Wpływ warunków nagniatania tocznego na chropowatość

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 CO2 . 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.
1
2
3
4
5
6
7
vc [m/min]
24,08
f [mm/obr]
0,05
0,17
0,28
0,4
0,17
F [N]
720
300
510
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