KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 WOJCIECH MUSIAŁ *, ZBIGNIEW SUSZYŃSKI **, PIOTR MAJCHRZAK *** BADANIA WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁU CERAMICZNEGO W PROCESIE MIKROSZLIFOWANIA Z WYKORZYSTANIEM ANALIZY TERMOFALOWEJ W artykule przedstawiono wyniki badań warstwy wierzchniej ceramiki korundowej Al 2 O 3 po szlifowaniu, uzyskanej w warunkach plastycznego płynięcia materiału. Zamieszczono wyniki analiz termofalowych warstwy wierzchniej szlifowanego materiału, umożliwiające wyznaczenie profilu głębokościowego przewodności cieplnej tej warstwy. Słowa kluczowe: mikroszlifowanie, nanodosuw, przewodność, efuzyjność, dyfuzyjność. WPROWADZENIE Intensywność uszkodzeń warstwy wierzchniej materiału szlifowanego decyduje o jego przydatności do zastosowań technicznych. Szczególnie dotyczy to tlenkowych materiałów ceramicznych, które odznaczają się dużą kruchością i podatnością na propagację pęknięć w głąb materiału obrabianego. W procesie szlifowania ściernica diamentowa, będąca w kontakcie z materiałem obrabianym, usuwa określoną warstwę materiału ceramicznego, powodując niszczenie warstwy wierzchniej na skutek rozprzestrzeniania się kruchego pękania. Proces szlifowania w warunkach plastycznego płynięcia materiału ceramicznego umożliwia redukcję zjawiska kruchego pękania lub nawet całkowite jego wyeliminowanie []. W artykule zaprezentowano wyniki analizy powierzchni uzyskanych na specjalnie zaprojektowanym stanowisku badawczym, umożliwiającym mikroszlifowanie ceramiki korundowej (Al 2 O 3 ). Zastosowanie w badaniach zespołu dosuwu nanometrycznego pozwoliło zminimalizować głębokość wnikania ziaren ściernych w obrabiany materiał [3]. * Mgr inż. Katedra Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej. ** Dr hab. inż. *** Mgr inż. Katedra Inżynierii Komputerowej Politechniki Koszalińskiej.
58 W. Musiał, Z. Suszyński, P. Majchrzak Powierzchnie szlifowane w warunkach ciągliwego usuwania materiału charakteryzują się małą ilością defektów i wyraźnie lepszą jakością niż powierzchnie uzyskiwane w procesie szlifowania z dużą głębokością wnikania ziaren ściernych i z mniejszymi prędkościami szlifowania (większa grubość warstwy skrawanej, dominującym mechanizmem usuwania materiału jest kruche pękanie; rys. ). h c = b E H Kc H 2 Ziarno ścierne Progowa głębokość wnikania ziarna w materiał Kruche pękanie Odkształcenie plastyczne Rys.. Mechanizm usuwania materiału ceramicznego w procesie szlifowania w warunkach plastycznego płynięcia materiału; wskaźnik kruchości materiału ceramicznego, definiowany jako stosunek twardości H do odporności na kruche pękanie K c, stanowi podstawowy czynnik wpływający na uszkodzenie w trakcie obróbki materiału szlifowanego; h c krytyczna głębokość wnikania ziarna ściernego w materiał obrabiany Fig.. Mechanism of ceramics material removal in ductile-regime grinding; brittleness coefficient of ceramic material is defined as the quotient of the hardness (H) and resistance on brittle cracking (K c ). This coefficient is the basic factor influencing the cracking while grinding; h c critical depth of penetration the grinding grain into the work piece W celu zbadania struktury w warstwie przypowierzchniowej materiału obrabianego zaproponowano ocenę gęstości defektów podpowierzchniowych opartą na badaniu profilu głębokościowego właściwości cieplnych metodami termofalowymi (fotoakustycznymi) [4]. Podobną metodą identyfikuje się m.in. defekty w strukturach warstwowych elementów półprzewodnikowych. Przyjęto założenie, że defekty powstające podczas procesu szlifowania zmniejszają przewodnictwo cieplne oraz dyfuzyjność cieplną materiału obrabianego, podobnie jak w przypadku elementów półprzewodnikowych, w odniesieniu do których przydatność tej metody została potwierdzona. Metody termofalowe polegają na wzbudzeniu w obiekcie zmiennego strumienia ciepła i pomiarze odpowiedzi temperaturowej lub wielkości ją reprezentującej. W proponowanej metodzie pobudzenie uzyskano za pomocą modulowanego promieniowania optycznego, a do rejestracji odpowiedzi termicznej zastosowano metodę mikrofonową. Wykorzystana metoda wzbudzenia zmiennego strumienia ciepła oraz pomiar zaburzeń temperatury nie wpływały na ostateczny wynik analizy. Było to możliwe dzięki zastosowaniu metody porównawczej
Badania warstwy wierzchniej materiału ceramicznego w procesie mikroszlifowania... 59 (kontrastowej), eliminującej wpływ zniekształceń liniowych na charakterystyki kontrastowe i w rezultacie na wyniki analizy. 2. PRZEBIEG BADAŃ 2.. Proces szlifowania w warunkach plastycznego płynięcia materiału (W. Musiał) Mikroszlifowanie prowadzono na specjalnie zbudowanym stanowisku badawczym, umożliwiającym uzyskanie nanodosuwów i wykonanie obróbki ze znacznymi prędkościami szlifowania, co pozwoliło na minimalizację warstwy przekroju skrawanego przypadającego na jeden obrót ściernicy (rys. 2). Szlifowanie prowadzono poniżej progu kruchego pękania, co umożliwiło redukcję defektów w warstwie wierzchniej materiału obrabianego. Sposób uzyskiwania nanodosuwów i ogólną budowę stanowiska badawczego służącego do prowadzenia szlifowania w warunkach plastycznego płynięcia materiału przedstawiono w publikacjach [2, 3]. Rys. 2. Widok ogólny szlifierki Fig. 2. General view of grinding machine Proces szlifowania w warunkach plastycznego płynięcia materiału badano dla ustalonego dosuwu wgłębnego, wynoszącego około 500 nm/s, przy zmiennej prędkości szlifowania. Wyjątek stanowiły próbki S oraz S3, które uzyskano, odpowiednio, dla dosuwu 00 nm/s oraz 2,5 μm/s (rys. 3). Doświadczenie wykonano, zmieniając prędkość szlifowania, począwszy od 9 m/s, co odpowiadało prędkości wrzeciona 5 tys. obr/min, a na wartości 42 m/s (23 tys. obr/min) skończywszy. Dzięki temu uzyskano próbki (S, S2, S3, S4, S5, S) o zmiennej głębokości warstwy skrawanej przypadającej na jeden obrót ściernicy. Szlifowano ceramikę korundową (Al 2 O 3 ) za pomocą ściernicy diamentowej (średnica 35 mm) o charakterystyce: B25/B54V00V.
60 W. Musiał, Z. Suszyński, P. Majchrzak Badania wykazały wyraźny wpływ zmiany prędkości szlifowania na jakość uzyskiwanych powierzchni. Wzrost prędkości szlifowania przy ustalonym posuwie wgłębnym powodował zmniejszenie głębokości wnikania ziaren ściernych przypadających na jeden obrót wrzeciona. Na powierzchniach szlifowanych z prędkością 42 m/s (23 tys. obr/min wrzeciona) zaobserwowano najmniejszą ilość defektów powierzchniowych (rys. 3). S- Dosuw 00 nm/s 42 m/s S-2 Dosuw 500 nm/s 42 m/s S Dosuw 500 nm/s 27 m/s S-5 Dosuw 500 nm/s 8 m/s S-3 Dosuw powyżej 2,5 μm/s 5,7m/s S-4 Dosuw 500 nm/s 9 m/s Rys. 3. Obrazy zdefektowania powierzchni po szlifowaniu Fig. 3. Damage images of surface after grinding 2.2. Model termiczny do badania warstwy wierzchniej materiału obrabianego (Z. Suszyński, P. Majchrzak) Celem modelowania było zbadanie wpływu przewodności cieplnej i grubości warstwy wierzchniej na odpowiedź temperaturową powierzchniowego, periodycznego pobudzenia obiektu dwuwarstwowego przy założeniu, że warstwa wierzchnia charakteryzuje się gorszą od podłoża przewodnością cieplną (założono brak wyraźnej granicy między warstwami). Grubość tej warstwy nie jest znana, ale przyjęto, że jest znacznie mniejsza od grubości podłoża. Założono także, że parametry cieplne podłoża są znane. Model termofalowy takiej struktury przedstawiono na rys. 4.
Badania warstwy wierzchniej materiału ceramicznego w procesie mikroszlifowania... 6 Rys. 4. Model termiczny badanej struktury Fig. 4. Thermal model of examined structure Θ Z K () Z (C2) Z C2 Odpowiedź temperaturowa na pobudzenie harmoniczne P = P 0 exp(jω) została wyznaczona z poniższej zależności (): () ( z ) 2 = () 2 Θ P z () (2 () z + ) Z C Poniższe zależności przedstawiają związek parametrów Z czwórnika z właściwościami fizycznymi poszczególnych warstw: z i cosh( Γ ) = Z C, ( ) sinh( Γ ) z = Z C (2, 3) ( ) sinh( Γ ) 2 i Γ = + j ω d 2α gdzie: ( ) i Z C i operator propagacji, = ( j) charakterystyka impedancji, Sε 2ω ( c) i α = λ ρ dyfuzyjność termiczna, ε = λ ρ c efuzyjność termiczna, S pole powierzchni obszaru energii pobudzenia, d grubość warstwy, λ przewodność termiczna, ρ gęstość materiału, c ciepło właściwe, i numer warstwy, ω impuls pobudzenia. Wyrażenie () pozwala wyznaczyć zależność amplitudy i fazy temperatury na powierzchni analizowanej struktury w funkcji częstotliwości od parametrów cieplnych warstwy zdefektowanej (warstwa ) i niezniszczonego podłoża (warstwa 2). Ich porównanie z charakterystykami częstotliwościowymi obiektu termicznie grubego pozwala wyznaczyć amplitudowe i fazowe charakterystyki kontrastu temperaturowego [5]: A Aref AC = 00%, PhC = ϕ ϕref (4, 5) A ref
62 W. Musiał, Z. Suszyński, P. Majchrzak Charakterystyki kontrastowe nie zależą od metody detekcji temperatury ani od zniekształceń liniowych urządzeń pomiarowych i toru sygnałowego. Pozwala to uniezależnić proces modelowania od techniki pomiaru i przetwarzania sygnału mierzonego. Tak zdefiniowane charakterystyki kontrastowe są funkcją wyłącznie właściwości cieplnych mierzonego obiektu. Parametrami modelu są w tym przypadku: d A =, α ε ε B = (6, 7) Analiza właściwości cieplnych analizowanej struktury polega więc na znalezieniu wartości parametrów modelu dających najlepsze dopasowanie charakterystyk kontrastowych modelu do charakterystyk kontrastowych otrzymanych z pomiaru. 2 2.3. Analiza wyników badań Eksperyment polegał na pomiarze odpowiedzi temperaturowej (amplitudy i fazy) na pobudzenia harmoniczne w zakresie częstotliwości, dla których warstwa zdefektowana była termicznie cienka, i wyznaczeniu charakterystyk kontrastowych dla porównania z sygnałem odniesienia. Sygnałem odniesienia była amplituda i faza odpowiedzi temperaturowej obiektu termicznie grubego. W analizowanym przypadku obiektem referencyjnym była próbka aluminium o grubości 2 mm. Charakterystyki kontrastowe wyznaczono dla każdej próbki na podstawie wcześniej zarejestrowanych obrazów fotoakustycznych dla kilku częstotliwości pobudzenia. Zarówno charakterystyki amplitudowe, jak i fazowe badanych próbek wykazały duże zróżnicowanie (rys. 5). Jednak pełne zrozumienie przyczyn takiego zróżnicowania jest możliwe dopiero po analizie wpływu parametrów cieplnych i grubości warstwy przypowierzchniowej na kontrast termiczny. 200,0 80,0 60,0 40,0 20,0 00,0 80,0 [%] AC S S2 S3 S4 S5 4,0 [deg] PhC S S2 S3 S4 S5 0 00 200 300 400 Freq [Hz] 500 2,0 0,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 00 200 300 400 Freq [Hz] 500 Rys. 5. Wynik porównania próbek (S, S2, S3, S4, S5) Fig. 5. Result of samples comparison (S, S2, S3, S4, S5)
Badania warstwy wierzchniej materiału ceramicznego w procesie mikroszlifowania... 63 W tym celu poszukiwano takich parametrów modelu, które gwarantują najmniejszą sumaryczną różnicę średniokwadratową charakterystyk zmierzonych i charakterystyk wyznaczonych na podstawie modelu. Wyniki dopasowania przedstawiono na rys. 5. Charakterystykom modelowym odpowiadały wartości parametrów A i B podane w tablicy. Wartości zmiennych niezależnych Values of independent variables Tablica Parametr S S2 S3 S4 S5 A 0,000 0,008 0,00945 0,026 0,0087 B 0,7652 0,68 0,495 0,634 0,577 W opisywanym przypadku istnieje sytuacja, gdy obie warstwy mają zbliżoną pojemność cieplną ( ρ ). Oznacza to, że można wyznaczyć nie tylko c ρ2c2 zmienne niezależne (iloraz grubości i pierwiastek dyfuzyjności), ale również każdą z tych wielkości oddzielnie. Przekształcając wzory (6) i (7) oraz uwzględniając wzory na efuzyjność i dyfuzyjność termiczną, można wyznaczyć d i λ : d A B ε = 2, ρc 2 2 B ε2 λ = (8, 9) ρc Najlepsze dopasowanie charakterystyk kontrastowych próbek (od S do S5) otrzymano dla wartości d i λ przedstawionych w tablicy 2. Wyniki badań grubości i przewodności termicznej Experimental results of thickness and thermal conductivity Tablica 2 Wielkość (S) 2 (S2) 3 (S4) 4 (S5) 5 (S3) d [μm] 9 9 2 3 2 λ [W/(m K)] 5 0 8 6 Z pomiarów dokonanych na powierzchniach po szlifowaniu wynika, że głębokość zdefektowania ogranicza się do kilkunastu mikrometrów (ok. 20 μm), a przewodność cieplna zawiera się w przedziale od kilku do 5 W/(m K). Najwyższą przewodność zanotowano dla dużej prędkości obrotowej ściernicy i małej wartości dosuwu. Najgorsze właściwości cieplne otrzymano dla zwiększonego dosuwu i mniejszych prędkości szlifowania. Dla pozostałych próbek otrzymano wartości pośrednie.
64 W. Musiał, Z. Suszyński, P. Majchrzak 3. PODSUMOWANIE Badania metodą termofalową warstwy wierzchniej materiału ceramicznego po mikroszlifowaniu uzupełniono badaniami z wykorzystaniem rentgenowskiej tomografii teksturowej oraz pomiarami naprężeń w warstwie przypowierzchniowej obrabianego materiału z wykorzystaniem metody sin 2 Ψ, pozwalającej na analizę głębokości warstwy wierzchniej do około 50 μm. W wyniku analiz pomiarowych uzyskano informacje o naprężeniach oraz obrazy tekstury warstwy wierzchniej obrabianego materiału ceramicznego. Uzyskano również dane o średnich odległościach warstw międzyatomowych w krystalitach (ε [%]), a także o wielkościach krystalitów po szlifowaniu (D [nm]) (tabl. ). Z badania tomograficznego tekstury warstwy przypowierzchniowej uzyskano obrazy tekstury powierzchni o rozkładzie biegunów orientacji ziaren ceramicznych wchodzących w skład materiału obrabianego. Jako wynik pomiaru otrzymano obrazy kompletnych figur biegunowych warstwy wierzchniej (obwodowej) krążków korundowych oraz odwrotne figury biegunowe kierunku stycznego do powierzchni obwodowej (00), prostopadłego do płaszczyzny krążka (00) oraz normalnego do powierzchni badanej. Badania termofalowe potwierdziły znaczne zróżnicowanie właściwości cieplnych analizowanych próbek w zależności od parametrów szlifowania. Wyniki badań korelują z wynikami pomiaru wielkości krystalitów w warstwie wierzchniej. Zauważono, że zmniejszenie prędkości dosuwu ściernicy i wzrost jej prędkości obrotowej sprzyjają większej przewodności cieplnej warstwy wierzchniej, co może świadczyć o mniejszej degradacji struktury przypowierzchniowej na skutek wnikania ziaren ściernych w obrabiany materiał. Zwiększenie prędkości szlifowania wpływa również na zmniejszenie warstwy skrawanej przypadającej na jeden obrót ściernicy. To może wpływać na redukcję defektów termicznych w warstwie wierzchniej obrabianego materiału. Tablica 3 Wyniki pomiaru naprężeń w warstwie przypowierzchniowej materiału obrabianego Results of stresses measurement in superficial layer of work material Prędkość szlifowania σ * σ2 * ε D [MPa] Δ[MPa] [MPa] Δ[MPa] [%] [nm] S3/ ** 233 42 406 80 0,045 240 S4/ 9 m/s 344 87 268 77 0,034 393 S5/ 8 m/s 227 2 893 60 0,036 346 27 m/s 200 02 07 89 0,023 785 S,S2/ 42 m/s 890 42 84 77 0,06 683 * σ i σ2 wyselekcjonowane dwie grupy krystalitów o dodatniej i ujemnej wartości naprężeń. ** Dosuw powyżej μm dla 5,7 m/s.
Badania warstwy wierzchniej materiału ceramicznego w procesie mikroszlifowania... 65 Z przeprowadzonych badań wynika, że minimalizacja dosuwu wgłębnego w funkcji prędkości szlifowania umożliwia redukcję zjawiska kruchego pękania materiału obrabianego. Zwiększenie prędkości szlifowania, a co za tym idzie, zmniejszenie przekroju warstwy skrawanej, ma wyraźny wpływ na strukturę warstwy wierzchniej szlifowanego materiału, a w szczególności na redukcję zjawiska kruszenia materiału obrabianego. Dla dużych prędkości obrotowych obserwowano w procesie szlifowania formowanie się jednolitej, dobrze wykształconej przypowierzchniowej warstwy materiału obrabianego, odznaczającej się dużą połyskliwością i stosunkowo małą ilością defektów powierzchniowych. Ponadto krystality wchodzące w skład warstwy przypowierzchniowej charakteryzowały się dużymi rozmiarami w porównaniu z krystalitami powierzchni uzyskanych w wyniku szlifowania z mniejszymi prędkościami (tabl. 3). Zmniejszenie prędkości szlifowania pociągało za sobą wyraźne zmniejszenie wielkości krystalitów, co mogło być spowodowane w dużym stopniu zjawiskiem kruszenia i rozdrabniania materiału obrabianego w procesie szlifowania. Zaprezentowana metoda oceny jakości warstwy wierzchniej materiału kruchego (jakim jest ceramika korundowa) może być z powodzeniem wykorzystywana do oceny jakości powierzchni uzyskiwanych w procesie precyzyjnego szlifowania. Metoda analizy termofalowej okazała się wystarczająco czuła na zmiany parametrów szlifowania nawet dla dosuwu poniżej wartości jednego mikrometra oraz dla zmiennych prędkości szlifowania. Przewodność termiczna dobrze obrazuje strukturę warstwy przypowierzchniowej badanych powierzchni w świetle analiz rentgenowskich. Głębokość profilu termicznego, wyrażona parametrem d, również wykazuje tendencję zmiany zdefektowania warstwy wierzchniej materiału szlifowanego do kilkunastu mikrometrów w głąb materiału obrabianego. Dla dużych prędkości szlifowania i przy małych dosuwach notowano znaczną przewodność cieplną, dla spadku prędkości obserwowano zmniejszanie tego parametru. LITERATURA [] Bifano T.G., Dow T.A., Scattergood R.O., Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials, Tran. ASME, J. Eng. Ind., 99, vol. 3, no. 2, s. 84 89. [2] Musiał 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. [3] Plichta J., Musiał W., Badania procesu mikroszlifowania plastycznego, in: XXI Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Warszawa 998, s. 34 38. [4] Rosencwaig A., Photoacousticand Photothermal Spectroscopy, New York, Wiley 980. [5] Suszyński Z., Majchrzak P., The idea of thermal wave contrast images in analysis of thermal properties of solids, in: Proceedings of the 27 th International Conference and Exhibition IMAPS, Podlesice Gliwice 2003. Praca wpłynęła do Redakcji 4.05.2005 Recenzent: dr hab. inż. Edmund Weiss
66 W. Musiał, Z. Suszyński, P. Majchrzak INVESTIGATION OF CERAMICS MATERIAL SURFACE LAYER IN MICROGRINDING PROCESS USING THERMAL WAVE ANALYSIS S u m m a r y This paper presents the investigations results of alumina ceramics (Al 2 O 3 ) surface layer after grinding obtained in ductile-regime grinding. In the paper there have been shown the results of thermal wave analysis of polished material recast layer, which made possible the determination of depth profile thermal conductivity of worked material surface layer. Key words: microgrinding, nano move, thermal conductivity, effusivity, diffusivity