BADANIA STANU POWIERZCHNI MATERIA U CERAMICZNEGO PO SZLIFOWANIU Z DOSUWEM NANOMETRYCZNYM

K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 4 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 WOJCIECH MUSIA BADANIA STANU POWIERZCHNI MATERIA U CERAMICZNEGO PO SZLIFOWANIU Z DOSUWEM NANOMETRYCZNYM W artykule przedstawiono charakterystyki SGP ceramiki technicznej uzyskane w warunkach plastycznego p yni cia materia u obrabianego. Badania wykonano na stanowisku badawczym zaprojektowanym do prowadzenia procesu mikroszlifowania z dosuwem nanometrycznym. Do monitorowania procesu mikroszlifowania wykorzystano system emisji akustycznej (EA). Dosuw wg bny uzyskano z wykorzystaniem si ownika piezoelektrycznego. S owa kluczowe: mikroszlifowanie, nanodosuw, ceramika korundowa, plastyczne p yni cie 1. WPROWADZENIE Szlifowanie materia ów kruchych w warunkach plastycznego (ci gliwego) usuwania materia u jest mo liwe dzi ki zastosowaniu dosuwu o du ej dok adno- ci, rz du warto ci nanometrycznych. Proces ten wype nia luk mi dzy klasycznym szlifowaniem (z dok adno ci mikrometryczn, najcz ciej w warunkach kruchego p kania materia u obrabianego) a docieraniem i polerowaniem, podczas których kruche p kanie nie zachodzi, ale charakteryzuj si one ma wydajno ci i nie s zdeterminowane wymiarowo [2]. Wydaje si, e w procesie szlifowania w warunkach ci gliwego usuwania materia u mo na po czy pozytywne cechy szlifowania oraz docierania i polerowania, szczególnie je li chodzi o osi galn dok adno obróbki materia ów ceramicznych [1, 2]. Prowadzenie procesu szlifowania w warunkach plastycznego p yni cia materia u jest trudne w praktyce ze wzgl du na konieczno zapewnienia du ej sztywno ci mechanicznej podczas obróbki oraz u ycie dosuwu nanometrycznego [3]. Materia ceramiczny poddany napr eniom powstaj cym pod wp ywem pracy ziaren ciernych ulega zniszczeniu w sposób nag y, bez fazy plastycznego p yni cia charakterystycznej dla materia ów metalowych. Materia y ceramiczne o du ej czysto ci chemicznej ulegaj zniszczeniu w sposób katastrofalny [2]. Dr in. Katedra In ynierii Produkcji Politechniki Koszali skiej.

12 W. Musia Rys. 1. Widok ogólny stanowiska badawczego Fig. 1. General view of investigation stand Podj te próby szlifowania w warunkach plastycznego p yni cia materia u wykaza y, e szlifowanie to mo e zmniejszy stopie zdefektowania powierzchni szlifowanej oraz warstwy przypowierzchniowej, jak równie zwi kszy dok adno wymiarow obrabianego materia u [4]. Zbudowano stanowisko badawcze spe niaj ce wymogi procesu szlifowania w warunkach ci gliwego usuwania materia u (rys. 1) oraz umo liwiaj ce identyfikacj progu przej cia mi dzy kruchym a plastycznym mechanizmem usuwania materia u. Na stanowisku tym zastosowano wysokoobrotowe elektrowrzeciona charakteryzuj ce si du sztywno ci i precyzj wykonania. Skonstruowano zespó dosuwu nanometrycznego, zapewniaj cy prowadzenie szlifowania poni ej warto ci progowej wnikania ziaren ciernych w materia obrabiany. Dzi ki temu mo liwe by o oddzielanie materia u szlifowanego metod plastycznego p yni cia przy znacznej redukcji mechanizmu kruchego p kania. 2. METODYKA BADA Badania do wiadczalne podzielono na dwa etapy. Na pierwszym etapie okre- lano warunki obróbki materia u ceramicznego, w których uzyskiwano najmniej defektów na powierzchni obrabianej, oraz ustalano zakres zmiennej g boko ci wnikania ziaren ciernych w obrabiany materia (redukcji warstwy skrawanej przypadaj cej na jeden obrót ciernicy). Badania wst pne procesu mikroszlifowania prowadzono, modyfikuj c warto dosuwu od 100 nm/s przez 500 nm/s do maksymalnej warto ci 2,5 m/s.

Badania stanu powierzchni materia u ceramicznego 13 W celu zdynamizowania zmian przekroju warstwy skrawanej przypadaj cej na jeden obrót ciernicy pr dko szlifowania równie modyfikowano. W tablicy 1 przedstawiono teoretyczn warto wnikania ziaren ciernych w materia obrabiany, przypadaj c na jeden obrót ciernicy, dla ró nych pr dko ci obrotowych wrzeciona i zmiennych warto ci dosuwu. Parametry obróbkowe zastosowane w badaniach rozpoznawczych Machining parameters used in cognitive investigations Tablica 1 Dosuw 28 tys. obr/min 51 m/s 23 tys. obr/min 42 m/s Pr dko obrotowa 15 tys. obr/min 27 m/s 10 tys. obr/min 18 m/s 5 tys. obr/min 9 m/s 100 nm/s 0,2 nm/obr 0,26 nm/obr 0,4 nm/obr 0,6 nm/obr 1,2 nm/obr 500 nm/s 1,07 nm/obr 1,2 nm/obr 2 nm/obr 3 nm/obr 6 nm/obr 2,5 m/s 5,3 nm/obr 6,5 nm/obr 10 nm/obr 15 nm/obr 30 nm/obr Defekty powstaj ce w pierwszej fazie kontaktu ziaren ciernych z materia em obrabianym mog si ga g boko w warstw wierzchni materia u szlifowanego. Defekty te mog by trudne do usuni cia nawet na kolejnych etapach obróbki. Dlatego podczas szlifowania zastosowano monitorowanie za pomoc sygna u EA zbli ania ziaren ciernych do materia u obrabianego (rys. 2). Rys. 2. Identyfikacja kontaktu ziaren ciernych z materia em obrabianym (sygna EA) Fig. 2. Identification of abrasive grains material contact (AE signal) Na drugim etapie okre lano próg przej cia mi dzy kruchym a plastycznym mechanizmem usuwania materia u, porównuj c wyst powanie defektów na powierzchni i w warstwie wierzchniej obrabianego materia u.

14 W. Musia Parametry wej ciowe do zasadniczego eksperymentu Input parameters for fundamental experiment Tablica 2 Dosuw 28 tys. obr/min 51 m/s 23 tys. obr/min 42 m/s Pr dko obrotowa 15 tys. obr/min 27 m/s 10 tys. obr/min 18 m/s 5 tys. obr/min 9 m/s 500 nm/s 1,07 nm/obr 1,2 nm/obr 2 nm/obr 3 nm/obr 6 nm/obr Badano równie warunki obci gania i kondycjonowania ciernicy diamentowej u ytej podczas szlifowania w warunkach plastycznego p yni cia materia u obrabianego. Ze wzgl du na specyfik szlifowania materia u ceramicznego, który jest podatny na propagacj kruchego p kania, stan powierzchni czynnej narz dzia ciernego (CPS) ma du y wp yw na jako otrzymywanych powierzchni, a co za tym idzie, na ilo defektów w warstwie wierzchniej obrabianego materia u. Do obci gania i kondycjonowania wykorzystano ró nic pr dko ci obrotowej ciernicy i obci gacza (q 0 ). Zastosowanie sto u krzy owego CNC pozwoli o na kondycjonowanie ciernicy bez zmiany uk adu obróbkowego (w cyklu automatycznym) (rys. 3). Do nap du obci gacza u yto elektrowrzeciona typu EV-70/70-2WB o mocy 5,2 kw, a do nap du ciernicy wrzeciona typu mw 9/10-4 o mocy 17 kw. Rys. 3. Sposób kondycjonowania ciernicy Rys. 3. Way of realization of grinding wheel conditioning

Badania stanu powierzchni materia u ceramicznego 15 Plan badawczy obci gania i kondycjonowania ciernicy diamentowej Research plan for dressing and conditioning process Tablica 3 Pr dko obci gacza Pr dko ciernicy 5 tys. obr/min 10 tys. obr/min 23 tys. obr/min 5 tys. obr/min 5/5 q 0 = 1 5/10 q 0 = 0,5 5/23 q 0 = 0,21 8 tys. obr/min 8/5 q 0 = 1,6 8/10 q 0 = 0,8 8/23 q 0 = 0,34 G boko obci gania = 3 m W badaniach stosowano obci gacz kr kowy D0.150.35 5 10-5 z ziarna 1001 100M oraz ciernice diamentowe: 35 5 10/D25 mm (ziarno 40/28) o twardo ci S. Jako spoiwa u yto V4 dewertyfikatu cynkoborokrzemicznego ZnOB 2 O 3 SiO 2. ciernic diamentow kondycjonowano ruchem posuwisto-zwrotnym wzd u osi obrotu ciernicy i obci gacza kr kowego, dosuwaj c o obrotu ciernicy do osi obrotu obci gacza diamentowego. Maksymalny dosuw obci gacza w kierunku ciernicy ustalono w przedziale od 2 do 3 m (dla tych warto ci g boko ci otrzymywano najlepsze w a ciwo ci skrawne ciernicy). W przypadku zwi kszenia g boko ci dosuwu obci gacza do 10 m obserwowano wyrywanie i wykruszanie ziaren ciernych z osnowy spoiwa ciernicy. W procesie obci gania monitorowano zmiany mocy wrzecion w czasie kontaktu ciernicy z obci gaczem. Ka dorazowe zag bienie ostrzy obci gacza poprzedza cykl przej ciernicy wzd u osi obrotu obci gacza z posuwem wynosz cym 1000 mm/min. Liczb przej wyrównuj cych powierzchni ciernicy ustalono eksperymentalnie (najlepsz popraw okr g o ci ciernicy uzyskiwano, gdy obci gacz przechodzi wzd u osi obrotu ciernicy od 10 do 20 razy). Badania polegaj ce na ustaleniu optymalnej pr dko ci obci gacza wzgl dem ciernicy w celu uzyskania równomiernego u o enia wierzcho ków ziaren ciernych na powierzchni czynnej ciernicy wykaza y, e przy pr dko ci obwodowej obci gacza rolkowego v d = 9 m/s oraz pr dko ci ciernicy diamentowej v c = 42 m/s ( rednica ciernicy i obci gacza wynosi a 35 mm), czyli przy ró nicy pr dko ci wynosz cej 33 m/s (stosunek pr dko ci obrotowej obci gacza do ciernicy q 0 = 8/23), osi gni to najlepsze rezultaty. Ca kowity b d kszta tu ciernicy (rms) dla przedstawionych parametrów obci gania nie przekroczy 0,56 m. W badaniach zaobserwowano prawid owo stopniowego polepszania jako- ci powierzchni czynnej ciernicy (CPS) w procesie obci gania podczas zwi kszania ró nicy pr dko ci obrotowej obci gacza i ciernicy diamentowej. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADA Zgodnie z przyj t metodyk bada wykonano seri prób mikroszlifowania w warunkach plastycznego p yni cia materia u obrabianego i uzyskano próbki powierzchni materia u szlifowanego (korundu spiekanego o du ej zawarto ci

16 W. Musia Al 2 O 3 99,7% producent Boguchwa a Cerel). Badania prowadzono ze zmiennymi parametrami szlifowania, wi c powierzchnie charakteryzowa y si odmienn jako ci. Powierzchnie uzyskane w procesie szlifowania poddano analizie za pomoc profilometru HOMMEL-TESTER T8000, wyposa onego w g owic pomiarow typu Waveline 60 Basic. Do analizy topografii powierzchni wykorzystano oprogramowanie MountainsMap Universal 3.1.0 (Digital Surf). W wyniku analiz otrzymano informacje o parametrach opisuj cych w sposób jako ciowy i ilo ciowy stan powierzchni obrobionych, a tak e o defektach na powierzchni materia u szlifowanego (obrazy 3D). Analizowano nast puj ce parametry chropowato ci: redni arytmetyczn rz dnych profilu chropowato ci powierzchni Ra, ca kowit wysoko profilu Rt, wysoko profilu wed ug 10 punktów Rz, a tak e parametry opisuj ce topografi powierzchni (warto redniego arytmetycznego odchylenia powierzchni Sa, rednie kwadratowe odchylenie chropowato ci powierzchni Sq, ca kowit wysoko chropowato ci powierzchni St, wysoko chropowato ci powierzchni wed ug 10 punktów Sz, redni odst p miejscowych wzniesie chropowato ci powierzchni Sp, g boko najni szego wg bienia chropowato ci powierzchni Sv) oraz wybrane parametry obj to ciowe pozwalaj ce na rozró nianie powierzchni o tej samej warto ci Sa (Smmr, SHtp, Smvr). Na rysunku 4 przedstawiono zbiorcze wyniki porównania analizowanych powierzchni, zgodnie z przyj t metodyk bada. Obserwowano zmiany jako ci powierzchni obrabianych spowodowane zmian warstwy skrawanej przypadaj cej na jeden obrót ciernicy. G ównym celem analiz warstwy wierzchniej obrabianego materia u ceramicznego by o okre lenie zmian jako ci powierzchni na skutek zmiany mechanizmu usuwania materia u obrabianego w strefie szlifowania (kruchy/plastyczny) [4]. Na rysunku 5 przedstawiono powierzchnie 3D, które stanowi cyfrowe projekcje powierzchni obrabianej (opcja: wizualizacja fotograficzna). Powierzchnia obrabiana z parametrami obróbki z przedzia u od 5 tys. obr/min do 23 tys. obr/min, co odpowiada zmianom pr dko ci szlifowania w zakresie od 9 m/s do 42 m/s, charakteryzuje si znacznym zró nicowaniem. Natomiast gdy parametry szlifowania mie ci y si w przedziale od 23 tys. obr/min do 28 tys. obr/min (co odpowiada pr dko ci szlifowania v c od 42 m/s do 51 m/s), powierzchnie wykazywa y równowa ne walory jako ciowe, podobnie jak to pokaza a analiza obrazów skaningowych. Z analizy tych powierzchni wynika, e wraz ze zmniejszeniem grubo ci warstwy skrawanej zmniejsza si chropowato powierzchni. Analiza parametru Ra powierzchni szlifowanych z pr dko ci obrotow ciernicy mieszcz c si w przedziale 28 23 tys. obr/min (v c = 51 42 m/s) oraz g boko ci wnikania narz dzia ciernego od 0,2 do 0,26 nm/obr ciernicy wykaza a brak znacz cej ró nicy mi dzy analizowanymi powierzchniami, gdy dosuw mie ci si w przedziale od 100 nm/s do 500 nm/s (rys. 5).

Badania stanu powierzchni materia u ceramicznego 17 Rys. 4. Porównanie topografii powierzchni szlifowanych Fig. 4. Comparison of ground surfaces topography Rys. 5. rednie warto ci parametru Ra uzyskane dla zmiennych warto ci przekroju warstwy skrawanej Fig. 5. Mean values of Ra parameter obtained for changeable values of machined layer

18 W. Musia Badania potwierdzi y, e wraz ze wzrostem pr dko ci szlifowania zmniejszeniu ulega równie warto redniego arytmetycznego odchylenia chropowato ci powierzchni Sa. Dla warstwy skrawanej wynosz cej oko o 1 nm/obr ciernicy parametr Sa uzyska warto blisk 0,2 m. Wraz ze wzrostem grubo ci warstwy skrawanej nast puje wzrost warto ci parametru Sa, który dla 6 nm/obr ciernicy osi ga warto ponad 0,6 m. Analiza parametru Sa dla pr dko ci obrotowej ciernicy wynosz cej odpowiednio 28 tys. obr/min (0,2 nm/obr ciernicy dla dosuwu 100 nm/s), 23 tys. obr/min (0,26 nm/obr ciernicy przy dosuwie 100 nm/s) oraz 500 nm/s (1,07 nm/obr ciernicy, a tak e 1,2 nm/obr ciernicy) wykaza a brak znacz cych zmian parametru Sa. 4. PODSUMOWANIE Porównanie obrazów cyfrowych analizowanych powierzchni pozwala na wyci gni cie wniosku, e ró ni si one przede wszystkim chropowato ci i porowato ci. Na powierzchniach uzyskanych z mniejszymi pr dko ciami szlifowania widoczne s ubytki warstwy przypowierzchniowej materia u obrabianego. Próbki wykazuj wi ksz porowato w porównaniu z powierzchniami uzyskanymi z wi kszymi pr dko ciami szlifowania (mniejsza warstwa skrawana przypadaj ca na jeden obrót ciernicy). Defekty na powierzchni obrobionej przy nastawach parametrów obróbkowych: 5 tys. obr/min i dosuwie wg bnym wynosz cym 2,5 m/s charakteryzuj si du g boko ci i znaczn porowato ci struktury przypowierzchniowej obrabianego materia u. Powierzchnie kszta towane z parametrami mieszcz cymi si w przedziale 23 28 tys. obr/min (i dosuwem 500 nm/s oraz 100 nm/s) odznaczaj si najwi kszym wyg adzeniem, cho i w tym przypadku wyst puj defekty na powierzchni obrabianej materia u ceramicznego. Analiza topografii powierzchni uzyskanych w procesie szlifowania, w którym g boko wnikania ziaren ciernych w obrabiany materia by a ma a, wskazuje, e charakteryzuj si one ograniczon okresowo ci, o czym wiadczy jednostronny krótkofalowy charakter zanikania funkcji autokorelacji. Na powierzchniach otrzymanych z dosuwami 500 nm/s i 2,5 m/s oraz z pr dko ci obrotow ciernicy 10 i 5 tys. obr/min nie obserwowano defragmentacji materia u obrabianego, jednak warto parametru Sk (wysoko ci chropowato ci rdzenia powierzchni) wzrasta a powy ej 1 m wraz ze wzrostem Svk (zredukowanej g boko ci wg bie powierzchni) od 1,5 do prawie 2 m. Natomiast dla powierzchni o mniejszym zdefektowaniu parametr Svk przyjmowa warto ci zbli one do Sk. Anizotropowo powierzchni, charakterystyczna dla szlifowania z du g boko ci wnikania ziaren ciernych w obrabiany materia, jest ograniczona w badanym procesie szlifowania. W tym przypadku nanometryczny dosuw oraz

Badania stanu powierzchni materia u ceramicznego 19 du a pr dko szlifowania wp ywaj na zmniejszenie grubo ci warstwy skrawanej przypadaj cej na jeden obrót ciernicy. To w konsekwencji powoduje zag bienie si wierzcho ków ziaren ciernych w obrabiany materia znacznie poni ej 1 m. Stosunkowo du e warto ci parametrów amplitudowych analizowanej powierzchni s konsekwencj porowatej struktury szlifowanej ceramiki. W trakcie szlifowania struktura warstwy przypowierzchniowej materia u obrabianego ulega a otworzeniu (szczególnie przy ma ych pr dko ciach szlifowania). Na powierzchni obrobionej tworzy y si przypadkowo roz o one, g bokie pojedyncze wg bienia, z regu y o ma ej obj to ci. Obj to materia u we wg bieniach powierzchni wykazuj cych wi cej defektów w warstwie przypowierzchniowej zwi ksza a si (Smr) w porównaniu z powierzchniami uzyskanymi z wi ksz pr dko ci szlifowania. Taka struktura powierzchni wp ywa na kszta t krzywej no no ci (wysoko obszaru no no ci SHTp). LITERATURA [1] Bifano T. G., Birden P.A., Fixed abrasive grinding of brittle hard disk substrates, Int. Mach. Tools Manufact., 1997, vol. 37, no 7, s. 935 946. [2] Bifano T. G., Dow T. A., Scattergood R. O., Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials, Tran. ASME, J. Eng. Ind., 1991, vol. 113, no 2, s. 184 189. [3] Brussel H. van, Reynaerts D., Vanherck P., Versteyhe M., Devos S., A Nanometre- Precision, Ultra-Stiff Piezostepper Stage for ELID Grinding, Annals of the CIRP 2003, vol. 52/1, s. 317. [4] Musia W., Possibilities of obtaining smooth surfaces in the process of microgrinding under conditions of plastic flow of brittle materials, Advances in Manufacturing Science and Technology, 2004, vol. 28, no 2, s. 29 36. Praca wp yn a do Redakcji: 15.03.2009 Recenzent: Prof. Dr Euro-Ing. Andrzej Koziarski INVESTIGATION OF CERAMICS MATERIAL SURFACE STATE AFTER MICROGRINDING PROCESS WITH NANO FEED-IN S u m m a r y This paper presents characteristics SGP of geometric surface texture of industrial ceramics after ductile-regime grinding. Investigations were carried out on the stand designed for microgrinding with nanometric feed-in. In order to realize the microgrinding process monitoring, acoustic emission (AE) system was used. Feed-in was realized using linear piezoelectric actuator Key words: microgrinding, nano feed-in, Alumina ceramics (Al 2 O 3 ), ductile-regime grinding