Integrita obráběného povrchu

Integrita obráběného povrchu Vlastnosti a chování každého povrchu po obrábění určuje integrita povrchu. Integrita povrchu je soubor vlastností povrchu vytvořených předcházejícími procesy k jeho konečné tvorbě. V průběhu obrábění ovlivňuje jednotlivé prvky interity mecha-nické a tepelné zatížení povrchu jedno-tlivých působících složek procesu, v na-šem případě tedy ovlivňují integritu všech-ny parametry broušení.

Integrita obráběného povrchu Ucelený soubor vlastností povrchu, který predikuje užitnou hodnotu součástí.

Integrita obráběného povrchu PROCES ŘEZÁNÍ Řezná síla DEFORMACE TEPLO VYTVÁŘENÝ POVRCH

Integrita obráběného povrchu JAKÉ SLOŽKY TEDY TVOŘÍ INTEGRITU POVRCHU ?

Integrita obráběného povrchu Geometrická přesnost Drsnost povrchu a jeho profil Zbytková napětí Změny tvrdosti v povrchové vrstvě Změny struktury Tepelné změny a trhliny Chemické změny

Integrita obráběného povrchu JAK VZNIKÁ NOVÝ POVRCH ?

Integrita obráběného povrchu

Integrita obráběného povrchu Broušení probíhá při záběru vysokého množství zrn s nepravidelnou geometrií a některými rozdíly geometrie v porovnání s jedno nebo několikabřitými nástroji. Dochází k neustálému opotřebení zrn, jejich odlamování, lomu a uvolňování z vazby brousicího kotouče. Vzhledem k vysoké rychlosti řezání jsou tyto změny vysoce dynamické v porovnání s opotřebením např. soustružnického nože, frézy atd. Při broušení probíhá elastická a následně plastická deformace malého množství materiálu při záběru jednotlivého zrna, po překročení pevnosti v rovině smyku dochází k vytvoření třísky. Tento mechanismus charakterizuje tvorbu třísky v oblasti běžných rychlostí broušení. Při broušení vysokou rychlostí vc>150 m.s-1 je předpoklad tvorby třísky bez znatelné plastické deformace a při vyšších rychlostech nestačí materiál reagovat na záběr zrna a dochází k usmýknutí částic materiálu ve tvaru velmi drobných třísek, případně je předpokladem tečení materiálu. To dokumentují třísky kulovitého charakteru, které jsou při těchto rychlostech pozorovány. Dalšími mechanismy působícími při tvorbě broušeného povrchu je plastická deformace a vznik rýh (škrábání) bez úběru třísky. Při tvorbě povrchu, zejména u plastických materiálů nesmíme opomenout také nalepování částic na broušený povrch. Otázkou je, zda tyto částice lze nazvat nárůstkem. Důležitým faktorem působení zrna na broušený povrch je tření mezi hřbetem zrna a případně tření zapříčiněné velkým radiusem ostří zejména klasických brousicích materiálů.

Integrita obráběného povrchu CO MAJÍ SPOLEČNÉHO KLASICKÉ TECHNOLOGIE A BROUŠENÍ ? Odběr materiálu ve tvaru třísky po fázi elastické a plastické deformace Vznik a působení tepla Trojrozměrný tvar nástroje Dynamika procesu Vytváření stop po nástroji na obrobku Vznik povrchu určité integrity Opotřebení nástroje

Integrita obráběného povrchu Srovnání technologií s definovaným ostřím a broušení

Integrita obráběného povrchu Vliv rádiusu břitu zrna na velikost oblasti plastické deformace r2 r1 h2 h1

Integrita povrchové vrstvy Primární plastická deformace Oblast primární plastické deformace při obrábění  Geometrie nástroje  Řezné podmínky  Řezné prostředí  Vlastnosti materiálu obrobku 2/11

Integrita povrchové vrstvy Oblast kontaktu nástroje s obrobkem Oblast styku hřbetu nástroje a obrobené plochy 3/11

Integrita povrchové vrstvy Sekundární plastická deformace Vznik nárůstku na základě sekundární plastické deformace materiálu  Tvorba nárůstku  Pozitivní vliv tvorby nárůstku  Negativní vliv tvorby nárůstku 4/11

Integrita obráběného povrchu Vliv velikosti zrna na drsnost povrchu a tvorbu třísky

Integrita obráběného povrchu 1 – adsorbovaná vrstva (až do 0.1 m), 2 – oduhličená vrstva kovu, oxidy a nitridy (až do 0.1 m), 3 – oblast plastické deformace (až do 500 m), 4 – oblast elastické deformace (do 500 m), 5 – tepelně ovlivněná oblast (do 200 m), 6 – neovlivněný materiál

Integrita obráběného povrchu – geometrická přesnost Geometrická přesnost je určena odchylkami tvaru, jedná se zejména o souosost, kruhovitost, válcovitost, kolmost a rovinnost. Z hlediska ovlivnění přesnosti vlastním obráběním se jedná zvláště o kruhovitost, válcovitost a rovinnost. Uvedené parametry mohou být ovlivňovány kmitáním soustavy, nehomogenitou materiálu obrobku, proměnlivou tuhostí nástroje nebo proměnlivou tuhostí jeho upnutí.

Integrita povrchové vrstvy Geometrická přesnost  Kmitání soustavy  Nehomogenní materiál  Změna tuhosti  Opotřebení nástroje 5/11

Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu Vznik vlnitosti povrchu u kotoučů (CBN, diamant)

Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu vs= 35 m/s, vfr= 0,17 mm/min vfr= 0,13 mm/min vfr= 0,07 mm/min waviness : 19,31 m 13,74 m 10,45 m wave-shift (revolution overlap) : 0, without filtration

Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu vs= 35 m/s, vfr= 0,13mm/min waviness : 3,08 m 1,62 m 2,43 m 0,95 m wave-shift : 0,25 0,25 0,15 0,15 without filtration filter 0 – 50 without filtration filter 0 – 50

Vznik příčné vlnitosti při dané velikosti frekvenčního posuvu,pro tloušťku odebírané vrstvy 0,3 a 0,6 ms-1 bez vyjiskřování a s maximální dobou vyjiskřování

Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu

Integrita obráběného povrchu – drsnost povrchu Drsnost povrchu je definována normou ČSN EN ISO 4287. Dle této normy je i v současné době nejčastěji používán parametr Ra – průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu, dále norma definuje největší výšku profilu Rz příp. celkovou výšku profilu Rt a průměrnou výšku prvků profilu Rc. Hodnotu Rz uváděnou v ISO z deseti bodů již tato norma nedefinuje. Dále je vhodné k analýze povrchu a jeho nosnosti využít i další parametry dané normou (Rq, Sm, Rsk, Rku) a parametry 3D hodnocení povrchu.

Charakteristiky drsnosti povrchu Průměrná aritmetická úchylka posuzo-vaného profilu, Ra aritmetický průměr absolutních hodnot pořadnic Z(x) v rozsahu základní délky Největší výška profilu, Rz součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu základní délky Z (x) Celková výška profilu, Rt součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu vyhodnocované délky ln

Vlivy na drsnost povrchu  Nástroj (druh abraziva)  Obrobek  Řezné podmínky  Řezné prostředí

Integrita obráběného povrchu – drsnost povrchu Drsnost je ovlivněna nástrojem (druh materiálu zrn a jejich velikost, velikost, ostrost a počet břitů, geometrie zrna, pevnost, případně křehkost zrna, tepelná vodivost zrna, vlastnostmi složek a stavbou nástroje, vazba, druh a pevnost vazby zrna a pojiva, počet zrn na jednotkové ploše, tepelná vodivost brousicího kotouče, orovnávací režim). Dalším činitelem jsou vlastnosti obrobku (pevnost a plasticita, tvrdost povrchu, tepelná vodivost, rozměr a způsob zpracování). Důležitou roli drsnosti povrchu hraje vlastní stroj svojí konstrukcí a možnostmi vytvoření potřebných podmínek procesu (řezné podmínky, řezné prostředí).

Integrita obráběného povrchu – drsnost povrchu Drsnost povrchu při broušení oceli 14 109 a 17 246 zrny bílého korundu a SG

vs = 27 ms-1, mat. ocel 14 220.4, chlazeno 3% Robol Dosažená drsnost povrchu zrny bílého korundu, růžového korundu, monokrystalického korundu a SG vs = 27 ms-1, mat. ocel 14 220.4, chlazeno 3% Robol

Vliv struktury broušeného materiálu na drsnost povrchu

Vliv redukce procesní kapaliny při broušení bílým korundem 99A

Vliv orovnávání na drsnost povrchu b) Porovnání vlivu typu orovnavače na parametry drsnosti povrchu SP – jednokamenový diamantový orovnavač, MP – vícekamenový diamantový orovnavač Vliv orovnávací rychlosti brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu, a) jednokamenový orovnavač, b) vícekamenový orovnavač

Vliv parametrů orovnání na drsnost povrchu b) Vliv hloubky orovnání brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu, a) jednokamenový orovnavač, b) vícekamenový orovnavač

Vlivy na profil povrchu a) Druh abrazivního materiálu b) Druh obráběného materiálu c) Stavba brousicího kotouče d) Řezné podmínky e) Orovnání brousicího kotouče f) Řezné prostředí

Vliv technologie obrábění na povrch obrobené plochy a) soustružení, b) čelní frézování, c) frézování válcovou frézou, d) broušení

Skutečný profil povrchu obráběný:. a) soustružením, Skutečný profil povrchu obráběný: a) soustružením, b) frézováním válcovou frézou, c) broušením, d) superfinišováním

PROFIL POVRCHU PO BROUŠENÍ Profil povrchu, broušeno CBN, rychlost kotouče vs=40m.s-1, přísuv a) vfrr=0,17mm.min-1, b)vfr=0,34mm.min-1 Profil povrchu na délce 4,8 mm, materiál zrna a) bílý korund, b) SG

HODNOCENÍ PROFILU

ZBYTKOVÁ NAPĚTÍ

Integrita povrchu – zbytková napětí Velmi důležitým prvkem integrity povrchu jsou zbytková napětí vytvořená v povr-chové vrstvě v průběhu vlastního procesu a současně ovlivněna superpozicí před-cházejících způsobů zpracování povrchu. V průběhu obrábění jsou zbytková napětí vyvolána mechanickým a tepelným zatí-žením povrchu jednotlivých působících složek procesu, v našem případě jsou ovlivněna všemi parametry broušení.

Zbytková napětí jsou důležitým činitelem při ovlivňování užitných vlastností součásti. Tato napětí působí nejen na dynamickou únosnost povrchu, kdy mohou zvyšovat vliv např. tzv.technolo-gických vrubů, ale i na životnost a jakost konstrukčních celků, ovlivňují korozivzdornost, odolnost proti opotřebení a rozměrovou stálost součástí. Velikost zbytkových napětí je ovlivněna množstvím působícího tepla, velikostí mechanického zatížení povrchu broušené plochy a souvisejícími změnami struktury. Vzhledem k tomu, že se tloušťka ovlivněné vrstvy po broušení pohybuje mezi 0.3 až 0.5 mm, není nutno uvažovat ovlivnění statické pevnosti součástí. Vliv zbytkových napětí na dynamickou pevnost a únavu součástí je naopak velmi výrazný, vliv bude významný i v případě použití součástí za vyšších teplot. Dominující vliv zbytkových napětí má jejich smysl, velikost a průběh.

VZNIK ZBYTKOVÝCH NAPĚTÍ Vlivem mechanického zatížení a teploty dojde k rozdělení oblasti plastické deformace na dvě části: * oblast a: v této oblasti dochází k velkému smrštění a tudíž ke zkrácení vláken * oblast b: v této oblasti nedojde ke smrštění vláken, vlákna jsou tedy trvale protažena Vlákna v oblasti elastické deformace se tímto snaží vrátit do původního stavu. Tímto se na povrchu materiálu vytvoří tahová napětí. Průběh zbytkových napětí v povrchové vrstvě broušeného materiálu

Superpozice zbytkových napětí

Integrita povrchu – zbytková napětí Vliv nástroje Brousicí nástroj má vliv na mechanické i tepelné zatížení povrchu. Zatížení vyvolává: geometrie zrn, radiusy jejich zaoblení, radiusy řezných hran a velikost zrn, stavba brousicích zrn, tepelná vodivost zrn, chemické a fyzikální vlastnosti (povrch po broušení bílým korundem bude mít vyšší teplotu oproti povrchu broušenému např.CBN, rozdíl se zvyšuje s růstem hloubky třísky). pojivo brousicího kotouče, zejména jeho pevnost a vlastní tepelná vodivost.

Integrita povrchu – zbytková napětí Vliv obrobku Obrobek působí na vznik zbytkových pnutí: Materiálovými vlastnostmi – zpevňovací schopností, strukturou, hodnotou tepelné vodivosti, chemickým složením, případně svým průměrem ovlivňujícím dobu kontaktu a ochlazování povrchu. Zpevňovací schopnost běžných materiálů závisí na teplotě, při vyšších teplotách k nimž při broušení dochází probíhá zotavení materiálu, jeho rekrystalizace a zpevnění povrchu může být teplotou eliminováno. Při zpevňování materiálu dochází k poklesu tažnosti a všeobecně plasticity. Materiály s výraznou zpevňovací schopností jsou zejména austenitické oceli, dále např. některé středně a vysoce legované oceli, které se vyznačují feritickou a feriticko-perlitickou strukturou.

vs=35 m.s-1, vfr=0.26 mm.min-1, procesní kapalina DIOL 5% 14 109.6 16 420.6 Průběh zbytkových napětí po broušení oceli vs=35 m.s-1, vfr=0.26 mm.min-1, procesní kapalina DIOL 5%

Integrita povrchu – zbytková napětí Průběh zbytkových napětí po broušení nástrojové oceli a) 19 802.6, b) 19 824.6, rychlost brousicího kotouče vs=35 m.s-1, vfr=0.26 mm.min-1, procesní kapalina DIOL 5%

Integrita povrchu – zbytková napětí Řezné prostředí Pracovní prostředí při broušení svojí ochlazovací schopností a mazacími účinky snížuje množství vzni-kajícího tepla a ovlivňuje tepelnou bilanci, tj. procen-tuální přestup tepla do jednotlivých prvků – obrobku, nástroje, třísky, prostředí. Působení procesní kapaliny je velmi složitým dějem a musíme zde brát v úvahu všechny ostatní složky procesu. Vliv procesní kapaliny na tvorbu konečného povrchu byl prokázán v řadě pra-cí. Otázkou je nejen složení kapaliny (poměr eliminace tepla vznikajícího třením a ochlazování místa tvorby třísky), ale důležitou oblastí je množství, tlak a rychlost přiváděného media.

Integrita povrchu – zbytková napětí Řezné podmínky Vliv řezných podmínek spočívá ve velikosti mechanického zatí-žení povrchu a ovlivnění množství vznikajícího tepla vlivem tření brousicích zrn a pojiva o povrch broušeného materiálu, tření třísky o brousicí zrno a pojivo a ovlivnění velikosti a rychlosti deformace. Hloubka odebírané vrstvy nebo pracovní rychlost přísuvu u za-pichovacího broušení mohou tvořit limitní faktor zbytkových na-pětí v případě malého rozměru brousicích zrn. V uvedeném pří-padě při určité hloubce třísky narůstá tření zrn o materiál při plastické deformaci materiálu a kdy zde dochází k růstu tepel-ného zatížení. Je to podobný jev jako když při soustružení bude rádius ostří v hodnotě hloubky odebírané vrstvy materiálu.

Integrita povrchu – zbytková napětí Vliv zvýšení rychlosti brousicího kotouče

PRŮBĚH MIKROTVRDOSTI V POVRCHOVÉ VRSTVĚ

Ukázka provedení 3 řad vtisků

Průběh tvrdosti povrchové vrstvy po broušení vs = 27 ms-1, vfr = 0,26 mmmin-1, chlazeno 3% Robol

Průběh tvrdosti v povrchové vrstvě, ocel 12 050.4, HRC 44

Vliv snížení množství procesní kapaliny na průběh tvrdosti povrchu

Změny struktury  Vysokopopuštěný martenzit  Martenziticko - austenitická vrstva  Globulární perlit, popuštěný martenzit

Změny struktury  Rychlost ohřevu 105 - 106 °Cs-1  Trvání ohřevu 10-1 - 10-3 s Citlivost na změny struktury (žáropevné, žáruvzdorné slitiny, Ti slitiny)

Opaly a trhliny Opaly  Stav brousicího kotouče  Volba brousicího kotouče  Množství procesní kapaliny a její vlastnosti Trhliny

OPALY

ZMĚNY INTEGRITY POVRCHU PŘI DYNAMICKÉM ZATÍŽENÍ

Změny zbytkového napětí v povr-chové vstvě po časovém zatížení 5 a 50 tisíci cykly, zatěžovací síla 63N.mm-1 Změny zbytkového napětí v povrchové vrstvě po daném počtu zatěžovacích cyklů – hypotéza, a) při nízkém zatížení povrchu, b) při vysokém zatížení povrchu

Skutečnost …………. Změna průběhu zbytkových napětí při provozním zatížení 5 a 78 hodin, povrch broušen brousicím kotoučem se zrnem SG, vc= 30m.s-1, vp= 0,64 mm.min-1, kapalina Diol Změna průběhu zbytkových napětí při provozním zatížení 5 a 78 hodin, povrch broušen brousicím kotoučem se zrnem SG, vc= 30m.s-1, vp= 0,26 mm.min-1, kapalina Diol

Změna průběhu zbytkových napětí při provozním zatížení 78 hodin, povrch broušen brousicím kotoučem se zrnem CBN, vc= 30m.s-1, vp= 0,26 a 0,64mm.min-1, kapalina Diol Změna průběhu zbytkových napětí při provozním zatížení 78 hodin, povrch broušen brousicím kotoučem se zrnem CBN, vc= 37m.s-1, vp= 0,26 a 0,64mm.min-1, kapalina Diol

ZÁVĚRY VZNIKU ZBYTKOVÝCH NAPĚTÍ Uvedené průběhy byly potvrzeny stanovením zbytkového napětí v povrchu pomocí rentgenové difrakce. Při tomto měření byly zjištěny následující poznatky: v broušeném povrchu bez provozního zatížení je asi 25% zbytkového austenitu, v povrchu po 78 hodinách provozního zatížení zbytkový austenit není, makropnutí (napětí 1.druhu) v tangenciálním směru na vnějším radiálním povrchu dosahuje u nezatíženého povrchu hodnoty - 280±MPa, u povrchu po provozním zatížení – 1920 ±50 MPa, pnutí 2.druhu (jako složka mikropnutí) je u povrchu po provozním zatížení o 780 MPa vyšší než u nezatěžovaného povrchu, pnutí 3. druhu (jako složka mikropnutí) je u zatíženého povrchu o 8,5 GPa vyšší oproti nezatíženému povrchu. Při provozním zatížení dochází k trvalé deformaci povrchu, pod povrchem potom k deformaci elastické. Plastická deformace aktivuje v povrchové vrstvě také rozpad austenitu za vzniku feritu, což přispívá také ke vzniku tlakového zbytkového napětí.

Změny drsnosti povrchu a tvrdosti v povrchové vrstvě v průběhu zatěžování povrchu

Změny profilu povrchu 0 cyklů 4 800 cyklů 48 000 cyklů Ra=0,22 m; Rt=3,07 m 0 cyklů Ra=0,26 m;Rt=2,33 m Ra=0,12 m; Rt=1,31 m 4 800 cyklů Ra=0,24 m; Rt=2,15 m Ra=0,09 m; Rt=1,78 m 48 000 cyklů Ra=0,19 m; Rt=1,71 m Slitinová ocel 15 241.4 2.105 cyklů Ra=0,17 m; Rt=1,44 m Ložisková ocel 14 109.4

Změny profilu povrchové vrstvy Ra=0,48 m; Rt=4,97 m, 0 cyklů Ra=0,39 m; Rt=3,82 m, 960 cyklů Ra=0,35 m; Rt=3,53 m, 48000 cyklů Ra=0,31 m; Rt=2,63 m, 206400 cyklů Změny profilu povrchu po dynamickém zatížení povrchu daného počtu cyklů, materiál 19 824.6

Změny 3D profilu a) b) Profil 3D broušeného povrchu zrnem SG, vc=37m.s-1, vp=0,64mm.min-1, a) po 5 hodinách zatížení, b) po 78 hodinách zatížení a) b) Profil 3D broušeného povrchu zrnem CBN, vc=30m.s-1,po 78 hodinách provozního zatížení, a) vp=0,64mm.min-1, b) vp=0,26mm.min-1

Závislosti změn kvalitativních parametrů povrchu Změny kruhovitosti po daných Změna drsnosti povrchu Ra po daných cyklech zatěžování cyklech zatěžování povrchu

Změny tvrdosti v povrchové vrstvě

Vliv mazání povrchu olejem Změny profilu povrchu zatěžovaného na vzduchu při mazání olejem, broušeno kotoučem CBN, vc=37m.s-1, vp=0,26 mm.min-1, materiál obrobku 14 109.6 Změny profilu povrchu zatěžovaného na vzduchu při mazání olejem, broušeno kotoučem SG, vc=37m.s-1, vp=0,26 mm.min-1, materiál obrobku 14 109.6 Změny profilu povrchu po dynamickém zatížení povrchu daného počtu cyklů za sucha, materiál 14 109.6, broušeno SG

Korozní prostředí Změny drsnosti povrchu při zatěžování v korozní komoře a běžném prostředí při mazání olejem Změna průběhu zbytkového napětí broušeného povrchu v průběhu provozního zatížení a) broušeno zrnem CBN, b) broušeno zrnem SG, realizováno v běžném prostředí, při mazání olejem a při mazání olejem v korozní komoře, povrch broušen vc=37 m.s-1, vp=0,26 mm.min-1 Změny kruhovitosti zatěžovaného povrchu v korozní komoře a v běžném prostředí při mazání olejem

Křivka materiálového podílu Křivky materiálového poměru profilu u povrchu vzorku zatěžovaného na vzduchu a) po broušení, b) 5 hodin, c) 78 hodin provozního zatížení, broušeno kotoučem SG, vc=37m.s-1, vp=0,26 mm.min-1, materiál obrobku 14 109.6 Křivky materiálového poměru profilu u povrchu zatěžovaného na vzduchu při mazání olejem, broušeno SG, a) po broušení, b) 5 hodin provozu, c) 78 hodin provozního zatížení , vc=37m.s-1, vp=0,26 mm.min-1, materiál obrobku 14 109.6 Křivky materiálového poměru profilu u povrchu zatěžovaného v korozní komoře při mazání olejem, broušeno CBN, a) po broušení, b) 5 hodin provozu, c) 78 hodin provozního zatížení, vc=37m.s-1, vp=0,26 mm.min-1, materiál obrobku 14 109.6