plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

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 Al2O3 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
1. 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 [1].
W artykule zaprezentowano wyniki analizy powierzchni uzyskanych na specjalnie zaprojektowanym stanowisku badawczym, umożliwiającym mikroszlifowanie ceramiki korundowej (Al2O3). 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.
Katedra Inżynierii Komputerowej Politechniki Koszalińskiej.
***
Mgr inż.
**
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. 1).
⎛ E ⎞⎛ K ⎞
hc = b⎜ ⎟⎜ c ⎟
⎝ H ⎠⎝ H ⎠
2
Ziarno
ścierne
Progowa głębokość
wnikania ziarna
w materiał
Kruche
pękanie
Odkształcenie
plastyczne
Rys. 1. 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 Kc, stanowi podstawowy czynnik wpływający na uszkodzenie w trakcie obróbki materiału szlifowanego; hc – krytyczna głębokość wnikania
ziarna ściernego w materiał obrabiany
Fig. 1. 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
(Kc). This coefficient is the basic factor influencing the cracking while grinding; hc – 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
2.1. 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 S1 oraz S3, które uzyskano,
odpowiednio, dla dosuwu 100 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 (S1, S2, S3, S4,
S5, S) o zmiennej głębokości warstwy skrawanej przypadającej na jeden obrót
ściernicy. Szlifowano ceramikę korundową (Al2O3) za pomocą ściernicy diamentowej (średnica 35 mm) o charakterystyce: B125/B54V100V.
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-1
42 m/s
Dosuw
100 nm/s
S-2
Dosuw
500 nm/s
S
Dosuw
500 nm/s
S-3
Dosuw powyżej
2,5 μm/s
27 m/s
S-5
15,7m/s
S-4
Dosuw
500 nm/s
Dosuw
500 nm/s
42 m/s
18 m/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...
Θ
Rys. 4. Model termiczny badanej struktury
Fig. 4. Thermal model of examined structure
ZK(1)1
61
ZC2
Z (C2)
Odpowiedź temperaturowa na pobudzenie harmoniczne P = P0exp(jω) została wyznaczona z poniższej zależności (1):
( )
(1) 2
⎡ (1)
⎤
z12
Θ = P ⋅ ⎢ z11 − (1)
⎥
z11 + Z C( 2 ) ⎦⎥
⎣⎢
(1)
Poniższe zależności przedstawiają związek parametrów Z czwórnika z właściwościami fizycznymi poszczególnych warstw:
(i )
z11
= Z C( i )
gdzie: Γ ( i ) = (1 + j)
Z C( i ) = (1 − j)
cosh( Γ ( i ) )
,
sinh( Γ ( i ) )
(i )
z12
= Z C( i )
1
sinh( Γ ( i ) )
(2, 3)
ω
⋅ d i – operator propagacji,
2α i
1
Sε i 2ω
– charakterystyka impedancji,
α = λ (ρ ⋅ c ) – 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 (1) pozwala wyznaczyć zależność amplitudy i fazy temperatury
na powierzchni analizowanej struktury w funkcji częstotliwości od parametrów
cieplnych warstwy zdefektowanej (warstwa 1) i niezniszczonego podłoża (warstwa 2). Ich porównanie z charakterystykami częstotliwościowymi obiektu termicznie grubego pozwala wyznaczyć amplitudowe i fazowe charakterystyki
kontrastu temperaturowego [5]:
AC =
A − Aref
⋅ 100% ,
Aref
PhC = ϕ − ϕ ref
(4, 5)
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:
A=
d1
α1
B=
,
ε1
ε2
(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.
2.3. 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
[%]
S1
AC
S2
S3
S4
S5
14,0
[deg]
S1
PhC
S2
S3
S4
S5
12,0
180,0
10,0
160,0
8,0
140,0
6,0
120,0
4,0
100,0
2,0
0,0
80,0
0
100
200
300
400 Freq [Hz]
500
0
100
200
300
Rys. 5. Wynik porównania próbek (S1, S2, S3, S4, S5)
Fig. 5. Result of samples comparison (S1, S2, S3, S4, S5)
400 Freq [Hz]
500
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 1.
Tablica 1
Wartości zmiennych niezależnych
Values of independent variables
Parametr
S1
S2
S3
S4
S5
A
0,0100
0,0108
0,00945
0,0126
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 ( ρ1c1 ≈ ρ 2 c2 ). Oznacza to, że można wyznaczyć nie tylko
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 d1 i λ1:
d1 =
A ⋅ B ⋅ε2
,
ρc
λ1 =
B 2 ⋅ ε 22
ρc
(8, 9)
Najlepsze dopasowanie charakterystyk kontrastowych próbek (od S1 do S5)
otrzymano dla wartości d1 i λ1 przedstawionych w tablicy 2.
Tablica 2
Wyniki badań grubości i przewodności termicznej
Experimental results of thickness and thermal conductivity
Wielkość
1 (S1)
2 (S2)
3 (S4)
4 (S5)
5 (S3)
d1 [μm]
19
19
21
13
12
λ1 [W/(m·K)]
15
11
10
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 15 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 sin2Ψ, pozwalającej na
analizę głębokości warstwy wierzchniej do około 150 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. 1). 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 (100), prostopadłego do płaszczyzny krążka
(010) 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
S3/ **
S4/ 9 m/s
S5/ 18 m/s
27 m/s
S1,S2/ 42 m/s
*
σ1*
σ2*
ε
D
[MPa]
Δ[MPa]
[MPa]
Δ[MPa]
[%]
[nm]
1233
344
2127
1200
890
142
87
211
102
142
–1406
–1268
–1893
–1107
–1184
80
77
60
89
77
0,045
0,034
0,036
0,023
0,016
240
393
346
785
1683
σ1 i σ2 – wyselekcjonowane dwie grupy krystalitów o dodatniej i ujemnej wartości naprężeń.
**
Dosuw powyżej 1 μm dla 15,7 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
[1] 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.
[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 1998, s. 134–138.
[4] Rosencwaig A., Photoacousticand Photothermal Spectroscopy, New York, Wiley 1980.
[5] Suszyński Z., Majchrzak P., The idea of thermal wave contrast images in analysis of thermal properties of solids, in: Proceedings of the 27th 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 (Al2O3) 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