Transcript Integrita obráběného povrchu
Slide 1
Integrita obráběného povrchu
Slide 2
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 mechanické a tepelné zatížení povrchu jednotlivých působících složek procesu, v našem případě tedy ovlivňují integritu všechny parametry broušení.
Slide 3
Integrita obráběného povrchu
Ucelený soubor vlastností povrchu,
který predikuje užitnou hodnotu
součástí.
Slide 4
Integrita obráběného povrchu
PROCES ŘEZÁNÍ
Řezná síla
DEFORMACE
TEPLO
VYTVÁŘENÝ POVRCH
Slide 5
Integrita obráběného povrchu
JAKÉ SLOŽKY TEDY TVOŘÍ INTEGRITU
POVRCHU ?
Slide 6
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
Slide 7
Integrita obráběného povrchu
JAK VZNIKÁ NOVÝ POVRCH ?
Slide 8
Integrita obráběného povrchu
Slide 9
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.
Slide 10
Integrita obráběného povrchu
CO MAJÍ SPOLEČNÉHO
KLASICKÉ TECHNOLOGIE A
BROUŠENÍ ?
1. Odběr materiálu ve tvaru třísky po fázi elastické a plastické deformace
2. Vznik a působení tepla
3. Trojrozměrný tvar nástroje
4. Dynamika procesu
5. Vytváření stop po nástroji na obrobku
6. Vznik povrchu určité integrity
7. Opotřebení nástroje
Slide 11
Integrita obráběného povrchu
Srovnání technologií s definovaným ostřím a broušení
Slide 12
Integrita obráběného povrchu
Vliv rádiusu břitu zrna na velikost oblasti plastické deformace
r2
r1
h2
h1
Slide 13
Integrita povrchové vrstvy
Primární plastická deformace
Oblast primární plastické deformace při obrábění
Geometrie nástroje
Řezné podmínky
Řezné prostředí
Vlastnosti materiálu obrobku
2/11
Slide 14
Integrita povrchové vrstvy
Oblast kontaktu nástroje s obrobkem
Oblast styku hřbetu nástroje a obrobené plochy
3/11
Slide 15
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
Slide 16
Integrita obráběného povrchu
Vliv velikosti zrna na drsnost povrchu a tvorbu třísky
Slide 17
Integrita obráběného povrchu
1
2
3
4
5
6
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
Slide 18
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.
Slide 19
Integrita povrchové vrstvy
Geometrická přesnost
Kmitání soustavy
Nehomogenní materiál
Změna tuhosti
Opotřebení nástroje
5/11
Slide 20
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
Vznik vlnitosti povrchu u kotoučů (CBN, diamant)
Slide 21
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
vs= 35 m/s,
vfr= 0,17 mm/min
vfr= 0,13 mm/min
waviness : 19,31 m
13,74 m
wave-shift (revolution overlap) : 0, without filtration
vfr= 0,07 mm/min
10,45 m
Slide 22
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
vs= 35 m/s,
vfr= 0,13mm/min
waviness : 3,08 m
wave-shift : 0,25
without filtration
1,62 m
0,25
filter 0 – 50
2,43 m
0,15
without filtration
0,95 m
0,15
filter 0 – 50
Slide 23
Vznik příčné vlnitosti při dané velikosti frekvenčního posuvu,pro
tloušťku odebírané vrstvy 0,3 a 0,6 ms-1 bez vyjiskřování a s
maximální dobou vyjiskřování
Slide 24
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
Slide 25
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.
Slide 26
Charakteristiky drsnosti povrchu
Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného 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
Slide 27
Vlivy na drsnost povrchu
Nástroj (druh abraziva)
Obrobek
Řezné podmínky
Řezné prostředí
Slide 28
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).
Slide 29
Integrita obráběného povrchu – drsnost povrchu
Drsnost povrchu při broušení oceli 14 109 a 17 246 zrny bílého korundu a SG
Slide 30
Dosažená drsnost povrchu zrny bílého korundu, růžového
korundu, monokrystalického korundu a SG
vs = 27 ms-1, mat. ocel 14 220.4, chlazeno 3% Robol
Slide 31
Vliv struktury broušeného materiálu na drsnost povrchu
Slide 32
Vliv redukce procesní kapaliny při broušení bílým korundem 99A
Slide 33
Vliv orovnávání na drsnost povrchu
4.47
3.70
4.00
4.45
4.67
SP
MP
3.00
2.00
1.00
7.50
7.00
0.900
0.850
6.50
0.800
6.00
0.750
5.50
0.700
5.00
0.650
4.50
0.653
0.524
4.00
0.600
0
10
0.00
20
30
40
Vs [m/s]
Rz
Rmax
Rt
Porovnání vlivu typu orovnavače na parametry drsnosti povrchu
SP – jednokamenový diamantový orovnavač,
MP – vícekamenový diamantový orovnavač
6.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
6.00
Rz,Rmax,Rt[μm]
Ra
5.50
5.00
0.800
0.700
0.600
4.50
4.00
Ra[μm]
[μm]
5.00
8.00
5.92
Rz,Rmax,Rt[μm]
5.69
6.00
0.950
Rz
Rmax
Rt
Ra
Ra[μm]
8.50
7.00
0.500
3.50
3.00
0.400
0
10
20
30
40
Vs [m/s]
Vliv orovnávací rychlosti brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu,
a) jednokamenový orovnavač, b) vícekamenový orovnavač
Slide 34
Vliv parametrů orovnání na drsnost povrchu
6.00
0.900
5.50
0.700
5.00
4.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
4.00
3.00
0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.600
Rz,Rmax,Rt[μm]
6.00
3.50
a)
5.50
0.800
Ra[μm]
Rz,Rmax,Rt[μm]
6.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
5.00
4.50
0.750
0.650
0.550
4.00
0.450
3.50
0.500
3.00
0.400
0.1
0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.350
0.1
Ad [mm]
Ad [mm]
b)
Vliv hloubky orovnání brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu, a) jednokamenový orovnavač,
b) vícekamenový orovnavač
Ra[μm]
7.00
Slide 35
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
Slide 36
Vliv technologie obrábění na povrch obrobené plochy
a) soustružení, b) čelní frézování, c) frézování válcovou frézou, d) broušení
Slide 37
Skutečný profil povrchu obráběný:
a) soustružením,
b) frézováním válcovou frézou,
c) broušením,
d) superfinišováním
Slide 38
PROFIL POVRCHU PO BROUŠENÍ
Profil povrchu na délce 4,8 mm,
materiál zrna a) bílý korund, b) SG
Profil povrchu, broušeno CBN,
rychlost kotouče vs=40m.s-1,
přísuv a) vfrr=0,17mm.min-1, b)vfr=0,34mm.min-1
Slide 39
HODNOCENÍ PROFILU
Slide 40
ZBYTKOVÁ NAPĚTÍ
Slide 41
Integrita povrchu – zbytková napětí
Velmi důležitým prvkem integrity povrchu
jsou zbytková napětí vytvořená v povrchové vrstvě v průběhu vlastního procesu
a současně ovlivněna superpozicí předcházejících způsobů zpracování povrchu.
V průběhu obrábění jsou zbytková napětí
vyvolána mechanickým a tepelným zatížením povrchu jednotlivých působících
složek procesu, v našem případě jsou
ovlivněna všemi parametry broušení.
Slide 42
• Zbytková napětí jsou důležitým činitelem při ovlivňování užitných
vlastností součásti. Tato napětí působí nejen na dynamickou
únosnost povrchu, kdy mohou zvyšovat vliv např. tzv.technologických 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.
Slide 43
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
Slide 44
Superpozice zbytkových napětí
Slide 45
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.
Slide 46
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.
Slide 47
2000
1500
1500
1000
1000
s (MPa)
s (MPa)
2000
500
0
-500
0
0,05
0,1
h(m m )
-1000
CBN
0,15
500
0
-500
0
0,05
0,1
h (m m )
-1000
bílý korund
SG
14 109.6
SG
0,15
CBN
16 420.6
Průběh zbytkových napětí po broušení oceli
vs=35 m.s-1, vfr=0.26 mm.min-1,
procesní kapalina DIOL 5%
0,2
Slide 48
Integrita povrchu – zbytková napětí
1200
1000
1000
800
600
600
s (MPa)
s (MPa)
800
400
200
400
200
0
-200 0
0,04
0,08
-400
SG
0
0,12
0,16
h (m m )
-200
0
SG
CBN
a)
0,05
CBN
0,1
0,15
0,2
h (m m )
b)
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%
200
Residual str ess (MP a)
150
100
50
0
- 50
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
d e p th (m m )
- 100
- 150
- 200
- 250
0,6
A 99B
C BN
0,7
Slide 49
Integrita povrchu – zbytková napětí
Řezné prostředí
• Pracovní prostředí při broušení svojí ochlazovací
schopností a mazacími účinky snížuje množství vznikajícího tepla a ovlivňuje tepelnou bilanci, tj. procentuální 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 prací. 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.
Slide 50
Integrita povrchu – zbytková napětí
•
•
Řezné podmínky
Vliv řezných podmínek spočívá ve velikosti mechanického zatížení 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 zapichovacího broušení mohou tvořit limitní faktor zbytkových napětí v případě malého rozměru brousicích zrn. V uvedeném případě při určité hloubce třísky narůstá tření zrn o materiál při
plastické deformaci materiálu a kdy zde dochází k růstu tepelného zatížení. Je to podobný jev jako když při soustružení bude
rádius ostří v hodnotě hloubky odebírané vrstvy materiálu.
Slide 51
Integrita povrchu – zbytková napětí
2000
1500
s (MPa)
1000
500
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
-500
-1000
SG
SG 50m/s
h (mm)
Vliv zvýšení rychlosti brousicího kotouče
Slide 52
PRŮBĚH MIKROTVRDOSTI V POVRCHOVÉ VRSTVĚ
Slide 53
Ukázka provedení 3 řad vtisků
Slide 54
Průběh tvrdosti povrchové vrstvy po broušení
vs = 27 ms-1, vfr = 0,26 mmmin-1, chlazeno 3% Robol
Slide 55
Průběh tvrdosti v povrchové vrstvě, ocel 12 050.4, HRC 44
Slide 56
Vliv snížení množství procesní kapaliny na průběh tvrdosti
povrchu
Slide 57
Změny struktury
Vysokopopuštěný martenzit
Martenziticko - austenitická vrstva
Globulární perlit, popuštěný martenzit
Slide 58
Změny struktury
Rychlost ohřevu105 - 106 °Cs-1
Trvání ohřevu
10-1 - 10-3 s
Citlivost na změny struktury
(žáropevné, žáruvzdorné slitiny, Ti slitiny)
Slide 59
Opaly a trhliny
Opaly
Stav brousicího kotouče
Volba brousicího kotouče
Množství procesní kapaliny a její vlastnosti
Trhliny
Slide 60
OPALY
Slide 61
ZMĚNY INTEGRITY POVRCHU PŘI DYNAMICKÉM ZATÍŽENÍ
Slide 62
1400
1200
600
600
400
200
0
0
-200
0,1
0,2
0,3
0,4
h (mm)
0cyklů
5000cyklů
50000cyklů
Zbytkové napětí [MPa]
800
800
s (MPa)
1000
400
200
0
-200
-400
-600
-800
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
0,125
0,150
0,175
0,200
Hloubka pod povrchem [mm]
1400
0 cyklů
1200
1000
50000 cyklů
Změny zbytkového napětí v povr-chové vstvě
po časovém zatížení 5 a 50 tisíci cykly,
zatěžovací síla 63N.mm-1
800
s(MPa)
5000 cyklů
600
400
200
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-200
h(mm)
0cyklů
5000cyklů
50000cyklů
Změny zbytkového napětí v povrchové vrstvě po daném počtu
zatěžovacích cyklů – hypotéza, a) při nízkém zatížení povrchu,
b) při vysokém zatížení povrchu
Slide 63
Skutečnost ………….
Změna průběhu zbytkových napětí při provozním
zatížení 5 a 78 hodin, povrch broušen brousicím
kotoučem se zrnem SG, vc= 30m.s-1, vp= 0,26 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= 0,64
mm.min-1, kapalina Diol
Slide 64
1500
600
500
400
300
500
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-500
Napětí s (MPa)
Napětí s (MPa)
1000
200
100
0
-100
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-200
-1000
-300
-400
-1500
-500
hloubka h (mm)
hloubka h (mm)
30/0,26/0
30/0,26/78
30/0,64/0
30/0,64/78
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
37/0,26/0
37/0,26/78
37/0,64/0
37/0,64/78
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
Slide 65
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.
Slide 66
1050
2,5
0,5
1000
2
0,4
1,5
0,3
1
0,2
0,5
0,1
850
0
800
0,000
0
0 cyklů
Ry
Rt
5 tis.cyklů
Ra
50tis.cyklů
Tvrdost HV
0,6
Ra (mm)
Ry,Rt (mm)
3
950
900
0cyklů
0,050
0,100
5tis.cyklů
0,150
0,200
50tis.cyklů
Změny drsnosti povrchu a tvrdosti v povrchové vrstvě
v průběhu zatěžování povrchu
0,250
0,300
h(m m )
Slide 67
Změny profilu povrchu
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
Slide 68
Změny profilu povrchové vrstvy
Ra=0,48 m; Rt=4,97 m, 0 cyklů
Ra=0,35 m; Rt=3,53 m, 48000 cyklů
Ra=0,39 m; Rt=3,82 m, 960 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
Slide 69
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
Slide 70
Závislosti změn kvalitativních parametrů povrchu
0,450
0,400
1,1
Drsnost Ra [mm]
K ru h o vi to s t [mm ]
1,2
1
0,9
0,8
0,7
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,6
0,E + 00
0,350
2,E + 03
4,E + 03
6,E + 03
P o če t cyklů
14 109
15 241
8,E + 03
19 824
Změny kruhovitosti po daných
cyklech zatěžování
1,E + 04
0,000
0,E+00
1,E+04
2,E+04
3,E+04
Počet cyklů
14 109
15 241
4,E+04
5,E+04
19 824
Změna drsnosti povrchu Ra po daných
cyklech zatěžování povrchu
Slide 71
Změny tvrdosti v povrchové vrstvě
19 824.6
710,00
680,00
920
670,00
900
660,00
650,00
640,00
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
vzdálenost od povrchu (m m )
0 cyklů
4800 cyklů
2*10E5cyklů
3,75*10E5
48000cyklů
370
365
360
355
350
0 cyklů
0,1
0,2
0,3
0,4
vzdálenost od povrchu (m m )
4800 cyklů
860
840
820
800
0,1
0 cyklů
2*10E5
375
0
880
0
15 241.6
380
Mikrotvrdost
HV
Ocel 14 109.4
690,00
Mikrotvrdost HV
Mikrotvrdost HV
700,00
48000cyklů
0,2
0,3
0,4
hloubka pod povrchem (mm)
4800cyklů
3,7*10E5
48000cyklů
Slide 72
Vliv mazání povrchu olejem
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
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
Slide 73
1,2
600
1
500
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
100
zbytkové napětí (MPa)
Drs nos t R a
Korozní prostředí
provoz ní z atíž ení (hodin)
C B N běž né pros tředí
S G komora
kruhovitos t (mm)
Změny drsnosti povrchu při zatěžování v korozní
komoře a běžném prostředí při mazání olejem
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
-1
300
200
100
0
-100 0
0
800
400
0
-400 0
-800
-1200
-1600
-2000
-2400
-2800
-3200
0
0
20
40
60
0,1
0,2
0,3
0,4
-200
zbytkové napětí (MPa)
C B N komora
400
80
78 olej
78 kom ora
0,1
78 olej
0,2
78 kom ora
hloubka (mm)
0,3
0,4
hloubka (mm)
100
provoz ní z atíž ení (hodin)
CBN
C B N k omora
SG
S G k omora
Změny kruhovitosti zatěžovaného povrchu
v korozní komoře a v 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
Slide 74
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
Integrita obráběného povrchu
Slide 2
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 mechanické a tepelné zatížení povrchu jednotlivých působících složek procesu, v našem případě tedy ovlivňují integritu všechny parametry broušení.
Slide 3
Integrita obráběného povrchu
Ucelený soubor vlastností povrchu,
který predikuje užitnou hodnotu
součástí.
Slide 4
Integrita obráběného povrchu
PROCES ŘEZÁNÍ
Řezná síla
DEFORMACE
TEPLO
VYTVÁŘENÝ POVRCH
Slide 5
Integrita obráběného povrchu
JAKÉ SLOŽKY TEDY TVOŘÍ INTEGRITU
POVRCHU ?
Slide 6
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
Slide 7
Integrita obráběného povrchu
JAK VZNIKÁ NOVÝ POVRCH ?
Slide 8
Integrita obráběného povrchu
Slide 9
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.
Slide 10
Integrita obráběného povrchu
CO MAJÍ SPOLEČNÉHO
KLASICKÉ TECHNOLOGIE A
BROUŠENÍ ?
1. Odběr materiálu ve tvaru třísky po fázi elastické a plastické deformace
2. Vznik a působení tepla
3. Trojrozměrný tvar nástroje
4. Dynamika procesu
5. Vytváření stop po nástroji na obrobku
6. Vznik povrchu určité integrity
7. Opotřebení nástroje
Slide 11
Integrita obráběného povrchu
Srovnání technologií s definovaným ostřím a broušení
Slide 12
Integrita obráběného povrchu
Vliv rádiusu břitu zrna na velikost oblasti plastické deformace
r2
r1
h2
h1
Slide 13
Integrita povrchové vrstvy
Primární plastická deformace
Oblast primární plastické deformace při obrábění
Geometrie nástroje
Řezné podmínky
Řezné prostředí
Vlastnosti materiálu obrobku
2/11
Slide 14
Integrita povrchové vrstvy
Oblast kontaktu nástroje s obrobkem
Oblast styku hřbetu nástroje a obrobené plochy
3/11
Slide 15
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
Slide 16
Integrita obráběného povrchu
Vliv velikosti zrna na drsnost povrchu a tvorbu třísky
Slide 17
Integrita obráběného povrchu
1
2
3
4
5
6
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
Slide 18
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.
Slide 19
Integrita povrchové vrstvy
Geometrická přesnost
Kmitání soustavy
Nehomogenní materiál
Změna tuhosti
Opotřebení nástroje
5/11
Slide 20
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
Vznik vlnitosti povrchu u kotoučů (CBN, diamant)
Slide 21
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
vs= 35 m/s,
vfr= 0,17 mm/min
vfr= 0,13 mm/min
waviness : 19,31 m
13,74 m
wave-shift (revolution overlap) : 0, without filtration
vfr= 0,07 mm/min
10,45 m
Slide 22
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
vs= 35 m/s,
vfr= 0,13mm/min
waviness : 3,08 m
wave-shift : 0,25
without filtration
1,62 m
0,25
filter 0 – 50
2,43 m
0,15
without filtration
0,95 m
0,15
filter 0 – 50
Slide 23
Vznik příčné vlnitosti při dané velikosti frekvenčního posuvu,pro
tloušťku odebírané vrstvy 0,3 a 0,6 ms-1 bez vyjiskřování a s
maximální dobou vyjiskřování
Slide 24
Integrita obráběného povrchu – vlnitost povrchu
Slide 25
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.
Slide 26
Charakteristiky drsnosti povrchu
Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného 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
Slide 27
Vlivy na drsnost povrchu
Nástroj (druh abraziva)
Obrobek
Řezné podmínky
Řezné prostředí
Slide 28
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).
Slide 29
Integrita obráběného povrchu – drsnost povrchu
Drsnost povrchu při broušení oceli 14 109 a 17 246 zrny bílého korundu a SG
Slide 30
Dosažená drsnost povrchu zrny bílého korundu, růžového
korundu, monokrystalického korundu a SG
vs = 27 ms-1, mat. ocel 14 220.4, chlazeno 3% Robol
Slide 31
Vliv struktury broušeného materiálu na drsnost povrchu
Slide 32
Vliv redukce procesní kapaliny při broušení bílým korundem 99A
Slide 33
Vliv orovnávání na drsnost povrchu
4.47
3.70
4.00
4.45
4.67
SP
MP
3.00
2.00
1.00
7.50
7.00
0.900
0.850
6.50
0.800
6.00
0.750
5.50
0.700
5.00
0.650
4.50
0.653
0.524
4.00
0.600
0
10
0.00
20
30
40
Vs [m/s]
Rz
Rmax
Rt
Porovnání vlivu typu orovnavače na parametry drsnosti povrchu
SP – jednokamenový diamantový orovnavač,
MP – vícekamenový diamantový orovnavač
6.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
6.00
Rz,Rmax,Rt[μm]
Ra
5.50
5.00
0.800
0.700
0.600
4.50
4.00
Ra[μm]
[μm]
5.00
8.00
5.92
Rz,Rmax,Rt[μm]
5.69
6.00
0.950
Rz
Rmax
Rt
Ra
Ra[μm]
8.50
7.00
0.500
3.50
3.00
0.400
0
10
20
30
40
Vs [m/s]
Vliv orovnávací rychlosti brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu,
a) jednokamenový orovnavač, b) vícekamenový orovnavač
Slide 34
Vliv parametrů orovnání na drsnost povrchu
6.00
0.900
5.50
0.700
5.00
4.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
4.00
3.00
0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.600
Rz,Rmax,Rt[μm]
6.00
3.50
a)
5.50
0.800
Ra[μm]
Rz,Rmax,Rt[μm]
6.50
Rz
Rmax
Rt
Ra
5.00
4.50
0.750
0.650
0.550
4.00
0.450
3.50
0.500
3.00
0.400
0.1
0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.350
0.1
Ad [mm]
Ad [mm]
b)
Vliv hloubky orovnání brousicího kotouče na drsnost broušeného povrchu, a) jednokamenový orovnavač,
b) vícekamenový orovnavač
Ra[μm]
7.00
Slide 35
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
Slide 36
Vliv technologie obrábění na povrch obrobené plochy
a) soustružení, b) čelní frézování, c) frézování válcovou frézou, d) broušení
Slide 37
Skutečný profil povrchu obráběný:
a) soustružením,
b) frézováním válcovou frézou,
c) broušením,
d) superfinišováním
Slide 38
PROFIL POVRCHU PO BROUŠENÍ
Profil povrchu na délce 4,8 mm,
materiál zrna a) bílý korund, b) SG
Profil povrchu, broušeno CBN,
rychlost kotouče vs=40m.s-1,
přísuv a) vfrr=0,17mm.min-1, b)vfr=0,34mm.min-1
Slide 39
HODNOCENÍ PROFILU
Slide 40
ZBYTKOVÁ NAPĚTÍ
Slide 41
Integrita povrchu – zbytková napětí
Velmi důležitým prvkem integrity povrchu
jsou zbytková napětí vytvořená v povrchové vrstvě v průběhu vlastního procesu
a současně ovlivněna superpozicí předcházejících způsobů zpracování povrchu.
V průběhu obrábění jsou zbytková napětí
vyvolána mechanickým a tepelným zatížením povrchu jednotlivých působících
složek procesu, v našem případě jsou
ovlivněna všemi parametry broušení.
Slide 42
• Zbytková napětí jsou důležitým činitelem při ovlivňování užitných
vlastností součásti. Tato napětí působí nejen na dynamickou
únosnost povrchu, kdy mohou zvyšovat vliv např. tzv.technologických 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.
Slide 43
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
Slide 44
Superpozice zbytkových napětí
Slide 45
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.
Slide 46
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.
Slide 47
2000
1500
1500
1000
1000
s (MPa)
s (MPa)
2000
500
0
-500
0
0,05
0,1
h(m m )
-1000
CBN
0,15
500
0
-500
0
0,05
0,1
h (m m )
-1000
bílý korund
SG
14 109.6
SG
0,15
CBN
16 420.6
Průběh zbytkových napětí po broušení oceli
vs=35 m.s-1, vfr=0.26 mm.min-1,
procesní kapalina DIOL 5%
0,2
Slide 48
Integrita povrchu – zbytková napětí
1200
1000
1000
800
600
600
s (MPa)
s (MPa)
800
400
200
400
200
0
-200 0
0,04
0,08
-400
SG
0
0,12
0,16
h (m m )
-200
0
SG
CBN
a)
0,05
CBN
0,1
0,15
0,2
h (m m )
b)
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%
200
Residual str ess (MP a)
150
100
50
0
- 50
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
d e p th (m m )
- 100
- 150
- 200
- 250
0,6
A 99B
C BN
0,7
Slide 49
Integrita povrchu – zbytková napětí
Řezné prostředí
• Pracovní prostředí při broušení svojí ochlazovací
schopností a mazacími účinky snížuje množství vznikajícího tepla a ovlivňuje tepelnou bilanci, tj. procentuální 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 prací. 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.
Slide 50
Integrita povrchu – zbytková napětí
•
•
Řezné podmínky
Vliv řezných podmínek spočívá ve velikosti mechanického zatížení 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 zapichovacího broušení mohou tvořit limitní faktor zbytkových napětí v případě malého rozměru brousicích zrn. V uvedeném případě při určité hloubce třísky narůstá tření zrn o materiál při
plastické deformaci materiálu a kdy zde dochází k růstu tepelného zatížení. Je to podobný jev jako když při soustružení bude
rádius ostří v hodnotě hloubky odebírané vrstvy materiálu.
Slide 51
Integrita povrchu – zbytková napětí
2000
1500
s (MPa)
1000
500
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
-500
-1000
SG
SG 50m/s
h (mm)
Vliv zvýšení rychlosti brousicího kotouče
Slide 52
PRŮBĚH MIKROTVRDOSTI V POVRCHOVÉ VRSTVĚ
Slide 53
Ukázka provedení 3 řad vtisků
Slide 54
Průběh tvrdosti povrchové vrstvy po broušení
vs = 27 ms-1, vfr = 0,26 mmmin-1, chlazeno 3% Robol
Slide 55
Průběh tvrdosti v povrchové vrstvě, ocel 12 050.4, HRC 44
Slide 56
Vliv snížení množství procesní kapaliny na průběh tvrdosti
povrchu
Slide 57
Změny struktury
Vysokopopuštěný martenzit
Martenziticko - austenitická vrstva
Globulární perlit, popuštěný martenzit
Slide 58
Změny struktury
Rychlost ohřevu105 - 106 °Cs-1
Trvání ohřevu
10-1 - 10-3 s
Citlivost na změny struktury
(žáropevné, žáruvzdorné slitiny, Ti slitiny)
Slide 59
Opaly a trhliny
Opaly
Stav brousicího kotouče
Volba brousicího kotouče
Množství procesní kapaliny a její vlastnosti
Trhliny
Slide 60
OPALY
Slide 61
ZMĚNY INTEGRITY POVRCHU PŘI DYNAMICKÉM ZATÍŽENÍ
Slide 62
1400
1200
600
600
400
200
0
0
-200
0,1
0,2
0,3
0,4
h (mm)
0cyklů
5000cyklů
50000cyklů
Zbytkové napětí [MPa]
800
800
s (MPa)
1000
400
200
0
-200
-400
-600
-800
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
0,125
0,150
0,175
0,200
Hloubka pod povrchem [mm]
1400
0 cyklů
1200
1000
50000 cyklů
Změny zbytkového napětí v povr-chové vstvě
po časovém zatížení 5 a 50 tisíci cykly,
zatěžovací síla 63N.mm-1
800
s(MPa)
5000 cyklů
600
400
200
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-200
h(mm)
0cyklů
5000cyklů
50000cyklů
Změny zbytkového napětí v povrchové vrstvě po daném počtu
zatěžovacích cyklů – hypotéza, a) při nízkém zatížení povrchu,
b) při vysokém zatížení povrchu
Slide 63
Skutečnost ………….
Změna průběhu zbytkových napětí při provozním
zatížení 5 a 78 hodin, povrch broušen brousicím
kotoučem se zrnem SG, vc= 30m.s-1, vp= 0,26 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= 0,64
mm.min-1, kapalina Diol
Slide 64
1500
600
500
400
300
500
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-500
Napětí s (MPa)
Napětí s (MPa)
1000
200
100
0
-100
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
-200
-1000
-300
-400
-1500
-500
hloubka h (mm)
hloubka h (mm)
30/0,26/0
30/0,26/78
30/0,64/0
30/0,64/78
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
37/0,26/0
37/0,26/78
37/0,64/0
37/0,64/78
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
Slide 65
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.
Slide 66
1050
2,5
0,5
1000
2
0,4
1,5
0,3
1
0,2
0,5
0,1
850
0
800
0,000
0
0 cyklů
Ry
Rt
5 tis.cyklů
Ra
50tis.cyklů
Tvrdost HV
0,6
Ra (mm)
Ry,Rt (mm)
3
950
900
0cyklů
0,050
0,100
5tis.cyklů
0,150
0,200
50tis.cyklů
Změny drsnosti povrchu a tvrdosti v povrchové vrstvě
v průběhu zatěžování povrchu
0,250
0,300
h(m m )
Slide 67
Změny profilu povrchu
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
Slide 68
Změny profilu povrchové vrstvy
Ra=0,48 m; Rt=4,97 m, 0 cyklů
Ra=0,35 m; Rt=3,53 m, 48000 cyklů
Ra=0,39 m; Rt=3,82 m, 960 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
Slide 69
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
Slide 70
Závislosti změn kvalitativních parametrů povrchu
0,450
0,400
1,1
Drsnost Ra [mm]
K ru h o vi to s t [mm ]
1,2
1
0,9
0,8
0,7
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,6
0,E + 00
0,350
2,E + 03
4,E + 03
6,E + 03
P o če t cyklů
14 109
15 241
8,E + 03
19 824
Změny kruhovitosti po daných
cyklech zatěžování
1,E + 04
0,000
0,E+00
1,E+04
2,E+04
3,E+04
Počet cyklů
14 109
15 241
4,E+04
5,E+04
19 824
Změna drsnosti povrchu Ra po daných
cyklech zatěžování povrchu
Slide 71
Změny tvrdosti v povrchové vrstvě
19 824.6
710,00
680,00
920
670,00
900
660,00
650,00
640,00
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
vzdálenost od povrchu (m m )
0 cyklů
4800 cyklů
2*10E5cyklů
3,75*10E5
48000cyklů
370
365
360
355
350
0 cyklů
0,1
0,2
0,3
0,4
vzdálenost od povrchu (m m )
4800 cyklů
860
840
820
800
0,1
0 cyklů
2*10E5
375
0
880
0
15 241.6
380
Mikrotvrdost
HV
Ocel 14 109.4
690,00
Mikrotvrdost HV
Mikrotvrdost HV
700,00
48000cyklů
0,2
0,3
0,4
hloubka pod povrchem (mm)
4800cyklů
3,7*10E5
48000cyklů
Slide 72
Vliv mazání povrchu olejem
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
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
Slide 73
1,2
600
1
500
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
100
zbytkové napětí (MPa)
Drs nos t R a
Korozní prostředí
provoz ní z atíž ení (hodin)
C B N běž né pros tředí
S G komora
kruhovitos t (mm)
Změny drsnosti povrchu při zatěžování v korozní
komoře a běžném prostředí při mazání olejem
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
-1
300
200
100
0
-100 0
0
800
400
0
-400 0
-800
-1200
-1600
-2000
-2400
-2800
-3200
0
0
20
40
60
0,1
0,2
0,3
0,4
-200
zbytkové napětí (MPa)
C B N komora
400
80
78 olej
78 kom ora
0,1
78 olej
0,2
78 kom ora
hloubka (mm)
0,3
0,4
hloubka (mm)
100
provoz ní z atíž ení (hodin)
CBN
C B N k omora
SG
S G k omora
Změny kruhovitosti zatěžovaného povrchu
v korozní komoře a v 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
Slide 74
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