BADANIA PORÓWNAWCZE OBRÓBKI KRAWĘDZI PRZEDMIOTÓW ZE STOPU ALUMINIUM 7075 I STALI C45 METODĄ SZCZOTKOWANIA Kazimierz ZALESKI, Jakub MATUSZAK Streszczenie W procesie technologicznym montażu istotny jest stan krawędzi montowanych przedmiotów. Po obróbce frezowaniem na krawędziach przedmiotów obrabianych mogą pojawić się zadziory. Niewłaściwie przygotowane krawędzie mogą utrudniać lub uniemożliwiać prace montażowe, przyczyniać się do uszkodzenia powierzchni współpracujących elementów, powodować skaleczenie pracownika, czy też wpływać niekorzystnie na przebieg eksploatacji zmontowanego zespołu lub maszyny. Duża pracochłonność czynności montażowych jest ważnym czynnikiem uzasadniającym celowość kompleksowej automatyzacji procesów montażu. Potrzeba automatyzacji obejmuje też operacje przygotowawcze do montażu, a tym samym operacje przygotowania krawędzi przedmiotów. W artykule przedstawiono wyniki badań stanu krawędzi po procesie usuwania zadziorów metodą szczotkowania. W badaniach wykorzystano próbki ze stopu aluminium 7075 oraz stali C45. Próbki poddano obróbce frezowaniem na pionowym centrum obróbkowym Fv580a. Po procesie frezowania na krawędziach badanych materiałów pojawiły się zadziory. W celu usunięcia zadziorów zastosowano obróbkę szczotkowaniem przy wykorzystaniu trzech szczotek narzędziowych o różnych właściwościach. Przedstawiono wyniki pomiarów stanu krawędzi oraz chropowatości powierzchni w obrębie krawędzi po usunięciu zadziorów. Zastosowanie obróbki szczotkowaniem na centrach obróbkowych może być skuteczną, automatyczną metodą usuwania zadziorów. S ł owa kluczowe obróbka szczotkowaniem, zadziory, stan krawędzi Wstęp W procesie technologicznym montażu ważny jest stan krawędzi montowanych przedmiotów. Niewłaściwie przygotowane krawędzie mogą utrudniać lub uniemożliwiać prace montażowe, powodować uszkodzenie powierzchni współpracujących elementów, powodować skaleczenie pracownika, czy też wpływać niekorzystnie na przebieg eksploatacji zmontowanego zespołu lub maszyny. Odpowiednie przygotowanie krawędzi powinno być realizowane w ramach operacji pomocniczych występujących przed montażem. Do operacji tych zaliczane jest usuwanie zbędnych elementów przeznaczonych do montażu przedmiotów (np. zadziorów) [1]. Generalnie zadziory są niepożądanym i nieuniknionym elementem wszystkich procesów obróbki skrawaniem. Zadziory ulegające oderwaniu od materiału rodzimego w procesie montażu mogą stanowić duże zagrożenie podczas eksploatacji wyrobu. W literaturze opisywany jest przypadek, w którym oderwany zadzior znajdujący się w otworze wtryskiwacza, będącego elementem systemu zasilania paliwa, stanowi realne zagrożenie mogące doprowadzić do uszkodzenia silnika [2]. Operacje kształtowania krawędzi obejmują, oprócz usuwania zadziorów, także zaokrąglanie i fazowanie krawędzi. Wyróżnić można kilkanaście metod obróbki krawędzi, które mogą być realizowane w sposób ręczny, ręczno-maszynowy lub maszynowy [3, 4, 5]. Duża pracochłonność czynności montażowych jest ważnym czynnikiem uzasadniającym celowość kompleksowej automatyzacji procesów montażu [6]. Potrzeba automatyzacji obejmuje też operacje przygotowawcze do montażu, a tym samym operacje przygotowania krawędzi przedmiotów. Na podstawie analizy różnych metod obróbki krawędzi można wywnioskować, że do metod stosunkowo łatwych do zastosowania w produkcji zautomatyzowanej należy zaliczyć szczotkowanie. Celem przeprowadzonych badań była ocena stanu krawędzi oraz chropowatości powierzchni po usuwaniu zadziorów metodą szczotkowania. Metodyka badań W badaniach wykorzystano próbki ze stopu aluminium 7075 oraz stali C45, których skład chemiczny i właściwości fizyczne przedstawiono w tabeli 1. Badania przeprowadzono na pionowym centrum obróbkowym Fv580A wyposażonym w system sterowania Fanuc OiMC. Próbki ze stopu aluminium 7075 poddano frezowaniu frezem walcowo-czołowym, składanym, dwuostrzowym o symbolu HM90 E90A-D20-2-C20-LB firmy ISCAR, o średnicy D = 20 mm, z płytkami z węglików spiekanych. Zastosowano frezowanie współbieżne z następującymi parametrami obróbki: prędkość skrawania v c = 500 m/min, posuw f z = 0,1 mm/ostrze, głębokość skrawania a p = 0,5 mm, szerokość frezowania a e = 5 mm. Natomiast próbki ze stali C45 poddano frezowaniu frezem składanym, trzyostrzowym firmy Garant, o średnicy D = 25 mm, z płytkami z węglików spiekanych, stosując następujące parametry obróbki: v c = 100 m/min, f z = 0,07 mm/ostrze, a p = 0,5 mm. Po obróbce, na krawędziach próbek pojawiły się niepożądane zadziory (rys. 1 a). 35
2/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela 1. Skład chemiczny i właściwości stopu aluminium 7075 i stali C45 Table 1. Chemical composition and properties of 7075 aluminum alloy and C45 steel Stop aluminium 7075 Stal C45 Skład chemiczny, % Właściwości fizyczne Skład chemiczny,% Właściwości fizyczne Cu 1,59 C 0,44 Mn 0,01 Rm, Rm, 559 Mn 0,55 638 Mg 2,56 Si 0,21 Cr 0,18 P 0,01 Zn 5,78 Rp 0,2, Re, 488 S 0,02 369 Si 0,07 Cr 0,16 Fe 0,13 Ni 0,24 Ti 0,05 HB 172 Cu 0,07 HB 255 Al reszta - - Rys. 1. Stan krawędzi: a) po frezowaniu, b) po szczotkowaniu Fig. 1. Edge state: a) after milling, b) after brushing Do usuwania zadziorów wykorzystano szczotki tarczowe trzpieniowe. W tabeli 2 przedstawiono charakterystykę narzędzi i zastosowane parametry obróbki szczotkowaniem. Aplikacja szczotki tarczowej na pionowym centrum obróbkowym umożliwiła ocenę wpływu cieczy chłodząco-smarującej podczas szczotkowania na chropowatość powierzchni, stan krawędzi oraz skuteczność usuwania zadziorów. W badaniach wykorzystano emulsję Mobilcut firmy Mobil. Istnieje kilka wariantów ustawienia narzędzia względem obrabianej krawędzi. Obróbkę można prowadzić tak, by wektor prędkości skrawania znajdował się równolegle, prostopadle lub pod kątem ostrym w stosunku do obrabianej krawędzi. W przeprowadzonym eksperymencie szczotkę orientowano w taki sposób, by wektor prędkości skrawania znajdo- Tabela 2. Charakterystyka narzędzi i parametry szczotkowania Table 2. Tools characteristics and brushing parameters Narzędzie Średnica szczotki Symbol Widok Rodzaj włókna Parametry szczotkowania N1 drut mosiężny o średnicy 0,2 mm N2 120 mm drut stalowy o średnicy 0,2 mm v c = 1689 m/min; v f = 140 mm/min N3 drut stalowy o średnicy 0,3 mm 36
wał się pod kątem 45 w stosunku do krawędzi próbki. W takim ustawieniu narzędzie przesuwało się wzdłuż krawędzi badanych próbek. Po procesie usuwania zadziorów dokonano pomiarów chropowatości powierzchni w pobliżu krawędzi próbki przy użyciu profilografometru Surtronic 3+ firmy Taylor-Hobson. Przykładowy stan krawędzi po frezowaniu oraz po procesie usuwania zadziorów został przedstawiony na rys. 1b. W celu dokładnego pomiaru stanu krawędzi wykorzystano metodę replik przy użyciu dwuskładnikowego tworzywa silikonowego LK-AD firmy Plastiform. Tworzywo to, szeroko stosowane przy wykonywaniu precyzyjnych odlewów i kontroli metodami optycznymi, charakteryzuje się skurczem poniżej 1 μm na 1 mm. Fotografie replik wykonano na mikroskopie MWD wyposażonym w przetworniki obrotowo-impulsowe. Wyniki badań stanu krawędzi W wyniku obróbki szczotkowaniem na krawędziach próbek, zawierających zadziory, uzyskano różne stany krawędzi zilustrowane na rys. 2. W zależności od rodzaju obróbki (na sucho lub z zastosowaniem cieczy chłodząco-smarującej) oraz od zastosowanego narzędzia uzyskano krawędź o określonym promieniu zaokrąglenia (rys. 2 a, c) lub krawędź ze specyficzną fazką (rys. 2 b, d). Charakterystyczną cechą jest to, że oprócz wymiaru fazy oznaczonej na rys. 2 b jako "a1" oraz "a2", uzyskano promienie zaokrąglenia R1 oraz R2. Podczas wykonywania operacji fazowania za pomocą sztywnych narzędzi (np. frezy pilnikowe) charakterystyczne promienie R1 i R2 (rys. 2 b, d) nie występują. Istnieje ewentualność, że nowo powstałe krawędzie w wyniku fazowania sztywnymi narzędziami będą ostre lub obarczone mikrozadziorami, co podczas wykonywania precyzyjnych elementów może być niepożądane. Na rys. 3 przedstawiono wymiary stanów krawędzi, jakie uzyskano po procesie usuwania zadziorów metodą szczotkowania dla narzędzia N1. Jak widać, w przypadku szczotkowania stali szczotką z drutu mosiężnego zadziory nie zostały usunięte. Rys. 4 przedstawia stany krawędzi po procesie szczotkowania w przypadku szczotki z drutu stalowego o średnicy włókna 0,2 mm (N2). W przypadku zastosowania narzędzia N2 nastąpił skuteczny proces usuwania zadziorów. Wartości promieni zaokrąglenia krawędzi dla aluminium są znacznie większe niż dla stali. Spowodowane jest to właściwościami materiałów. Rys. 5 przedstawia stany krawędzi w przypadku narzędzia najbardziej sztywnego (szczotka N3). Dla stopu aluminium uzyskano sfazowania krawędzi z charakterystycznymi promieniami, natomiast w przypadku stali zadziory zostały usunięte, a krawędzie zaokrąglone. Rys. 2. Stany krawędzi po szczotkowaniu: a) i b) charakterystyczne wymiary, c) i d) widok replik Fig. 2. Edge states after brushing: a) and b) characteristic dimensions, c) and d) replica view Rys. 3. Porównanie stanu krawędzi po szczotkowaniu narzędziem N1: a) stop aluminium 7075, b) stal C45 Fig. 3. Comparison of edge state after brushing for N1 tool: Rys. 4. Porównanie stanu krawędzi po szczotkowaniu narzędziem N2: a) stop aluminium 7075, b) stal C45 Fig. 4. Comparison of edge state after brushing for N2 tool: 37
2/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 5. Porównanie stanu krawędzi po szczotkowaniu narzędziem N3: a) stop aluminium 7075, b) stal C45 Fig. 5. Comparison of edge state after brushing for N3 tool: Wyniki badań chropowatości powierzchni Rys. 6. Porównanie chropowatości powierzchni po procesie usuwania zadziorów, w przypadku obróbki na sucho Fig. 6. Comparison of surface roughness after deburring by dry wire brushing Rys. 7. Porównanie chropowatości powierzchni po procesie usuwania zadziorów, w przypadku obróbki z zastosowaniem cieczy chłodząco-smarującej Fig. 7. Comparison of surface roughness after deburring by brushing with coolant Na rys. 6 przedstawiono porównanie chropowatości powierzchni uzyskanej po procesie usuwania zadziorów różnymi narzędziami dla stopu aluminium 7075 i stali C45, w przypadku obróbki na sucho". Dla stopu 7075 uzyskano znacznie większe wartości parametru chropowatości Ra w porównaniu ze stalą C45, szczególnie w przypadku narzędzi z włóknami stalowymi. Jest to spowodowane właściwościami fizycznymi obrabianych materiałów (tabela 1). Twardszy, charakteryzujący się większą wytrzymałością, materiał, jakim jest stal C45, jest mniej podatny na działanie elastycznych włókien szczotki. Wykres na rys. 7 przedstawia podobne zestawienie w przypadku obróbki z zastosowaniem cieczy chłodząco-smarującej. Podczas obróbki szczotkowaniem wytwarzana jest duża ilość ciepła powodująca uplastycznienie materiału. Wpływa to znacząco na pogorszenie jakości obrabianej powierzchni dla stopu aluminium 7075. Chłodzące właściwości cieczy hamują proces uplastyczniania, co zapewnia utrzymanie parametru Ra chropowatości powierzchni na poziomie poniżej 2 μm dla wszystkich trzech zastosowanych w eksperymencie narzędzi dla stopu aluminium 7075. W przypadku stali C45 zaobserwowano nieznaczną poprawę chropowatości powierzchni wraz ze wzrostem sztywności narzędzia szczotkującego, ponieważ dominującym efektem było zjawisko ścinania wierzchołków mikronierówności ukształtowanych podczas frezowania nad efektem uplastycznienia materiału, który z kolei dominował dla stopu aluminium 7075. Różnice w wartościach parametru Ra chropowatości powierzchni dla zastosowanych narzędzi wynikają z różnych właściwości materiałów stosowanych na wypełnienie szczotek, a także z różnych średnic pojedynczych włókien. Czynniki te wpływają na sztywność narzędzia, a tym samym na agresywność jego działania. Wnioski W pracy badano skuteczność usuwania zadziorów oraz stany krawędzi przedmiotów uzyskanych po procesie usuwania zadziorów metodą szczotkowania na próbkach ze stopu aluminium 7075 oraz stali C45. Analizie poddano także chropowatość powierzchni w strefie działania narzędzia szczotkującego. Następujące wnioski podsumowują rezultaty badań procesu usuwania zadziorów: 1. po procesie frezowania na krawędziach próbek pojawiają się zadziory, stanowiące barierę w automatyzacji procesów montażowych, 2. aplikacja szczotki na pionowym centrum obróbkowym daje możliwość skutecznego usuwania zadziorów, 3. zastosowanie cieczy chłodząco-smarującej w znaczący sposób wpływa na chropowatość powierzchni oraz na wymiar promienia zaokrąglenia lub sfazowania krawędzi w przypadku stopu aluminium 7075, 4. rodzaj materiału zastosowany na wypełnienie szczotki oraz średnica włókien wpływa na chropowatość powierzchni oraz na kształt i wymiar stanu krawędzi po procesie usuwania zadziorów. Można zatem stwierdzić, że obróbka szczotkowaniem jest skuteczną metodą usuwania zadziorów. Ba- 38
dania zostały przeprowadzone w zakresie maksymalnych dopuszczalnych dla danego narzędzia prędkości obwodowych, podyktowanych zaleceniami producenta. Ponieważ prędkość obwodowa jest głównym czynnikiem agresywności procesu szczotkowania, można stwierdzić, że otrzymane wartości zaokrąglenia lub sfazowania krawędzi są wartościami maksymalnymi dla danego narzędzia przy obróbce krawędzi badanych w pracy stopów aluminium. Zmniejszanie prędkości obrotowej narzędzia powoduje zmniejszenie wartości zaokrąglenia lub sfazowania krawędzi, a przy pewnej granicznej wartości prędkości obwodowej nie następowałoby skuteczne usuwanie zadziorów. Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym, Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Puff T., Sołtys W.: Podstawy technologii montażu maszyn i urządzeń. WNT, Warszawa 1980. 2. Aurich J.C., Dornfeld D., Arrazola P.J., Franke V., Leitz L., Min S.: Burrs-Analysis, control and removal. CIRP Annals. Manufacturing Technology, 58, 2009, 519 542. 3. Cichosz P., Kuzinovski M.: Metody wykonywania fazek i gratowania krawędzi. Cz. 1. Mechanik, nr 7, 2011, s. 553-559. 4. Feld M.: Technologia budowy maszyn. PWN, Warszawa 1993. 5. Jeong Y.H., HanYoo B., Lee H.U., Min B.K., Cho D.W., Lee S.J.: Deburring microfeatures using micro- EDM. Journal of Materials Processing Technology, 209, 2009, 5399 5406. 6. Łunarski J., Szabajkowicz W.: Automatyzacja procesów technologicznych montażu maszyn. WNT, Warszawa 1993. Dr hab. inż. Kazimierz Zaleski i mgr inż. Jakub Matuszak są pracownikami Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, e-mail: k.zaleski@pollub.pl. COMPARATIVE STUDIES ON EDGE MACHINING BY WIRE BRUSHING FOR PRODUCTS MADE FROM 7075 ALUMINUM ALLOY AND C45 STEEL Abstract The edge state of assembled products has a vital importance in the assembly manufacturing process. After face milling process, burrs can appear on the edges of milled parts. Incorrectly prepared edges may hinder or even prevent the assembly operations, because the damage to the surface of associated components may cause cuts and scratches to assembly parts, or exert a negative impact on the assembled units or machines maintenance. Given the effort connected with assembly operations, it is justified that assembly processes sholud be comprehensively automated. This paper presents the results of a studies undertaken to examine edge states after the deburring process in brushing. Samples of 7075 aluminum alloy and C45 steel were used in the experimental studies. The samples were milled on the Fv-580A vertical machining center. After the milling process, burrs appeared on the machined edges. In order to remove the burrs, the brushing process was applied with three different brushes. The measurement results for edge states and surface roughness after deburring are also presented in this work. Wire brushing can be an effective automated deburring method while applied on machining centers. Keywords wire brushing, burrs, edge states 39