XIX NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ, ŁÓDŹ 1996 mikroskrawanie, próżnia Wojciech KACALAK, Ryszard LEWKOWICZ, Błażej BAŁASZ, Wojciech ZAWADKA * PROCESY MIKROSKRAWANIA W PRÓŻNI Z WYKORZYSTANIEM OCZYSZCZANIA JONOWEGO W artykule przedstawiono opis zmodyfikowanego stanowiska do badań procesu mikroskrawania w próżni z wykorzystaniem oczyszczania jonowego, oraz wyniki i analizę przeprowadzonych badań na stanowisku próżniowym przed jego modyfikacją. 1. WPROWADZENIE Zmiana otoczenia, typowego na środowisko charakterystyczne dla próżni, powoduje bardzo istotne zmiany w przebiegu mikroskrawania. Zmieniają się przede wszystkim właściwości powierzchni narzędzia (ziarna ściernego) i materiału obrabianego oraz fizyczne i chemiczne ich wzajemne oddziaływania. Wysoka próżnia znacząco zmienia właściwości mechaniczne metali i ich stopów, prowadząc do zwiększenia ich plastyczności. Wzrost plastyczności metali w próżni wynika z faktu, że błona tlenkowa występująca na powierzchni metalu w atmosferze otoczenia, spełnia rolę bariery zabezpieczającej przed dyslokacjami. Zastosowanie oczyszczania jonowego prowadzi do usunięcia błony tlenkowej i wzrostu plastyczności mikrowarstwy wierzchniej. Obniżenie ciśnienia prowadzi również do znaczącego zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej metali. Środowisko, w którym występuje próżnia, powoduje również zmianę właściwości adhezyjnych metali. Sczepianie adhezyjne zaczyna się już przy znacznie mniejszych obciążeniach i deformacjach plastycznych. W procesie mikroskrawania, o niekorzystnym zjawisku występowania wypływek na bokach rowka, tworzonego narożem ziarna ściernego, decyduje relacja między oporem bocznym przepływu materiału a oporem przemieszczania materiału wzdłuż powierzchni natarcia ostrza. Obniżanie ciśnienia, powodując wzrost współczynnika tarcia, sprzyja zwiększeniu oporów bocznego przepływu materiału. 2. MODERNIZACJA STANOWISKA BADAWCZEGO Stanowisko zastosowane w pierwszej serii badań umożliwiało realizację procesu skrawania z szybkością 2,5 i 5 m/min. Uzasadnione to było dążeniem do ograniczenia ilości ciepła w strefie skrawania oraz przeświadczeniem, że w praktycznych zastosowaniach *Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie
obróbki ściernej w superniskich temperaturach przeważać będą procesy docierania i gładzenia. Wadą natomiast tego rozwiązania wydawało się być ograniczona możliwość rozszerzenia interpretacji wyników badań na powszechniej stosowane procesy obróbcze. Z tego względu zmodernizowano stanowisko zmieniając kinematykę układu obróbkowego dzięki czemu istnieje możliwość dokonywania różnych rodzajów obróbki jak: skrawanie wiórowe oraz obróbka ścierna za pomocą osełki elastycznej. Modernizacji dokonano w ten sposób, że w komorze próżniowej umieszczono miniobrabiarkę umożliwiającą realizację różnych rodzajów obróbki: ostrza skrawającego zamocowanego sztywno, osełki elastycznej zamocowanej sztywno, osełki sztywnej zamocowanej podatnie, pojedynczego ziarna ściernego zamocowanego podatnie, tarczy docierającej, tarczy polerującej. Rys. 1. Schemat zmodyfikowanego stanowiska badawczego. Zbudowane stanowisko umożliwia wykorzystanie dwóch rodzajów próbek: walcowych i czołowych. Próbka mocowana jest na pionowym wrzecionie na stożkowym czopie i podczas obróbki wykonuje ruch obrotowy. Regulacja prędkości obrotowej silnika realizowana jest z wykorzystaniem układu tyrystorowego. Dzięki takiemu rozwiązaniu
możliwa jest płynna regulacja prędkości obrotowej próbki w zakresie 40 400 obr/min, co umożliwia uzyskanie szybkości skrawania 6 60 m/min w obróbce wiórowej i poprzednio przyjętą 2 5 m/min w obróbce osełkami. Suport narzędzia skrawającego przesuwany jest na czterech prowadnicach tocznoślizgowych. Napęd posuwu zapewnia śruba pociągowa napędzana motoreduktorem. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie takiego samego posuwu dla różnych prędkości obrotowych próbki p o nom = 1 mm/obr próbki. Podczas prób skrawania próbka wykonuje ruch obrotowy, a suport z ostrzem skrawającym przesuwa się w kierunku pionowym. Dzięki specjalnym mikrowyłącznikom zapewnione jest zatrzymanie suportu w skrajnych położeniach, jak również automatyczna zmiana kierunku, dzięki czemu możliwe było wykonanie prób docierania i gładzenia. Stanowisko zapewnia prowadzenie prób zarówno w temperaturze otoczenia jak i w niskich temperaturach pod ciśnieniem otoczenia jak i w próżni. W tym celu próbki posiadają wolną przestrzeń wewnętrzną do której wprowadzany jest ciekły azot w celu wychłodzenia badanego materiału. Przewód doprowadzający azot znajduje się wewnątrz wrzeciona. Jednym ze źródeł przewidywanych efektów obróbki w próżni jest fakt, że błona tlenkowa, występująca na powierzchni metalu w atmosferze otoczenia spełnia rolę bariery zabezpieczającej przed dyslokacjami. Zastosowanie próżni miało na celu usunięcie tej bariery, bowiem, mimo staranności w konwencjonalnym oczyszczaniu powierzchni próbek występowały na ich powierzchni warstwy tlenkowe. W celu usunięcia tych warstw zastosowano źródło jonów typu Kaufmana umieszczone w komorze próżniowej. Przed procesem skrawania powierzchnia próbki jest oczyszczana strumieniem jonów emitowanych przez źródło jonów zamontowane po przeciwnej stronie próbki w stosunku do suportu narzędzia skrawającego. Źródło to przeznaczone jest do wytwarzania szerokiej wiązki jonów o energii do 1,5 kev. Ze względu na niską energię wiązki jonów i typowo fizyczny charakter rozpylania szybkości usuwania monowarst są małe, rzędu kilku do kilkunastu nm/min. Źródło posiada gabaryty 164x114x125 mm. Przewidziano poziomą pracę źródła z prostokątną wiązką jonów o wymiarach jonów 40X80 mm, gazu szlachetnego - argonu. Źródło posiada termokatodę wolframową 0,185 m x 80 mm, anodę, układ magnetyczny zbudowany na magnesach ze stopów neodymu, żelaza i boru oraz siatki ekstrakcyjne z blachy molibdenowej. Izolację źródła zapewniają przepusty ceramiczne spełniające rolę elementów montażowych dla innych części. Parametry pracy źródła: E j = 520eV 1500eV, I j = 0 1 ma/cm 2, p = 2 5 x 10-4 mbara. Źródło zasilane jest prądem stałym o parametrach: katoda - U K = 12V I K = 10A, anoda - U A = 60V I A = 2,5A, układ ekstrakcyjny - U E = 1500V I E = 100mA. W celu umożliwienia bardziej jednoznacznej interpretacji wyników i ograniczenia pola szumów zmieniono również technologię przygotowania próbek. W serii badań wstępnych próbki szlifowano a następnie docierano do chropowatości wyjściowej R a <0,1 mm. Mimo tak nieznacznej chropowatości pojawiały się trundności interpretacyjne przy pomiarze rowka i wypływek, szczególnie na początku tworzenia się rysy a więc w obszarze najbardziej nas interesującym, ponieważ głębokość rysy nieznacznie różniła się od chropowatości wyjściowej. Obecnie próbki po szlifowaniu poddawane są wygładzaniu
oscylacyjnemu za pomocą specjalnie zbudowanego w katedrze urządzenia z zastosowaniem taśm ściernych. Pozwala to na uzyskanie chropowatości wyjściowej próbki od R a =0,03 mm dla próbek stalowych do R a =0,07 mm dla aluminiowych. Rozszerzeniem możliwości interpretacyjnych jest również zastosowanie specjalnej kolorowej kamery przemysłowej CCD typu WV-KS152 firmy Panasonic o średnicy 17 mm, przystosowanej do pracy w komorze próżniowej o ciśnieniu 1*10-6 hpa i umieszczonej nad narzędziem skrawającym. Podczas badań przewidziano wykorzystanie obiektywów: szerokokątnego GP-LM7TA o ogniskowej f = 7,5 mm i polu obserwacji 25,5x20 mm, otworkowego GP-LP12TA o ogniskowej f = 7 mm i polu obserwacji 27x20,5 mm, teleobiektywu GP-LM24TA o ogniskowej f = 24 mm i polu obesrwacji 9x6,3 mm. Powierzchnia obrabiana oświetlana jest światłem doprowadzonym światłowodem z oświetlacza medycznego typu Diafanoskop. Dzięki zastosowaniu kamery możliwe jest rejestrowanie obrazu przebiegu procesu tworzenia się wióra. Rejestracja obrazu dokonywana jest bezpośrednio do komputera przy wykorzystaniu programu MultinScan firmy CSS oraz karty grafiki typu frame grabber - Show-Time plus. Zarejestrowany obraz można następnie poddać analizie wykorzystując funkcje filtrujące i pomiarowe programu MultiScan np. pomiar powierzchni, odcinak, krzywej, kąta, obwodu wybranego elementu na obrazie. Wyniki analizowanego obrazu możemy otrzymać w postaci zmodyfikowanego obrazy, ciągu liczb charakteryzujących analizowany obraz lub wykresów będących wizualizacją powyższych ciągów liczb. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Przedstawione wyniki badań przeprowadzono przed zmodyfikowaniem stanowiska, bez zastosowania oczyszczania jonowego. Otrzymane wyniki obrazują przebiegi zależności k = f (hr ) dla badanych materiałów (rys. 2 5). 1.5 Stal 40H 2*10-5 hpa 10 3 hpa 1 0.5 k 0-0.5-1 -1.5 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 hr [ m m]
Rys. 2. Porównanie zależności k = f (h r ) dla rys wykonanych na stali 40 H w atmosferze otoczenia i pod ciśnieniem otoczenia oraz w próżni 1.2 Mosiądz MO 58 2*10-5 hpa 10 3 hpa 1 0.8 k 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 hr [ m m] Rys. 3. Porównanie zależności k = f (h r ) dla rys wykonanych na mosiądzu MO 58 w atmosferze otoczenia i pod ciśnieniem otoczenia oraz w próżni 1.2 Miedź M1E 2*10-5 hpa 10 3 hpa 0.8 0.4 k 0-0.4-0.8 0 2 4 6 8 10 12 14 hr [ m m] Rys. 4. Porównanie zależności k = f (h r ) dla rys wykonanych na powierzchni miedzi M1E w atmosferze otoczenia i pod ciśnieniem otoczenia oraz w próżni Dla stali i mosiądzu widoczny jest szybki wzrost współczynnika k w obszarze rozpoczynania procesu mikroskrawania (w warunkach zagłębień wzrastających od wartości zerowej). Dla stali znaczny, korzystny dla efektywności mikroskrawania, wzrost współczynnika k następuje już dla zagłębień ostrza większych od 0,6 mm (rys. 2), natomiast dla mosiądzu dla rys głębszych od 2 mm (rys. 3.). Dla materiałów o większej plastyczności
(miedź, aluminium) wzrost współczynnika k ma przebieg łagodniejszy i równomierny ze wzrostem głębokości hr (rys. 4, 5). Stop aluminium PA 4 1.2 2.1*10-5 hpa 10 3 hpa 0.8 0.4 k 0-0.4-0.8 0 4 8 12 16 20 24 hr [ mm] Rys. 5. Porównanie zależności k = f (h r ) dla rys wykonanych na powierzchni stopu aluminium PA4 w atmosferze otoczenia i pod ciśnieniem otoczenia oraz w próżni W przypadku stali 40 H dla wszystkich głębokości rys, widoczne jest zwiększenie efektywności skrawania realizowanego w próżni (rys. 2). Dla zagłębień ostrza do 1,5 mm wzrost ten jest znaczny, np. przy hr = 0,9 mm k dla rysy wykonanej w próżni wynosi 0,6, a dla rys wykonanych pod ciśnieniem otoczenia tylko 0,1. W badaniach mikroskrawania mosiądzu MO 58 zaobserwowano spadek efektywności mikroskrawania dla głębokości rys mniejszych od hr = 4,2 mm, co uwidaczniają mniejsze wartości współczynnika k dla rysy wykonanej w próżni. Różnice wartości k dla tych samych głębokości rys w próżni i w atmosferze otoczenia są znaczne i dochodzą do 0,5. Niewielki wzrost efektywności skrawania w próżni rejestrowano dopiero po zagłębieniu ostrza powyżej 7 mm. Zjawisko to wymaga dalszych prac badawczych z wykorzystaniem bardziej rozbudowanego stanowiska, które umożliwiałoby trawienie jonowe powierzchni w komorze próżniowej przed rozpoczęciem mikroskrawania Analiza wyników obróbki miedzi M1E w próżni dowodzi, że przy zagłębieniu się ostrza skrawającego do głębokości 7 mm następuje wzrost efektywności skrawania. Powyżej tej głębokości następuje obniżenie się wartości współczynnika k dla rys utworzonych w próżni w porównaniu z rysami wykonanymi pod ciśnieniem otoczenia. W przypadku mikroskrawania aluminium PA4, w całym zakresie badanych głębokości skrawania, nastąpił wzrost wartości współczynnika k dla rys wykonanych w próżni. W początkowym zakresie głębokości, różnica wartości współczynnika k dla próżni i otoczenia jest stała, a od głębokości hr = 12 mm zwiększała się, osiągając maksymalną wartość 0,3 dla zagłębień ostrza wynoszących 20 mm.
4. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonej analizy teoretycznej oraz badań eksperymentalnych dotyczących wpływu próżni na proces mikroskrawania, można sformułować następujące wnioski: obniżenie ciśnienia w przestrzeni roboczej do wartości 2*10-5 hpa polepsza warunki skrawania większości obrabianych materiałów, obróbka w próżni pozwala usuwać z powierzchni przedmiotu warstwy o mniejszej głębokości w warunkach mniejszych odkształceń plastycznych, czyli możliwe jest obniżenie minimalnej grubości warstwy od której rozpoczyna się proces mikroskrawania, może to prowadzić do polepszenia dokładności obróbki i obniżenia chropowatości powierzchni, skrawanie stali w stanie ulepszonym w próżni powinno przynieść znaczny wzrost efektywności obróbki, gdyż jak wykazały badania, współczynnik k osiąga większe wartości w próżni niż pod ciśnieniem otoczenia w całym zakresie zagłębień ostrza, zastosowanie skrawania w próżni w przypadku mosiądzu MO 58 nie przyniosło oczekiwanych efektów, gdyż obserwowano spadek wartości współczynnika k dla rys wykonanych pod obniżonym ciśnieniem, lecz wymaga to jak opisano wcześniej dalszych badań, wykorzystanie korzystnego wpływu próżni na proces mikroskrawania miedzi M1E może być ograniczone wartościami zagłębień ostrza powyżej których następuje znaczący wzrost efektywności skrawania, aluminium PA4 jest materiałem dla którego zastosowanie mikroskrawania w próżni może przynieść efekty w całym zakresie badanych głębokości, co ułatwi sterownie procesem obróbki, gdyż daje do dyspozycji większy zakres głębokości skrawania, przeprowadzone badania udowodniły, że obniżenie ciśnienia otoczenia wpływa korzystnie na proces mikroskrawania, powodując wzrost jego efektywności LITERATURA [1] BORKOWSKI J.: Podstawy stosowania monokrystalicznych ziarn węglika krzemu w obróbce ściernej. Monografie Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Koszalinie, 1979. [2] KACALAK W., KAPŁONEK S.: Wybrane aspekty nieciągłości procesu powstawania wióra podczas skrawania ściernego. Materiały V Międzynarodowej Konferencji "Postępy w teorii i technice obróbki materiałów- Obróbka ścierna, materiały i narzędzia ścierne", Kraków 1979, s.17-20. [3] KACALAK W., WOŹNIAK K.: Wpływ kształtu ziarn ściernych na przebieg i wyniki szlifowania. Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń 1/1980, s.37-49.
[4] KACALAK W:. Wyznaczenie trwałości narzędzi ściernych z uwzględnieniem losowego charakteru procesu szlifowania z nałożonymi warunkami ograniczającymi, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Politechnika Poznańska nr 30/84 Poznań, 1984 r. s. 151-156. [5] KACALAK W.: Wprowadzenie do modelowania procesów szlifowania z uwzględnieniem probabilistycznego charakteru topografii powierzchni oraz zużycia ściernicy. Prace XI Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej. Łódź 1988, s.7-16. [6] KACALAK W., LEWKOWICZ R.: Wybrane problemy mikroskrawania w próżni. XVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej Kraków-Myślenice, wrzesień 1994, s. 101-108. [7] MARCINIAK M., PLUCIŃSKI E.: Model tribologiczno - energetyczny obróbki ściernej. Prace X Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej. Wrocław 1987, s.259-264. [8] OCZOŚ K., PORZYCKI J.: Szlifowanie. Podstawy i technika. WNT Warszawa 1986. [9] OSTROWSKI W.J.: Teoreticeskie osnovy processa slifovania. Wyd. Uniwersytetu Leningradzkiego, Leningrad 1981. STRESZCZENIE: MICROCUTTING IN VACUUM AFTER SURFACE LAYER CLEANING WITH ION BEAM A microcutting in vacuum after surface layer cleaning with ion beam and construction of experimental stand are presented in the paper. Finally some results of experiments are discussed. As a result of removal of oxide film from surface layer of treating materials right before cutting, effectiveness of microcutting is improved.