XII Konferencja Naukowa Technologia obróbki przez nagniatanie BADANIA WPŁYWU TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW FREZOWANIA I NAGNIATANIA NA TOPOGRAFIĘ POWIERZCHNI Daniel GROCHAŁA 1, Krzysztof CHMIELEWSKI 1, Wiesław OLSZAK 2 1 Dr inż. - Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Instytut Technologii Mechanicznej 2 Prof. dr inż. - Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Instytut Technologii Mechanicznej STRESZCZENIE W artykule zaprezentowane są wyniki badań wpływu technologicznych parametrów kształtującego frezowania i wykończeniowego nagniatania na topografię powierzchni. Odpowiednie dobranie warunków obróbki jest zadaniem szczególnie ważnym ze względów technologicznych gdzie każdy z zabiegów pozostawia na powierzchni odrębne ślady. Tekstura wynikowa (kierunkowość powierzchni) oraz stan SGP jest efektem stosowania technologicznych parametrów każdej z obróbek oddzielnie (kształtujące frezowanie, wykończeniowe nagniatanie). Przy czym odpowiednie skojarzenie technologicznych parametrów obu obróbek pozwala uzyskać efekt synergii trudny do osiągnięcia przy realizacji obróbki powierzchni innymi technikami. Autorzy artykułu mieli na celu identyfikację optymalnego zakresu technologicznych parametrów obróbki z punktu widzenia przestrzennej topografii powierzchni. Badania prowadzono dla stali 42CrMo4 ulepszanej cieplnie do twardości 35HRC. Słowa kluczowe: frezowanie, nagniatanie, topografia powierzchni, parametry stereometryczne, synergia obróbki 1. WPROWADZENIE W literaturze przedmiotu jest wiele pozycji opisujących wyniki badania powierzchni obrabianych gładkościowo, które wstępnie poddawano kształtującej obróbce skrawaniem i wykończeniowemu nagniataniu [1, 3, 6 13]. Wiele spośród prac opisujących wyniki badania łączonych w jednej operacji zabiegów frezowania i nagniatania [1 4, 9 16] prezentuje otrzymany stan końcowej Struktury Geometrycznej Powierzchni (SGP) wyrażonej za pomocą parametrów chropowatości 2D - tj. zmierzonych w wybranym przekroju. Takie ujęcie wyników otrzymanych po obróbce powierzchni przestrzennych złożonych nie jest do końca jednoznaczne i miarodajne. Powierzchnie frezowane poddawane nagniataniu odznaczają się teksturą, zależną od technologicznych parametrów obu obróbek, oraz od użytej strategii - tj. kierunków trajektorii prowadzonych narzędzi frezujących i nagniatających [1, 8]. W skutek czego na powierzchni każdorazowo widoczne będą ślady nagniatania, czasami także mogą być częściowo widoczne ślady po kształtującym frezowaniu [1]. Taka sytuacja występuje gdy nie wszystkie nierówności powierzchni zostały nagniecione do średniego poziomu zarysu profilu powierzchni (zbyt mała wartości siły FN) [1]. -90-
Możliwość stosowania obrabiarek wieloosiowych [1, 3, 12] jak również nowoczesnych narzędzi hydrostatycznych [4] do nagniatania, stwarza przed technologiem szerokie możliwości w przygotowaniu technologii form wtryskowych, matryc czy tłoczników (obróbki powierzchni przestrzennych złożonych). W takiej sytuacji wydaje się, że jedynym ograniczeniem jest system CAM, w którym technolog przygotowywać będzie program obróbkowy [8]. Wysokość SGP poddanej nagniataniu istotnie wpływa na stan warstwy wierzchniej [2, 6, 11]. Wartość i głębokość propagacji naprężeń zależna jest również od siły nagniatania FN. Natomiast od stanu naprężeń w warstwie wierzchniej zależne są właściwości eksploatacyjne wyrobów (twardość powierzchni, jej wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na zużycie ścierne). W literaturze związanej z tematem rzadko spotyka się opis wpływu technologicznych parametrów obróbki na końcowy stan SGP, który uwzględnia jednocześnie teksturę powierzchni będącą efektem zintegrowania w jednej operacji dwóch zabiegów obróbkowych. Otrzymana powierzchnia rzadko kiedy jest opisana parametrami SGP uwzględniającymi cały obszar (nie przekrój) frezowany i nagniatany. W związku z powyższym przeprowadzono serię badań doświadczalnych, w których określony będzie związek technologicznych parametrów frezowania i nagniatania z wybranymi parametrami opisującymi topografię powierzchni. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE Powierzchnie przestrzenne w badaniach zastąpiono płaszczyznami ustawionymi pod kątem 15 w stosunku do osi maszyny. Zabieg ten miał na celu ułatwienie programowania obrabiarki i późniejsze prowadzenie pomiarów topografii powierzchni. Przygotowane wstępnie próbki o wymiarach 100 100 20mm ulepszono cieplnie do twardości 35±1HRC. Następnie powierzchnie próbek frezowano kształtująco na pięcioosiowym centrum frezarskim DMG DMU-60 MONOBLOK głowicą torusową z okrągłymi płytkami o średnicy do = 10 mm (rys.1). Rys. 1. Przygotowanie próbek do badań: a) obróbka na centrum DMG-DMU 60 MONOBLOCK, b) głowica torusowa do frezowania kształtującego, średnica płytki d o = 10 mm -91-
Narzędzie na powierzchni pozostawiło ślady obróbki, w których dominowały nierówności wynikające z posuwu wierszowania fw i średnicy płytki do Nierówności wynikające z posuwu na obrót fr były pomijalnie małe. Próbkę do badań podzielono na wiersze i kolumny w efekcie czego otrzymano 16 pól doświadczalnych (rys.2). Rys. 2. Sposób przygotowania próbek do badań - materiał 42CrMo4 (35HRC) Stosowano strategię obróbki, w której kierunek przejść nagniatania jest prostopadły do śladów po frezowaniu tzw. ortogonalna strategia nagniatania. Zestawienie technologicznych parametrów frezowania i nagniatania przedstawia tabela 1. Tabela 1. Wartości technologicznych parametrów frezowania i nagniatania Nazwa parametru Symbol Jednostka Wartość parametru prędkość skrawania vc m/min 110 głębokość warstwy skrawanej ap mm 0.5 posuw na obrót fr mm/obr. 0.5 posuw poprzeczny frezowania (wierszowanie) fwf -92- mm A - 0.1 B - 0.3 C - 0.5 D - 0.7 posuw poprzeczny przy nagniataniu fwn mm 0.12 prędkość nagniatania vb mm/min 8000 siła nagniatania FNi N i1-0 i2-200 i3-1000 i4-2000 średnica kulki nagniatającej dk mm 10
Nagniatanie realizowano na centrum frezarskim MIKRON VCE 500. W badaniach stosowano wykonany w ITM ZUT nagniatak hydrostatyczny z siłownikiem miechowym i z ceramiczną (ZrO2) końcówką kulistą. 3. POMIARY TOPOGRAFII POWIERZCHNI Do pomiarów powierzchni przygotowanych próbek użyto multi-sensorycznej maszyny pomiarowej AltiSurf A520, firmy Altimet. Akwizycję punktów powierzchni prowadzono z wykorzystaniem optycznego - konfokalnego sensora CL2 o zakresie pracy do 400 µm i rozdzielczości w osi Z wynoszącej 22 nm (rys.3). Rys. 3. Profilometr AltiSurf 520 o modularnej konstrukcji umożliwiający pomiary optyczne i stykowe Pomiary wykonano na polach o wymiarach 4 4 mm. Analizę zebranych danych prowadzono z wykorzystaniem oprogramowania AltiMap PREMIUM 6.2. Analizę i opracowanie topografii powierzchni prowadzono zgodnie z normą ISO/TS 25178. 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Z zarejestrowanej chmury punktów każdorazowo dla opracowywanej powierzchni zastosowano standardową metodykę analizy topografii powierzchni, która obejmowała. 1. Wyznaczenie wartości progowej celem usunięcia błędnie zebranych punktów powierzchni, punkty usuwane każdorazowo ustawiono jako wartości niemierzone. 2. Poziomowanie powierzchni (płaszczyzną średnią aproksymowaną metodą najmniejszych kwadratów LS). 3. Filtrowanie chropowatości powierzchni (filtr gaussowski, Cutoff - 0.8mm). 4. Wyznaczenie wartości stereometrycznych parametrów chropowatości wg ISO25178 (średnią arytmetyczną wysokość powierzchni Sa, średniokwadratową wysokość powierzchni Sq oraz maksymalną wysokość powierzchni Sz): Sa = 1 Z(x, y) dxdy (1) A A gdzie: Sq = 1 A Z2 (x, y)dxdy A Sz = Z max Z min (3) (2) -93-
x, y - współrzędne punktów skanowanej powierzchni, A - pole powierzchni skanowanej próbki, Z - współrzędna wysokościowa zarejestrowanego punktu powierzchni, Zmax - najwyższa współrzędna zarejestrowanego wzniesienia powierzchni, Zmin - najniższa współrzędna zarejestrowanej doliny powierzchni. Widok otrzymanych powierzchni po frezowaniu przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Widok powierzchni frezowanej z posuwem na obrót f r=0.5mm i z posuwem wierszowania f wf: a) 0.1; b) 0.3; c) 0.5; d) 0.7 Wartości wszystkich parametrów SGP wyznaczonych dla każdego z pól zestawione są w tab. 2. Tabela 2. Wartości stereometrycznych parametrów SGP w zależności od technologicznych parametrów frezowania i nagniatania otrzymane przy f wn= 0.12 mm Wierszowanie przy frezowaniu Powierzchnia frezowana Sa Sq Sz µm µm µm Powierzchnia nagniatana 200 N Sa Sq Sz µm µm µm Powierzchnia nagniatana 1000 N Sa Sq Sz µm µm µm Powierzchnia nagniatana2000 N Sa Sq Sz µm µm µm fwf=0.1 0,747 0,945 9,51 0,435 0,574 10,1 0,284 0,368 7,4 0,61 0,779 9,99 fwf=0.3 1,6 1,89 11,9 1,1 1,3 12,6 0,324 0,402 7,22 0,524 0,698 12,6 fwf=0.5 2,78 3,29 23,5 2,44 2,75 17,6 0,486 0,573 6,97 0,481 0,616 11,7 fwf=0.7 3,99 4,83 26,4 3,82 4,33 22,5 1,25 0,43 11,5 0,49 0,612 14,3-94-
Na rysunku 5 przedstawiono wykresy parametrów Sa, Sq oraz Sz µm zarejestrowanych na powierzchni frezowanej i na powierzchniach nagniatanych w zależności od zastosowanych parametrów obróbki. Rys. 5. Zestawienie parametrów stereometrycznych SGP: a) średnia arytmetyczna wysokość powierzchni Sa; b) średnia kwadratowa wysokość powierzchni Sq; c) maksymalna wysokość powierzchni Sz Widoki powierzchni otrzymanych po nagniataniu powierzchni frezowanych z różnym posuwem poprzecznym (wierszowaniem) prezentowane są na rysunkach 6, 7 i 8. Zmiennym parametrem technologicznym nagniatania była siła FN. -95-
Rys. 6. Widok powierzchni nagniatanych siłą F N=200 N uprzednio frezowanych ze zmiennymi wartościami posuwu wierszowania: a) f wf =0.1; b) f wf =0.3; c) f wf =0.5; d) f wf =0.7 Rys. 7. Widok powierzchni nagniatanych siłą F N=1000 N uprzednio frezowanych ze zmiennymi wartościami posuwu wierszowania: a) f wf =0.1; b) f wf =0.3; c) f wf =0.5; d) f wf =0.7-96-
Rys. 8. Widok powierzchni nagniatanych siłą F N=2000 N uprzednio frezowanych ze zmiennymi wartościami posuwu wierszowania: a) f wf =0.1; b) f wf =0.3; c) f wf =0.5; d) f wf =0.7 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzone badania należy traktować jako wstępne, pozwalają jednak na sformułowanie następujących wniosków. Podczas badań nagniatania zastosowano duży zakres zmienności siły nagniatania FN przy jednocześnie zbyt małej liczbie ich poziomów. Zmierzone wartości parametrów Sa, Sq i Sz, pozwalają zorientować się w kierunku zmian wartości tychże parametrów w zależności od użytych parametrów obróbki (zwłaszcza siły nagniatania). Natomiast ze względu na małą liczbę poziomów siły nagniatania FN niezasadne będzie określenie optimum siły nagniatania na poziomie 1000 N. Wnioskiem na przyszłość przy planowaniu kolejnej serii badań jest konieczność przyjęcia dodatkowych wartości siły nagniatania około 1000 N. Dopiero wówczas możliwe będzie wyznaczenie optymalnej wartości siły nagniatania FN. Ze względu na oszczędność czasu obróbki bardziej efektywne jest nagniatanie nieregularności powierzchni powstałych po frezowaniu z dużym posuwem. Przy nagniataniu siłą 2000 N, nie ma istotnych różnic pomiędzy badanymi topografiami powierzchni. Stosowanie w pomiarach powierzchni nagniatanych po frezowaniu metod topograficznych jest bardzo pracochłonne, daje jednak bardzo dobry efekt jakościowy. Uwzględnione zostają w jednej wartości parametru nierówności będące efektem stosowanych trajektorii dla narzędzi frezujących i nagniatających (złożona tekstura powierzchni). Opisanie topografii powierzchni jednym parametrem stereometrycznym jest problematyczne. W dużym stopniu dobór parametrów SGP 3D uwarunkowany jest od przeznaczenia eksploatacyjnego obrabianych powierzchni. Przez analogię do wcześniejszych badań przyjęto parametry Sa, Sq i Sz, których wartości są dobrze znane i często stosowane w praktyce, co nie oznacza że parametry te dobrze będą opisywać powierzchnie użytkowe (wskaźniki funkcyjne powierzchni form wtryskowych matryc czy tłoczników). -97-
Prowadzone będą dalsze badania doświadczalne celem bliższego poznania wpływu technologicznych parametrów obróbki na przestrzenną topografię. Uwzględnione zostaną w dalszych pracach wpływy strategii obróbki na izotropowość powierzchni i na wartości wskaźników funkcjonalnych. LITERATURA [1] Grochała D.: Nagniatanie narzędziami hyrostatycznymi powierzchni przestrzennych złożonych na frezarkach CNC. Rozprawa doktorska ITM ZUT w Szczecinie 2012. http://zbc.ksiaznica.szczecin.pl/content/24025/praca+dokt+d.+grocha%c5%82a.pdf [2] Grochała D., Berczyński S., Grządziel Z.: Stress In the surface layer of objects burnished after milling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology ISSN 0268-3768 2014 r., volume 71, nr 9-12. [3] Grochała D., Sosnowski M.: Problemy technologii nagniatania powierzchni przestrzennych złożonych na centrach obróbkowych. Miesięcznik naukowo techniczny MECHANIK 1/2011 s.14-18. [4] Gubała R., Grochała D., Olszak W.: Mikrohydrauliczne narzędzie do nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych Miesięcznik naukowo techniczny MECHANIK 1/2014 s. 22-23. [5] Grzesik W., Żak K.: Investigation of technological effects of ball burnishing after cryogenic turning of hard steel. Advances in Manufacturing Science And Technology, vol. 38, Nr 1/2014 s. 37-52. [6] Kukiełka L., Kułakowska A., Patyk R.: Numerical Analysis and Experimental Researches of Burnishing Rolling Process of Worpieces with Real Surface. The 13 th World Multi- Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics, Orlando, Floryda, 2009, pp. 63-68 [7] Kułakowska A., Kukiełka L.: Numerical Analysis of influence of surface geometrical structure prepared under burnishing rolling onto the state of strains and stress in product surface layer. Computer Methods in Materials Science., Kraków 2009, str.66-71. [8] Kwaczyński W., Chmielewski K., Grochała D.: Programowanie frezowania i nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych na centrach frezarskich ze sterowaniem wieloosiowym. Współczesne problemy technologii obróbki przez nagniatanie Tom III Monografia pod red. prof.w. Przybylskiego Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Gdańsk 2011 - ISBN 978838857957-8, s. 179-191. [9] Lopez de Lacalle L.N., Lamikiz A., Munoa J., Sanchez J.A.: Quality improvement of ballend milled sculptured surfaces by ball burnishing. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2005r., nr 45, s.1659-1668. [10] Lopez de Lacalle L.N., Lamikiz A., Sanchez J.A., Arana J.L.: The effect of ballburnishing on heat-treated steel and inconel 718 milled surfaces. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2007r., nr 32, s.958-968. [11] Patyk R., Kukiełka L.: Optimization of geometrical parameters of regular triangular asperities of surface put to smooth burnishing, The 12 th International Conference Metalforming 2008, AGH Kraków 21 24 September 2008. Steel Research International Special Edition Volume 2 2008, Publishing Company Verlag Stahleisen GmbH ISBN 978 3 514 00745 3, s. 642-647 [12] Polowski W., Czechowski K., Toboła D., Rusek P., Kalisz J., Janczewski Ł.: Wybrane aspekty obróbki wiórowej jako obróbki poprzedzającej nagniatanie Monografia VI -98-
Szkoły Obróbki Skrawaniem - Obróbka Skrawaniem Efektywne Wytwarzanie, Wrocław 2012 ISBN978-83-91-917677-7-1, s. 503-512. [13] Rodríguez A., López de Lacalle L.N., Celaya A., Lamikiz A., Albizuri J. : Surface improvement of shafts by the deep ball-burnishing technique. Surface & Coatings Technology 2012r., nr 206, s. 2817 2824. [14] Shiou F.J., Chen C.H.: Determination of Optimal Ball-Burnishing Parameters for Plastic injection Moulding Steel. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2003r., nr 3, s.177-185. [15] Shiou F.J., Chen C.H.: Ultra-precision surface finish of NAK80 mould tool steel uising sequential ball burnishing and ball polishing processes. Journal of Materials Processing Technology 2008r., nr 201, s. 554-559. [16] Shiou F.J., Chuang C.H.: Precision surface finish of the mold steel PDS5 using an innovative ball burnishing tool embedded with a load cell. Precision Engineering 2010 r., nr 34, s.76-84. INVESTIGATIONS OF THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF MILLING AND BURNISHING ON THE SURFACE TOPOGRAPHY SUMMARY The article presents the results of research on the impact of technological parameters shaping milling and finishing burnishing on surface topography. The right mix of processing conditions is a task especially important for technological reasons where each treatment leaves a distinct trail. The resulting texture (directivity area) and the state of the SGP is the result of the application of technological parameters of each of the treatments separately (forming milling, finishing burnishing). With the appropriate combination of technological parameters of both treatments can achieve synergy difficult to achieve the implementation of other surface treatment techniques. The authors had to identify the optimal range of technological parameters of processing from the point of view of spatial topography of the surface. The study was conducted for the 42CrMo4 steel quenched and tempered to a hardness of 35HRC. -99-