2
3
4
5
Rezultati
47 Preglednica 4.14: Diagrami 2D profila površine pravokotno na pot noža (2/2)
6
7
8
9
Razlika med višino vrhov in vdolbin na površini je po obdelavi znašala od 1 μm pri nizkih rezalnih hitrostih, do 10 μm pri visokih rezalnih hitrostih (glej preglednico diagramov 2D profila površine vzporedno s potjo noža). Manjša razlika v višini pri nižjih hitrostih je verjetno posledica tega, da je orodje večkrat zanihalo na krajši razdalji in v efektu razbilo vrhove na površini. Z drugimi besedami, zaradi velike gostote lamel na površini prihaja do prekrivanja lamel, s čimer so vmesni vrhovi izničeni.
Rezultati
48
Pri vseh profilih pravokotno na pot noža lahko razločimo prehod med neobdelano in obdelano površino na vzorcu (z leve proti desni). Ta je razviden kot lokalni vrh, ki mu sledi globoka vdolbina na površini, približno na polovici diagrama profila, kot je prikazano na sliki 4.7. Tu je nož ob koncu obdelave zapustil površino vzorca.
Slika 4.7: Prehod med neobdelano in obdelano površino
4.2.2 3D površinski parametri
Preglednica 4.15 podaja 3D površinske parametre Sa in S10z za obdelano območje površine vseh obdelovancev.
Preglednica 4.15: 3D površinski parametri Sa in S10z
Vzorec Sa [µm] Saavg [µm] S10z [µm] S10z avg [µm]
Razvidno je, da lahko z ultrazvočno obdelavo pri višjih rezalnih hitrostih presežemo vrednost Sa, ki je bila pridobljena z lepanjem, vrednosti S10z pa se v povprečju močno približamo, v posameznih primerih pa celo presežemo (vzorec 9).
Rezultati
49 Izmerjena je bila tudi realna površina vzorcev po obdelavi, kot je bilo opisano v podpoglavju 3.2.2.3. Ta je podana v naslednji preglednici.
Preglednica 4.16: Delež povečanja realne površine vzorcev po obdelavi
Vzorec A2 [mm2] A2 avg
*Delež povečanja predstavlja odstotno povečanje realne površine glede na površino 22,8 mm2 – glej poglavje 3.2.2.3.
Opazimo pozitivno odvisnost med rezalno hitrostjo ultrazvočnega struženja in realno izmerjeno površino na vzorcih, vendar je vzorec analize premajhen, da bi lahko sklepali o točni povezavi med izbranimi parametri. Razvidno je tudi, da lahko z ultrazvočno obdelavo dosežemo večjo realno površino, kot z lepanjem. To velja pri vseh rezalnih hitrostih, pri katerih smo opravili preizkus.
Preglednice od 4.17 do 4.19 podajajo slike 3D modelov izsekov površine velikosti 6 × 3,8 mm vzorcev po obdelavi. Modeli so bili izdelani s pomočjo 3D podatkov pridobljenih s profilometrom Alicona. Vsi modeli so v vertikalni smeri povečani za faktor 5, s čimer je nazornost lastnosti površine izboljšana. Za vsak vzorec je podan nevtralno obarvan/senčen model in model z obarvanjem normal površine (rdeče). Na sliki vzorca 1 je z rdečo puščico označena pot stružnega noža, ki velja tudi za vse ostale slike v tabeli.
Rezultati
50
Preglednica 4.17: 3D modeli površine vzorcev po obdelavi, izseki velikosti 6 × 3,8 mm (1/3) 1
2
3
Rezultati
51 Preglednica 4.18: 3D modeli površine vzorcev po obdelavi, izseki velikosti 6 × 3,8 mm (2/3)
4
5
6
Rezultati
52
Preglednica 4.19: 3D modeli površine vzorcev po obdelavi, izseki velikosti 6 × 3,8 mm (3/3) 7
8
9
Rezultati
53 Z namenom boljše razvidnosti površinskih karakteristik je na sliki 4.8 prikazan povečan 3D model topografije obdelovanca pri rezalni hitrosti Vc = 300 mm/s:
Slika 4.8: Primer 3D modela površine obdelovanca –
v
c = 300 mm/s, f = 30 kHzRezultati
54
55
5 Diskusija
V poglavju 4.1 'Analiza površine - mikroskop' so bile podane slike vseh vzorcev po obdelavi, z vidnimi deli površine pred obdelavo. Zelo dobro so razvidne periodične vdolbine in vrhovi na površini v velikostnem rangu 10 - 100 μm, ki so posledica uporabe ultrazvočnega nihanja orodja med struženjem. To potrjuje dobra korelacija teoretičnega izračuna karakteristične valovne dolžine vdolbin in eksperimentalno pridobljenih rezultatov. Povprečno odstopanje teh je v primerih z rezalno hitrostjo vc=50 m/min znašalo +2,7%, vc=150 -0,3% in vc=300 -0,6%. Korelacija med karakteristično valovno dolžino in rezalno hitrostjo je po pričakovanjih linearna. Če bi aplikacija tehnologije zahtevala izdelavo površinskih lamel oz.
vdolbin z razmerjem stranic 1:1 bi po izračunih pri dani frekvenci ultrazvoka 30 kHz potrebovali rezalno hitrost prib. 184 m/s. To je bilo eksperimentalno preverjeno s potrditvenim testom, ki je izražal odstopanje le -3%. Na mikroskopskih slikah je dobro razviden tudi vpliv rezalne hitrosti – večje dimenzije vdolbin (daljša specifična valovna dolžina) pri večjih rezalnih hitrostih. Za primerjavo je bila podana tudi mikroskopska slika obdelovanca s struženo površino brez uporabe ultrazvoka, na katerem vdolbine niso vidne, razen posamezni primeri napak v površini (iztrgana zrna iz površine).
S pomočjo profilometra so bile izmerjene vrednosti Ra, Rq in Rz na površini vzorcev vzporedno s potjo rezalnega noža. Iz diagrama na sliki 5.1 je razvidna linearna odvisnost med vsemi tremi parametri in rezalno hitrostjo (višja rezalna hitrost da višje vrednosti Ra, Rq in Rz). Podobno odvisnost opazimo tudi med parametri Sa, S10z in rezalno hitrostjo.
Pokazali smo, da lahko z uporabo ultrazvoka dosežemo vrednosti parametrov Sa in S10z, ki so primerljive, ali celo boljše kot pri lepani površini, kadar je cilj višja hrapavost.
Z vidika kvalitete oprijema kovinskega nanosa na vzorce je bil analiziran tudi vpliv ultrazvočnega struženja na realno 'aktivno' površino vzorca. Površina je bila primerjana glede na enotni pravokotnik velikosti 6×3,8 mm (22,8 mm2). Z večanjem rezalne hitrosti je bila izmerjena večja realna površina, ki je bila v našem primeru tudi največja pri najvišji rezalni hitrosti (1,98% povečanje). To je posledica valovitosti zaradi ultrazvočne obdelave in je pogojena z globino, širino, in specifično valovno dolžino vdolbin. Razvidno je, da lahko ultrazvočna obdelava med struženjem popolnoma nadomesti potrebo po lepanju površine, kadar je cilj doseči večjo realno površino. Opazimo da je razlika realne površine med vzorci pri rezalni hitrosti 50 in 150 m/min veliko večja, kot med vzorci pri rezalni hitrosti 150 in 300 m/min. Pri nižjih rezalnih hitrostih je gostota vdolbin na enoto površine zelo visoka, kar pa z vidika realne površine ni optimalno, saj prihaja do prekrivanja lamel. Pri zelo visokih
Diskusija
56
rezalnih hitrostih pa so vdolbine razpotegnjene vzdolž poti noža, s čimer postaja vpliv na realno površino vedno manjši. Optimizacija z namenom maksimiranja realne površine bi tako zahtevala optimalno rezalno hitrost pri danih pogojih ultrazvočnega struženja.
Slika 5.1: Ra, Rq in Rz vzdolž poti noža v odvisnosti od rezalne hitrosti
S pomočjo 3D modelov obdelane površine vzorcev je bilo možno nazorno prikazati kvalitativne topološke lastnosti površine. Topografija površine na modelu je bila v smeri pravokotno na površino povečana 5×, s čimer je relief poudarjen.
Razvidna je homogenost in kontinuiteta lamel vzporedno s potjo noža. Opazimo pa tudi dva nezaželena atributa:
- Fazno skladanje lamel na sosednjih poteh noža
- Efekt 'zareze', ki opisuje spiralo poti noža po celotni površini obdelovanca
Fazno skladanje lamel je prikazano na sliki 5.2. Pojavi se v koncentričnih pasovih na struženi površini, ko lamele prehajajo v in padajo iz fazne skladnosti, v odvisnosti od opravljene poti orodja. To lahko razumemo kot višji harmonik frekvence ultrazvočnega generatorja. Ta pojav bi lahko preprečili tako, da bi namesto fiksne frekvence ultrazvoka to naključno spreminjali v določenem obratovalnem pasu (npr. 20 – 40 kHz). To bi bil v efektu šum signala, ki bi lahko neželen pojav delno izničil. Tega žal ni bilo možno eksperimentalno preveriti zaradi omejitev uporabljene opreme.
Efekt zareze je viden kot spirala, ki opisuje celotno pot stružnega noža po površini. Delno bi ga lahko izničili z uporabo različnih podajalnih hitrosti med struženjem. Primer je prikazan na sliki 5.3. S črno črto je označen del spiralne poti orodja.
0.00
Diskusija
57 Slika 5.2: Pojav faznega skladanja lamel (vzorec št. 9)
Slika 5.3: Efekt zareze na površini (vzorec št. 5) Lamele so naključno
razporejene
Lamele so fazno usklajene
Pot orodja
Diskusija
58
59
6 Zaključki
Cilj magistrskega dela je bil raziskati uporabo ultrazvočnega nihanja orodja med procesom struženja z namenom mikro teksturiranja površine obdelovanca. Poudarek je bil predvsem na analizi in vrednotenju topoloških lastnosti površin vzorcev po obdelavi.
1) Zasnovan in realiziran je bil proces ultrazvočnega struženja. Uporabljena je bila CNC stružnica in ultrazvočno orodje. Proces struženja je potekal pri rezalnih hitrostih 50, 150 in 300 m/min, frekvenca ultrazvoka pa je znašala 30 kHz.
2) Vsi vzorci so bili optično analizirani z uporabo mikroskopa pri 100× in 300× povečavi, s čimer je bil razviden pričakovan vpliv ultrazvočnega struženja – pojav periodičnih lamel oz. vdolbin na površini.
3) Na podlagi mikroskopskih slik je bila določena specifična valovna dolžina lamel, ki je pri posamičnih rezalnih hitrostih v povprečju znašala 28,5 μm, 83,11 μm in 165,70 μm.
Ugotovljena je bila parametrična odvisnost dimenzijskega razmerja lamel od rezalne hitrosti. Ta odvisnost je bila nato potrjena z naknadnim testom.
4) Z optičnim profilometrom so bili izmerjeni 2D in 3D površinski parametri vseh vzorcev.
Ugotovljena je bila odvisnost med rezalno hitrostjo in površinskimi parametri pri enaki frekvenci ultrazvočnega nihanja. V kontekstu 3D površinskih parametrov je bilo ugotovljeno, da lahko proces ultrazvočnega struženja nadomesti proces lepanja.
5) Na podlagi 3D modelov površine je bil ugotovljen vpliv ultrazvočnega struženja na realno specifično površino in prikazana sposobnost procesa za nadomestitev lepanja.
6) S pomočjo 3D modelov površine so bile izdelane nazorne slike, ki omogočajo kvalitativno vrednotenje površine. Na podlagi teh slik sta bila ugotovljena mehanizma, ki otežujeta tvorjenje homogene topografije na površini obdelovanca:
a) fazno skladanje lamel b) efekt 'zareze'
Za oba pojava so bile podane možne rešitve, ki bi pripomogle k boljši homogenosti in izotropnosti končne površine.
Zaključki
60
Predlogi za nadaljnje delo
V nadaljevanju bi bilo smiselno raziskati vpliv uporabe različnih geometrij rezalnega orodja na proces ultrazvočnega struženja. Tu imamo v mislih predvsem kot klina in prosti kot.
Skozi potek dela se nismo posvetili vplivu ultrazvočnega struženja na nastanek podpovršinskih napak, ki imajo lahko velik vpliv na integriteto površine.
Z nadaljnjimi raziskavami bi lahko določili optimalne parametre ultrazvočnega struženja za doseganje največje specifične realne površine, z namenom izboljšanja adhezije nanosov.
V nadaljevanju bi bilo smiselno raziskati efektivnost predlaganih rešitev za preprečevanje faznega skladanja lamel in efekta zareze, ter raziskati možnosti alternativnih inhibitorjev neželenih topoloških pojavov na strukturi površine.
61
Literatura
[1] H. Weber, J. Herberger, R. Pilz, “Turning of Machinable Glass Ceramics with an Ultrasonically Vibrated Tool”, CIRP Annals, vol. 33, št. 1, str. 85-87, 1984.
[2] T. Hussain, D. G. McCartney, P. H. Shipway, D. Zhang, “Bonding Mechanisms in Cold Spraying: The Contributions of Metallurgical and Mechanical Components”, J Therm Spray Tech, št. 18, str. 364–379, 2009.
[3] J. Dugar, A. Ikram, F. Pušavec, “Evaluation of Chip Formation Mechanisms in the Turning of Sintered ZnO Electro-Ceramics”, processes, št. 9(8), str. 1422, 2021.
[4] G. Boothroyd, W. A. Knight, Fundamentals of Machining and Machine Tools, Second Edition. University of Rhode Island Kingston, Rhode Island, 1989.
[5] K. Liu, X. P. Li, S. Y. Liang, “The mechanism of ductile chip formation in cutting of brittle materials”, Int J Adv Manuf Technol, št. 33, str. 875–884, 2007.
[6] T. Nakasuji, S. Kodera, S. hara, H. Matsunaga, Mitsubishi Electric Corp.,
Manufacturing Development Lab., Hyogo, N. Ikawa, S. Shimada, Osaka University, Osaka/Japan, “Diamond Turning of Brittle Materials for Optical Components” 1990 [7] A. R. Boccaccini. “Machinability and brittleness of glass-ceramics”, Birmingham
B15 2TT. UK, 1995.
[8] S. Wei, Y. Liu, X. Liu, H. Zhao, “Investigation on edge chipping of Si3N4 ceramics milling surface”, Measurement, št. 133, str. 241-250, 2019.
[9] Y. Pu, Y. Zhao, H. Zhang, G. Zhao, J. Meng, P. Song, “Study on the
three-dimensional topography of the machined surface in laser-assisted machining of Si3N4
ceramics under different material removal modes”, Ceramics International, vol. 46, št. 5, str. 5695-5705, 2020.
[10] D. E. Brehl, T. A. Dow, “Review of vibration-assisted machining”, Precision Engineering, št. 32, str. 153-172, 2007.
[11] Z. Peng, X. Zhang, D. Zhang, “Effect of radial high-speed ultrasonic vibration cutting on machining performance during finish turning of hardened steel”, Ultrasonics, vol. 111, št. 1, 2021.
[12] What is piezoelectric transducer, he-shuai, dostopno na: https://www.he-shuai.com/what-is-piezoelectric-transducer/, [ogled 26. 11. 2021].
Literatura
62
[13] S. Amini, H. N. Hosseinabadi, S.A. Sajjady, “Experimental study on effect of micro textured surfaces generated by ultrasonic vibration assisted face turning on friction and wear performance”, Applied Surface Science, vol. 390, str. 633-648, 2016.
[14] S. Grigoriev, A. Okunkova, A. Sova, P. Bertrand, I. Smuro, “Cold Spraying: From process fundamentals towards advanced application”, Surface & Coatings
Technology, vol. 268, str. 77-84, 2015.
[15] D. R. Askeland, P. P. Fulay, W. J. Wright, The science and engineering of materials, sixth edition. Cengage Learning 2011.
[16] B. Balzer, M. Hagemeister, P. Kocher, L. J. Gauckler, “Mechanical Strength and Microstructure of Zinc Oxide Varistor Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society, vol. 87, št. 10, str. 1932-1938, 2005.
[17] J. Dugar, A. Ikram, F. Pušavec, “Comparative Characterization of Different Cutting Strategies for the Sintered ZnO Electroceramics”, applied sciences, vol. 11, št. 20, str. 9410, 2021.
[18] D. Grossin, A. Montón, P. Navarrete-Segado, E. Özmen, G. Urruth, F. Maury, D.
Maury, C. Frances, M. Tourbin, P. Lenormand, G. Bertrand, “A review of additive manufacturing of ceramics by powder bed selective laser processing (sintering / melting): Calcium phosphate, silicon carbide, zirconia, alumina, and their composites”, Open Ceramics, vol. 5, 2021.
[19] J. Zhang, W. Zheng, J. Wu, K. Yu, C. Ye, Y. Shi, “Effects of particle grading on properties of silica ceramics prepared by selective laser sintering”, Ceramics International, vol. 48, št. 1, str. 1173-1180, 2022.
[20] Indexable turning GARANT, GARANT, dostopno na: https://www.hoffmann-
group.com/GR/el/pangakis/Modular-machining/Indexable-turning-GARANT/DCGW-11T304-FN-PCD-N-GARANT/p/265850-N, [ogled 24. 11. 2021]
[21] Ultrasonic welding manual devices, Mecasonic, dostopno na:
https://www.mecasonic.com/en/produit/manual-devices/, [ogled 24. 11. 2021].