacznie przekraczają wartość krytyczną F 1,3 = 10,13.
48 J. Borkowski, M. Sutowska Tablica 1 Wyniki badań zależności występujących pomiędzy v f a parametrami SGP na obszarze A Experimental results of the v f and SGP parameters dependance (area A) Parametr obróbki Parametr SGP Wyniki analizy statystycznej SHTp = 5,554 + 0,876v f SHTp [μm] R = 0,981; popr.r 2 = 0,949 p = 0,00316 Prędkość posuwu głowicy roboczej v f [mm/s] Sa [μm] Sq [μm] F = 76,25; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 8,73; t 0,05/2,3 = 3,182 Sa = 2,795 + 0,365v f R = 0,977; popr.r 2 = 0,939 p = 0,00416 F = 63,09; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 7,94; t 0,05/2,3 = 3,182 Sq = 3,665 + 0,407v f R = 0,970; popr.r 2 = 0,922 p = 0,00611 F = 48,32; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 6,95; t 0,05/2,3 = 3,182 Tablica 2 Wyniki badań zależności występujących pomiędzy v f a parametrami SGP na obszarze B Experimental results of the v f and SGP parameters dependences (area A) Parametr obróbki Parametr SGP Sq [μm] Wyniki analizy statystycznej Sq = 19,039 + 2,865v f R = 0,970; popr.r 2 = 0,921 p = 0,00628 F =47,36; F 0,05, 1, 3 = 10,13 Sv [μm] t = 6,88; t 0,05/2,3 = 3,182 Sv = 40,050 + 6,363v f R = 0,969; popr.r 2 = 0,918 p = 0,00663 F = 45,62; F 0,05, 1, 3 = 10,13 Prędkość posuwu głowicy roboczej v f [mm/s] Smmr [mm 3 /mm 2 ] Sa [μm] Sz [μm] t 0,05/2,3 = 6,75; t 0,05/2,3 = 3,182 Smmr = 0,040 + 0,006v f R = 0,968; popr.r 2 = 0,918 p = 0,00663 F = 48,32; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 6,75; t 0,05/2,3 = 3,182 Sa = 16,438 + 2,426v f R = 0,965; popr.r 2 = 0,909 p = 0,00771 F = 41,02; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 6,40; t 0,05/2,3 = 3,182 Sa = 106,3 + 15,5v f R = 0,962; popr.r 2 = 0,902 p = 0,00870 F = 37,66; F 0,05, 1, 3 = 10,13 t = 6,14; t 0,05/2,3 = 3,182
Wpływ warunków procesu cięcia 49 Rezultaty badań statystycznych zamieszczone w tablicy 2 świadczą o dużym wpływie v f na wartości parametrów Sq, Sv, Smmr, Sa i Sz. Potwierdzają to również obliczone wartości testów F-Snedecora i t-studenta, które przewyższają wartości krytyczne (F 0,05,1,3 i t 0,05/2,3 ) określone dla 3 stopni swobody i przy poziomie istotności α = 0,05. Zawarte w tablicy 2 równania regresji charakteryzują się dobrym dopasowaniem do danych doświadczalnych. Potwierdzają to znaczne wartości współczynników R i popr.r 2. Należy zatem wykluczyć nieistotność zależności występujących pomiędzy prędkością posuwu głowicy roboczej a pięcioma wymienionymi w tablicy 2 parametrami SGP. Dane statystyczne zawarte w tablicy 3 opisują wpływ ciśnienia wody na wartość wybranych parametrów SGP wyznaczonych dla obszarów usytuowanych w dolnej części powierzchni przecięcia B. Tablica 3 Wyniki badań zależności występujących pomiędzy p w a parametrami SGP na obszarze B Experimental results of the p w and SGP parameters dependences (area B) Parametry obróbki Parametr SGP Sdq [μm/μm] Wyniki analizy statystycznej Sdq = 1,289 0,002p w R = 0,993; popr.r 2 = 0,978 p = 0,00720 F =137; F 0,05, 1, 2 = 18,51 Sci [ ] t = 11,7; t 0,05/2,2 = 4,302 Sci = 2,456 0,003p w R = 0,991; popr.r 2 = 0,976 p = 0,00814 F = 121,4; F 0,05, 1, 2 = 18,51 Ciśnienie wody p w [MPa] Str [ ] Ssc [1/μm] t = 11,01; t 0,05/2,2 = 4,302 Str = 0,1 + 0,001p w R = 0,984; popr.r 2 = 0,954 p = 0,0154 F = 63,1; F 0,05, 1, 2 = 18,51 t = 7,94 ; t kr = 4,302 Ssc = 1,125 0,001p w R = 0,977; popr.r 2 = 0,932 p = 0,0227 F = 42,54; F 0,05, 1, 2 = 18,15 t = 6,52; t 0,05/2,2 = 4,302 Jednym z istotnych parametrów struktury geometrycznej powierzchni, który wykazuje dużą wrażliwość na zmiany ciśnienia wody, jest parametr Sci, charakteryzujący zdolność przywierania płynu do powierzchni powstającej w wyniku przecinania. Wskaźnik ten, zgodnie z pierwowzorem [5],wyraża się równaniem: Vv ( hc1) Vv ( hc 2 ) Sci = / Sq, ( M 1)( N 1) x y (1) Δ Δ
50 J. Borkowski, M. Sutowska gdzie: Vv ( hc1 ) Vv ( hc2 ) objętość pustek jednostkowego obszaru próbkowania zawartego między c 1 i c 2 powierzchni nośnej, M liczba kolumn macierzy próbkowania, N liczba wierszy macierzy próbkowania, Δ x, Δy odstęp próbkowania. Analizując wyniki badań statystycznych, pominięto obszar A, ponieważ skorygowane współczynniki wielokrotnej determinacji popr.r 2, stanowiące miarę stopnia dopasowania liniowej funkcji regresji do wyników doświadczeń, przyjmowały wartości mniejsze od 0,9. Zgromadzone w tablicy 3 wyniki badań świadczą o istotnym wpływie ciśnienia wody na wartości parametrów SGP. Potwierdzeniem tego są obliczone wartości statystyki F, t i poziomu istotności p. Można zatem stwierdzić, że zależności występujące pomiędzy parametrami SGP a ciśnieniem wody, które opisano za pomocą równań regresji, są istotne statystycznie, a uzyskane wartości współczynników R i popr. R 2 świadczą o dobrym dopasowaniu otrzymanych funkcji do danych eksperymentalnych. 5. PODSUMOWANIE Powierzchnie przecinane wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną mają ukształtowanie bardzo charakterystyczne dla tego typu obróbki. Nieodłącznym elementem ich struktury są ślady obróbkowe występujące na powierzchni przecięcia. Ponieważ struktura tych śladów zależy od rozkładu energii kinetycznej cząstek ściernych, wykonanie rzetelnej analizy SGP wymaga pomiarów zarówno w górnym, jak i dolnym obszarze przeciętej powierzchni. Szczegółowa analiza statystyczna wyników badań pozwoliła wytypować grupę parametrów SGP charakterystycznych dla omawianego sposobu obróbki ze względu na ich wysoką korelację z warunkami cięcia. Parametry te mogą posłużyć do ilościowej oceny struktury geometrycznej powierzchni otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Należą do nich: Sa, Sq, SHTp, Sv, Smmr, Sz, Sci, Str oraz Ssc. Uzyskane wyniki badań dowodzą również, że regulując wartości parametrów cięcia materiałów strugą wodno-ścierną, można w istotny sposób wpływać nie tylko na efektywność obróbki, ale także na strukturę geometryczną przecinanych powierzchni. LITERATURA [1] Borkowski J., Benkowska M., Wpływ głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną na jakość powierzchni przecięcia, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2006, vol. 26, nr 2, s. 11 18.
Wpływ warunków procesu cięcia 51 [2] Borkowski P. J., Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrostrumieniowej obróbki powierzchni, Koszalin, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej 2004. [3] Janowska E., Badania analityczne i doświadczalne istotności oraz współzależności parametrów struktury geometrycznej powierzchni, praca doktorska, Politechnika Rzeszowska 2006. [4] Karpiński A., Louis H., Moon M., Peter D., Ravasio C., Scheer C., Südmersen U., Effects of pressure fluctuations and vibration phenomenon on striation formation in AWJ cutting, in: 17 th International Conference on Water Jetting, 2004, Mainz, Germany, s. 219 229. [5] Oczoś K., Liubimov V., Struktura geometryczna powierzchni. Podstawy klasyfikacji z atlasem charakterystycznych powierzchni kształtowych, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej 2003. [6] Vikram G., Ramesh Babu N., Modeling and analysis of abrasive water jet cut surface topography, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, no. 42, s. 1345 1354. [7] Warisawa S., Sawano H., Mitsuishi M., Ultra-precision finishing for the femoral head of the artificial hip joint by means of abrasive waterjet, in: 17 th International Conference on Water Jetting, 2004, Mainz, Germany, s. 123 136. Praca wpłynęła do Redakcji 23.03.2007 Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Wantuch HIGH-PRESSURE ABRASIVE-WATER JET CUTTING CONDITIONS INFLUENCE ON SGP PARAMETERS S u m m a r y Surface geometric structure of materials (SGP) cut with high-pressure water-abrasive jet are presented in the paper. Experimental results of main cut parameters influence on SGP parameters are presented in. Final analysis of above let to evaluate the group of SGP parameters characteristic for discussed jet treatment, which are the most sensitive for cut parameters change. Key words: materials cutting, abrasive-water jet, surface structure
52 J. Borkowski, M. Sutowska