analiza zmian struktury geometrycznej powierzchni (3d) w procesie

5-2009
TRIBOLOGIA
25
Henryk CZARNECKI*
ANALIZA ZMIAN STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ
POWIERZCHNI (3D) W PROCESIE TARCIA
ANALYSIS OF CHANGES IN THE SURFACE
GEOMETRICAL STRUCTURE (3D) IN THE FRICTION
PROCESS
Słowa kluczowe:
zużycie a struktura geometryczna powierzchni
Key-words:
wear versus surface geometrical structure
Streszczenie
Elementarne zjawiska tarcia powstają na jednej chwilowej powierzchni
rzeczywistego kontaktu, czyli na występach nierówności. W okresie eksploatacji formuje się nowy stan chropowatości powierzchni, będący
funkcją drogi i warunków panujących w trakcie zużywania. Do pomiaru
parametrów charakteryzujących strukturę geometryczną powierzchni
*
Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut
Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Al. Armii Krajowej 21, 42-200 Częstochowa, tel. (034) 325 05 36 lub sekr. (34) 325 05 09, fax (34) 325 05 09, e-mail
czarneck@ itm.pcz.czest.pl.
26
TRIBOLOGIA
5-2009
przed i po procesie tarcia wykorzystano profilografometr firmy Taylor
Hobson oraz oprogramowania Platinum 5.0. Otrzymana pełna charakterystyka struktury geometrycznej powierzchni (SGP) w układzie 3D i
możliwości programowe pozwalają na bardziej szczegółowe wnioskowanie o współpracy elementów pary tribologicznej w skali mikro.
W opracowaniu zostaną przedstawione możliwości zastosowania
pomiarów chropowatości 3D do oceny zjawisk towarzyszących procesowi tarcia i zużycia.
WPROWADZENIE
Na podstawie wielu badań i obserwacji procesów tribologicznych stwierdzono, że odpowiedniemu procesowi zużycia i tarcia towarzyszą określone zmiany chropowatości powierzchni, zależne nie tylko od chropowatości uzyskanej w procesach obróbkowych, lecz także od wartości
parametrów samego procesu tarcia i zużycia [L. 1, 2]. Proces tarcia składa się z zespołu elementarnych zjawisk zachodzących na jednej chwilowej powierzchni rzeczywistego kontaktu, czyli na występach nierówności
i powodujących określone zmiany budowy SGP lub stanu warstwy
wierzchniej. W okresie współpracy części następuje wygładzenie najbardziej wystających przypadkowych wierzchołków nierówności, a tym samym zmianie ulegają parametry powstającej warstwy eksploatacyjnej,
będące funkcją drogi i warunków panujących w trakcie procesu tarcia
[L. 1]. Jeżeli proces zużycia jest „zerowy”, tzn. nie przekracza wysokości
nierówności, to te elementarne procesy zużycia zachodzą na wierzchołkach nierówności pierwotnych, tworząc nową topografię powierzchni.
Obserwacja bezpośrednia tych zjawisk jest niemożliwa, stąd pomiary
topografii w układzie przestrzennym mogą nam pomóc przy interpretacji
zjawisk zachodzących w styku. Są to nowsze metody od dotychczas stosowanych [L. 3–5].
BADANIA EKSPERYMENTALNE ZMIANY SGP W PROCESIE
TARCIA SUCHEGO
Do przeprowadzenia serii eksperymentów mających na celu określenie
zmian struktury geometrycznej powierzchni w układzie 3D podczas tarcia technicznie suchego użyto próbek wykonanych ze stali C55 ulepszonej cieplnie do 28–30 HRC. Jako model pary czop–panewka przyjęto
próbkę cylindryczną o średnicy 35 mm i wycinek panewki, który stano-
5-2009
TRIBOLOGIA
27
wiła przeciwpróbka żeliwna gatunku 200. Nacisk jednostkowy, jak
i szybkość względną próbki ustalono z dopuszczalnej dla danej pary
(stal–żeliwo) wartość pV = 1,6 MPa x m/s. Proces realizowano na drodze
tarcia 20 000 m, powodującego zużycie „zerowe”, tzn. jego wartość nie
przekroczyła wysokości nierówności uzyskanej w obróbce wykańczającej.
Próbki użyte do badań na zużycie wykończono nagniataniem oscylacyjnym (przy parametrach procesu F = 45 daN; f = 0,18 mm/obr.; e = 0,5;
φ = 45°) dające SGP zdeterminowaną. Pomiaru SGP dokonano na profilografometrze firmy Taylor Hobson, a do analizy zastosowano oprogramowania Platinum 5.0. Na Rys. 1 przedstawiono widok wycinka próbki
ze strukturą powierzchni po obróbce nagniataniem oraz po zużyciu na
drodze tarcia (Rys. 1a) wraz z widokiem po usunięciu krzywizny cylindra (Rys. 1b).
Przed zużyciem
00
0.5
0.5
11
00
11
22
µm
µm
33
44
55mm
mm
14
14
12
12
1.5
1.5
22
10
10
88
2.5
2.5
33
66
3.5
3.5
44
44
4.5
4.5
22
mm
mm
a
Po zużyciu
00
Długość
Dlugosc = 3.11 mm Pt = 9.12 µm Skala = 20 µm
µm
10
7.5
5
2.5
0
-2.5
-5
-7.5
b
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3 mm
Rys. 1. Widok powierzchni nagniatanej i zużytej: a – rozwinięcie powierzchni po
usunięciu krzywizny cylindra, b – profilogram w przekroju wzdłużnym
Fig. 1. View of a burnished and worn surface: a – development of the surface after
removal of the cylinder curvature, c – a profilogram in the longitudinal section
28
TRIBOLOGIA
5-2009
Możemy zaobserwować na powierzchni regularne wgłębienia i występy, których wierzchołki zostają zużyte. Na tych wierzchołkach powstaje nowa chropowatość w czasie współpracy z przeciwpróbką, co odzwierciedla profil w widoku 2D (Rys. 1b) powstały z przecięcia płaszczyzną wzdłuż tworzącej.
Wyniki pomiarów parametrów chropowatości w układzie 3D zobrazowano w Tabeli 1 i Rys. 2–7.
a
b
Rys. 2. Widok powierzchni po nagniataniu oscylacyjnym przy φ =10°: a – po obróbce; b – po zużyciu na drodze tarcia 20000 m
Fig. 2. View of a surface after oscillatory burnishing at φ =10°: a – after treatment; b –
after wear along a friction path of 20000 m
Na Rys. 2a ukazano topografię warstwy technologicznej uzyskanej
w procesie nagniatania oscylacyjnego. Natomiast na Rys. 2b widok tej
5-2009
TRIBOLOGIA
29
topografii po drodze tarcia 20 000 m. Widzimy, że w procesie tarcia
technicznie suchego zużycie następuje na wierzchołkach nierówności, co
można zaobserwować na Rys. 2b. W trakcie zużycia formuje się nowa
struktura chropowatości. Zmieniają się wszystkie parametry chropowatości wyjściowej – technologicznej, co obrazuje Tab. 1.
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiaru chropowatości przed i po procesie tarcia
na drodze 20 000 m
Table 1. A summary of the results of roughness measurement before and after the
process of friction along a path of 20000 m
Parametry chropowatości
Hybrydowe
Sdq, µm/µm
Ssc, 1/µm
Sdr, %
Funkcjonalne
Sbi
Sci
Svi
Parametr przy
0,5
Po obróbce
(a)
Po zużyciu (b)
0,0519
0,0101
0,134
0,0601
0,00804
0,179
0,791
1,56
0,08
0,28
0,82
0,23
Sk, µm
1,66
0,54
Spk, µm
Svk, µm
Sr1, %
0,605
0,518
8,4
0,762
0,732
12,4
Sr2, %
90,8
83,4
Parametry nośności z wykresu
Sk, µm
Spk, µm
Svk, µm
Sr1, %
Sr2, %
Sa1
Sa2
Parametry chropowatości
Po obróbce (a)
Po zużyciu (b)
2,09
2,48
7,18
8,13
15,3
0,169
2,12
0,619
0,875
4,03
8,38
12,4
−1,83
9,15
Sz, µm
12,9
10,1
Powierzchniowe
i objętościowe
STp, %
SHTp, µm
Smmr, mm3/mm2
Smvr
mm3/mm2
0
4,88
0,00813
0,1
1,01
0,00838
0,00718
0,00403
0
527
0,206
0,153
22
2,1
0
1469
0,737
0,105
2
2,15
Amplitudowe
Sa, µm
Sq, µm
Sp, µm
Sv, µm
St, µm
Ssk
Sku
Przestrzenne
7,29
1,45
0,809
10,1
94,8
7,3
2,11
1,22
0,476
1,99
6,68
78,8
1,59
21,1
SPc, pks/mm2
Sds, pks/mm2
Str
Sal, mm
Std, °
Sfd
30
TRIBOLOGIA
5-2009
W rozpatrywanym przypadku parametr średniego arytmetycznego
odchylenia Sa zmienił się z 2,09 µm na 0,619 µm, a średnie kwadratowe
odchylenie Rq z 2,48 µm na 0,875 µm. Powierzchnia powstała w wyniku
zużycia na drodze tarcia 20000 m posiada jeszcze widoczne miejscowe
wgłębienia, co obrazuje Rys. 2b i Rys. 3, pokazujący widok powierzchni
pod płaszczyzną średnią.
Rys. 3. Widok powierzchni pod płaszczyzną średnią po nagniataniu oscylacyjnym
przy φ =10°: a – po obróbce; b – po zużyciu na drodze tarcia 20 000 m
Fig. 3. View of a surface under the mean plane after oscillatory burnishing at φ =10°:
a – after treatment; b – after wear along a friction path of 20000 m
Analiza krzywych nośności (Rys. 4) pozwala zaobserwować zmianę
nośności materiałowej w wyniku zużycia. Początkowa wysokość chropowatości rdzenia Sk wynosiła 7,29 µm, a końcowa 1,22 µm. Zredukowana wysokość wzniesień Spk również uległa zmianie z 1,45 µm dla
powierzchni technologicznej na 0,476 µm po procesie eksploatacji przy
5-2009
TRIBOLOGIA
31
jednoczesnej zmianie udziału nośnego wierzchołków Sr1 z 10,1% do
6,68%. Natomiast mniejszym zmianom uległa zredukowana głębokość
wgłębień Svk z 0,809 µm na początku procesu tarcia do 1,00 µm po zużyciu. Udział nośny wgłębień nie uległ większym zmianom. Wskaźnik
ten jest miarą zdolności utrzymywania płynu we wgłębieniu na powierzchni elementu współpracującego.
Rys.4. Krzywa nośności powierzchni nagniatanej oscylacyjnie
przy φ =100: a – po obróbce; b –po zużyciu na drodze tarcia 20000 m
Fig. 4. The load-carrying curve of the surface oscillatory burnished at φ =100: a – after treatment; b – after wear along a friction path
ofa 20000 m
b
Rys. 4. Krzywa nośności powierzchni nagniatanej oscylacyjnie przy φ =10°:
a – po obróbce; b –po zużyciu na drodze tarcia 20000 m
Fig. 4. The load-carrying curve of the surface oscillatory burnished at φ =10°: a – after
treatment; b – after wear along a friction path of 20000 m
Mapy warstwicowe (Rys. 5) ukazują zmiany wymiaru i usytuowania
miejscowych wzniesień i wgłębień. Możemy zauważyć, że w trakcie procesu zużycia wierzchołków nierówności tworzą się nowe powierzchnie
pokryte nowymi mikronierównościami tworzącymi inną mikrotopografię.
Ujemna wartość współczynnika skośności Ssk świadczy o tym, że
wzniesienia mają charakter płaskowyżowy, a zmniejszające się ich wartości świadczą o zwiększaniu się tej płaskości. W trakcie tworzenia się
nowej topografii powierzchni zwiększa się gęstość występowania wierzchołków nierówności Sds z 610 na 1512 pks/mm2. Ulega również zmianie współczynnik skupienia Sku, ale z uwagi na to, że jest on wrażliwy
na pojedyncze wgłębienia, nie może być on wyróżnikiem pierwszoplanowym.
Zmianę rzędnych profilu powierzchni ukazuje Rys. 6. Obserwacja
rozkładu wierzchołków miejscowych wzniesień powierzchni [L. 1] obrazuje zmianę formy powierzchni z anizotropowej mieszanej, powstałej
32
TRIBOLOGIA
5-2009
podczas nagniatania oscylacyjnego na anizotropową losową na końcu
okresu zużycia.
b
a
Rys. 5. Mapa warstwicowa powierzchni nagniatanej oscylacyjnie przy φ =10°:
a – po obróbce; b – po zużyciu na drodze tarcia 20000 m
Fig. 5. The contour-line map of the surface oscillatory burnished at φ =10°: a – after
treatment; b – after wear along a friction path of 20000 m
a
b
Rys. 6. Rozkład rzędnych profilu powierzchni nagniatanej oscylacyjnie przy φ
=10°: a – po obróbce; b – po zużycie na drodze tarcia 20 000 m
Fig. 6. The profile ordinate distribution of the surface oscillatory burnished at φ =10°:
a – after treatment; b – after wear along a friction path of 20000 m
Mając zarejestrowaną topografię przestrzenną możemy dokonywać
analizy w układzie 2D dla dowolnego przekroju i dowolnego fragmentu
analizowanej powierzchni. Przykładowo można obserwować zmiany
chropowatości w kierunku ruchu w procesie tarcia, co obrazuje Rys. 7a.
Możliwa jest również analiza wybranego fragmentu analizowanej chro-
5-2009
TRIBOLOGIA
33
powatości i jej powiększenie (Rys. 7b). Na podstawie tych profilogramów możemy wnioskować o przebiegu procesu zużycia. Widzimy, że
elementarne procesy zużycia rozwijają się na wierzchołkach nierówności.
a
Dlugosc = 5 mm Pt = 8.62 µm Skala = 10 µm
µm
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
0
b
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
3.75
4
4.25
4.5
4.75 mm
Dlugosc = 1.31 mm Pt = 6.08 µm Skala = 10 µm
µm
4
2
0
-2
-4
-6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3 mm
Rys. 7. Profilogram powierzchni z Rys. 1 w przekroju zgodnym z kierunkiem
ruchu zużywania: a – całej analizowanej powierzchni, b – wybranego
fragmentu (dwa wierzchołki)
Fig. 7. The profilogram of the surface from Fig. 1 in the section consistent with the
friction motion direction: a – whole surface analyzed, b – selected fragment
(two tops)
PODSUMOWANIE
Postęp w budowie oprzyrządowania do pomiaru chropowatości i możliwości programowe umożliwiają analizę struktury geometrycznej powierzchni w układzie przestrzennym 3D oraz pozwalają na otrzymanie
zarówno obrazu całej powierzchni, jak też jej fragmentu wraz z określeniem charakterystyk (parametrów chropowatości). Wybór tych parametrów musi jednak być dopasowany do celu, jaki chcemy osiągnąć. Użyta
aparatura i oprogramowanie w pełni pozwalają na dokonanie pomiaru
i szeregu obserwacji mikroprofilu powierzchni w skali mikro z dokładnością manometryczną. W rozpatrywanym przypadku w pierwszej fazie
zużycia obserwujemy, że ubytek materiału następuje na wierzchołkach
34
TRIBOLOGIA
5-2009
nierówności, co prowadzi do zmiany wartości charakterystyk chropowatości. Możliwa jest obserwacja zarówno całej powierzchni, jak i wybranych
fragmentów. Można zatem powiedzieć, że istniejące obecnie przyrządy, jak
i oprogramowanie stwarzają nową jakość w badaniach laboratoryjnych
i stanowiskowych przy obserwacji i pomiarach procesów zużywania.
LITERATURA
1. Czarnecki H.: Udział warstwy wierzchniej w kształtowaniu odporności na
zużycie tribologiczne, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, seria
monografie nr 139, Częstochowa 2008.
2. Szczerek M., Wiśniewski M.: Tribologia i tribotechnika. Wydawnictwo
Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2000.
3. Oczoś K., Libimov V.: Struktura geometryczna powierzchni, Podstawy klasyfikacji z atlasem charakterystycznych powierzchni kształtowanych, Struktura geometryczna powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2003, s. 24–50.
4. Terry A.J., Broun C.A.: A comparison of topographic characterization parameters in grinding, Ann. CIRP, 46 (1997) 1, s. 479–500.
5. Stout K.J. et al.: The development of characterization of roughness in 3D.
University of Hudderfield, Penton Press 2000.
Recenzent:
Marek WIŚNIEWSKI
Summary
The elementary friction phenomena occur on the single momentary
surface of actual contact, which is on the protrusions of irregularities.
During operation, a new surface roughness state forms, being the
function of the path and conditions prevailing during wearing. For
the measurement of parameters, characterising the geometrical
structure of the surface before and after the friction process,
a profilographmeter by Taylor Hobson and the Platinum 5.0
software were employed. The obtained full characteristics of the
surface geometrical structure (SGS) in the 3D system and the
program capabilities enable a more in-depth inference on the mating
of tribological pair elements in a micro scale.
The paper will present the possibilities of using 3D roughness
measurements for the assessment of phenomena accompanying the
friction and wear processes.