INTEGRITA POVRCHU A JEJI VYZNAM PRO POSOUZENI VHODNOSTI DANE PLOCHY PRO JEJI FUNKCI

Transkript

1 INTEGRITA POVRCHU A JEJI VYZNAM PRO POSOUZENI VHODNOSTI DANE PLOCHY PRO JEJI FUNKCI Soucasne trendy v rozvoji vyrobnich systemu se daji charakterizovat snahou 0 zvysovani pruznosti vyrobnich procesu, kteni se da uplatnit ve vsech typech vyroby. Tento trend se da vypozorovat nejen u jednodussich obrabecich stroju, ale i u slozitych obrabecfch center. Realizace techto cilu je ve vyuzivani modemfch i'idicfch prvku, kterymi lze i'fdit nejen vzajemne polohy, drahy, rychlosti pohybu nastroje a obrobku, ale i automatickou vymenu nastroju, manipulaci s obrobky i jejich kontrolu po skonceni danych, operacl. Jednou z cest, jak dosahnout zvyseni produktivity prace v modenli vyrobe, je zabezpecit intenzijikaci fezneho procesu. Pi'itom je nutne brat v uvahu i hlediska jejiho vlivu na jakost obrobeneho povrchu. Pi'edpoklada-li se, ze pfi volbe reznych podminek nejsou omezujicimi faktory moznosti stroje, potom zbyvajfcimi ciniteli jsou niistroj Ueho tuhost, rezivost) a choviini materiiilu pfi feziini. V soucasne dobe je zaznamenavan velky pokrok v oblasti konstrukce a materialu nastroje. Jedna se 0 siroke uplatneni. vymenitelnych bfitovych desticek a bfitovych bloku. Jsou nabizeny vsechny hlavni druhy - od rychloreznych ocelf a slinuty-ch karbidu, pi'es reznou keramiku az po synteticky diamant a kubicky nitrid b6ru.roste i podil tezkoobrobitelnych materialu

2 2. JAKOST POVRCHU OBROBENYCH PLOCH v,, SOUCASTI Vyvoj v oblasti vyrobnf techniky, reznych materialu, je vetsinou hodnocen z hlediska vlivu na produktivitu prace. Vezme-li se ale v uvahu pine vyuzitf rezivojsti novych nastrojovych materialu a prikonu stroju, ktere jsou nekolikanasobne ve srovnanf s klasickyn1i, vznika zde otazka, zda toto mnozstvf energie prevedene na brit nastroje neovlivnf vyrazneji vlastnosti obrobeneho povrchu, predevsfm j eho j akost. Jakost obrobeneho povrchu je mozne posuzovat podle nasledujfcfch hledisek : presnosti rozmeru a tvaru, drsnosti a mikrostruktury, vlastnosti povrchove vrstvy. Presnost rozmeru a tvaru je dana vlastnf presnosti stroje, tuhosti systemu stroj-nastroj-obrobek a dalsfmi faktory, ktere ale pusobf neprimo na technologicky proces. Drsnost a mikrostruktura povrchu je ovlivnena bezprostredne procesem rezani. NejvYznamnejsimi prvky tohoto vlivu jsou rezna rychlost, tvar nastroje, pusobenf ruznych reznych materialu, jejich opotrebeni apod. Vlastnosti povrchove vrstvy jsou vyjadrovany strukturnfmi zmenami, stupnem zpevnenf, ktere j sou umerne velikosti zbytkovych napetl V zhledem k ton1u, ze intenzita procesu rezanf se stale zvysuje v dusledku dalsfho rustu vyssfch reznych rychlosti a vyssiho energetickeho pusobenf na brit nastroje, je nutno pocltat s tim, ze vlastnosti povrchove vrstvy soucasti se mohou vyrazne menit vzhledem k vlastnostem materialu ve vetsf vzdalenosti od povrchu.

3 Sbrnuti predcbozicb uvab Z teoretickeho rozboru procesu rezanf a na zaklade experimentalnfho vyzkumu lze konstatovat, ze rezne podnlillky maji vyznanlny vliv na vlastnosti povrcbove vrstvy. At' uz je to rezna rychlost, druh nastrojoveho materialu, nebo zmena dokoncovacf operace - ve vsech techto pffpadech je n10zne povazovat ucinek nlznych technologif a reznych podmfnek na vlastnosti povrchove vrstvy za prokazany. Je i statisticky dolozeno, ze vetsina porucb strojnicb soucasti za provozu vznika na povrcbu, nebo tesne pod nim. To ukazuje, ze meznf stay v takovych prfpadech zavisf na uzce lokalnfch vlastnostech materialu v nejnamahanejsfm mfste a ne na prumemych vlastnostech celeho prurezu. Z hlediska llnavove pevnosti to znamena, ze v dusledku pouzite technologicke operace zmenene vlastnosti povrchove vrstvy j sou vystaveny maxin1alnfm napetfm od vnejsfch sil.vedle toho pusobf na mozne poruchy na povrchu i stopy po obrabenf, ktere fungujf jako vruby. V konstrukci moden1fch stroju a zafizenf, v energetice, v letecke a dopravnf technice, kde se stale vfce uplatiiujf materialy s vyssfmi fyzikalnfmi a mechanickymi vlastnostmi, se da ocekavat, ze vliv technologie vyroby a jejf ucinek na vlastnosti povrchove vrstvy se bude projevovat stale vyrazneji. Je to zpusobeno vyssf hodnotou deformacnf prace a teplotou v mfste tvorenf tffsky, casto horsf tepelnou vodivostf pouzitych materialu a take vyssfmi mechanickymi v lastnostmi.

4 Jednou z vyznamnych oblasti, ktera je stale vice v popredi zajmu technologu, je obrabeni kalenych ocell. I kdyz dnes existuji nastrojove materialy, kterymi lze kalene oceli opracovavat, prece jen zustava jedna nesnadna oblast ve vyuzivanf teto technologie, 1j. dosazitelna presnost. DalSim vyznamnym pozadavkem pro uplatneni techto technologii je snizovani nakladu jak na vlastni operaci, tak i na nastro j e.

5 INTEGRITA POVRCHU Z hlediska vyroby rna zasadni vyznam znalost mechaniznlu vytvareni noveho povrchu soucasti, protoze umoznuje pochopit povahu a vlastnosti takto vytvoreneho povrchu, dava moznost pro zlepseni pouzitych procesu a pripadne umoznuje vytvoreni obrobenych ploch bez poruch. Vsechny zmeny, ktere nastavaji v povrchove vrstve soucasti, lze shodne posuzovat jako zmeny jakosti. Tyto zmeny se potom mohou davat do vztahu s budouci funkci dokoncene plochy a vyuzivaji se pro hodnoceni jeji integrity. Integrita povrchu je proto odrazem podminek, za kterych funkcni plocha vznikitj bere v uvahu dusledky pusobeni technologickych metod na jakost obrobene plochya ditvitje do vztahu kfunkcnim pozadavkum na celyvyrobek. Problem i obsah integrity funkcnich ploch soucasti byl definovan j iz zacatkem 70tych let, kdy by 10 ukazano, ze je nutne davat do souvislosti podminky technologickych operaci s pozadavky jakosti, spolehlivosti a zivotnosti soucasti i zarizeni. Prvni prace na tomto useku by ly zamereny na opracovani vysoce pevnych ocell Zatim neexistuje zpusob, kterym lze komplexnim zpusobem zhodnotit nove vytvorenou plochu z hlediska jeji v integrity. Rada udaju 0 obrobene plose se sice jiz bezne zjist'uje, pro jine jsou zpracovany postupy a navrhovana potrebna zafizenl Zatim nejspolehlivejsi zkouskou integrity j e v lastni provoz.

6 HODNOCENi VLASTNOSTi POVRCHOVE VRSTVY Rozdeleni mericich metod pro hodnoceni v lastnosti povrchove vrstvy na destruktivni a nedestruktivni neni uplne spnivne, ponevadz nektere soueasne metody, napr. mereni zbytkov-ych napeti, jsou castecne destruktivni., Ueinek tepelneho poskozeni, jako je napr. vyhhiti povrchu nebo vznikle trhliny, je mozne kontrolovat na vybrusech, stejne jako zmena tvrdosti. Zbytkova napeti se ureuji pon10ci RTG difrakeni metodou, nebo metodou, kdy zmeny napeti a deformace se urei po vyvrtani diry 0 malem prumeru. Vznik zbytkovych napeti Pri posuzovani vlivu technologickych procesu na vlastnosti povrchove vrstvy obrobku pri jehov-yrobe je mozne vychazet z druhu a intenzity energii, ktere se na jeho realizaci podilej 1. J edna se 0 energii mechanickou, tepelnou a chen1ickou. Je nutne ale brat v uvahu i vlivy metalurgicke, fyzikalni a take vlastnosti materialu. Hlavni prieinou vzniku zbytkov-ych napeti j sou nerovnomema plasticka deformace v obrobenem povrchu, nerovnomemy ohley a ochlazovani materialu, ktere vyvolava jeho roztazeni a smrst'ovani, nerovnomeme zmeny struktury, vyvolane pusobenim tepla a mechanickych sil, chemicke procesy, spojene s reakci eastic pronikajicich do povrchove vrstvy.

7 Kazda technologicka operace dosahuje prestavby zbytkovych napeti svym vlastnim zpusobem jen v takovem objemu materialu, v jakem je schopna vyvolat plastickou deformaci a tepelne jej ovlivnit. Pri obnibeni je podstatou vzniku zbytkovych napeti pruzne-plasticka deform ace v oblasti tvoreni trisky. Dulezityn1 faktoremje doba pusobeni vlivu podn1inek rezani a rychlost zmen probihajicich stavu. To se vyrazne projevuje napr. pfi brouseni, kdy ohrev je velmi rychly a kratkodoby, rychlost ohrevu i doba chladnuti probihaji za extremnich podminek. Z techto duvodu se ukazuje nutnost sledovat a hodnotit zbytkova napeti v povrchove vrstve napr. kalenych oceli, ktere budou pouzity treba pro vyrobu valivych lozisek. I kdyz na j akost povrchove vrstvy ma nejvetsi vliv posledni operace, muze pri nevhoclne zvolenem sledu operaci zustat v povrchove vrstve zachovano ovlivneni z operaci predchozich. Z hlediska beznych kontrolnich metod se muze povrchova vrstva jevit jako stejna, men-li se tvrdost, drsnost a tvarova uchy lka. Pfitom n10hou v povrchove vrstve byt ruzna zbytkova napeti a to napeti ruzna co do smyslu i velikosti. By la publikovana rada hypotez 0 ucinku zbytkovych napeti na unavovou pevnost (obr. 1). Jejich zavery, zkusenosti z praxe a vysledky experimentu vyzkumu se shoduji s tim, ze tahova zbytkova napeti unavovou pevnost snizuji, tlakova zbytkova napeti je naopak zvysuji. Jejich ucinek vsak neni rovnocenny a vyzaduj e overeni.

8 1 200 O"a (MPa) a Pocet cyklu Obr. 1 Zavislost velikosti zbytkovych napetl na n1ezi unavy v ohybu Obecne se da ocekavat, ze behem provozu soucasti, zejn1ena pfi vyssich teplotach, muze dojit k relaxaci zbytkovych napetl

9 Povlakovani nastrojovych materialu a zbytkova napeti Jednim z problemu v soucasne dobe casto diskutovanych je rychlostnf obnibenf, stejne jako vlivy obnibeni na prostredi, nebo otazky vysoce presneho obrabenl Vsechny tyto skutecnosti jsou v uzke spojitosti s nastroji, pfedevsim s jejich oporrebenim. Jedna se vzdy 0 to, jak ovlivnit opotrebeni nastroje. Na jedne strane je to zvyseni odolnosti proti opotrebeni, kdy se sleduji vsechny mechanizmy opotrebeni, ktere vedou k degradaci nastroj ovych materialu. Pri reseni je pozornost zamerena na tyto problemy I: volba povlaku, tvorba povlaku behem povlakovani, struktura jednotlivych vrstev, nebo multi vrstvy. S tim souvisi i otazky zbytkovych napetl Zbytkova napeti v povrchu i v povrchove vrstve substratu pov lakovaneho nastroje urcuji odolnost vuci mechanickemu zatizen!, zvlaste je-li toto zatizeni promenlive. CVD povlaky vykazuji tahova napeti. N apeti pri PVD povlaku, kdy povlak byva 0 mens! tloust'ce (2 5 J.lm), vykazuje dobrou pevnost britu, lomovou houzevnatost a ohybovou pevnost by"va tlakove. Navic ke vlivu procesu povlakovani na zbytkova napeti v povlaku a substratu je nutne uvest, ze brouseni ovlivnuje hodnoty napeti i v substratu. Lesteni odstranuje deformovanou vrstvu karbidu we a soucasne vyrazne snizi zbytkove napeti. Napeti v substratu mohou byt ovlivnena take milcro zpevnovanim pred pov lakovanim.

10 +cr (MPa) cr o (mm) bez chlazeni s chlazenim _.- Vc 88 ml min - Vc = 55 ml min _ - vc=110m/min - - vc=88m/min Obr.2 y Celni frezovani nastrojem s pozitivnim uhlem cela, bez chlazeni a s chlazenim +cr (IVIPa) 0 _cr o (mm) bez chlazeni s chlazenfm _.- Vc = 88m/min - Vc =88m/min _ - Vc = 110 ml min - - Vc = 88 ml min (fz mm/ zub) _..- Vc =88 ml min (fz = 0.03 mml zub} Obr.3 y Celni frezovani nastrojem s negativnim uhlem cela, bez chlazeni a s chlazenim

11 , v,, " ZBYTKOVA NAPETI PO FREZOVANI Vysledky uvedene v tomto prispevku byly ziskany pfi frezovani titanove slitiny pri celnim frezovani nastrojem s pozitivnimi a negativnimi destickami slinutych karbidu rady K, s chlazenim a bez chlazenl v Celni frezovani hlavou 0 prumeru 125 mm, osazenou destickami s pozitivnim iihlem cela, bez chlazeni, vykazovalo v povrchove vrstve tahova napeti, ktera prechazela v hloubce cca 0,05 mm v napetl tlakova. Tato napetl se v hloubce 0,1 mm bhzila nule a prechazela do napetl tahovych. Chlazeni za stejnych podminek vyvolavalo v povrchove vrstve tlakova napeti, ktera smerem do hloubky materiaju prechazela do nuly a do tahu (obr. 2). v Celni frezovani frezovaci hlavou osazenou destickanli s negativnimi iihly cela, bez chlazeni, vyvolalo take tahova napeti v povrchove vrstve, ale tato napetf prechazela v hloubce 0,05 mm do tlaku. Dalsi prubeh napeti smeroval k nulove hodnote a do tahovych napetl Chlazeni za stejnych podminek vyvohiva tlakova napetl v povrchove vrstve, ktera v hloubce 0,2 mm prechazi do nuly a do tahu (obr. 3).

12 Overovani vlivu zpusobu a podminek vfroby na zivotnost soucasti lze provadet napr. unavovfnli zkouskami na vzorcich s ruznymi stavy napj atosti v povrchove vrstve, vyvolanymi obrabenim. Vysledky unavovych zkousek jsou uvedeny na obr. 4, kde jsou zaznarnenany prlibehy casovane rneze unavy vzorku dokoncenych brousenirn a frezovaninl Brouseni ad (MPa) -. - Frezovcini eelni 500! ,...".,.!...~--... Vcilcovci freza i 450 \.., _.. - Freza mnohobfitci \...:. Balotina ~i "'~~--- po valcovem frezovani 400 ;\ 'L~" : \ I ',,' : 1\.. "0: ", ' 350 i ~...-v..~-\ ,... ' 't\.+--: --~I \- ~--..I \\ i 1...""' L... _... : -~. Pacet cyklu Obr.4 Prlibeh casovane rneze unavy vzorku dokoncenych rliznyrni rnetodarni obrabeni

13 , v ZAVER Studium viastnosti povrchove vrstvy napomaha hodnoceni viivli technologickych procesu a pracovnich podminek na jakost, tj. na viastnosti povrchove vrstvy a na zbytkova napetl Aby bylo mozne dolozit spravnost nazoru na resenou problematiku a dat k dispozici konkretni vysiedky, je nutne provadet funkcni zkousky (napr. unavove zkousky, zkousky treni apod.), kde ruzne zpusoby dokonceni funkcni plochy Ize vyuzlt pro stanoveni jeji jakosti a stavu zbytkovych napetl Tyto poznatky se potonl promitnou do odoinosti soucasti pri jejich namahani a ovlivni jejich spolehlivost a zivotnost, stejne jako povedou k upresnovani pracovnich podminek, za kterych funkcni plocha vznikala.

14 7. LITERATURA L PEKLENIK,J.-KISIN,M. : 1998, An Investigative of Material Structure Transformation in Cutting Process. Annals ofcirp, Vol. 4711, s BARRY,J.-BYRNE,G. : 2002, Chip Formation, Acoustic Emission and Surface White Layers in Hard Machining. Annals ofcirp, Vol.51/1, s DAVIES,M.A.-CHOU,Y.-EVANS,C.J. : 1996, On Chip Morfology, Tool Wear and Cutting Mechanics, in Finishing Hard Turning. Annals ofcirp, VoL4511, s NECKAk,F, : 1982: Vliv technologie vyroby na kvalitu povrchove vrstvy. In :Konference DT Zilina 5. BUMBALEK,B.-NOVAK,Z.-VALA,P.-osfADAL,: 1991, Vliv dokoncovacich operaci na zmenu povrchove vrstvy soucasti. VZ - VU 070, Bmo 6. NAKAYAMA,K.-ARAI,M.-KANDA,T.: 1988, Machining Characteristics of Hardened Steels. Annals ofcirp, VoL 37, s KOENIG,W.-KOMADURI,R.-TOENSHOFF,K.H. : 1984, Machining of Hard Materials. Annals ofcirp, Vol.33/2, s SHAW,M.C. : 1993, Chip Formation in themachining of Hardened Steel. Annals ofcirp, VoL42/1, s BOUZAKIS,K.D.-MICAALIDIS,N.-SKORDARIS,G.-KOMBOGIANNIS,S. HADJIYANNIS,S.-EFSTATHIOU,K.-ERKENS,G.-RAMBADT,S.-WIRTH,I. : 2002, Effect of the Cutting Edge Radius and its Manufacturing Procedure on the Milling Performance od PVD Coated Cemented Carbide Inserts. Annals ofcirp, VoL51/1, s KLOCKE,F. : 1999, Coated Tools for Metal Cutting - Features and Applications. Annals ofcirp, Vo1.48, s PENAL V A,M.L.-ARIZMENDI,M.-DIAZ,F.-FERNANDEZ,J. : 2002, Effect of Tool Wear on Roughness in Hard Turning. Annals ofcirp, VoL5111, s KOCMAN,K.-BUMBALEK,B. a kol. : 2002, Hodnoceni deformacniho chovani materialu pri presnem obrabeni. VZ UST -FSI, VUT Bmo

15 13. KOCMAN,K.-BUMBALEK,B. a kol. : 2002, Vliv zbytkovych napeti na unavu zatezovanych soucasti. VZ UST-FSI, VUT Brno 14. KOCMAN,K.-BUMBALEK,B. a kol. : 2002, Typologie povrchu ploch dokoncenych vysoce presnymi metodami obnibeni. VZ UST-FSI, VUT Brno