AGNIESZKA SKOCZYLAS Wpływ warunków nagniatania tocznego na chropowatość powierzchni stali C45 po cięciu laserem 1. Wprowadzenie Nagniatanie jest jedną z metod obróbki wykończeniowej polegającą na wykorzystaniu miejscowego odkształcenia plastycznego powstałego wskutek stykowego oddziaływania narzędzia z powierzchnią obrabianą. Nagniatanie jako sposób obróbki posiada wiele zalet, do których należy zaliczyć: wzrost twardości powierzchni obrabianej, co pozwala na zwiększenie odporności na zużycie, wzrost odporności na korozję, zwiększenie wytrzymałości na rozciągnie oraz możliwość wprowadzenie korzystnego stanu naprężeń rozciągających. Ten sposób obróbki pozwala także na poprawę dokładności wymiarowo- kształtowej oraz zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej [3, 4, 6]. Cięcie laserem jest technologia powszechnie stosowana w przemyśle. Jest narzędziem który w sposób termiczny oddziałuje na materiał obrabiany, powodując przemiany struktury materiału oraz wzrost mikrotwardości w okolicach szczeliny cięcia, co w konsekwencji prowadzi do zmian właściwości mechanicznych elementów konstrukcyjnych. Istnieje sporo opracowań naukowych opisujących stan powierzchni po cięciu laserem oraz wpływ parametrów technologicznych cięcia na właściwości obrabianego przedmiotu. Ważnym zagadnieniem stanu powierzchni oraz warstwy wierzchniej po cięciu laserem jest chropowatość powierzchni oraz właściwości mechaniczne. W pracach [1, 2] autorzy analizowali wpływ grubości przecinanego materiału, prędkości cięcia oraz rodzaj i ciśnienie gazu na chropowatość powierzchni przecinanego materiału. Zrealizowane badania pozwoliły stwierdzić, że wraz ze wzrostem grubości przecinanego materiału zwiększa się chropowatość powierzchni. Wzrost ciśnienia gazu oraz prędkości cięcia powoduje także niewielki wzrost chropowatości powierzchni badanych próbek. Eksperyment potwierdził także występowanie charakterystycznych stref o różnej chropowatości powierzchni po cięciu. Sirotkin i inni [7] w swojej pracy badał wpływ cięcia laserem na wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję części wytwarzanych tą technologią. Badania były prowadzone dla 4 grup materiałowych: stopy aluminium, stopy tytanu, stale i polimerowe materiały kompozytowe (PKM). Autorzy zauważyli, że właściwości mechaniczne, wytrzymałościowe oraz zmęczeniowe zależą od gatunku stali i zastosowanego gazu w procesie cięcia. Porównując wytrzymałość statyczną badanych gatunków stali po cięciu laserem i po frezowaniu nie zauważono znaczących zmian wytrzymałości statycznej. Porównując wytrzymałość zmęczeniowa po cięciu laserem w odniesieniu do cięcia strumieniem wody i frezowania, zauważono spadek od 40% do 65 % w zależności od rodzaju przecinanego materiału [5]. Niekorzystne właściwości mechaniczne elementów wycinanych laserem i chropowatość powierzchni oraz zalety nagniatania jako obróbki wykończeniowej skłaniają do podjęcia badań nad możliwością zastosowania tej metody obróbki do ulepszenia warstwy ukształtowanej podczas cięcia laserem.
2. Metodyka badań W eksperymencie wykorzystano próbki ze stali C45 (oznaczenie według PN-93/ H-84019). Zostały one wykonane przy użyciu wycinarki laserowej Bysprit 3015 firmy Bystronic wyposażony w laser CO 2. Zostały one wycięte na wymiar 4 x 8 x 100 mm, przy wykorzystaniu tlenu jako gazu roboczego oraz stosując następujące parametry obróbki: prędkość cięcia: 900 mm/min, moc: 2000 W, częstotliwość: 1100 Hz, ciśnienie gazu: 0,05 MPa, położenie ogniskowej: 1,5 mm. Przed operacją wycinania laserowego arkusz blachy został poddany wyżarzaniu ujednorodniającemu w temperaturze 860 C w czasie 30 minut w celu redukcji stanu naprężeń własnych wprowadzonych przez obróbki poprzedzające cięcie wiązką laserową. Następnie powierzchnie po cięciu wiązką laserową poddano nagniataniu tocznemu. Zostało one przeprowadzone na tokarce uniwersalnej C11/MB, znajdującej się w Katedrze Podstaw Inżynierii Produkcji na Politechnice Lubelskiej Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie proces nagniatania tocznego powierzchni płaskich oraz zdjęcie stanowiska badawczego. Rys. 1. Widok stanowiska badawczego oraz schemat nagniatania tocznego powierzchni płaskich Próbki badane były zamocowane w tarczy z czterema rowkami o maksymalnej szerokości 15 mm, która stanowiła uchwyt oraz wykonywała ruch obrotowy. Element nagniatający zamocowany w imaku tokarki wykonywał ruch posuwowy, będąc równocześnie dociskany ze stałą siłą F do przedmiotu obrabianego. Model nagniatania tocznego przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Model nagniatania tocznego Jako nagniatak zastosowano przyrząd składający się z elementu nagniatającego, którym była stalowa kulka o średnicy 8 mm, 12mm i 16 mm oraz zespołu wywierającego siłę docisku (rys.3). Maksymalna siła docisku jaka mogła zostać wywarta to 1000N.
Rys. 3. Schemat nagniataka: 1-korpus, 2- głowica, 3- stalowa kulka nagniatająca, 4- sprężyna, 5- śruba zapewniając ściskanie sprężyny Proces nagniatania tocznego został przeprowadzony dla następujących zestawów parametrów (tabela 1). Taki sam zestaw parametrów obróbki został zastosowanych dla każdej głowicy nagniatającej. Tabela 1. Zestaw parametrów technologicznych zastosowanych w próbach nagniatania Lp. v c [m/min] f [mm/obr] F [N] 1 0,05 2 0,17 720 3 0,28 4 24,08 0,4 5 300 6 0,17 510 7 930 Pomiaru chropowatości powierzchni dokonano za pomocą profilografometru laboratoryjnego Surtronic 3+ firmy Taylor Hobson, wyposażonego w diamentową końcówkę w kształcie pryzmy. Pomiary zostały dokonane na powierzchni po cięciu wiązką laserową, w przybliżeniu prostopadle do kierunku działania promienia oraz na powierzchni po nagniataniu tocznym, w tym samym kierunku. W związku z wystąpieniem charakterystycznych stref o różnej chropowatości pomiaru dokonano w strefie wejścia i wyjścia wiązki laserowej w materiał przecinany. Taki sam schemat pomiarów chropowatości przyjęto dla powierzchni nagniatanej. 3. Wyniki Przed przystąpieniem do prób nagniatania tocznego przeprowadzono pomiary chropowatości powierzchni po cięciu wiązką laserową. Wartość parametru Ra dla strefy wejścia wynosiła 7,94 μm, natomiast dla strefy wyjścia- 8,8 μm. Różnica chropowatości powierzchni jest spowodowana zakrzywieniem prążków w dolnej strefie powstałych na powierzchni cięcia w stronę przeciwną do tworzenia szczeliny. Po przeprowadzonych próbach nagniatania i pomiarze chropowatości otrzymane wyniki poddano analizie w funkcji zastosowanych posuwów oraz sił docisku F. Na rysunku 4 i 5 przedstawiono wpływ posuwu oraz średnicy kulki elementu nagniatającego na chropowatość powierzchni po nagniataniu przy stałej wartości siły docisku F = 720 N dla strony wejścia i wyjścia wiązki laserowej w przedmiot obrabiany. Analizując
otrzymane wyniki można zauważyć, że wraz ze wzrostem posuwu następuję wzrost chropowatości powierzchni. Rozpatrując oba wykresy, zauważalne jest, że zastosowanie mniejszej średnicy kulki elementu nagniatającego powoduje większą deformację prążkowanej powierzchni, powstałej po cięciu laserem, co pozwala na uzyskanie gładszej powierzchni. W przypadku zastosowania mniejszych wartości posuwu f= 0,05 mm/obr oraz f=0,17 mm/obr uzyskano większe różnice chropowatości powierzchni w funkcji zastosowanych średnic elementów nagniatających, związane jest to z długością styku elementu nagniatającego z powierzchnią obrabianą raz czasem tego styku. Rys. 4. Parametr Ra w funkcji posuwu nagniatania dla strefy wejścia promienia Rys. 5. Parametr Ra w funkcji posuwu nagniatania dla strefy wyjścia promienia Analizują parametr Ra w funkcji siły docisku przy stałej wartości posuwu f= 0,17 mm/obr dla strefy wejścia i wyjścia (rys. 6 i rys. 7) zauważalny jest spadek chropowatości powierzchni wraz ze wzrostem siły docisku. Przy wzroście siły docisku występuje głębsza penetracja elementu nagniatającego (kulki) w głąb metalicznej powierzchni i następuje bardziej skuteczne wyrównanie mikronierówności po cięciu wiązką laserową. Zastosowanie mniejszej średnicy kulki powoduje także głębszą penetracje powierzchni obrabianej co przekłada się na gładszą powierzchnie. Duży rozrzut wartości chropowatości Ra, dla niektórych parametrów technologicznych, może wynikać ze zróżnicowanych właściwości poszczególnych próbek.
Rys. 6. Parametr Ra w funkcji siły docisku dla strefy wejścia promienia Rys. 7. Parametr Ra w funkcji siły docisku dla strefy wyjścia promienia Na rysunku 8 i 9 przedstawiono przykładowe profilogramy powierzchni przed i po obróbce nagniataniem dla strefy wejścia i wyjścia promienia lasera. Można zauważyć wygładzenie wierzchołków mikronierówności oraz zmniejszenie wysokości nierówności powierzchni wskutek nagniatania tocznego. a) b) Rys. 8. Przykładowe profilogramy dla stefy wejścia po: a) cięciu laserem b) nagniataniu tocznym (parametry nagniatania średnica kulki 8 mm, F=720N, f=0,05 mm/obr)
a) b) Rys. 9. Przykładowe profilogramy dla stefy wyjścia po: a) cięciu laserem b) nagniataniu tocznym (parametry nagniatania średnica kulki 8 mm, F=720N, f=0,05 mm/obr) 4. Podsumowanie W pracy badano wpływ parametrów technologicznych nagniatania tocznego na jakość powierzchni po cięciu wiązką laserową. Nastepujące wnioski podsumowują rezultaty badań nagniatania tocznego powierzchni stali C45 po cięciu laserem: - nastąpiła znaczna poprawa chropowatości powierzchni i dla niektóry zestawów parametrów obróbki wyeliminowanie różnic chropowatości dla strefy wejścia i wyjścia wiązki lasera, - po przeprowadzonej obróbce dla strefy wejścia wiązki lasera uzyskano chropowatość powierzchni mniejszą o 37%- 73%, natomiast dla strefy wyjścia o 36%- 66%, - wzrost siły docisku powoduje spadek chropowatości powierzchni, jest to spowodowane głębszą penetracją elementu nagniatającego, co powoduje plastyczna deformację, dzięki czemu zostaje wygładzona struktura z charakterystycznymi prążkami, - wzrost posuwu powoduje pogorszenie stanu powierzchni obrabianej, - średnica kulki elementu nagniatającego ma znaczny wpływ na chropowatość powierzchni, bardziej efektywna obróbka jest przy zastosowaniu głowicy z mniejszą średnicą kulki. Uzyskane wyniki wskazują na potrzebę prowadzenia dalszych badań nad nagniataniem tocznym powierzchni przedmiotów wycinanych wiązką laserową w celu opracowania najkorzystniejszych warunków obróbki tak aby uzyskać powierzchnie o małej chropowatości, pozbawionej charakterystycznych prążków. Poprawa stanu warstwy wierzchniej przedmiotów wycinanych za pomocą wiązki laserowej pozwoliłaby na wzrost jakości eksploatacyjnej elementów wytwarzanych za pomocą tej technologii. Literatura: 1. BRZOZOWSKI A.: Jakość technologicznej warstwy wierzchniej blachy po cięciu laserowym. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją, nr 8/2008, str. 13-20. 2. CZUPRYN M., SZULC T.: Wpływ wybranych parametrów cięcia laserowego na jego wynik. Przegląd Spawalnictwa 10/2004, str. 9-12 3. HASSAN A. M., AL- BSHARAT A. S.: Influence of burnishing process on surface roughness, hardness and microstructure of some non- ferrous metals. Wear 199, 1996, p. 1-8 4. LOW K.O., WONG K.J.: Influence of ball burnishing on surface quality and tribological characteristics of polymers under dry sliding conditions, Tribology International 2011 vol. 4, 144 153 5. MÄNTYJÄVI K., VÄISÄNEN A., KARJALANINEN J. A., Cutting method influence on the fatigue resistance of ultra- high- strength steel. International Journal of Material Forming, 2, 2009. 547-550 6. PRZYBYLSKI W.: Technologia obróbki nagniataniem. WNT, Warszawa 1987 7. SIROTKIN O. S., BLINIKOWV. V., KONDRATIUK D. I., MICHALSKI J., NAKONIECZNY A., WACH P., Precyzyjna obróbka laserowa, jako końcowa operacja wytwarzania części maszyn. Inżynieria Powierzchni, 2010, 3, s. 54-61