GYÉMÁNTVASALT MUNKADARAB-FELÜLETEK MARADÓ FESZÜLTSÉGÉNEK VIZSGÁLATA

Átírás

1 MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, April 2017 ISBN GYÉMÁNTVASALT MUNKADARAB-FELÜLETEK MARADÓ FESZÜLTSÉGÉNEK VIZSGÁLATA Dr. Varga Gyula 1, Ferencsik Viktória 2 1 Egyetemi docens, Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet 2 II. évf. PhD hallgató, Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet ABSZTRAKT A hideg képlékeny befejező megmunkálások úgy, mint a felülethengerlés, - vasalás és ütőtestes felületszilárdítás, jelentős szerepet töltenek be az élettartamnövelő megmunkálásokban, hiszen alkalmazásukkal jelentős mértékű nyomó maradó feszültség képződik a felületközeli rétegben. Jelen cikkben a gyémántszerszámos felületvasalás okozta maradó feszültségváltozás vizsgálatával foglalkozunk. A felületi réteg mechanikai tulajdonságait befolyásoló paraméterek közé tartozik a vasalási előtolás, sebesség, erő, járatszám, a vasalórész, illetve a munkadarab anyaga, a vasalógyémánt geometriája, valamint a kenőanyag alkalmazása. Kísérleteink során az erő, előtolás és a sebesség hatását vizsgáljuk gyengén ötvözött alumínium tengelyek felületvasalása esetén. A kísérlet megtervezéséhez, végrehajtásához a Taguchi-féle teljes faktoriális kísérlettervezés módszerét választottuk, a maradó feszültség mérése pedig röntgendiffrakciós módszerrel történt. A legkedvezőbb feszültségi állapotot előidéző paramétertartomány meghatározását egy dimenziónélküli viszonyszám képzésével végeztük el. BEVEZETÉS Az ipari gyakorlatban, különösen a fárasztásnak kitett acél gépjárműalkatrészek minőségi követelményeihez hozzátartozik a felületközeli maradó rugalmas feszültség értéke, eloszlása. A fáradási repedés kialakulását, terjedését gátló nyomó feszültség direkt létrehozásának számos módja van, mint pl. cementálás, szemcseszórás, mángorlás és görgőzés [1]. Az iparban ugyancsak jelentős szerepet játszik a vizsgálat tárgyát képező gyémántszerszámos felületvasalás. Az alkalmazott szerszám anyaga lehet edzett acél, keményfém, kerámia, illetve természetes vagy mesterséges gyémánt. Vasalás során a munkadarab felület-közeli kis rétege deformálódik a munkadarab és a szerszám kinematikai kölcsönhatása következtében [2]. A mozgásviszonyokat az 1. ábra szemlélteti [3]. Ennek a csúszó relatív elmozdulást alkalmazó eljárásnak számos előnye van: hatékonyan csökkenthető a felületi érdesség, a diszlokációk átrendezése révén növelhető a felület-közeli réteg mikro-keménysége, korrózióval szembeni ellenálló képessége, javítható a hengeres felületek alakhelyessége, nem igényel nagy mennyiségű hűtő-kenő folyadék alkalmazást, tehát gazdaságos és kis környezetterhelésű [4]. A gyémántvasalás alkalmas külső és belső hengeres felületek megmunkálására is, a továbbiakban külső hengeres felület gyémántvasalásával, DOI: /musci

2 illetve az általa okozott feszültségállapot változásának vizsgálatával foglalkozunk részletesebben. 1 ábra A vasalás mozgásviszonyai [3] KÜLSŐ HENGERES FELÜLET VASALÁSA A gyémántszerszámos felületvasalást külső hengeres felületek esetében nagy pontosságú, kis érdességű befejező műveletként alkalmazzák, mely megvalósítható hagyományos, valamint modernebb CNC esztergákon is. A munkadarab felületi érdességének csökkenése, illetve az előző részben ismertetett előnyök, az alakítóelem és a munkadarab felületének statikus érintkezése révén következnek be, jellemzően 0,01-0,2 mm vastagságban [5], [6], [7], [8]. A folyamat a forgácsolás utáni felületi zónában lévő húzó maradó feszültséget nyomó maradó feszültséggé alakítja, mely által a munkadarab dinamikus terhelés alatti kifáradási viselkedése javul. Maradó feszültségről akkor beszélünk, ha a darabra semmilyen külső erő, illetve nyomaték nem hat, külső ponthoz viszonyított inercia rendszerben egyensúlyban van, ám a darab belsejében különböző helyeken különböző nagyságú és irányú, de egymással egyensúlyt tartó feszültségek hatnak [9]. A vasalási folyamat során kialakuló feszültségviszonyokat, illetve képlékeny alakváltozási zónákat mutatjuk be a 2. ábrán. KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK A vizsgálat tárgya A vasalandó munkadarab minősége és keménysége széles tartományban változhat, jelen kísérlethez gyengén ötvözött alumíniumot választottunk, ipari gyakorlatban elterjedt használata miatt [10], [11], [12], [13], köszönhetően alacsony sűrűségének, illetve jó mechanikai tulajdonságainak.

3 2. ábra A maradó feszültség változása [10] Elvégeztük 3 ponton a tengelyszerű próbatest anyagösszetételének vizsgálatát Apollo X típusú pásztázó elektronmikroszkóppal, ennek átlagolt eredményeit foglalja össze az 1. táblázat. 1. táblázat Az alumínium ötvözet összetételének vizsgálata Elemek Al Si Fe Cu Bi Pb Tömegszázalékok átlagértéke (wt. %) 92,11 0,19 0,84 5,65 0,46 0,74 Vasalási paraméterek A kísérleteket a Miskolci Egyetem Gyártástudományi Intézetében lévő CNC esztergagépen (OPTIMUM OPTIturnL-Series 440) végeztük el PCD anyagú szférikusra csiszolt (r = 3,5 mm) vasalószerszámmal, kis mennyiségű (kézi adagolású) kenőolaj alkalmazása mellett (ν = 70 mm2 s). A folyamat közbeni állapotot szemlélteti a 3. ábra. A Taguchi-féle teljes faktoriális kísérletterv mátrixa látható az alábbi táblázatban, mely tartalmazza az előkísérletek alapján beállított vasalási paramétereket mind a természetes dimenzióban és dimenziótlan mértékben is. Vizsgálataink során a maradó feszültség változásának szemléletesebbé tételéhez létrehoztunk egy dimenzió nélküli viszonyszámot, melyet az alábbi képlet alapján számítottunk ki: ahol: ρ σ = σ v σ k σ v 100, % (1)

4 ρσ σk σv A maradó feszültség (σ) javulási száma, egy dimenziótlan viszonyszám, jellemzi a megmunkálás hatására bekövetkező maradó feszültség változását Köszörülés utáni maradó feszültség Vasalás utáni maradó feszültség Minél nagyobb ρσ értéke, annál nagyobb mértékű javulás tapasztalható a vasalás következtében. 3. ábra Vasalási művelet OPTIMUM OPTIturn CNC esztergagépen 2. táblázat Alkalmazott vasalási paraméterek Próbadarab Vasalási paraméterek Transzformált paraméterek jele F v f v v x [N] [mm/ford] [m/min] 1 x x , , , , , , , , A maradó feszültség mérése A feszültségi állapot mérésének négy elterjedt módja van: a furatfúró módszer, mágneses mező módszer, ultrahangos mérés, valamint az általunk alkalmazott röntgendiffrakciós módszer [15]. A makroszkópikus maradó feszültség az anyagban a rácspontokban elhelyezkedő atomtörzsek egyensúlyi helyzetből való kitérését eredményezi.

5 Kristálytani megközelítésben ez azt jelenti, hogy változik a darab rácsparamétere. Mivel az anyagban a maradó rácsfeszültség hatására a rácsíkok távolsága megváltozik, ezen távolságok megváltozásának mérésével visszaszámolható a feszültség értéke. Megjegyezzük, hogy a maradó feszültség a kisebb szilárdságú anyagokban nehezebben hozható létre, kisebb mértékű tulajdonságváltozásokat okoz és könnyebben relaxál [14]. Tehát a maradó feszültség meghatározásakor a mérésnél alkalmazott röntgensugárzás hullámhosszának ismeretében az adott dhklrácssíktávolság-változás (4.a. ábra) okozta ún. Bragg-szög eltolódását mérjük, felhasználva az alábbi összefüggést, melyet a szakirodalom Bragg-egyenletnek nevez [16]. nλ = 2d hkl sin Θ, (2) ahol: n: egész szám λ: a röntgensugárzás hullámhossza dhkl: adott hkl Miller indexű síkok rácssík-távolsága Θ: a diffrakció szöge Az ismertetett módszerelvi alapját, illetve a gyakorlatban történő alkalmazását szemléltetik az alábbi ábrák, ez utóbbi StresstechXstress 3000 G3R típusú röntgendiffrakciós mérőberendezésen történt. A mérőgép nagy előnye, hogy roncsolásmentes vizsgálatot valósít meg. a) b) 4. ábra A röntgendiffrakciós módszer a) elvi alapja, b) és megvalósítása EREDMÉNYEK ÉS KIÉRTÉKELÉSÜK

6 A mérést kétféle módon, tangenciális és axiális irányban is elvégeztük. Ezeket az eredményeket, illetve a belőlük az (1) formulával képzett javulási viszonyszámokat foglalja össze a 2. táblázat. 2. táblázat A mért feszültségértékek és a számított viszonyszámok Szelvény σ t [MPa] jele ρ σ a [MPa] σt [%] E V E V ρ σa[%] 1-97,23 124,14-163,3 96, ,6 126,19-105,875 94, ,47-209, ,21-6, ,5 97, , ,85-207,95 97, ,35 115,82-191,625 96, ,8 168,59-82, , ,25-200, ,58 10, , , , ,82-241, ,34 A számított paraméterekből a faktoriális kísérlettervezés módszerének alkalmazásával empirikus képleteket alkottunk (3), (4). A számításokat és az eredmények szemléltetésére szolgáló axonometrikus ábrákat (5-6. ábra) MathCAD 16.0 program segítségével készítettük el. 5. ábra A tangenciális irányban mért maradófeszültségi viszonyszám változása ρ σt = 203,2125 6,21 F v 2, f 5,116 v v + 1, F v f + 0,42 F v v v + 1, f v v 81,867 F v f v v (3)

7 6. ábra Az axiális irányban mért maradófeszültségi viszonyszám változása ρ σa = 121, ,458 F v 5, f 1,533 v v + 469,135 F v f + 0,147 F v v v + 377,838 f v v 28,19 F v f v v (4) ÖSSZEGZÉS Az elvégzett kísérletek kiértékelt eredményeinek megfelelően az alábbi megállapítások tehetők: A tangenciális irányban, tehát a megmunkálás irányával párhuzamosan kedvezőbb nyomó maradó feszültségállapot alakul ki a vasalási eljárás következtében, a maradó feszültség viszonyszám változás maximális értéke ρ σt = 168,59%, de axiális irányban is jelentős mértékű nyomó maradó feszültség keletkezik, s a maradó feszültség viszonyszám változás maximális értéke ρ σa = 112,69%. A vizsgált paraméterek közül egyértelműen megállapítható, hogy a vasalási sebesség hatása a domináns, erős kölcsönhatást mutat a vasalási erővel, e két paraméter együttes növelésével érhetők el a legnagyobb értékű javulási viszonyszámok. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS "A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP jelű Fiatalodó és Megújuló Egyetem Innovatív Tudásváros a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése projekt részeként a Széchenyi 2020 keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg". A maradófeszültség mérésének megvalósításában való közreműködésükért köszönet illeti a Miskolci Egyetem Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetét.

8 IRODALOMJEGYZÉK [1] MERTINGER, V., SÓLYOM, J., BENKE, M.: MonoCap optika alkalmazása röntgen diffrakciós vizsgálatoknál, Anyagvizsgálók Lapja, 2012/1, pp.: 60-64, ISSN: [2] JANCZEWSKI,L., TOBOLA, D., BROSTOW,W.,CZECHOWSKI,K., LOBLAND, H., KOT, M., ZAGÓRSKI, K.:Effects of ball burnishing on surface properties of low density polyethylene. Tribology International 93 (2016), pp.:36-42 [3] ZHANG, T., BUGTAI, N., MARINESCU, I.: Burnishing of aerospace alloy: A theoreticalexperimental approach, Journal of Manufacturing Systems, 37 (2015), pp.: [4] VARGA, GY., FERENCSIK, V.: Examination of shape correctness of diamond burnished component surfaces, XXX. Multi Science microcad (2016), pp.:1-8, Sign: D1_6, ISBN: [5] LUCA, L., NEAGU-VENTZEL, S., MARINESCU, I., Effects of working parameters on surface finishing ball-burnishing of hardened steels. Precision Engineering (Elsevier) 29 (2005) pp.: DOI: /j.precisioneng [6] EL-TAWEEL, T.A., EL-AXIR, M.H.: Analysis and optimization of the ball burnishing process through the Taguchi technique, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2009) 41: pp , DOI /s [7] VARGA, G.: Effects of Technological Parameters on the Surface Texture of Burnished Surfaces, Key Engineering Materials, Volume 581: (2014) Precision Machining VII, pp.: , 2014, ISSN , DOI: / [8] BANH, Q.-N., SHIOU, F.-J.: Determination of optimal small ball-burnishing parameters for both surface roughness and superficial hardness improvement of STAVAX, Arab J Sci Eng. (2016)41, DOI /s , pp.: [9] MERTINGER, V., SÓLYOM, J., CSEH, D.: Maradó feszültség vizsgálata röntgendiffrakcióval, TÁMOP B-10/2/KONV , pp.: 3-39 [10] AKKURT, A.: Comparison of roller burnishing and other methods of finishing treatment of the surface of openings in parts from tool steel D3 for cold forming,metal Science and Heat Treatment, Vol. 53, Nos. 3 4, July, 2011 (Russian Original Nos. 3 4, March April, 2011), pp.: [11] STALIN JOHN, M. R., SURESH, P., RAGURAMAN, D., VINAYAGAM, B. K.: Surface characteristics of low plasticity burnishing for different materials using lathe. Arab J SciEng. (2014) 39, pp.: [12] MAJZOOBI, G. H., ZARE JOUNEGHANI, F., KHADEMI, E.: Experimental and numerical studies on the effect of deep rolling on bending fretting fatigue resistance of AL7075, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2015): pp , DOI /s Z [13] YU, X, WANG, L.: Effects of various parameters on the surface roughness of an aluminium alloy burnished with a spherical surfaced polycrystalline diamond, International Journal of Machine Tools&Manufacture 39 (1999) pp.: [14] LUCA, L., NEAGU-VENTZEL, S., MARINESCU, I., Effects of working parameters on surface finishing ball-burnishing of hardened steels. Precision Engineering (Elsevier) 29 (2005) pp.: , DOI /j.precisioneng [15] LEE, D.-W., CHO, S.-S.: Comparison of X-ray residual stress measurements for rolled steels, (2010), International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 12, No. 6, DOI: /s , pp.: [16] ZIRIGH, N., MERTINGER, V., BENKE, M., CSEH, D.: Maradó feszültség mérése sínfej felületén röntgendiffrakciós módszerrel, Anyagmérnöki Tudományok, 38/1. (2013), pp.: