Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
MACHINING OPTIMIZATION OF SELECTED PARTS IN RELATION TO NDT REQUIREMENTS OPTIMALIZACE OBRÁBċNÍ VYBRANÝCH DÍLģ S OHLEDEM NA POŽADAVKY NDT Miroslava MALÁ, JiĜina ŠAŠKOVÁ, Václav TREPKA Precision Castparts CZ s.r.o., Univerzitní 36, 301 00 PlzeĖ Contact e-mail:
[email protected] Abstract We continuously work on optimization of machining parts in relation to the customer requirements and the consecutive ultrasonic testing. Our project objective was the cost reduction and process efficiency improvement by selection of a most suitable ceramic insert (in terms of its shape, lifetime, price, machining velocity and stock removal) that would be used before ultrasonic testing with respect to the limitations on the surface condition (i.e. roughness) set by ultrasonic testing. From various forging materials, our project concentrated on the Inconel 718 parts that represent the largest amount of our production. We selected a CNGX120716 ceramic insert type and performed several machining test cycles using the above inserts produced by different suppliers. Testing parameters differed in surface speed and amount of stock removal. Resulting surface condition was evaluated using both profilometer (whether it conforms to customer drawing requirements), and UT inspection (whether surface condition enables detection of the searched flaws from depth 2.5mm (0.1“) with different parameter settings). Resulting surface was acceptable for flaws larger than 0.5mm. We selected several parts and machined them using the optimized process. We identified several shapes that are not suitable for the machining. The rest of parts successfully passed both machining and ultrasonic inspection processes. Therefore, we demonstrated suitability of selected insert in the machining process that resulted in saving of machining time as well as cost reduction of exchangeable inserts. Key words: ultrasonic inspection, surface roughness, technical-economic analysis, inconel 718, CNGX12076 Abstrakt Neustále pracujeme na optimalizaci obrábČní dílĤ s ohledem na požadavky zákazníka a na následnou ultrazvukovou kontrolou. V tomto pĜípadČ se hledaly možnosti úspor a zefektivnČní procesu volbou nejvhodnČjšího keramického plátku (vzhledem k jeho tvaru, životnosti, cenČ, rychlosti obrábČní a velikosti úbČru) použitého pro obrábČní pĜed ultrazvukovou kontrolou vzhledem k omezením, která na stav (drsnost) povrchu klade provádČná ultrazvuková kontrola. Z rĤzných materiálĤ obrábČných dílĤ jsme se zamČĜili na díly z Inconelu 718, jež tvoĜí nejvČtší podíl naší produkce. Po vybrání bĜitové destiþky typu CNGX120716 byla provedena Ĝada testĤ obrábČní, kde byly použity destiþky tohoto typu od rĤzných dodavatelĤ. Parametry jednotlivých testĤ se lišily obvodovou rychlostí a velikostí úbČru. Drsnosti pro rĤzné hodnoty tČchto parametrĤ se mČĜily jednak drsnomČrem, zda vyhovují požadavku na výkresu, a jednak se vytvoĜené povrchy ultrazvukovČ testovaly, zda stav povrchu umožĖuje pĜi rĤzných parametrech nastavení detekovat hledané vady již v hloubce 2,5mm pod povrchem dílu. Pro velikosti hledaných vad nad 0,5mm již vzniklý povrch vyhovoval. Bylo vybráno nČkolik dílĤ, které byly obrobeny navrhovaným plátkem optimalizovaným procesem. Bylo zjištČno, že nČkteré tvary dílĤ nejsou pro toto obrábČní vhodné. Zbylé tvary prošly úspČšnČ obrábČním i ultrazvukovou kontrolou. Tím se potvrdila vhodnost nasazení zvoleného plátku do procesu obrábČní. Výsledkem je zkrácení þasu obrábČní vybraných dílĤ a redukce nákladĤ na vymČnitelné bĜitové destiþky. Klíþová slova: ultrazvuková kontrola, drsnost povrchu, technicko-ekonomická analýza, inconel 718, CNGX120716
DEFEKTOSKOPIE 2010
161
V rámci procesu snižování nákladĤ jsme testovali použití nových vymČnitelných bĜitových destiþek (VBD) namísto dosud používaných karbidových vymČnitelných bĜitových destiþek. Nové destiþky by nám mČly umožnit rychlejší obrábČní aĢ už díky vČtšímu úbČru materiálu nebo díky vČtší rychlosti otáþení dílu pĜi obrábČní. PĜínosem by byla i jejich delší životnost. Hlavními omezujícími faktory byla drsnost výsledného povrchu a nákladnost bĜitových destiþek. Drsnost povrchu musí jednak umožĖovat ultrazvukovou kontrolu (nevhodný tvar povrchu po obrobení se projeví rozšíĜením vstupní echa, což znemožní hledání vad v požadované blízkosti pod vstupním povrchem) a jednak musí namČĜená drsnost odpovídat požadavkĤm na výkresu. Obrábíme díly do leteckých motorĤ a požadavky na stav povrchu jsou obecnČ velmi vysoké. Proto jsme pro úþely testování nových destiþek pĜi rĤzných parametrech obrábČní stanovili maximální pĜijatelnou hodnotu drsnosti Ra = 1µm. Obrábíme tČžkoobrobitelné materiály, které lze rozdČlit do tĜí skupin: speciální oceli, niklové slitiny a titanové slitiny. Pro každou z tČchto skupin jsou vhodné jiné parametry obrábČní. ObrábČní titanu je velice nákladná záležitost. Provádí se karbidovými bĜitovými destiþkami, které jsou drahé a jejich spotĜeba pĜi obrábČní titanu je vysoká. PĜi obrábČní karbidy jsou však Ĝezné parametry o mnoho nižší než pĜi obrábČní keramikou, což prodlužuje celkový þas obrábČní. V pĜípadČ obrábČní titanu keramikou by se musely vytvoĜit vhodné podmínky, které by dokázaly zajistit dostateþnou tuhost a chlazení bČhem obrábČní. Titan má špatné tĜecí vlastnosti, zadírá se a obrobitelnost je horší než u ostatních kovĤ. Je kĜehký vlivem dusíku a kyslíku a v podobČ tĜísek má nízký bod vzplanutí. Jeho nízká tepelná vodivost zapĜíþiĖuje nalepování na bĜit a jeho rychlejší otupování. ObrábČní niklových slitin, napĜ. inconelu, se provádí pĜedevším keramickými destiþkami. Niklové slitiny, jako napĜ. inconel, jsou velice houževnaté, odolné vĤþi trhlinám, vysokopevnostní, žáruvzdorné a korozivzdorné. Trvanlivost karbidových a keramických destiþek je znaþnČ závislá na složení jednotlivých obrábČných titanových a niklových slitin. Záleží i na složení, jakosti, velikosti a tvaru bĜitových destiþek. PĜi programování je vhodné zohlednit vysledovanou trvanlivost požadované destiþky pro urþitý materiál a zpĤsob obrábČní. Je tedy úþelné rozdČlit tĜísky do stejnČ velkých þasových intervalĤ, aby bylo využití destiþky maximální. Trvanlivost destiþek také ovlivĖuje typ stroje, jeho celková tuhost, rozsah otáþek, pĜesnost chodu vĜetena a zpĤsob upnutí obrobku. Závisí i na tvaru upínaného obrobku, jeho velikosti a celkových proporcích. DĤležitým faktorem je i zpĤsob uchycování nástrojĤ ve stroji, jejich samotná stavba, tuhost a zpĤsob uchycení destiþek na nástroji. PĜi nevhodném zpĤsobu obrábČní, špatném zvolení tloušĢky tĜísky nebo Ĝezných parametrĤ se výraznČ zkracuje doba do opotĜebení bĜitové destiþky. PĜi souþasném pĤsobení všech negativních vlivĤ dojde k prasknutí destiþky, což má za následek vytvoĜení vrypu do obrobku. Pokud je vryp pĜíliš hluboký, pak se obrobek již neobrábí z dĤvodu pĜekroþení povolených tolerancí finálních rozmČrĤ obrobku. Obrobky, ve kterých je vryp, nelze pro tyto úþely navaĜovat. Stávají se tedy šrotem, který musí být pĜetaven. Ceny obrobkĤ jsou velice vysoké, a proto je potĜeba se vzniku vrypĤ pokud možno vyvarovat a pĜi obrábČní titanu a niklových slitin brát v potaz všechny vlivy urþující opotĜebení destiþky. Vzhledem ke složitosti problematiky není možné provést optimalizaci pro všechny materiály, tvary a rozmČry obrobkĤ i fáze procesu obrábČní. Museli jsme si tedy zvolit nČkterý z námi obrábČných materiálĤ, základní tvar a materiál vymČnitelných bĜitových destiþek a pak v rámci takto zúženého výbČru najít pro dané použití nejlepší druh destiþek. Rozhodli jsme se zamČĜit na obrábČní dílĤ z niklových slitin, které tvoĜí cca 40% naší produkce. ObrábČní výkovkĤ do tvaru pro ultrazvukové zkoušení probíhá v nČkolika krocích, obvykle pČti:
162
DEFEKTOSKOPIE 2010
1. fáze - obrábČní tvrdé kĤry výkovku obecnČ: ObrábČní se provádí pomocí kruhových bĜitových destiþek RNGN, které jsou negativní. Tyto destiþky mají oproti jiným tvarĤm dvČ základní výhody, vČtší pevnost a celkový poþet hran (ekonomiþnost bĜitové destiþky). Jejich velikost se volí s ohledem na výkon a tuhost stroje, jelikož prĤĜez tĜísky se s velikostí polomČru zaoblení špiþky VBD zvČtšuje, a vznikají tak vČtší síly pĜi obrábČní a s tím i nebezpeþí vibrací. praxí vypozorovaná doporuþení: Omezit poþet vstupních ĜezĤ do tvrdé kĤry výkovku. NajíždČt do již obrobených ploch v pĜípadČ dalšího obrábČní kĤry. Tímto se eliminují vznikající rázy pĜi najíždČní do Ĝezu nepravidelného tvaru výkovku a rapidnČ se zvyšuje její trvanlivost a zároveĖ je VBD ochránČna pĜed možným zniþením. Na obrobení kĤry se zvláštČ osvČdþila whiskerová keramika, která je zpevnČná SiC a má vČtší odolnost proti vylamování. V poslední dobČ však nové sorty sialonových keramických bĜitových destiþek nahradily drahou whiskerovou keramiku. 2. fáze – obrábČní vČtších dílþích celkĤ obrobku po obrobení kĤry obecnČ: I pro tuto fázi obrábČní je vhodné provádČt pomocí kruhových bĜitových destiþek RNGN, které jsou negativní a mají vČtší pevnost. Jejich velikost se volí stejná jako v pĜedchozí fázi s ohledem na celkový poþet nástrojĤ a na celkové snížení nákladnosti procesu obrábČní. Zde je vhodné eliminovat pĜedevším vstup nástroje do materiálu, pĜi kterém dochází k nejvČtšímu opotĜebení bĜitové destiþky o otĜepy, které vznikají napĜíklad po pĜedchozím odebrání materiálu pĜedevším na vnČjších rozích. TČmto vlivĤm je však možno pĜedejít a prodloužit trvanlivost bĜitové destiþky v Ĝezu. DĤležité je zohlednit i úpravu koneþné dráhy k prĤmČrĤm anebo k þelĤm obrobku, a to s ohledem na smČr obrábČní. V místech koneþné dráhy narĤstá prĤĜez tĜísky a zároveĖ dochází k náhlému vyjetí z Ĝezu, což má za následek zvýšené opotĜebení bĜitové destiþky. Uvedený problém lze optimalizovat rádiusovými výjezdy nebo hrubováním do kuželu. Pro obrábČní v þistém materiálu se rovnČž osvČdþila keramika sialon. 3. fáze – dohrubování rádiusĤ po kruhových keramických bĜitových destiþkách RNGN obecnČ: Zbylé rádiusy R 9,525mm je nutno upravit na požadovaný rádius max.R 2,5mm. To je provedeno pomocí karbidu, který má vyšší odolnost proti lomu pĜi obrábČní do rohu a to hlavnČ tam, kde jsou pĜedepsány menší rádiusy. 4. fáze – obrábČní pĜednaþisto obecnČ: Tato fáze obrábČní je spolu s pátou fází nejnároþnČjší z hlediska technologie. Významným zpĤsobem se podílí na celkovém þasu obrobení dílu. Existuje mnoho možností jak dosáhnout kvalitního povrchu, ale vČtšina z nich je velmi þasovČ nároþná a neekonomická. ObrábČní pĜednaþisto významnČ ovlivĖuje obrábČní naþisto a velice zde záleží na velikosti obrábČných dílĤ. Vzhledem k tomu, že drsnost povrchu po obrobení naþisto má být Ra=1 µm (pĜedepsáno zákazníkem), je nutné, aby námi zvolený výsledný pĜídavek byl pro danou plochu nejlépe konstantní. Toho lze však dosáhnout jen karbidy nebo vhodnou keramickou bĜitovou destiþkou s minimálním odporem a dobrou odolností proti opotĜebení VB na hĜbetu. Takových bĜitových destiþek není mnoho. Jejich cena je vysoká, vČtšinou mají sníženou houževnatost a odolnost proti lomu. 5. fáze – obrábČní naþisto obecnČ: Je to poslední fáze obrábČní a dosahujeme v ní požadovanou integritu povrchu. Významným zpĤsobem se podílí na celkovém þasu obrobení dílu. VČtšinou je provádČna karbidy, které jsou mnohem spolehlivČjší z hlediska integrity povrchu než keramika. ObrábČní s nimi je však velice pomalé a s pĜibývající velikostí dílĤ þasové rozdíly dále narĤstají.
DEFEKTOSKOPIE 2010
163
Dále jsme se tedy zaobírali pĜedevším obrábČním pĜednaþisto a naþisto. Hledali jsme optimální bĜitovou destiþku, která by umožĖovala významnČji urychlit fáze 3, 4 a 5, nebo jen nČkterou z nich. ZohledĖovat je tĜeba i cenu destiþky a poþet jejích hran. Vybraný tvar VBD se podrobí experimentu na zkušebním dílu z materiálu Inconel 718. Následovala volba materiálu a tvaru destiþky. Podmínky výbČru byly následující: dostaþující pevnost, univerzálnost pro pokrytí fází obrábČní 3, 4, 5, rádius maximálnČ rİ = 2,5 mm (viz popis 3. fáze obrábČní), pevné upnutí proti vytažení z lĤžka nástroje, zejména pĜi dojíždČní do rohĤ.
Obr.1 : Pevnost bĜitových destiþek s ohledem na jejich tvar. Zdroj: NTK (http://www.ntkcuttingtools.com/) Zvolena byla keramická destiþka CNGX 120716 s polomČrem zaoblení špiþky rİ = 1,6 mm.
Obr.2 : Zvolený typ vymČnitelné bĜitové destiþky CNGX120716. Zdroj: NTK (http://www.ntkcuttingtools.com/) Výrobci u tohoto typu destiþek nabízejí více velikostí rİ, ale výbČr byl proveden zejména za úþelem menšího rizika prasknutí pĜi zábČru vČtší hloubky Ĝezu ap þi pĜi dojíždČní do rohu, oproti menším velikostem rİ. Nevýhodou mĤže být vČtší náchylnost k vibracím pĜi nedostateþnČ tuhém stroji a malé hloubce Ĝezu ap, která mĤže zpĤsobit horší zaĜíznutí destiþky. Vybraná VBD je navíc opatĜena úkosovým lĤžkem, které zamezuje jejímu vyjmutí z nástroje pĜi dojíždČní do rohu. Tato destiþka je velmi robustní: v pomČru délky strany 12 mm dosahuje tloušĢky 7 mm. Je proto velmi pevná. Tento typ destiþky se v nabídkách od rĤzných dodavatelĤ lišil složením (rĤzné druhy keramiky) a provedením Ĝezné hrany. Pro experimenty jsme získali celkem 6 odlišných destiþek: CSN100, SX9, WG600, KY1540-E, KY1540, CW3020(=KY4300).
164
DEFEKTOSKOPIE 2010
Tabulka 1: Chemické složení (v procentech) a základní vlastnosti slitiny Inconel 718
Zdroj: www.bibus.cz Pro experimentální obrábČní byl zvolen díl z niklové slitiny, konkrétnČ z materiálu Inconel 718. Následovalo obrábČní pokusného dílu destiþkami všech šesti druhĤ. Sledovali jsme míru opotĜebení destiþek VBB [mm] a stav povrchu pĜi rĤzných parametrech nastavení. Hloubka Ĝezu ap byla nemČnná ap = 0,15mm. Tato hodnota je nutná pro poslední fázi pĜedsonického obrábČní, aby bylo dosaženo požadované drsnosti povrchu. I rychlost byla pro první sadu experimentĤ konstantní, v = 195 m/min. Posuv f byl postupnČ nastavován na hodnoty 0,15 mm/ot, 0,25 mm/ot a 0,35 mm/ot. OpotĜebení destiþek se mČĜilo pod mikroskopem, vždy po obrobení stejné plochy. Drsnost výsledného povrchu Ra se mČĜila drsnomČrem. PĜi tČchto parametrech bylo opotĜebení VBB nejnižší pro destiþky CW3020 a WG-600. Požadavky na drsnost ovšem splnily jen 4 destiþky CSN100, SX9, CW3020 a WG600. DvČ sorty destiþek tedy byly z dalšího posuzování vyĜazeny. Následovalo posouzení destiþek z hlediska ceny a výrobcem deklarovaných vlastností. Pro další pokusy (rĤzné rychlosti a rĤzné hloubky Ĝezu) byla zvolena sialonová destiþka SX9, která se mČla vyznaþovat vysokou otČruvzdorností a lomovou houževnatostí. Povrchy získané pĜi tČchto pokusných obrábČních destiþkou SX9 již byly vyhodnocovány nejen drsnomČrem, ale i ultrazvukovČ, z hlediska dosažení požadovaného rozlišení blízko povrchu. Pro ultrazvuk nezáleží jen na velikosti drsnosti Ra, ale i na tvaru (profilu) nerovnosti povrchu. V pĜípadČ nevhodného tvaru nerovnosti povrchu mĤže docházet k tzv. gramofonování, které znemožĖuje ultrazvukové zkoušení. Požadované rozlišení blízko povrchu záleží na požadavku zákazníka pro konkrétní díl. Obvykle se pohybuje v rozmezí 0,1“ - 0,2“ (2,5 - 5 mm). Velikost hledané vady se pohybuje od 1,27 mm po 0,45 mm. VČtšinou je velikost hledané vady menší než 0,635 mm. Velikosti hledaných vad byly rozdČleny do 4 skupin: Skupina 1: velikost hledané vady 0,635mm. Skupina 2: velikost hledané vady 0,566mm. Skupina 3: velikost hledané vady 0,50mm. Skupina 4: velikost hledané vady 0,45mm. Pro všechny 3 skupiny byly vady hledány v hloubce 0,1“ (2,5mm) pod povrchem dílu.
DEFEKTOSKOPIE 2010
165
Použité zaĜízení: imerzní tank, pĜístroj ScanMaster USC 100 sn. 01080104, zobrazení typu Asken, sondy TLC IX0519PC sn.W90702, frekvence 5,5MHz, prĤmČr mČniþe 0,75“, fokus 6“. Pro skupiny 1, 2 a 3 byl povrch souþásti pro ultrazvukovou kontrolu vyhovující. Pro skupinu 4 drsnost povrchu bránila provedení ultrazvukové kontroly od pĜedepsané hloubky zkoušení 2,5 mm. Z provedeného ultrazvukového testování lze usuzovat, že kvalita povrchu dovoluje pĜi nastavených citlivostech obrábČt skupiny 1, 2 a 3. Pro skupinu 4 již kvalita povrchu nedosahovala požadovaných hodnot pro provedení ultrazvukové kontroly, aþkoli hodnota Ra namČĜená drsnomČrem byla menší než 1µm. Vhodnost použití navrženého zpĤsobu obrábČní testovaným plátkem a to pĜedevším pro skupiny 1, 2 a 3 jsme tedy ještČ museli ovČĜit pro rĤzné tvary dílĤ ve skuteþném procesu obrábČní. ZávČr Bylo vybráno nČkolik dílĤ, které byly obrobeny navrhovaným plátkem optimalizovaným procesem. Bylo zjištČno, že nČkteré tvary dílĤ þi þásti dílĤ (zvláštČ vnitĜní prĤmČry) nejsou pro toto obrábČní vhodné. Zbylé tvary prošly úspČšnČ obrábČním i ultrazvukovou kontrolou. Tím se potvrdila vhodnost nasazení zvoleného plátku do procesu obrábČní. Výsledkem je zkrácení þasu obrábČní vybraných dílĤ a redukce nákladĤ na vymČnitelné bĜitové destiþky.
166
DEFEKTOSKOPIE 2010
