Aby sprostać trudnym warunkom obróbki, ostrza muszą mieć odpowiednie właściwości i być odpowiednio dobrane, należy też właściwie ustalić warunki obróbki: parametry technologiczne, chłodzenie i smarowanie strefy obróbki itp. Dodatkowo proces skrawania nie zawsze przebiega w warunkach standardowych. Bardzo często, zwłaszcza przy regeneracji, można spotkać się z obrabianiem elementów, które na powierzchni obrabianej posiadają tzw. nieciągłości geometryczne. Rozróżnia się dwa ich rodzaje: geometryczne i strukturalne. Do pierwszej grupy zalicza się nieciągłości powstałe na skutek wytwarzania elementu lub będące efektem zaprojektowania. Do grupy tej należą otwory, gwinty, rowki itp. Natomiast nieciągłościami strukturalnymi są wszelkiego rodzaju wtrącenia niemetaliczne, pory, połączenia spawane i zgrzewane itp.

Trudności w procesie obróbki

W nieciągłościach geometrycznych podczas rozciągania i zginania powierzchni elementu na dnie występują złożone stany naprężeń, które przekraczają naprężenia normalne. To sprawia, że miejsca te są osłabione i najczęściej występują w nich uszkodzenia, co w efekcie prowadzić może do utraty zdatności całej maszyny.

Podczas obróbki części z nieciągłościami geometrycznymi dochodzą dodatkowo obciążenia dynamiczne, które oddziałują na krawędź skrawającą, co prowadzi do szybszego zużycia ostrza. Przejawia się ono zmianami geometrycznymi krawędzi skrawającej, zazwyczaj w formie ubytku materiału poprzez starcie, wykruszenia bądź wyszczerbienia lub wyłamania ostrza. Warunki pracy przy nieciągłościach geometrycznych i zużycie ostrza przekładają się z kolei na kształtowaną strukturę geometryczną powierzchni elementów maszyn.

Przykładów powierzchni nieciągłych geometrycznie podlegających obróbce skrawaniem jest wiele, np. koła zębate, wałki wpustowe i wielo wypustowe, wałki z otworami poprzecznymi, tarcze, piasty itp. (rys. 1).

Obróbka w takich warunkach jest wykonywana głównie podczas regeneracji, gdy dany element podlega przetoczeniu na inny wymiar nominalny. Przy produkcji nowych elementów problem ten nie występuje, gdyż w procesie technologicznym np. wałka elementy takie jak otwory czy wpusty wykonuje się w końcowym etapie.

Istotną sprawą przy tego rodzaju obróbce jest także udział skrawania przerywanego, uzależniony od wielkości powierzchni oraz ilości elementów nieciągłych występujących na powierzchni elementu obrabianego (rys. 2).

Badania na próbkach

W celu weryfikacji wpływu nieciągłości geometrycznych na cechy kształtowanej struktury geometrycznej powierzchni podjęto badania doświadczalne. Zostały one przeprowadzone dla próbek wykonanych ze stali konstrukcyjnej C45 ulepszonej cieplnie o twardości powierzchni 40±2 HRC z wykonanymi nieciągłościami geometrycznymi.

Próbka 1 miała kształt prostopadłościanu o wymiarach 111 × 34 × 36 mm, w którym wykonano rowek na powierzchni górnej o szerokości 10 mm i głębokości 5,5 mm przez całą długość (rys. 3).

Próbka 2 miała również kształt prostopadłościanu o wymiarach 111 × 34 × 36 mm, w którym na powierzchni górnej nawiercono 4 otwory o średnicy 7 mm i głębokości 12 mm oddalone od siebie o 19 mm (rys. 4).

Podczas obróbki szlifowaniem element chłodzono koncentratem cieczy syntetycznej do obróbki metali ARTEsol Ultra EP (producent Atrefakt) w postaci emulsji wodnej o stężeniu 4%. Próbki zostały obrobione z jednakową prędkością obrotową wrzeciona wynoszącą 2740 obr/min oraz bez posuwu poprzecznego. Pozostałe parametry technologiczne były następujące: głębokość skrawania ap = 0,01 i 0,04 mm oraz posuw wzdłużny f = 8 i 20 m/min. Ściernica wykonana była z elektrokorundu zwykłego ze spoiwem żywicznym, wielkość ziarna 46 o średniej twardości.

Ocenę cech struktury geometrycznej powierzchni wyznaczono na podstawie pomiaru parametrów chropowatości – parametru amplitudowego Ra i nośności Rk. Pomiary zostały wykonane za pomocą profilometru stykowego MARSURF XR 20 MIT GD 120 firmy Mahr.

Próbki z otworami podzielono na dwa obszary pomiarów. Pierwszy pomiar został wykonany na powierzchni płaskiej, natomiast drugi w możliwie najbliższej odległości od krawędzi otworu.

Próbki z rowkiem zostały podzielone na cztery obszary pomiarów. Pierwszy pomiar wykonano na powierzchni płaskiej (na wykresie oznaczenie A) – jest to powierzchnia przed rowkiem, od której zaczynał się proces szlifowania. Drugi obszar pomiarów to krawędź rowka od strony, od której zaczynał się proces szlifowania. Chropowatość została wyznaczona w możliwie najbliższej odległości od krawędzi. Trzeci obszar pomiarów to krawędź rowka za nieciągłością geometryczną – również chropowatość wyznaczono możliwie najbliższej od krawędzi rowka. Czwarty obszar to powierzchnia płaska znajdująca się za rowkiem (na wykresie oznaczenie B).

Na rys. 5 i 6 przedstawiono wyniki badań (średnia arytmetyczna z pięciu pomiarów) w postaci wykresów dla próbki z nieciągłościami geometrycznymi w postaci otworów.

Analizując histogramy próbek z otworami, można zauważyć, że średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Ra na krawędzi otworu jest większe niż na powierzchni płaskiej bez względu na wartość usuniętego materiału oraz bez względu na zastosowany posuw. Porównując chropowatość powierzchni płaskiej do chropowatości w obszarze przy krawędzi otworu, można zaobserwować, że różnice są znaczące przy usunięciu naddatku 0,01 mm. Natomiast przy usunięciu podczas szlifowania naddatku 0,04 mm różnice te są mniejsze.

Z histogramów dotyczących parametru nośności Rk można zauważyć, że parametr jest zawsze większy na krawędzi otworu niż na powierzchni płaskiej. Zależności związane z głębokością skrawania są odwrotne niż w przypadku średniego arytmetycznego odchylenia profilu od linii średniej Ra. W próbkach, w których usunięto 0,04 mm, Rk na powierzchni płaskiej jest zdecydowanie większe niż przy naddatku 0,01 mm.

Na kolejnych rysunkach – 7 i 8 – zobrazowano wyniki badań (średnia arytmetyczna z pięciu pomiarów) w postaci wykresów dla próbki z nieciągłościami geometrycznymi w postaci rowka.

Z histogramów można zaobserwować, że średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Ra przy krawędzi rowka jest zawsze większe niż na przylegającej do krawędzi powierzchni płaskiej. Kolejną cechą, którą można zauważyć, jest to, że wartość Ra jest największa na krawędzi za nieciągłością. Jedynie przy głębokości, w której usunięto 0,04 mm, oraz przy posuwie 20 m/min nie wystąpiła ta zależność. Natomiast najniższa wartość parametru Ra zawsze występuje na powierzchni płaskiej, od której zaczynał się proces szlifowania.

Porównując wartość parametru chropowatości Rk dla próbki z rowkiem, można zauważyć, że w próbkach, w których usunięto 0,01 mm, najniższą chropowatość posiada powierzchnia płaska A. Natomiast najwyższą chropowatość posiada obszar przy krawędzi rowka od strony płaszczyzny B. W próbkach, w których zebrano 0,04 mm, można zauważyć, że powierzchnia płaska posiada mniejsza chropowatość niż przy krawędzi.

Wnioski

Z otrzymanych wyników wynika, że cechy struktury geometrycznej powierzchni wyznaczone parametrami chropowatości przy krawędzi nieciągłości geometrycznej różnią się od cech struktury powierzchni płaskiej próbki. Z reguły wyznaczane parametry chropowatości miały większą wartość niż dla powierzchni płaskiej bez nieciągłości geometrycznej. Z przeprowadzonego badania można więc wnioskować, że takie czynniki jak obciążenia dynamiczne oraz zmienność temperatury podczas obróbki mają wpływ na kształtowaną strukturę geometryczną powierzchni. Wyniki badań eksperymentalnych zweryfikowały również ogólnie wpływ parametrów technologicznych na konstytuowanie struktury powierzchni przy nieciągłościach geometrycznych. W celu uszczegółowienia zaobserwowanych zależności należałoby przeprowadzić bardziej rozbudowane badania doświadczalne, w których zbiór i zakres zmiennych zarówno niezależnych, jak i zależnych byłby rozszerzony.

_________________________________________________________________________________________________

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy