Artykuł naukowy

mgr inż. Ireneusz Zagórski [email protected]
Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji,
ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin
Metody pomiaru temperatury w strefie skrawania przy frezowaniu stopów Mg
Streszczenie: Praca przedstawia przegląd literatury z zakresu pomiarów temperatury podczas
skrawania stopów Mg. Podano metody doświadczalne wyznaczania temperatury w strefie
skrawania. Dodatkowo omówiono celowość stosowania różnych metod pomiaru temperatury
oraz znaczenie temperatury w strefie skrawania.
Słowa kluczowe: stopy Mg, elementy lotnicze, skrawalność, temperatura w strefie skrawania
1. Wstęp
Głównym problemem przy obróbce stopów magnezu jest ryzyko zapłonu, a następnie pożaru
wiórów magnezowych, podczas obróbki na sucho. Występuje więc, niebezpieczeństwo
uszkodzenia elementów obrabiarki. Małe wióry i drobny pył powstających podczas skrawania
są wysoce łatwopalne i stanowią poważne zagrożenie pożarowe. Dlatego analiza temperatury
jest krytycznym zagadnieniem podczas obróbki na sucho stopów magnezu [3, 14]. Ponadto
temperatura w strefie skrawania ma wpływ m.in. na rozszerzalność cieplną elementów
obrabianych, czyli dokładność wykonania oraz odkształcenia w układzie OUPN. Analiza
metod pomiaru temperatury w strefie skrawania ma więc istotne znaczenie, dla prowadzenia
bezpiecznej a jednocześnie wydajnej obróbki tych stopów.
2. Dotychczasowa analiza zagadnienia (analiza literatury)
Z praktyki przemysłowej wiadomo, że określenie skrawalności materiału jest zadaniem
bardzo złożonym, uwzględniającym wzajemne powiązania wielu czynników: właściwości
materiału obrabianego, charakter procesu obróbki oraz sposób jego realizacji, właściwości
materiału narzędziowego, parametry skrawania, wpływ cieczy obróbkowych, stan techniczny
i właściwości dynamiczne (sztywność) obrabiarki [4, 15].
Skrawalność rozumiana jest, jako podatność danego materiału na obróbkę skrawaniem,
i oceniana jest za pomocą wskaźników skrawalności. Analizując skrawalność w oparciu
o takie wskaźniki jak chropowatość powierzchni, siły skrawania, kształt wiórów mówimy
wtedy o tzw. użytkowych wskaźnikach skrawalności. Do tzw. fizycznych wskaźników
skrawalności zalicza się m.in.: temperaturę skrawania.
Celem pracy [1] była analiza metod obróbki stopów oraz ocena podatności na zapłon wiórów
w funkcji składu chemicznego stopów oraz parametrów technologicznych obróbki. Podano
wady następujących metod obróbki stopów magnezu: skrawania na sucho, skrawania na
1
mokro z użyciem cieczy smarująco-chłodzących mieszalnych z wodą (emulsji) oraz
niemieszalnych z wodą (olejów). Formy zapłonu wiórów sklasyfikowano jako iskry, flary
(race), ciągłe rozbłyski w zależności od prędkości skrawania, głębokości skrawania oraz
składu stopu Mg.
Praca [2] przedstawia rodzaje wiórów przy obróbce toczeniem. Parametry skrawania dobrano
eksperymentalnie w celu wytworzenia wiórów rurowych spiralnych. Zastosowana technika
"skórowania" stosowana jest przy obróbce wykończeniowej toczeniem stopów Mg. W pracy
zastosowano
parametry:
vc=(100÷400)m/min,
ap=(0,03÷0,2)mm,
f=(0,1÷0,6)mm/obr.
Obróbkę prowadzono bez cieczy chłodzącej. Średnica przedmiotu obrabianego wynosiła
d=(130÷150)mm. Zastosowano narzędzie z płytką z węglika wolframu K10. Narzędzie
zamocowano w specjalnej oprawce obrotowej. W pracy podano również mechanizm
tworzenia się wiórów rurowych. Powstawaniu w/w wiórów sprzyjają: wzrost kąta nachylenia
ostrza względem przedmiotu obrabianego, wzrost posuwu oraz zmniejszanie głębokości
skrawania.
Praca [3] podaje wyniki dotyczące temperatury podczas frezowania stopu magnezu AZ91
narzędziem węglikowym o średnicy d=10mm. W badaniach zastosowano termopary typu k.
Maksymalna wartość zmierzonej temperatury wyniosła 302ºC, przy prędkości skrawania
vc=816m/min, więc jest to temperatura zdecydowanie niższa od temperatury topnienia stopów
magnezu. Do obserwacji nadtopień (przypaleń) użyto skaningowej mikroskopii elektronowej
SEM. Nie znaleziono nadtopień na obserwowanych wiórach ze stopu magnezu AZ91.
W pracy podano również sposób montażu termopary w przedmiocie obrabianym, gdyż jest on
szczególnie istotny ze względu na możliwość generowania błędów pomiaru.
W pracy [6] zamieszczono wyniki pomiarów temperatury wióra wykonano podczas toczenia,
za pomocą wbudowanej termopary w narzędzie skrawające. Skrawano stal AISI 1117,
a pomiar temperatury wykonano przy użyciu termopary typu k. Przy wyborze parametrów
skrawania, wykorzystano wartości zalecane określone w ISO 3685. W celu zlokalizowania
termopary umieszczonej w narzędziu skrawającym, wykorzystano kamerę termowizyjną
FLIR Systems Therma Cam. Wyniki badań wykazały, że zwiększenie prędkości skrawania,
posuwu oraz głębokość skrawania spowodowało wzrost temperatury na tzw. "tylnej"
powierzchni wióra. Jednak prędkość skrawania miała największy wpływ na temperaturę.
2
Rys. 1. Widok z kamery termowizyjnej podczas skrawania stali AISI 1117 [6]
W pracach [7, 8] Autor przedstawia przegląd literatury dotyczącej właściwości stopów
magnezu, ich zastosowania oraz skrawania wzmocnionych oraz niewzmocnionych stopów
Mg. Ponadto praca podejmuje problem tzw. "bezpiecznych technik" skrawania stopów Mg,
z uwzględnieniem obróbki z zastosowaniem emulsji mieszalnych oraz nie-mieszalnych
z wodą,
jak
i
skrawania
z
zastosowaniem
tzw.
mgły olejowej
(skrawanie
ze
zminimalizowanym smarowaniem). Autor analizuje także rozwój sposobów wytwarzania
półwyrobów
magnezowych,
doskonalenie
kształtowania
ubytkowego
wyrobów
magnezowych oraz kierunki zwiększania zakresu stosowania stopów magnezu.
Praca [9] przedstawia m.in. metody kształtowania stopów magnezu. Autorzy opisują ponadto
skrawalność stopów magnezu, warunki realizacji procesów obróbkowych i zjawiska im
towarzyszące, sposoby kształtowania ubytkowego, chłodzenie i smarowanie strefy styku,
specyfikę budowy obrabiarek i warunki bezpieczeństwa pracy oraz gospodarkę wiórami
i odpadami.
W pracy [10] przedstawiono wyniki pomiarów temperatury podczas toczenia stopu
aluminium 6082-T6. Termopary typu k umieszczono wewnątrz przedmiotu obrabianego
(tulei). Ponadto, w celach porównawczych wykonano pomiary temperatury przy pomocy
kamery termowizyjnej PM380E. Dodatkowo rejestrowano siły skrawania. Do pomiarów sił
użyto siłomierza Kistler 9272 oraz wzmacniacza sygnału (typ 5019A). Jako narzędzie
zastosowano nóż składany Sandvik z ostrzem węglikowym TNMG 16 04 08-23.
Zaobserwowano, że w miarę wzrostu prędkości skrawania następował spadek sił oraz
temperatury skrawania, natomiast zużycie narzędzia spowodowało wzrost obserwowanych
parametrów.
Wyniki badań w pracach [11, 12] dotyczą toczenia, wiercenia i nagniatania wzmocnionych
oraz niewzmocnionych stopów magnezu. W pracach tych analizowano: jakość powierzchni
3
obrobionej, siły skrawania, mikrostrukturę po obróbce, mechanizm formowania wióra, ryzyko
zapłonu wiórów, mikrotwardość, zużycie (przy skrawaniu wzmocnionych stopów Mg
cząstkami SiC), naprężenia własne. Według [11] ryzyko zapłonu wiórów wynika z adhezji,
zmiany sił oraz tarcia przy długości drogi skrawania l≥350m oraz v c=900m/min, charakteru
wiórów (niebezpieczne są krótkie łamliwe wióry), oraz niskiej przewodności cieplnej
skrawanego materiału (λ=80W/mK). Ponadto w pracy [11] zamieszczono zdjęcia obrazujące
formowanie wióra dla stopu AZ31B oraz AZ91D podczas próby toczenia.
W pracy [17] przedstawiono warunki zapłonu stopu magnezu AM50A w zależności od
parametrów skrawania. Zbadano związek pomiędzy warunkami zapłonu a morfologią
(postacią i budową) wióra. Morfologię wiórów w skali makro obserwowano przy pomocy
mikroskopu optycznego, natomiast mikro-strukturę badano przy pomocy skaningowego
mikroskopu elektronowego (SEM). W badaniach użyto frezu składanego o średnicy d=80mm.
Zastosowano
następujące
parametry
technologiczne
obróbki:
vc=(251÷1507)m/min,
vf=(100÷1000)mm/min, ap=(1÷1000)μm. Podczas frezowania stopu Mg obserwowano: iskry,
flary (race) oraz ciągłe rozbłyski.
3. Metody badań własnych
W badaniach własnych realizowanych w ramach projektu Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00
stosowano narzędzia obróbkowe (frezy o średnicy d=16mm): frez węglikowy z powłoką
TiAlN, frez z ostrzem PKD oraz frez węglikowy z geometria typu Kordell.
Obróbkę można prowadzić na pionowym centrum obróbkowym Avia VMC800HS,
pozwalającym na osiągnięcie wysokiej prędkości obrotowej wrzeciona (n=24000 obr./min),
a więc prędkości skrawania do vc=1200m/min.
Zmiany temperatury w strefie skrawania, można analizować przy pomocy:
- termopar obcych, mocowanych w przedmiocie obrabianym (termopary typu „k”),
- pirometru optycznego typu OPTCTLCF3LT,
- kamery termowizyjnej Flir.
3.1 Termopary obce
Przy pomocy termopar obcych (mocowanych zarówno w narzędziu skrawającym jak
i przedmiocie obrabianym) możemy mierzyć odpowiednio temperaturę powierzchni
przyłożenia/natarcia narzędzia bądź temperaturę generowaną w przedmiocie obrabianym.
W przypadku termopar mocowanych w narzędziu, mierzona temperatura definiowana jest
często, jako średnia temperatura powierzchni przyłożenia narzędzia w momencie styku
narzędzia z termoparą, tj. w chwili zniszczenia termopary obcej. Charakterystyki
4
termometryczne oraz tolerancje wykonania termopar podano w normie PN-EN 60584-1:1997
oraz PN-EN 60584-2:1997. Sposób montażu termopary obcej przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Sposób zamontowania w przedmiocie obrabianym termopary obcej typu k
3.2 Pirometria optyczna
Pirometry są urządzeniami pomiarowymi służącymi do pomiaru temperatury m.in. na
powierzchni przedmiotu obrabianego. Istotne jest zachowanie tzw. stałej ogniskowej dla
zadanego rodzaju optyki danego modelu pirometru. Współczynnik emisyjności, dla zakresu
spektralnego (8...14)µm zgodnie z [18] zawiera się w granicach 0,02÷0,1. Przykładową
charakterystykę optyczną głowicy pomiarowej podano na rys. 3.
Rys. 3. Optyka CF3 pirometru z zaznaczoną tzw. odległością ogniskowej [18]
Czujniki zastosowane w pirometrach z serii CTlaser są bezkontaktowymi sensorami
temperatury. Wyznaczają temperaturę powierzchni w oparciu o ilość energii promieniowania
podczerwonego emitowanego przez obiekt. Zintegrowany podwójny laser wyznacza
precyzyjnie obszar pomiaru z każdej odległości od obiektu [18].
5
3.3 Termografia komputerowa
Podczas procesu frezowania rozkład temperatur, ich wartości maksymalne oraz dynamiczne
temperatury zmiany możemy rejestrować przy pomocy kamery termowizyjnej FLIR.
W pomiarach można wykorzystać metodę Selekcji Presetów (Preset Sequencing).
Zastosowanie Presetów powoduje jednak zmniejszenie częstotliwości wykonywanych zdjęć.
Jest to spowodowane sposobem pracy kamery, która musi wykonać cztery klatki w celu
uzyskania jednej o rozszerzonym zakresie pomiarowym [16].
Podczas pomiarów temperatury za pomocą kamery bardzo ważne jest (podobnie jak w
przypadku pirometrii optycznej) ustalenie emisyjności źródła. Wielkość obrabianej próbki
stanowi niewielką część obszaru widzialnego przez kamerę. Trudno zatem, jednoznacznie
określić emisyjność celu, gdyż składa się on z wielu komponentów.
W kalkulatorze emisyjności określano temperaturę celu oraz średnią temperaturę w polu
widzenia w celu wyznaczenia emisyjności na poziomie 0,92. Aby uzyskać rzeczywiste
temperatury występujące w procesie skrawania uwzględniono średnią emisyjność magnezu,
która dla temperatury 260°C wynosiła 0,13 [13, 16].
Podczas analizy temperatur brano pod uwagę cały obszar strefy skrawania i wyznaczaną
temperaturę maksymalną pojawiającą się w tym obszarze we wszystkich klatkach
zapisywanej sekwencji danych[16]. Sposób wyznaczania emisyjności oraz temperatury strefy
skrawania przedstawia rys. 4.
Rys. 4. Obraz zarejestrowny przy użyciu kamery termowizyjnej [16]
6
Aby wykonać rzetelną ocenę generowanej temperatury w strefie skrawania należy generować
raporty dla każdego testu i na tej podstawie określić wartość generowanej temperatury
w procesie skrawania [16].
4. Podsumowanie oraz wnioski
Ciepło wytwarzane w procesie skrawania nie powstaje równomiernie w całej masie
odkształconej warstwy wierzchniej. Wskutek tego temperatury w różnych punktach wióra,
materiału obrabianego i ostrza różnią się od siebie bardzo znacznie. Od rozkładu temperatury
zależy w sposób decydujący cały proces skrawania, a więc znajomość wysokości i rozkładu
temperatury ma zasadnicze znaczenie [5, 15], zwłaszcza, jeśli chodzi o niebezpieczeństwo
zapłonu, a zatem bezpieczeństwo obróbki stopów magnezu.
Podane metody umożliwiają różnorodne pomiary temperatury w strefie skrawania.
Termopary obce umożliwiają pomiar średniej temperatury powierzchni przyłożenia narzędzia,
która jest niewiele niższa od temperatury skrawania. Pirometry umożliwiają pomiar
temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego. Kamery termowizyjne pozwalają na
oszacowanie temperatury wióra. W przypadku obróbki stopów magnezu, bezpieczeństwo
obróbki definiuje temperatura wiórów, dlatego najlepszą technika pomiarową wydaje się być
technika pomiarów przy pomocy kamery termowizyjnej.
LITERATURA
[1] Akyuz B.: Machinability of Mg and its alloys, The Online Journal of Science and
Technology, July 2011, Volume 1, Issue 3, pp. 31-38
[2] Arai M., Sato S., Ogawa M., Shikata H.I.: Chip Control in Finish Cutting of Magnesium
Alloy, Journal of Materials Processing Technology 62, pp. 341–344, 1996
[3] Fang F. Z., Lee L.C., Liu X.D.: Mean Flank Temperature Measurement in High Speed
Dry Cutting, Journal of Materials Processing Technology, 167 (2005), pp. 119–123
[4] Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, WNT, Warszawa 2010
[5] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej, WNT Warszawa 1971
[6] Korkut I., Boy M., Karacan I., Seker U.: Investigation of chip-back temperature during
machining depending on cutting parameters, Materials and Design, 28 (2007), pp. 2329–2335
[7] Oczoś K.E.: Efektywne skrawanie stopów magnezu, Mechanik, 7/2000, s.467 – 474
[8] Oczoś K.E.: Rozszerzenie granic stosowalności stopów magnezu, Mechanik,
5-6/2009, s.386 – 400
[9] Oczoś K.E., Kawalec A.: Kształtowanie metali lekkich, PWN, Warszawa 2012
7
[10] O’Sullivan D., Cotterell M.: Temperature measurement in single point turning, Journal of
Materials Processing Technology 118 (2001) pp.301-308
[11] Tönshoff H.K., Denkena B., Winkler J., Podolsky Ch.: Technology of Mg and Mg
alloys: Machining, s. 398-418 Editored by Friedrich H.E. and Mordike B.L., Springer 2006,
pp. 398-418
[12] Tönshoff H.K., Winkler J.: The influence of tool coatings in machining of magnesium,
Surface and Coatings Technology 94-95, 1997, pp. 610-616
[13] Wolfe W.L.: Handbook of Military Infrared Technology, Office of Naval Research,
Department of Navy, Washington, D.C.
[14] Zagórski I.: Analiza celowości stosowania różnych metod pomiaru temperatury podczas
skrawania stopów Mg, Raport 2010 w ramach projektu POIG.01.01.02-00-015/08-00
w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka
[15] Zagórski I.: Znaczenie temperatury w strefie skrawania w aspekcie bezpiecznej obróbki
stopów Mg, Raport 2010 w ramach projektu POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie
Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka
[16] Zgórniak P., Grdulska A., Zagórski I.: Sprawozdanie z badań procesu skrawania stopów
magnezu,
badania
w
ramach
projektu
POIG.01.01.02-00-015/08-00
w
Programie
Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka
[17] Zhao N., Hou J., Zhu S.: Chip ignition in research on high-speed face milling AM50A
magnesium alloy, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5987127
[18] http://www.test-therm.com.pl/, z dnia 3.03.2010r.
Praca realizowana w ramach projektu Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna
Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu
Rozwoju Regionalnego.
8