34. mezinárodní konference DEFEKTOSKOPIE 2004 Sborník příspěvků, str. 317 – 323, 3. – 5. listopad 2004, Špindlerův Mlýn, Česká společnost pro nedestruktivní testování - ČNDT
Sledování změn ve struktuře třísky obráběného materiálu pomocí rentgenografické metody Monitoring of changes in chip structure of machined material by means of an x-ray diffraction method Jan ŽIŽKA*, Jaroslav FIALA**, Michal KOLEGA**, Václav PRUKNER*** * Technická univerzita v Liberci, ** Západočeská univerzita v Plzni, *** Ústav fyziky plazmatu AV ČR Abstract It is well known that machining processes cause structural changes substantially influencing the utility properties of the produced surface. One can assume that x-ray diffraction monitoring of the structural changes in the chips obtained from machined material might be used for the estimation of the structural changes in the machined layer. These changes depend on the cutting conditions which are proposed by a technologist to be suitably adapted with the aim to achieve desired integral parameters of the surface quality. In the present contribution, some results of the use of x-ray diffraction to study the structural changes in the chips produced by machining and their correlation with the changes of some independent machining parameters are given. Keywords: x-ray diffraction, machining, chip, structure Abstrakt Během procesu obrábění dochází ke strukturním změnám, které podstatně ovlivňují užitné vlastnosti obráběním vytvořeného povrchu. Lze předpokládat, že na základě rentgenografických sledování změn, ke kterým došlo ve struktuře třísky obráběného materiálu by se dalo uvažovat i o změnách ke kterým dochází v obrobené vrstvě. Dané změny závisí na zvolených řezných podmínkách, které jsou technologem navrženy a mohou být vhodným způsobem korigovány, tak aby bylo dosaženo požadovaných integrálních parametrů kvality povrchu. V předloženém příspěvku budou uvedeny výsledky možnosti použití rentgenografické metody pro sledování změn ve struktuře třísek obráběním vzniklých v závislosti na změnách některých nezávislých parametrů. Klíčová slova: rentgenografie, obrábění, tříska, struktura
1. Úvod Technologie obrábění různých součástí oddělováním třísek provází člověka již po dlouhá tisíciletí, v podstatě od doby kamenné, kdy člověk poprvé začal vyvrtávat kruhové otvory do kamenných nástrojů. Lidské snažení obrábět, bylo většinou úspěšné a to i bez hlubších teoretických znalostí, stačil pouze empirický poznatek, že materiál nástroje by měl být tvrdší než materiál obráběný. Současné moderní velmi výkonné obráběcí stroje, vybavené moderními nástroji dokáží obrábět moderní, většinou značně obtížně obrobitelné materiály. V mnohých případech úspěšného obrábění přesto dodnes chybí základní poznatky o tom, k jakým procesům vlastně dochází v obráběné vrstvě. Odřezávaná vrstva opouští obráběný materiál v podobě třísky, kterou málokdo v průmyslové praxi považuje za hodnou předmětu cíleného vědeckého bádání. Přesto tříska, která je mnohdy považována za pouhý odpad, nese informace o dějích, které proces jejího utváření doprovázely. V tělese třísky je „zakonzervována“ detailní informace o jejím vzniku. A protože tříska byla součástí polotovaru a byla oddělena od nově vzniklého povrchu, měla by zároveň nést více, či méně komplexní informaci o stavu povrchu nově vzniklého oddělením třísky. Během procesu obrábění dochází ke strukturním změnám, které podstatně ovlivňují užitné vlastnosti obráběním vytvořeného povrchu. Tyto strukturální změny můžou být sledovány rentgenografickou metodou. Sledování změn, ke kterým došlo ve struktuře třísky obráběného materiálu by se dalo uvažovat i o změnách ke kterým dochází v obrobené vrstvě. Dané změny závisí na zvolených řezných podmínkách, které jsou technologem navrženy a mohou být vhodným způsobem ovlivňovány, tak aby bylo dosaženo požadovaných integrálních parametrů kvality povrchu. Předložený příspěvek podává informaci týkající se první části problému, a to jak je stav třísky ovlivněn stavem řezného nástroje (velikostí opotřebení) a řeznou rychlostí. Změny ve struktuře třísky, které závisí především na stavu řezného nástroje byly zjišťovány rentgenovou difrakcí Struktura třísek byla zkoumána na jejich hladké konvexní straně, která byla během procesu obrábění v kontaktu s čelem nástroje, rentgenografickou difrakcí pomocí difraktometru D8-Discover, a to na pracovišti Katedry materiálu a strojírenské metalurgie Západočeské univerzity v Plzni. 2. Rentgenová difrakce Rentgenové záření po dopadu na polykrystalický vzorek difraktuje a vytváří soustavu kuželových ploch, jež mají společnou osu – primární dopadající paprsek. Promítneme-li tyto kuželové plochy do roviny (s filmem) kolmé k primárnímu paprsku, získáme tzv. difraktogram (obr. 1). Difraktogram je dvourozměrná mapa směrové distribuce intenzity I rentgenového záření difraktovaného na vzorku V a zaregistrovaného na filmu F ve formě difrakčních čar d1 a d2, nese informaci o reálné struktuře materiálu vzorku. Závislost I=I(a) nazýváme radiální profil příslušné difrakční linie, zatímco I=I(b) je její azimutální – laterální profil.
Obr. 1. Schéma ilustrující vznik dvourozměrné mapy směrové distribuce intenzity rentgenového záření - difraktogramu 3. Použité vzorky třísek Třísky použité pro rentgenografické sledování změn struktury v závislosti na řezných podmínkách byly vytvořeny během soustružení materiálu ČSN 12 050.1 nožem ze slinutého karbidu, povlakovaného nitridem titanu (běžná břitová destička P20). Hloubka úběru ap = 1 [mm] byla po celou dobu soustružení konstantní, řezná rychlost vc, posuv f, opotřebení břitové destičky VB a průměr obrobku D jsou uvedeny v Tab. 1. Předpokládáno bylo, že by změna struktury materiálu třísky měla být v závislosti na řezné rychlosti pozvolná. Výrazněji by se měl projevit vliv opotřebení. V pozdějších plánovaných výzkumech by se dalo uvažovat i o hledání vzájemném vlivu změny struktury třísky a změny integrálních parametrů povrchové vrstvy obrobeného materiálu. Tab. 1. Označení vzorků zkoumaných třísek a řezné podmínky jejich vzniku Otáčky Opotřebení Řezná Posuv Průměr Vzorek [ot/min] VB [mm] rychlost [mm/ot] obrobku [m/min] [mm] A1 1120 0,12 380 0,12 108 B1 900 0,12 305 0,12 108 C1 710 0,12 241 0,12 108 D1 560 0,12 190 0,12 108 E1 450 0,12 153 0,12 108 F1 355 0,12 120 0,12 108 A2 1120 0,3 380 0,12 108 B2 900 0,3 305 0,12 108 C2 710 0,3 241 0,12 108 D2 560 0,3 190 0,12 108 E2 450 0,3 153 0,12 108 F2 355 0,3 120 0,12 108
4. Strukturální analýza Struktura třísek byla zkoumána na jejich hladké konvexní straně, která byla během procesu obrábění v kontaktu s čelem nástroje, rentgenografickou difrakcí pomocí difraktometru D8-Discover firmy AXS Bruker, vybaveného polykapilárním kolimátorem a plošným posičně citlivým detektorem GADDS s plynovou náplní. Jako zdroj byla použita rentgenka s kobaltovou anodou a beta filtrem. Kromě toho byla provedena korekce na spektrální dublet. Obr. 2 a 3 ilustrují vzhled dvojrozměrných difraktogramů. Obr. 4 a 5 představují radiální profil difrakční linie (211) feritu [1] pro třísky A1 – F1 a A2 – F2. Změřené výsledky jsou shrnuty v tabulce 2 pro všech šest řezných rychlostí (A, B, C, D, E a F) a ostrý (1) i tupý (2) nástroj. Z uvedených hodnot je patrné, že rozdíly v řezné rychlosti nezpůsobují žádný zřetelný trend sledovaných difrakčních charakteristik. Na rozdíl od toho se zde významně uplatňuje opotřebení použitého nástroje. Difraktogramy třísek získaných tupým nástrojem vykazují soustavně menší odleskový úhel 2ϑ a také menší šířku FWHM reflexe (211) než difraktogramy třísek získaných ostrým nástrojem. Dále bylo zjištěno, že integrální intensita I (211) a reflexe (211) je v poměru k integrální intensitě I (200) reflexe (200) soustavně menší při použití nástroje, který je více opotřeben než při použití nástroje neopotřebeného. Z rozdílnosti odleskových úhlů vyplývá, že na hladké konvexní straně třísek vzniká obrobením pnutí (tzv. pnutí 1. druhu, čili makropnutí), které je při použití tupého nástroje o 400 ± 100 [MPa] menší než při použití nástroje ostrého. Také mikropnutí (tzv. pnutí 2. řádu, které se mění od zrna k zrnu, takže v makroskopických oblastech je vykompenzováno), které v třískách po obrobení tupým nástrojem zůstane, je o 200 ± 30 [MPa] menší než mikropnutí, které v třískách nalézáme po obrobení nástrojem ostrým. To vyplývá z rozdílnosti šířek reflexe (211). Posléze ze snížení hodnoty poměru I(211)/I(200) při použití tupého nástroje proti případu, že byl použit nástroj ostrý vyplývá, že textura, která se projevuje v obou případech přednostní orientací krystalitů rovinou (211) do roviny (konvexního povrchu) třísky je v případě tupého nástroje méně výrazná, vyjádřeno kvantitativně 2 ± 0,4 -krát než při použití ostrého nástroje [2-4]. 5. Diskuse Rozdíly makropnutí, mikropnutí a textury, které byly zjištěny v třískách po obrábění ostrým a tupým nástrojem, lze připsat vlivu zvýšení teploty (obrobku i třísky), jež je při obrábění tupým nástrojem větší než při obrábění nástrojem ostrým. Vyšší teplota, která vznikne při použití tupého nástroje, způsobí odrelaxování obou druhů napětí a směrové rozuspořádání krystalitů, neboť entropická náročnost textury zvyšuje hodnoty Gibbonovy (i Helmholtzovy) funkce úměrně s (absolutní) teplotou. 6. Závěr Výsledky uvedené v předloženém příspěvku potvrzují změnu struktury třísky v závislosti na podmínkách obrábění. Lze rozlišit třísku vzniklou při obrábění opotřebeným nástrojem od třísky vzniklé při použití nástroje ostrého. Bohužel se však nepotvrdil vliv řezné rychlosti na strukturální změny v třísce. Přesto zjištěné výsledky jsou optimistické a ve výzkumech orientovaných na určení změn ve struktuře materiálu vzniklých obráběním by se mělo pokračovat.
Tabulka 1. Změřené difrakční údaje byly získány pomocí záření CoKα. 2 ϑ je odleskový (Braggův) úhel reflexe (211), FWHM je šířka difrakční linie (211) v polovině její výšky po korekci na spektrální dublet a I(211)/I(200) je poměr integrální intensity reflexí (211) a (200). Třísky A1, B1, …, F1 byly získány soustružením ostrým nástrojem (opotřebení nepřesáhlo hodnotu VB = 0,12 [mm], zatímco třísky A2, B2, …, F2 byly odebrány při soustružení nástrojem otupeným (opotřebení VB = 0,3 [mm]). V posledním sloupci jsou uvedeny řezné rychlosti, které byly pro porovnání třísek při použití ostrého i opotřebeného nástroje stejné.
Údaje Vzorek A B C D E F
2ϑ [()o]
1 99,461 99,391 99,444 99,466 99,453 99,462
2 99,331 99,284 99,389 99,428 99,428 99,376
FWHM [()o] 1 0,54 0,53 0,56 0,67 0,59 0,58
2 0,45 0,46 0,43 0,46 0,45 0,42
I(211)/I(200) [1] 1 710 1000 840 570 640 360
2 270 310 320 420 590 340
řezná rychlost vc [m/s] 1i2 6,3 5,1 4,0 3,2 2,6 2,0
Obr. 2. Dvojrozměrný difraktogram třísky A1. Difrakční linie (110) a (200) feritu
Obr. 3. Dvojrozměrný difraktogram třísky B1. Difrakční linie (110) a (200) feritu
A1 B1 C1
E1 F1
D1
Obr. 4. Profily difrakčních linií (211) pro třísky vyrobených při použití ostrého nástroje
A2 B2
E2
C2 F2 D2
Obr. 5. Profily difrakčních linií (211) pro třísky vyrobených při použití tupého nástroje
Literatura: [1] FIALA, J. – SCHINDLER, I. – FORET, R. - NĚMEČEK, S.: Sledování struktury konstrukčních materiálů a její degradace rtg difrakcí. Strojnícky časopis. 53, 2002. č. 1, s. 1-23. [2] PEISER, H. P. – ROOKSBY, H. P. – WILSON, A. J. C.: Diffraction by Polycrystaline Materiále. London Chapman and Hall 1960. [3] GUINIER, A.: Théorie et technique de la radiocristallographie, Paris Dunod. 1956. [4] KAČANOC, N. N. – MIRKIN, L. I.: Rentgenostrukturnyj analýz (polikristallov). Moskva MAŠGIZ, 1960.
