METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Komparace a analýza drsnosti povrchů materiálů získaných technologií abrazivního vodního paprsku metodou stínovou a komerčními metodami Comparison and Analysis of the Roughness of Material Surfaces Obtained by the Abrasive Water Jet Technology by Using the Shadow Method and Commercial Methods Valíček, J.*, Mádr, V.*, Vašek, J.**, Ohlídal, M.***, Janurová, E.*, Páleníková, K.***, Slivečka, L.*, Filipová, M.*, Hlaváček, P.* * VŠB-TU Ostrava ** ÚGN AV ČR Ostrava *** VUT Brno Abstrakt: V příspěvku se pojednává o výsledcích získaných pomocí bezkontaktní optické stínové metody (SM) vyvinuté na Institutu fyziky VŠB-TU Ostrava a komerčními metodami, a to optickým komerčním profilometrem MicroProf (FRT) a kontaktním profilometrem HOMMEL TESTER T8000. Z analýzy výsledků plyne velmi dobrá shoda získaných dat a možnost na základě těchto výsledků zodpovědně usuzovat na mechanizmus vzniku nového povrchu, včetně jeho geometrických parametrů. Ukazuje se možnost nových přístupů k interpretaci naměřených výsledků a z nich plynoucí nově přijaté závěry. Abstract: The contribution deals with results obtained by the contactless optical shadow method (SM) developed at the Institute of Physics of VŠB-Technical University of Ostrava and by commercial methods, namely by the optical commercial profilometer MicroProf (FRT) and the contact profilometer HOMMEL TESTER T8000. From the analysis of the results a very good correspondence between data acquired follows. On the basis of these results, the mechanism of generation of a new surface, including its geometrical parameters can be responsibly judged. Possible new approaches to the interpretation of measured results and conclusions drawn newly from them are shown. 1. Úvod Drsnost povrchů materiálů Ra [µm] vytvářených obráběním [1-9] ať již klasickými, či nově rozvíjenými technologiemi (jako je např. obrábění ultrazvukem, laserem, plazmou nebo vodním abrazivním paprskem) je definovaná normami [10], [11]. Z hlediska potřeby ověření přesnosti nově vyvinuté optické metody SM a vytvoření etalonových vzorků byla realizována prezentovaná komparace výsledných hodnot. Srovnávací křivky byly analyzovány na těsnost výsledných hodnot parametru drsnosti povrchu Ra a na jeho distribuční funkce ve vztahu k hloubce řezu, k použitým rychlostem posuvu trysky a k vlivu mechanického charakteru materiálu vzorků. Komparací se potvrdila dobrá shoda ve výsledcích mezi námi vyvinutou optickou metodou SM a metodami měření povrchu komerčními. Cílem předmětného příspěvku je informovat o využití objemu proměřených vzorků a práce s databází systematicky evidovaných vstupních a výstupních údajů o vlastní technologii řezání konkrétního vzorku a o dosahované drsnosti řezných stěn. Princip měřicí metody SM, konstrukce a použité optické schéma přizpůsobené pro měření řezných stěn realizovaných abrazivním vodním paprskem byly již dříve několikrát zveřejněny, např. v pracích [12], [13], [14] a dalších. V příspěvku se orientujeme na vzorky vytvořené abrazivním vodním paprskem, a to i z toho důvodu, že tato technologie neovlivňuje teplotně povrch, a tedy nemusíme uvažovat s rekrystalizací zkoumaného povrchu. Zde bychom se rádi
1
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ alespoň ve zkratce věnovali výsledkům měření a zejména pak některým novým prvkům v přístupu k jejich interpreraci pro účely technologického řízení drsnosti řezných stěn. 2. Stanovení fluktuací výškových nerovností povrchu pro kovové materiály na vzorcích opracovaných abrazivním vodním paprskem Na připravených kovových deskách z materiálů ČSN 17 251, ČSN 11 503, ČSN 11 375, ČSN 422 712, AlMg, Zn, Al, mosaz a dural o tlošťce 8 mm byly vyřezány zkušební vzorky o rozměrech (20 x 20 x 8) mm, přičemž každá hrana daného vzorku byla vytvořena při jiných rychlostech (200, 150, 100 a 50 mm/min). Tloušťka 8 mm každého zkušebního vzorku byla proměřena stínovou optickou metodou s využitím CCD kamery ve 22 měřických linií s krokem po vertikále 0,364 mm na 4 stranách obr. 1. Měkké materiály, jako AlMg, Al čistý nebo Zn byly na těchto stranách opracovány rychlostmi v posloupnosti 400, 300, 200 a 100 mm/min. Na získaných optických signálech o povrchové distribuci světla a stínů byla provedena Fourierova transformace, spektrální dekompozice a frekvenční pásmové filtrace za účelem získání RMS (Root Mean Square) intenzity reflektovaného světla s povrchu a transformačních rovnic mezi RMS a parametry drsnosti povrchu, především parametrem drsnosti Ra [µm]. Distribuci parametru drsnosti Ra na řezné stěně považujeme za nejdůležitější, protože integrovaně a komplexně vypovídá jak o mechanickém účinku volby technologických parametrů, tak i o interakci řezných sil s materálem a charakteru reakčních sil materiálových. Na obr. 2 uvádíme komparaci výsledků měření drsnosti povrchu oceli ČSN 17 251 vyvinutou metodou s výsledky získanými s kontaktního profilometru a optického komerčního profilometru.
Obr. 1. Ocel ČSN 17251, strana vytvořená při 200 mm/min.
2
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 14 12
Ra
10
Optika Ra Profiloměr Ra Ran-optika Ran-profiloměr
8 6 4 2 0 0
2
4
6
8
h
Obr. 2. Komparace metod pro ocel ČSN 17 251, kde CCD kamerou bylo provedeno 22 měřických linií, optickým detektorem 19 měřických liníí, komerčním optickým profilometrem 22 měřických linií a kontaktním profilometrem 19 měřických linií. 3. Aplikační možnosti uplatnění výsledků studia geometrických parametrů povrchu Jedna z mnoha dalších aplikačních možností využití poznatků o zákonitostech determinujících distribuční funkce geometrických parametrů řezu je v projektové přípravě a volbě optimálních parametrů technologických pro řezání zadaného typu materiálu obrobků. Jde současně o řešení drsnosti povrchu, tak také o ekonomiku zvolené technologie pro řezání konkrétního materiálu. Mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů se mění v širokých mezích, a to nejen po skupinách a druzích (kovy, plasty, betony, horniny, dřevo, sklo, keramika apd.), ale i v jednotlivých skupinách. Často nevystačíme s pouhými tabulkovými hodnotami, které jsou jen orientační. Pro přesnou predikci chování se materiálu při jeho zatěžování a vnějším namáhání různého původu je u projektů většího významu již potřebná garance od výrobce, nebo také vlastní ověření nejdůležitějších fyzikálně-mechanických vlastností. Přitom většina laboratorních metod sloužících k takovému účelu je zdlouhavá, pracná a proto drahá. Technická predikce je velmi důležitá také při volbě hlavních technologických parametrů soupravy AWJ. Teoretické podklady k jejímu provedení jsou však dosud velmi omezené, proto se staví hlavně na zkušenostech obsluhy. Další otázkou je zajištění procesního řízení drsnosti a ekonomiky obrábění materiálu se zpětnou vazbou a v reálném čase. Teoretická příprava a možnost predikce průběhu procesu je důležitá v přípravě a realizaci každého projektu. Postupovou rychlost je však nutno dimenzovat optimálně, protože je-li snížena příliš, nemusí již dostatečně udržovat kvalitu řezu a přitom může být nadměrně zatížena ekonomika provozu. Musíme-li řezat kvalitně např. pevnou ocel, musí být řezná rychlost snížena až na 50 mm/min, avšak pro stejně kvalitní řezání např. hliníku, můžeme ekonomicky výhodně volit rychlost 200 mm/min. V matematickém propracování procesu řezání materiálu nástrojem AWJ dospěl nepochybně nejdále Hashish. Na základě své hypotézy [15, 16] odvodil svým matematickým postupem teoretické kriterium pro predikci a řízení drsnosti a hloubky řezu, kterým je kritická hloubka řezu hc [mm] determinovaná úhlem dopadu alfa α [˚] abrazivních částic v okamžiku úběru materiálu. Poloha kritické hloubky hc v řezu se mění s materiálem i se změnou technologických parametrů, např. se změnou postupové rychlosti řezné hlavy. Výpočet
3
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ parametrů hc, hd a hcel podle Hashishe jsme provedli pro rozsáhlejší statistický soubor tvořený celkem 185-ti kovovými materiály (oceli, litiny, slitiny s tabulkovými pevnostními parametry dle ČSN). Zvlášť je uváděn výpočet pro, v rámci komparace proměřovanou, ocel ČSN 17 251 (Emat = 165240 MPa, σm = 650 MPa, vp = 200 mm/min, 50 mm/min, abrazivum granát australský). Číselné hodnoty průměrů jsou ze statistického souboru pro hc = 2,624 mm, hd = 8,738 mm, hcel = 11,36 mm a hmel = 4,715 mm. Hloubka hmel je vždy větší než hc a menší než hd. Pro ocel ČSN 17 251 k porovnání prezentujeme i vlastní postup pro získání teoretických průběhů funkcí sloužících ke kvantifikované predikci mechanizmu řezného procesu a vzájemných vazeb mezi těmito funkcemi, jak ukazuje obr. 3 pro vp = 200 mm/min a obr. 4 pro vp = 50 mm/min. Linie vytyčené parametry hc, hd a hmel představují řezy grafem na úrovních kritické hloubky hc hladkého řezu a mezní hloubky pro deformovaný řez hd podle Hashishe a hloubky dosažení meze pružnosti povrchu materiálu namáhaného v řezu hmel. V těchto řezech grafy lze vyčíst číselné hodnoty všech dalších, na mechanizmu řezání se podílejících, funkcí. V modelu je vidět výrazný posun poloh obou parametrů hc, hd a hmel směrem do větší hloubky způsobený snížením postupové rychlosti ze 200 mm/min na 50 mm/min. Další výsledky uvádí tabulkový výpočet některých technických parametrů pro úroveň meze pružnosti materiálu v řezu. Grafické vyjádření amplitud technických parametrů podle obr. 5 v logaritmickém měřítku je potom výstupem z předcházející výpočtové predikce mechanických poměrů v řezu pro konkrétní materiál a současně kompoziční součástí materiálové databáze, jakož i vhodným podkladem pro rozhodování technologa soupravy AWJ.
Obr. 3. Kvantitativní predikce mechanizmu řezného procesu pro 200 mm/min. (hmel je na hloubkové pozici 15 (4,36 mm), hc je zde na hloubkové pozici 5 (2,57 mm) a hd na hloubkové pozici 21 (7,41 mm))
4
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Obr. 4. Kvantitativní predikce mechanizmu řezného procesu pro 50 mm/min. (hmel je na hloubkové pozici 22 (7,80 mm), tedy na konci vzorku, hc je zde na hloubkové pozici 9 (3,42 mm))
Obr. 5. Některé vybrané technické parametry řezu predikované výpočtem na hloubkové úrovni hmel. Legenda: RMS – predikované [a.u.] RMStrezu – charakteristické RMS [a.u.] Ran – drsnost normálová [µm] Eret* - okamžitá hodnota Emat kontrolní [MPa] σmrms – pevnost materiálu z RMS [MPa] σzrmsi – řezné napětí okamžité z RMS [MPa] hrellim – relativní hloubka řezu limitní [-]
5
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Lhrellim – teoretická délka povrchu (Ra/ε) [µm] Rahrellim – teoretická drsnost povrchu [µm] E (hra) - Emat kontrolní [MPa] habs – hloubka absolutní [mm] Kpli – okamžitá deformace povrchu [mm] Yret – okamžitá retardace stopy řezu [mm] tg D – tg úhlu okamžitého úhlu zakřivení D (i) [-] arc D – úhel zakřivení D (i) [º] Rast (h) – hodnota stopové drsnosti povrchu [µm] Eret – okamžitá hodnota poklesu Emat [MPa] Kplmat - limitní délková deformace povrchu materiálu [mm] Eretz - zatěžující modul pružnosti [MPa] σz - zatěžující napětí materiálu povrchu [MPa] hmel - poloha meze elasticity Mel [mm] hrelvz - relativní poloha meze elasticity Mel ve vztahu k výšce vzorku [%] Raradmp - hodnota radiální drsnosti na Mel [µm] σmp - napětí na mezi pružnosti Mel (rovná se mezi pružnosti materiálu σmel) [MPa] hraradmp - poloha Raradmp v řezu [mm] Kplradmp - hodnota koeficientu plasticity v úrovni hmel [mm] Yretmp - zakřivení stopy řezu na mezi elasticity Mel [mm] arcDmp - úhel zakřivení stopy řezu na mezi elasticity Mel [º] Qramp - mechanické napětí na 1 µm Ra na mezi elasticity Mel [MPa/µm] Qymp - mechanické napětí na 1 µm Yret na mezi elasticity Mel [MPa/µm] Qdmp - mechanické napětí na 1 º úhlu zakřivení řezné stopy na mezi elasticity Mel [MPa/º] hrelkpl - relativní poloha meze elasticity Mel ve vztahu k limitní(maximální) hloubce v daném materiálu [%] σcut - mechanické napětí deformační plochy dané součinem (hraradmp*Yretmp= Kplradmp) na mezi elasicity Mel (rovná se okamžité mechanické tuhosti jádra proudu AWJ) [MPa] σzrmsmp - mechanické napětí řezné na mezi elasticity Mel [MPa].
4. Závěr Na základě dobrých výsledků komparace naměřených dat vyvinutou optickou metodou s daty podle komerční optické soupravy a podle průmyslového kontaktního profilometru máme tak v laboratoři Institutu fyziky k dispozici zařízení vhodné pro proměřování základních geometrických vlastností topografie nově vytvořených povrchů technologií AWJ. Jde o vlastnosti, zejména technická drsnost povrchu, které jsou považovány za velmi důležité z mnoha velmi dobře v teorii i praxi známých důvodů. Vedle osvědčených teoretických kriterií pro dosažení tzv. hladkého řezu hc a hd, může být novým příspěvkem pro řízení jakosti i náš návrh způsobu stanovení a použití teoretického kritéria hmel, tj. hloubky řezu dosažení meze pružnosti materiálu namáhaného řezáním, která je vlastně i podle klasické pružnosti a pevnosti přirozenou hranicí mezi pružným a plastickým přetvořením materiálu. Kriteriální parametry hladkého řezu hc, hd a hcel vytvořené teorií podle Hashishe jsou velmi významné vzhledem k přímé vazbě jejich výpočtu na nastavené technologické parametry soupravy AWJ. Protože navrhované kriterium podle predikce hmel dosahuje v korelačních závislostech hmel = f (hc, hd, hcel, Ramel) korelační těsnosti R = 1, lze odvodit matematické vztahy (polynomy 3. řádu) tak, aby mohla být predikce hmel taktéž přímo navázána na parametry technologie, to je na optimalizaci volby rychlosti posuvu řezné hlavy, tlaku čerpadla, průměru trysky, druhu a průtočného množství abraziva například podle Youngova modulu pružnosti řezaného materiálu.
6
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Poděkování Práce vznikla za podpory interního grantu IGS-HGF VŠB TUO-2005-516/6 a projektu GA AV ČR A 308 62 01.
Literatura: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
[10] [11] [12]
[13]
[14] [15] [16]
Bumbálek, B., Obvody, V., Ošťádal, B.: Drsnost povrchu. Praha, SNTL 1989 Mlčoch, L., Slimák, I.: Řízení kvality a strojírenské metrologie. Praha, SNTL 1987 Brezina, I.: Drsnosti povrchu – význam kvantifikácie drsnosti – metrologické aspekty – vývojové tendencie. Jemná mechanika a optika, č. 7, 1991 Tykal, M., Melichar, M.: Význam hodnocení vlnitosti povrchu v konstrukci a výrobě přesných mechanizmů. Jemná mechanika a optika, č. 6, 1986 Pernikář. J., Tykal, M., Vačkář, J.: Jakost a Metrologie. Brno, Akademické vydavatelství CERM 2001 Vašek, J., Martinec, P., Foldyna, J., Sitek, L., Ščučka,J.: Abrasives for AWJ cutting. Academy of Sciences, Ostrava, 2002 Sigmund, M., Brychta, J., Čep, R.: Kontrola jakosti a přesnosti při obrábění vysokými rychlostmi. Technological Engineering, 2005, roč. II., č. 1, s. 20 – 21 Krajný, Z.: Vodný lúč v praxi WJM. Mračko – Bratislava, 1998 Kadnár, M., Rusnák, J.: Teoretický výpočet hrúbky mazacieho filmu pri elastohydrodynamickom mazaní. In: sborník z medzinárodnej vedeckej konferencie poriadanej počas konania 11. Medzinárodného strojárskeho veltrhu v Nitre, Nitra, 2004, s. 55-58 ČSN EN ISO 4287 ČSN EN ISO 4288 Valíček, J., Držík, M., Ohlídal, M., Mádr, V., Hlaváč, L.M.: Optical method for surface analyses and their utilization for abrasive liquid jet automation. In Proceedings of the 2001 WJTA American Waterjet Conference, M. Hashish (ed.), WJTA, Minneapolis, Minnesota, 2001, p. 1 – 11 Valíček, J., Držík, M., Ohlídal, M., Hlaváč, L.M.: Application of optical methods for analyses of surfaces made by abrasive liquid jet. In METAL 2001 – Proceedings of the 10th International Metallurgical and Materials Conference, TANGER spol. s r. o., Ostrava, 2001, paper 104, p. 1 – 7 Valíček, J., Louis,H., Schenk, A., Držík, M., Hlaváč, L. M., Chlpik, J.: Utilization of the optical methods for analyses of cutting edges. BHR Group, 2004, p. 487 – 501 Hashish, M.: Modeling Study of Metal Cutting with Abrasive Waterjets. Trans. of the ASME, Journal of Eng. Mat&Tech, Vol. 106, No. 1, 1984 Hashish, M.: Pressure Effect in Abrasive – Waterjet (AWJ) Machining. Trans. of the ASME, Journal of Eng. Mat&Tech., Vol. 111, No. 7, 1989
7
