KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 RAFAŁ TALAR BADANIA ZASTOSOWANIA OSTRZY Z CERAMIKI NARZĘDZIOWEJ W PROCESIE FREZOWANIA OBWIEDNIOWEGO W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych dotyczących zastosowania ostrzy wykonanych z ceramiki narzędziowej do obróbki obwiedniowej powierzchni nośnych walcowych kół zębatych. W badaniach wykorzystano próbki w stanie zahartowanym do twardości 50 HRC. Przedstawiono parametry procesu obróbki oraz charakterystykę powierzchni obrobionej. W dalszej części poddano konfrontacji właściwości powierzchni obrobionej ostrzami z ceramiki narzędziowej z wymaganiami stawianymi powierzchniom nośnym obciążonych kół zębatych. Słowa kluczowe: frezowanie obwiedniowe, ceramika narzędziowa, koła zębate 1. WPROWADZENIE Przekładnie zębate, pomimo rozwoju napędów elektrycznych i hydraulicznych, znajdują duże zastosowanie w budowie maszyn. Zakres stosowania walcowych przekładni zębatych obejmuje zarówno drobne przekładnie w mechanizmach mechatronicznych, jak i przekładnie samochodowe, ogólnego przeznaczenia, lotnicze aż do przekładni największych rozmiarów, budowanych dla przemysłu wydobywczego i elektroenergetycznego. Produkcja cichobieżnych przekładni zębatych, mających przenieść maksymalną moc przy możliwie małym ciężarze i małej bezwładności, napotyka szereg problemów konstrukcyjnych i technologicznych. Głównymi problemami technologicznymi występującymi w operacjach obróbki uzębień są [2, 4]: produktywność procesu, stabilność procesu wytwórczego, otrzymanie żądanych właściwości warstwy wierzchniej wieńca zębatego, mała uciążliwość dla otoczenia, mała energochłonność. Dr inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.
86 R. Talar Dużą obciążalność powierzchni nośnych walcowych kół zębatych uzyskuje się tylko w przypadku wieńców zębatych azotowanych lub hartowanych [1, 4]. Obróbka wykańczająca uzębienia kół zębatych z wieńcami azotowanymi przebiega w materiale ulepszonym cieplnie. Wykańczające frezowanie obwiedniowe materiału ulepszonego ostrzami z węglików spiekanych zapewnia dostateczne właściwości obrobionych powierzchni nośnych. Narzędzia z ostrzami węglikowymi nie wymagają stosowania płynu obróbkowego w trakcie obróbki oraz w porównaniu ze szlifowaniem zapewniają [1]: większą produktywność, dostateczną stabilność procesu wytwórczego, mniejszą uciążliwość dla środowiska, mniejsze zapotrzebowanie na energię. Bardzo istotną zaletą wykańczającego frezowania obwiedniowego w porównaniu ze szlifowaniem jest mniejszy wpływ parametrów obróbki na właściwości warstwy wierzchniej, np. rozkład, rodzaj i wartości naprężeń wewnętrznych. Właściwości warstwy wierzchniej powierzchni nośnych kół zębatych mają istotny, a czasem kluczowy wpływ na jakość eksploatacyjną przekładni zębatych, zwłaszcza na rozwój pittingu [3]. Obróbka wykańczająca ostrzami z węglików spiekanych wieńców zębatych hartowanych może prowadzić do przedwczesnego zużycia ostrzy skrawających i niestabilności procesu wytwórczego. Na rynku pojawiły się nowe ceramiczne materiały narzędziowe charakteryzujące się zwiększoną odpornością na obciążenia udarowe zarówno mechaniczne, jak i termiczne. Mając to na uwadze oraz opracowaną w poprzednich latach metodykę badań wykańczającego frezowania obwiedniowego, podjęto próbę zbadania możliwości obróbki powierzchni nośnych walcowych kół zębatych ostrzami z ceramiki narzędziowej. 2. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Badania doświadczalne wykonano na stanowisku zbudowanym z wykorzystaniem frezarki CNC FYN 50 ND. Obróbkę prowadzono specjalną głowicą własnej konstrukcji, symulującą frez ślimakowy o średnicy zewnętrznej 148 mm z piętnastoma zębatkami. Próbki w kształcie walca o średnicy 80 mm, zakończonego stożkiem służącym do ustalania i mocowania w stole obrotowym, odpowiadały powierzchniom nośnym kół zębatych walcowych o zębach prostych, normalnych, niekorygowanych, przy czym liczba zębów z = 40, moduł m n = = 5 mm, kąt przyporu α n = 20. Próbki wykonano z atestowanej stali 39MnCrB6-2 zahartowanej w atmosferze ochronnej do twardości 50 HRC. W specjalnej głowicy (rys. 1). zamocowywano trójkątne płytki skrawające wykonane z ceramiki tlenkowej, wzmocnionej wiskersami węglika krzemu Al 2 O 3 + SiCw. Powierzch-
Badania zastosowania ostrzy z ceramiki narzędziowej... 87 nie przyłożenia zostały oszlifowane ściernicą z nasypem diamentowym. Otrzymano w ten sposób kąty przyłożenia odpowiadające kątom przyłożenia ostrzy frezów ślimakowych. Płytki ceramiczne zamocowywano w specjalnej oprawce zapewniającej nachylenie krawędzi skrawającej w stosunku do osi głowicy pod kątem 90 α n, gdzie α n jest kątem przyporu zarysu ewolwentowego symulowanego wieńca zębatego (rys. 1). Specjalna oprawka umożliwiała również obrót w osi nachylonej w stosunku do osi głowicy pod kątem α n. Obrót ten pozwala na uzyskanie dowolnej wartości kąta natarcia. W trakcie Rys. 1. Widok specjalnej głowicy z obrotową oprawką Fig. 1. The special tool head with rotary holder badań doświadczalnych ustawiono kąt natarcia równy 30. Dzięki ujemnemu kątowi natarcia ostrze skrawające stopniowo wchodzi w materiał obrabiany, co zmniejsza jego obciążenie mechaniczne i sprzyja poprawie jakości powierzchni obrobionej [4]. Optymalizacja wartości kąta natarcia powinna być przedmiotem dalszych badań. Badania doświadczalne prowadzono z następującymi parametrami: przełożenie między stołem obrotowym a wrzecionem 1:314, posuw stołu frezarki w kierunku osi X 4 μm/obr, prędkość obrotowa wrzeciona 411 obr/min, głębokość skrawania 0,15 mm, czas obróbki do przerwy pomiarowej 720 s. Wyszczerbienia krawędzi skrawających przechodzące w wykruszenia zaobserwowano pod mikroskopem warsztatowym po przekroczeniu wartości 0,2 mm parametru VB max. Średni okres trwałości ostrzy T z przyjętymi wcześniej parametrami obróbki ustalił się na poziomie 86 min. Znając okres trwałości ostrzy skrawających, wartości parametrów obróbki i liczbę zębów wieńca, można łatwo obliczyć maksymalną szerokość wieńca obrabianego bez wymiany narzędzia. Dla okresu trwałości T = 86 min, posuwu osiowego f o = 0,004 mm/obr narzędzia 314 = 1,26 mm/obr przedmiotu, prędkości obrotowej wrzeciona n = 411 obr/min, liczby zębów z = 40 maksymalna szerokość wieńca po odliczeniu fazy wcinania z posuwem promieniowym powinna być mniejsza niż 1108 mm. Przedmiot obrabiany nie nagrzewał się w trakcie obróbki, większość energii cieplnej unosiły odkształcone plastycznie wióry, których temperatura była na tyle wysoka, że powodowała ich świecenie, a nawet topienie podczas skrawania wyszczerbionymi ostrzami.
88 R. Talar W czasie badań doświadczalnych w centrum uwagi był głównie stan powierzchni obrobionej. Na obrazie powierzchni obrobionej (rys. 2) po odfiltrowaniu walcowości przedmiotu widoczne jest odwzorowanie kinematyki obróbki, bez wyraźnych zakłóceń będących wynikiem oddziaływań tribologicznych. Równoległe grzbiety tworzące okresową strukturę powstały w wyniku skrawania materiału obrabianego w kolejnych położeniach obwiedniowych. W kierunku równoległym do linii grzbietów widać okresowość struktury o mniejszych rozmiarach w stosunku do wzniesień. Struktura ta jest odwzorowaniem ostrza skrawającego przesuniętego o wartość posuwu f o w kierunku osi przedmiotu obrabianego. Rys. 2. Obraz izometryczny powierzchni obrobionej metodą obwiedniową Fig. 2. Isometric picture of the surface after hobbing Kinematyka procesu obróbki przedstawiona w pracy [1] wpłynęła zarówno na falistość powierzchni obrobionej (rys. 3), jak i na jej chropowatość (rys. 4). Największe wartości falistości i chropowatości zaobserwowano w miejscach, Rys. 3. Obraz izometryczny falistości powierzchni obrobionej metodą obwiedniową Fig. 3. Isometric picture of the waviness of surface after hobbing
Badania zastosowania ostrzy z ceramiki narzędziowej... 89 Rys. 4. Obraz izometryczny chropowatości powierzchni obrobionej metodą obwiedniową Fig. 4. Isometric picture of the roughness of surface after hobbing gdzie ostrze skrawające wchodzi w materiał obrabiany. Mając do dyspozycji narzędzie o średnicy zewnętrznej 148 mm, można zwiększyć przyjętą liczbę ostrzy skrawających obrabiających jeden wrąb wieńca zębatego z 15 do przynajmniej 20. Zwiększenie liczby ostrzy pociągnie za sobą zmniejszenie parametrów falistości. Zaobserwowaną anizotropię struktury geometrycznej powierzchni obrobionej (rys. 2) potwierdza obraz funkcji autokorelacji przedstawiony na rys. 5. Jest on typowy dla powierzchni anizotropowej okresowej. Anizotropia struktury geometrycznej powierzchni obrobionej może świadczyć o zbyt małej wartości posuwu osiowego lub zbyt małej liczbie zębatek z ostrzami skrawającymi frezu ślimakowego. W przypadku frezowania obwiedniowego korzystne jest uzyskanie powierzchni quasi-izotropowej okresowej. W takim przypadku wartość falistości powierzchni w kierunku zgodnym z osią przedmiotu obrabianego (zależna od wartości posuwu) oraz wartość falistości Rys. 5. Obraz funkcji autokorelacji struktury geometrycznej powierzchni obrobionej Fig. 5. Autocorelation function picture of the machined geometrical structure of surface
90 R. Talar powierzchni obrobionej w kierunku linii zęba (zależna od liczby zębatek frezu) będą zbliżone. Spełniony będzie więc warunek utworzenia powierzchni quasi-izotropowej okresowej. Uzyskana w wyniku badań powierzchnia obrobiona z jednej strony charakteryzuje się niekorzystną anizotropią, z drugiej zaś małymi wartościami parametru chropowatości Ra. Na rysunku 6 przedstawiono wartości parametrów chropowatości Ra obliczone dla każdego z 800 profili oddalonych od siebie o 5 μm, zdejmowanych w kierunku równoległym do grzbietów pokazanych na rys. 2. Dominującą wartością parametru Rys. 6. Wartości parametrów chropowatości Ra w kierunku równoległym do osi przedmiotu obrabianego Fig. 6. Values of the Ra parameter along the axis of the machined detail chropowatości Ra zebranych profili jest 0,11 μm. Mniej zadowalające rezultaty osiągnięto w odniesieniu do falistości powierzchni. Przykładowy profil falistości zebrany w kierunku prostopadłym do grzbietów pokazanych na rys. 2 przedstawiono na rys. 7. Profil falistości odzwierciedla kolejne położenia ostrza skrawającego, co około 0,8 mm. Całkowita wysokość profilu falistości Wt dla pozostałych 800 profili nie przekracza wartości 2,2 μm. Przykładowy profil Rys. 7. Przykładowy profil falistości powierzchni obrobionej w kierunku prostopadłym do grzbietów przedstawionych na rys. 2 Fig. 7. The example of the machined surface waviness profile perpendicular to the valley shown on Fig. 2
Badania zastosowania ostrzy z ceramiki narzędziowej... 91 falistości zebrany w kierunku równoległym do grzbietów pokazanych na rys. 2 na dnie wgłębienia przedstawiono na rys. 8. Falistość powierzchni mierzona w tym kierunku jest mniejsza i całkowita wysokość profilu falistości Wt dla pozostałych 400 profili nie przekracza wartości 0,95 μm. Powierzchnia obrobiona ze względu na jej dużą falistość w jednym z kierunków, w odróżnieniu od jej chropowatości, nie spełnia wymagań stawianych powierzchniom nośnym walcowych kół zębatych przenoszących duże obciążenia. Rys. 8. Przykładowy profil falistości powierzchni obrobionej w kierunku równoległym do grzbietów przedstawionych na rys. 2 Fig. 8. The example of the machined surface waviness profile along the valley shown on Fig. 2 Na podstawie badań doświadczalnych można wnioskować, że po dokonaniu modyfikacji w procesie obróbki, dotyczącej głównie narzędzia, falistość powierzchni zostanie sprowadzona do zadowalającego poziomu. 3. WNIOSKI Badania doświadczalne procesu obróbki obwiedniowej potwierdziły przydatność ceramicznych materiałów skrawających do obróbki wykańczającej zahartowanych walcowych kół zębatych. Trwałość ostrzy skrawających zastosowanych w badaniach doświadczalnych pozwala na stabilną obróbkę i wykonanie bez regeneracji przynajmniej 50 kół zębatych o parametrach przedstawionych w artykule z wieńcem szerokości 20 mm. Po dokładniejszym zbadaniu procesu obróbki istnieje możliwość wydłużenia trwałości ostrza. Powierzchnia obrobio-
92 R. Talar na, z wyjątkiem parametru falistości w jednym kierunku, spełnia wymagania stawiane wysoko obciążonym powierzchniom walcowych kół zębatych. Falistość powierzchni obrobionej można zmniejszyć przez modyfikację procesu obróbki obwiedniowej, głównie przez zwiększenie liczby położeń obwiedniowych ostrzy skrawających przypadających na jedną podziałkę wieńca zębatego. LITERATURA [1] Badania i symulacja procesu nacinania uzębień metodą frezowania obwiedniowego, raport z badań PB 22-114/01/BW, Poznań 2001 ( praca niepublikowana). [2] Peiffer K., Wälzstoßen einsgehärter Zylinerräder, Dissertation, RWTH, Aachen 1999. [3] Wobker H.G., Hartbearbeitung, Habiltationsschrift, Universität Hannover 1997. [4] Vüllers M., Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit besichichteten Hartmetallwerkzeugen, Dissertation, RWTH Aachen 1998, Shaker Verlag 1999. Praca wpłynęła do Redakcji 6.04.2006 Recenzent: prof. dr hab. inż. Bogdan Kruszyński INVESTIGATIONS ON THE APPLICATION OF THE CERAMIC TOOL IN HOBBING PROCESS S u m m a r y The purpose of this work was to study the usefulness of wedges from ceramics used in fine machining of hardened gears regarding the tool life and parameters of machined surface. To the effects from experimental works one should count off: determination of approximate tool life of ceramic wedge in fine generation of gears, research up the deformability of geometrical structure of machined surface on the mechanical loading, determination of approximate efficiency of fine machining process. Key words: hobbing, spur gears, ceramic tools