Ultrazvočno mikro teksturiranje keramike pri procesu struženja

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Ultrazvočno mikro teksturiranje keramike pri procesu struženja

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Peter Jaré

Ljubljana, januar 2022

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Ultrazvočno mikro teksturiranje keramike pri procesu struženja

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Peter Jaré

Mentor: prof. dr. Franci Pušavec, univ. dipl. inž.

Ljubljana, januar 2022

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Prof. dr. Franciju Pušavcu se zahvaljujem za nasvete, strokovno vodenje in podporo, brez katere ta naloga ne bi bila mogoča.

Prav tako se zahvaljujem asistentu Jaki Dugarju za vso podporo in tehnično pomoč pri raziskavah skozi potek nastajanja tega dela.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 621.941:666.3:620.1(043.2) Tek. štev.: MAG II/1038

Ultrazvočno mikro teksturiranje keramike pri procesu struženja

Peter Jaré

Ključne besede: struženje

mikro-teksturiranje ultrazvok

keramike odrezovanje površine hrapavost

Razvoj obdelovalnih tehnologij sledi vse pogostejši uporabi keramik. Eden izmed visokotehnoloških materialov je ZnO keramika, ki se uporablja v elektro industriji. Poleg oblikovnih dimenzij, morajo imeti takšni izdelki nadzorovano topografijo obdelane površine za zagotavljanje elektro karakteristik končnega produkta. Običajno je to zagotovljeno s procesom lepanja, ki pa generira slabo dimenzijsko kakovost. Tako je kot alternativa predlagan in analiziran proces struženja s sočasno uporabo ultrazvočne superpozicije rezalnega orodja za oblikovanje makro in mikro topografije površin. V delu je zasnovano eksperimentalno mesto, prikazana izvedba eksperimentov, ter analiza proizvedenih površin.

Iz analize so postavljene korelacije med vhodnimi procesnimi parametri in izhodnimi topografskimi lastnostmi površin. Kot rezultat dela je dokazano izboljšanje kakovosti, robustnosti in fleksibilnosti predlaganega alternativnega procesa.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 621.941:666.3:620.1(043.2) No.: MAG II/1038

Ultrasonic micro texturing of the ceramic surface in turning process

Peter Jaré

Key words: turning

micro-texturing ultrasonics ceramics cutting surface roughness

The development of machining technologies follows the ever-increasing use of ceramics.

An example of such high-tech materials is ZnO ceramic used in the electrical industry. In addition to design dimensions, such products must have a controlled topography of the formed surface to ensure required electrical characteristics of the final product. This is usually ensured by lapping, which, however, generates poor dimensional quality. Thus, as an alternative, a turning process with simultaneous use of ultrasonic superposition of the cutting tool for the design of macro and micro topography of surfaces is proposed and analyzed. In this work an experimental site was set up, the implementation of experiments is shown and produced surfaces are analyzed. From the analysis, correlations are established between the input process parameters and the output topographic properties of the surfaces.

As a result of the work, the quality, robustness and flexibility of the proposed alternative process have been shown to be improved.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Zahvala ... v

Izvleček ... ix

Abstract... xi

Kazalo ... xiii

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 5

2.1 Proces struženja ... 5

2.1.1 Struženje in obdelava keramik ... 7

2.1.2 Struženje z ultrazvokom ... 10

2.2 Osnove analize površin ... 13

2.2.1 2D površinski parametri (profil) ... 13

2.2.2 3D površinski parametri... 14

2.3 Hladno naprševanje kovine ... 14

2.4 Keramike ... 16

2.4.1 Lastnosti keramik ... 16

2.4.2 Sinteza keramičnih izdelkov ... 17

3 Metodologija raziskave ... 19

3.1 Preračuni ... 19

3.1.1 Izračun pričakovane karakteristične valovne dolžine ... 19

3.2 Eksperimentalni del ... 20

3.2.1 Vzorci, materiali in orodja ... 20

3.2.1.1 Obdelovanci ... 21

3.2.1.2 Stružno orodje ... 21

3.2.1.3 CNC obdelovalni center ... 22

(18)

xiv

3.2.1.4 Ultrazvočna naprava ... 22

3.2.2 Metodologija preizkusov ... 24

3.2.2.1 Priprava vzorcev – struženje z ultrazvokom ... 24

3.2.2.2 Optična analiza vzorcev ... 28

3.2.2.3 Realna specifična površina vzorcev... 32

4 Rezultati ... 33

4.1 Analiza površine - mikroskop ... 33

4.1.1 Mikroskopske slike celotnih vzorcev ... 33

4.1.2 Mikroskopske slike lamel vzorcev in določitev dimenzij ... 36

4.1.3 Potrditveni test – izotropija topografije ... 41

4.2 Analiza površine - profilometer ... 42

4.2.1 2D površinski parametri ... 42

4.2.2 3D površinski parametri ... 48

5 Diskusija ... 55

6 Zaključki ... 59

Literatura ... 61

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 1.1: Primerjava topografije stružene in lepane površine keramičnega substrata ... 2

Slika 1.2: Dimenzije in oblika obdelanih ter analiziranih vzorcev ... 3

Slika 2.1: Shematski prikaz procesa struženja ... 6

Slika 2.2: Obstojnost orodja v odvisnosti od rezalne hitrosti [4] ... 6

Slika 2.3: lom površine na robu obdelovanca [8] ... 7

Slika 2.4: Shematski prikaz lasersko podprtega struženja keramike [9] ... 8

Slika 2.5: Vpliv moči laserja na tvorbo odrezka [9] ... 9

Slika 2.6: Vpliv moči laserja na tvorbo napak na površini med struženjem [9] ... 9

Slika 2.7: SEM sliki: (a) 1,5 μm globok mikro kanal brez igel na robovih, (b) 8 μm visoka piramida brez igel na robovih. [10]... 10

Slika 2.8: Vpliv amplitude vibriranja in globine reza na proces struženja [11] ... 11

Slika 2.9: Primeri piezoelektričnih transduktorjev [12] ... 11

Slika 2.10: Primer ultrazvočno teksturirane površine [13] ... 12

Slika 2.11: Primer profila površine... 13

Slika 2.12: Proces hladnega naprševanja ... 15

Slika 2.13: vpliv velikosti zrn na upogibno trdnost SLS materiala [19] ... 17

Slika 3.1: Odvisnost teoretične karakteristične valovne dolžine od rezalne hitrosti pri konstantni frekvenci vibriranja orodja 30 kHz. ... 20

Slika 3.2: Primer vzorca po obdelavi ... 21

Slika 3.3: PCD rezalna ploščica - DCGW 11T304 PCD [20] ... 21

Slika 3.4: Ultrazvočni nož v CNC obdelovalnem centru ... 22

Slika 3.5: Ročna ultrazvočna varilna naprava – Mecasonic Pulse Touch [21]... 22

Slika 3.6: Sonotroda z rezalno ploščico ... 23

Slika 3.7: Shematski prikaz procesa struženja z ultrazvokom ... 24

Slika 3.8: Območje struženja na površini obdelovanca ... 25

Slika 3.9: Določitev razmerja lamele na obdelani površini ... 27

Slika 3.10: Optični mikroskop Keyence VHX-7000 ... 28

Slika 3.11: Območja optične analize vzorcev z mikroskopom ... 29

Slika 3.12: 3D profilometer Alicona InfiniteFocus SL ... 29

Slika 3.13: Območje analize vzorcev s profilometrom ... 30

Slika 3.14: Primer profila površine v radialni smeri ... 31

Slika 3.15: Povečanje realne površine obdelovanca ... 32

Slika 4.1: Primerjava izmerjenih in teoretičnih karakterističnih valovnih dolžin ... 39

Slika 4.2: Dimenzijsko razmerje lamel v odvisnosti od rezalne hitrosti, f =30 kHz... 40

Slika 4.3: Potrditveni test – vc = 184 m/min, 100× povečava ... 41

Slika 4.4: Potrditveni test – vc = 184 m/min, 300× povečava ... 41

Slika 4.5: Vzorčenje vzporedno s potjo noža ... 42

Slika 4.6: Vzorčenje pravokotno na pot noža ... 42

(20)

xvi

Slika 4.7: Prehod med neobdelano in obdelano površino ... 48

Slika 4.8: Primer 3D modela površine obdelovanca – vc = 300 mm/s, f = 30 kHz ... 53

Slika 5.1: Ra, Rq in Rz vzdolž poti noža v odvisnosti od rezalne hitrosti ... 56

Slika 5.2: Pojav faznega skladanja lamel (vzorec št. 9) ... 57

Slika 5.3: Efekt zareze na površini (vzorec št. 5)... 57

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 1.1: Topološke lastnosti stružene in lepane površine ... 3

Preglednica 2.1: Mehanske lastnosti izbranih keramik [15] ... 16

Preglednica 2.2: Termične lastnosti izbranih keramik [15] ... 16

Preglednica 3.1: Parametri obdelave preizkušancev ... 26

Preglednica 4.1: Mikroskopske slike površin vzorcev po obdelavi - 100× povečava (1/3) ... 33

Preglednica 4.7: Izmerjene karakteristične valovne dolžine 𝝀𝒌 in širine lamel. ... 39

Preglednica 4.8: Primerjava izmerjenih in teoretičnih karakterističnih valovnih dolžin lamel ... 40

Preglednica 4.9: 2D parametri profila površine vzdolž poti noža ... 43

Preglednica 4.10: 2D parametri profila površine pravokotno na pot noža ... 43

Preglednica 4.11: Diagrami 2D profila površine vzporedno s potjo noža (1/2) ... 44

Preglednica 4.12: Diagrami 2D profila površine vzporedno s potjo noža (2/2) ... 45

Preglednica 4.13: Diagrami 2D profila površine pravokotno na pot noža (1/2)... 46

Preglednica 4.14: Diagrami 2D profila površine pravokotno na pot noža (2/2)... 47

Preglednica 4.15: 3D površinski parametri Sa in S10z ... 48

Preglednica 4.16: Delež povečanja realne površine vzorcev po obdelavi ... 49

Preglednica 4.17: 3D modeli površine vzorcev po obdelavi, izseki velikosti 6 × 3,8 mm (1/3) ... 50

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A mm² površina

An mm amplituda nihanja

ap mm globina rezanja

D mm premer

f Hz frekvenca

fn mm vrt-¹ podajalna hitrost

l mm dolžina

n min^-1 vrtilna hitrost

Ra µm aritmetična srednja hrapavost profila

Rq µm korenski srednji kvadrat profila

Rz µm povprečna globina hrapavosti profila (5 segmentov)

Sa µm aritmetična srednja hrapavost 3D površine

S10z µm povprečna globina hrapavosti 3D površine (10 segmentov)

vc m min^-1 rezalna hitrost

l mm dolžina

w mm širina

λk mm karakteristična valovna dolžina

ε / relativna deformacija

σ MPa napetost

γ / razmerje dolžina/širina lamele (l/w)

Indeksi

0 / začetni

avg / povprečno

teo / teoretični

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

2D dvodimenzionalen

3D trodimenzionalen

CNC Računalniško numerično krmiljenje (angl. Computer Numeric Control)

SEM Vrstični elektronski mikroskop (angl. Scanning Electron Microscope)

SLS Selektivno lasersko sintranje

(26)

xxii

(27)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Znano je, da lahko z uporabo ultrazvočnih vibracij orodja med struženjem kovin vplivamo na formacijo odrezka. Ultrazvočne vibracije si lahko predstavljamo kot superpozicijo gibanja orodja v poljubni smeri med procesom struženja. Uporaba ultrazvočnih vibracij lahko izboljša kvaliteto površine obdelovanca in do 20-krat podaljša obstojnost rezalnega orodja [1].

Uporaba keramik je vedno bolj pogosta v industriji zaradi kemijskih, mehanskih, termičnih in električnih lastnosti, ki jih ne more zagotoviti noben drug material. Za določene industrijske aplikacije je na keramični substrat potrebno nanesti kovinski nanos s hladnim naprševanjem (angl. cold spray deposition), kar zahteva po struženju dodatno obdelavo z lepanjem. Lepanje povzroči nastanek vdolbin na površini zaradi trganja zrn iz osnovnega materiala. To je zaželeno z vidika boljšega oprijema nanešenega sloja, saj višja hrapavost površine ponavadi pomeni boljšo adhezijo med substratom in nanešenim slojem [2]. Žal pa je proces lepanja izjemno omejen z vidika produktivnosti, hkrati je proces lepanja nepredvidljiv, vodi do nastanka ostrih robov na obdelovancu in pogoste potrebe po menjavi orodja zaradi obrabe [3]. Z željo poenostavitve proizvodnega procesa takšnih površin na keramikah se pojavi novo področje aplikacije ultrazvočne obdelave, ki je tudi glavni del te naloge – mikro teksturiranje površine, s čimer naknadna obdelava z lepanjem ne bi bila potrebna.

(28)

Uvod

2

1.2 Cilji

Skozi predstavitev eksperimentalnega dela, analize obravnavanih parametrov in meritev površine bodo prikazane povezave med parametri ultrazvočnega struženja in topografijo površine. S tem je cilj zaključnega dela prikazati uporabnost struženja z ultrazvokom kot orodje, ki lahko nadomesti nadaljnje operacije obdelave površine, npr. lepanje. Natančneje bo prikazana in razložena:

- postavitev ultrazvočnega orodja v CNC obdelovalnem centru - izvedba eksperimentov obdelave keramičnih vzorcev

- analiza topografije izdelanih površin na vzorcih - korelacija med topografijo in parametri obdelave

Kot smo omenili, je cilj ultrazvočne obdelave nadomestitev procesa lepanja, s katerim dosežemo topološke parametre, ki so zaželeni za boljši oprijem kovinskih slojev na substrat.

S tem na sliki 1.1 podajamo primerjavo stružene površine brez ultrazvoka in lepane površine keramičnega substrata:

Slika 1.1: Primerjava topografije stružene in lepane površine keramičnega substrata stružena površina: Stružena in nato lepana površina:

(29)

Uvod

3 Na struženi površini je vidna pot orodja, medtem ko na lepani površini ta ni več razvidna, hkrati pa je lepana površina na videz bolj hrapava. To smo potrdili z meritvijo Sa in S10z stružene in lepane površine. Vse meritve zajemajo analizo površine valjastih vzorcev, dimenzij kot jih prikazuje slika 1.2. Izmerili smo tudi povečanje realne površine glede na idealno površino velikosti 22,8 mm² (*glej poglavje 'Realna specifična površina vzorcev' na str. 32), rezultate prikazuje preglednica 1.1:

Preglednica 1.1: Topološke lastnosti stružene in lepane površine

Vrsta obdelave Sa [µm] S10z [µm] Delež povečanja

površine* [%]

struženo 1,00 45,83 0,54

lepano 1,62 61,43 1,46

Izmerjene topološke lastnosti, ki pripadajo lepani površini predstavljajo vrednosti, ki jih želimo z uporabo ultrazvočnega struženja doseči, ali pa celo preseči.

Slika 1.2: Dimenzije in oblika obdelanih ter analiziranih vzorcev

(30)

Uvod

4

(31)

5

2 Teoretične osnove in pregled literature

To poglavje zajema splošen pregled procesa struženja, predhodno potrebne osnove analize površin in klasifikacijo nekaterih lastnosti keramik.

2.1 Proces struženja

Struženje je v osnovi neprekinjen enorezilni tehnološki proces odrezovanja materiala, kjer s pomočjo stružnega noža obdelujemo vrteč obdelovanec. Spada med konvencionalne neprekinjene postopke obdelave, in se uporablja za izdelavo rotacijskih izdelkov. Glede na gibanje orodja ločimo zunanje in notranje vzdolžno struženje, prečno struženje, stožčasto struženje, kopirno struženje, oblikovno struženje in ne-okroglo struženje. Shematski prikaz procesa struženja je prikazan na sliki 2.1

Osnovni parametri, ki opisujejo proces struženja so:

ap – globina rezanja [mm]

n – vrtilna hitrost obdelovanca [min^-1] D – premer obdelovanca [mm]

vc – rezalna hitrost [m min^-1] fn – podajanje [mm vrt^-1] l – dolžina struženja [mm]

Kjer je rezalna hitrost določena po enačbi 2.1:

𝑣_𝑐 = 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑛 (2.1)

V praksi so ti parametri določeni glede na material ki ga obdelujemo, želeno kvaliteto površine, vrsto rezalnega orodja, kapacitete stroja in optimizacijo obstojnosti orodja.

Povezavo med rezalno hitrostjo in obstojnostjo orodja prikazuje graf na sliki 2.2.

(32)

Teoretične osnove in pregled literature

6

Slika 2.1: Shematski prikaz procesa struženja

Stružni nož je najpogosteje iz orodnega jekla, karbidne trdine, keramike, PCD (polikristalinični diamant) ali diamanta. Glede na material, ki ga obdelujemo, pa imajo lahko orodja še dodatne prevleke, s katerimi se daljša življenjska doba orodja (ekonomski vidik) in izboljša kvaliteta obdelane površine [4]. Raziskave v tej nalogi so osredotočene na obdelavo keramike z diamantnim stružnim orodjem.

Stružni proces lahko izboljšamo z uporabo ultrazvočno vibrirajočega orodja, kar bo podrobneje opisano v nadaljevanju.

Slika 2.2: Obstojnost orodja v odvisnosti od rezalne hitrosti [4]

Rezalna hitrost

v

c [m/s]

Obstojnost orodja t [s]

Vzdolžno podajanje D1

Fc

Vc

ap

Ff

Fp

(33)

7

2.1.1 Struženje in obdelava keramik

Visoka trdota in krhkost keramik zahtevata uporabo diamantnih ali PCD rezalnih orodij.

Kljub visoki trdoti in krhkosti pa lahko s pravilnimi obdelovalnimi parametri dosežemo duktilno formacijo odrezka. To je posledica nastanka velikih tlačnih in strižnih napetosti v coni formiranja odrezka ob konici orodja. Z duktilno formacijo odrezka se tudi zmanjša nastanek in širjenje površinskih defektov (razpok v krhkem materialu) [5]. Napredki tehnologije odrezovanja in obdelave proti koncu 20. stoletja so omogočili odrezovanje krhkih materialov z doseganjem zrcalno gladke površine, brez potrebe po dodatnem poliranju. Podjetje Mitsubishi Electric Corp. je leta 1990 vodilo raziskave na področju obdelave stekla, pri katerih so z uporabo diamantnih orodij dosegli napake hrapavosti na površini manj kot 0,02 μm, brez potrebe po naknadni obdelavi po struženju. To je izjemno koristno predvsem v industriji izdelave optičnih komponent iz stekla in prozornih keramik [6]. Kasneje, leta 1995 je bil predlagan parameter 'indeks krhkosti' (B) kot merilo, s katerim lahko napovemo obdelovalnost krhkega materiala kot je keramika ali steklo. Pred tem so bile mnoge cenilke predlagane za merilo obdelovalnosti materiala, kot npr.: obraba orodja, hrapavost površine po obdelavi, rezalna sila, energija potrebna za rez, najvišja možna hitrost vrtanja itd. Indeks krhkosti predstavlja razmerje med trdoto in lomno žilavostjo materiala. Njegova vrednost se nahaja od prib. 0,1 μm^-1/2 za jekla, do prib. 17 μm^-1/2 za monokristalni silicij. Generalno je vrednost indeksa krhkosti za keramike in stekla nekje v rangu 3-9 μm^-1/2 [7].

Pri odrezovanju krhkih materialov, kot so keramike, lahko nastane problem loma oz.

krušenja površine na robu obdelovanca ko orodje zapusti oz. pride prvič v stik z materialom.

Z namenom analize tega pojava so bile izvedene raziskave na Si3N4 keramiki. Za evaluacijo tega pojava je bil predlagan in raziskan nov parameter - fraktalni koren srednjega kvadrata deviacije konture okrušenega roba (angl. fractal root mean square deviation). [8]. Primer loma površine na robu, kot posledica obdelave, je podan na sliki 2.3.

Slika 2.3: lom površine na robu obdelovanca [8]

(34)

8

Yezhuang Pu et al. [9] je pred kratkim (2020) prikazal vpliv uporabe laserja pri struženju keramike. Seveda ta pristop ni nič novega, vendar pa njegov raziskovalni doprinos podaja nazoren prikaz vpliva procesnih parametrov pri lasersko podprtem struženju. Ugotovljeno je bilo, da lahko z vnosom energije v površino tik pred točko struženja izboljšamo obdelovalnost keramike, saj preide proces odrezovanja iz krhkega v plastičnega. S tem se izboljša kvaliteta površine po obdelavi, nastaja manj razpok, prihaja do manjše obrabe orodja in proces obdelave je bolj ekonomičen ter tih. Shematski prikaz lasersko podprtega struženja je prikazan na sliki 2.4.

Slika 2.4: Shematski prikaz lasersko podprtega struženja keramike [9]

V krhkem področju obdelovanja so odrezki kratki, bolj podobni prahu, pri višjih močeh laserja, ko preide proces v področje plastične deformacije, pa so tvorjeni daljši odrezki. To je zaželeno tudi z vidika uporabnosti v obdelovalnih centrih in sposobnostjo odstranjevanja odrezkov iz cone obdelave. Vpliv moči laserja na tvorbo odrezkov je razviden na sliki 2.5.

Laserska optika

Žarišče laserja

L

(35)

9 Slika 2.5: Vpliv moči laserja na tvorbo odrezka [9]

Pri moči laserja 100W lahko vizualno opazimo prehod oblike odrezka iz prahu v obliko kratkega traku. Nato se z višanjem moči laserja dolžina odrezka daljša in vedno bolj so podobni odrezkom, kot smo jih vajeni pri struženju kovin. Višanje moči laserja vodi tudi k zmanjšanju tvorjenja površinskih napak, kot so razpoke in iztrgana zrna. Slika 2.6 prikazuje vpliv moči laserja na nastanek napak na površini obdelovanca.

Slika 2.6: Vpliv moči laserja na tvorbo napak na površini med struženjem [9]

(36)

10

2.1.2 Struženje z ultrazvokom

Običajni proces struženja lahko nadgradimo z uporabo ultrazvočnega noža. Prve raziskave na tem področju so se začele v petdesetih in šestdesetih letih 19. stoletja, ko je bila na Japonskem predlagana teorija vibracijsko podprtega odrezovanja. Ta je bila kasneje sprejeta tudi s strani Ameriških raziskovalnih skupin, s čimer so se odprla vrata za struženje materialov, ki so bili do sedaj smatrani za neprimerne oz. celo nemogoče za obdelavo s struženjem (jekla visoke trdote, stekla in trde keramike). Raziskave so pokazale, da vibracijsko oz. ultrazvočno podprto struženje vodi tudi do mnogih izboljšav med procesom obdelave: obstojnost orodja se poveča, rezalne sile so nižje, kvaliteta površine je bila izboljšana, tvorjenje odrezkov je bilo bolj predvidljivo, dimenzijska natančnost procesa je bila višja… Ugotovljeno je bilo (slika 2.7), da uporaba ultrazvočno podprtega struženja tudi delno preprečuje nastanek igel na robovih majhnih struženih struktur, kar je izjemno koristno, ko proces raziglevanja ni mogoč zaradi občutljivosti materiala [10].

Slika 2.7: SEM sliki: (a) 1,5 μm globok mikro kanal brez igel na robovih, (b) 8 μm visoka piramida brez igel na robovih. [10]

Glavni element pri ultrazvočno podprtem struženju je ultrazvočni nož. Ta je sestavljen iz rezalne ploščice (npr. karbidna trdina) in nosilca za rezalno ploščico, ki vključuje piezoelektrični ultrazvočni aktuator oz. transduktor. Ko na piezoelektrični transduktor privedemo električni signal, prične ta mehansko oscilirati s frekvenco signala. To gibanje se po nosilcu prenese in ojača do konice rezalne ploščice ter ga lahko razumemo kot superpozicijo na globino rezanja med struženjem. Glede na amplitudo nihanja in globino reza tako ločimo prekinjeno in neprekinjeno ultrazvočno struženje. Če je amplituda nihanja (An) manjša od globine reza (ap) je struženje neprekinjeno, če pa je amplituda nihanja večja od globine reza, je struženje prekinjeno [11]. Primere prekinjenega in neprekinjenega procesa prikazuje slika 2.8:

(37)

11 Slika 2.8: Vpliv amplitude vibriranja in globine reza na proces struženja [11]

Pomik piezoelektričnih transduktorjev je omejen na majhne premike v razponu nekaj μm, vendar pa omogoča velike pomične sile. Če je zahtevan večji pomik, lahko več piezoelektričnih transduktorjev sestavimo zaporedno oziroma vzporedno, kadar je potrebna večja aktuacijska sila. Običajno jih uporabljamo v frekvenčnem razponu 0,1 – 200 kHz.

Primeri piezoelektričnih transduktorjev različnih velikosti so vidni na sliki 2.9. Vsi na sliki prikazani transduktorji imajo v serijo vezanih več piezoelektričnih elementov (vidni v rjavi barvi).

Slika 2.9: Primeri piezoelektričnih transduktorjev [12]

Leta 2016 je bila opravljena raziskava vpliva uporabe ultrazvočnega orodja med struženjem na tribološke lastnosti površine. S. Amini et al. [13] je uspešno mikro teksturiral površino čelno struženega obdelovanca, primer tako obdelane površine prikazuje slika 2.10.

(38)

12

Slika 2.10: Primer ultrazvočno teksturirane površine [13]

Prikazano je bilo, da ima tako obdelana površina nižji koeficient trenja, kot gladka površina.

Prav tako je bilo ugotovljeno, da je bila površinska trdnost obdelovanca po obdelavi višja, zaradi vpliva ultrazvočnih vibracij, ki so deformirale površinski sloj materiala.

Struženje z ultrazvokom tako privede do nastanka valovite površine, kar lahko opišemo s karakteristično valovno dolžino (λk). Definirana je kot razdalja med dvema sosednjima vrhovoma ali dolinama na površini, ki sta bili posledica uporabe ultrazvočne obdelave.

Karakteristična valovna dolžina je funkcija frekvence vibriranja orodja ( f ) in rezalne hitrosti, kot to opisuje enačba 2.2:

𝜆_𝑘 = 1000 ∙ 𝑉_𝑐 60 ∙ 𝑓

(2.2)

Kjer je karakteristična valovna dolžina 𝜆_𝑘 v µm, rezalna hitrost 𝑉_𝑐 podana v m/min in frekvenca 𝑓 v kHz.

(39)

13

2.2 Osnove analize površin

Ker bomo v eksperimentalnem delu govorili o parametrih, ki opisujejo lastnosti površine, je smiselno te podrobneje definirati. V splošnem imamo opravka s parametri, ki opisujejo površino v 2D, in parametri, ki opisujejo površino v 3D.

2.2.1 2D površinski parametri (profil)

2D površinski parametri opisujejo profil površine (slika 2.11), ki ga dobimo, če jo prerežemo z ravno pravokotno ploskvijo.

Najpogosteje uporabljen parameter pri popisovanju topografije površin je aritmetična srednja hrapavost Ra. Definirana je z aritmetično sredino absolutnih oddaljenosti posameznih točk dejanskega profila od srednjega profila m, po enačbi:

𝑅𝑎 =1

𝑙∫ |𝑧 − 𝑚|

𝑙 0

𝑑𝑥 (2.3)

Slika 2.11: Primer profila površine Z

Z(x)

Ra

x

Srednji profil

l

(40)

14

Parameter Rq opisuje korenski srednji kvadrat profila (angl. root mean square – RMS), po enačbi:

𝑅𝑞 = 𝑅𝑀𝑆 = √1

𝑙∫ 𝑧²(𝑥)

𝑙 0

𝑑𝑥

(2.4)

Povprečno globino hrapavosti opisuje parameter Rz. Predstavlja povprečno vrednost petih največjih razlik med vrhovi in dolinami profila na enako velikih intervalih. Definiran je po enačbi:

𝑅𝑧 =1 5∑ 𝑍_𝑖

5

𝑖=1

(2.5)

2.2.2 3D površinski parametri

Površinski parametri predstavljajo razširitev obstoječih definicij parametrov profila v dodatni dimenziji.

Primer za aritmetično srednjo hrapavost 3D površine:

𝑆𝑎 = 1

𝐴∫ ∫ |𝑧(𝑥, 𝑦) − 𝑚|

𝑙_𝑥 0

𝑑𝑥

𝑙_𝑦 0

(2.6)

Povprečna globina hrapavosti 3D površine predstavlja povprečno vrednost desetih višin med vrhovi in dolinami na izbranem območju meritve površine. Določena je po sledeči enačbi:

𝑆10𝑧 = 1 10∑ 𝑍_𝑖

10

𝑖=1

(2.7)

2.3 Hladno naprševanje kovine

Proces hladnega naprševanja kovine je relativno nov aditivni proces nalaganja kovinskega depozita na substrat. Posebnost procesa je v tem, da površine substrata in kovinskega prahu ni potrebno močno segreti, saj je kinetična energija posameznega delca prahu dovolj, da pride do pretalitve in spoja. Proces je primeren tudi za nekovinske substrate (keramike, stekla,…).

(41)

15 Shematski prikaz procesa hladnega naprševanja je prikazan na sliki 2.12. Plin pod visokim tlakom s pomočjo grelnih reber segrejemo in ekspandiramo skozi Lavalovo šobo do nadzvočne hitrosti, s čimer se tlačna in toplotna energija plina pretvorita v kinetično (visoka izstopna hitrost plina, lahko tudi nadzvočna). V Lavalovi šobi je plinu dodan dodajni material v obliki prahu, ki pospeši s plinom in trči v površino obdelovanca pri nadzvočnih hitrostih. Šoba je ponavadi izmenljiva in iz keramike, da ne prihaja do prekomerne obrabe.

V splošnem se za hladno naprševanje uporabljajo inertni plini (dušik, argon, helij).

Napršujemo lahko večino kovinskih elementov in zlitin, z izjemo tistih, ki imajo izjemno visoka tališča. Proces omogoča nanos kovin, ki jih po klasičnih postopkih med seboj ni možno spajati.

Dosedanje raziskave so pokazale, da je predhodna obdelava površine substrata ključna za doseganje boljše adhezije depozita. To lahko dosežemo s peskanjem ali laserskim teksturiranjem [14]. V nadaljevanju pa bomo pokazali, da je to možno doseči tudi z ultrazvočnim mikro teksturiranjem površine med struženjem.

Slika 2.12: Proces hladnega naprševanja Prah

Stisnjen zrak

Lavalova šoba

Grelec

Izmenljiv del šobe

(42)

16

2.4 Keramike

Materialne lastnosti različnih keramik so privedle do širokega spektra uporabe in aplikacij keramik v različnih tehnologijah. Nekaj najpogosteje uporabljenih industrijskih keramik je navedenih v nadaljevanju [15]:

- aluminijev oksid (Al2O3) - Diamant (C)

- Silika (SiO2)

- Silicijev karbid (SiC) - Silicijev nitrid (Si3N4) - Titanov dioksid (TiO2) - Cirkonijev dioksid (ZrO2)

2.4.1 Lastnosti keramik

Keramični materiali so izjemno temperaturno odporni in stabilni, pripisujemo jim visoke tlačne trdnosti in mehansko odpornost. Preglednici 2.1 in 2.2 podajata mehanske in termične lastnosti nekaterih izbranih keramik. Opazimo lahko izjemno visoke temperature tališča in majhne temperaturne koeficiente raztezka [15].

Preglednica 2.1: Mehanske lastnosti izbranih keramik [15]

Material Gostota (g/cm³)

Natezna trdnost (MPa)

Upogibna trdnost

(MPa)

Tlačna trdnost (MPa)

Youngov modul (GPa)

Lomna žilavost (MPa √𝐦)

Al2O3 3,98 207 552 3025 386 5,5

SiC (sintrano) 3,1 172 552 3860 414 4,4

Si3N4 (reakcijsko

vezano) 2,5 138 241 1030 207 3,3

Si3N4 (vroče

stiskano) 3,2 552 896 3450 310 5,5

Sialon 3,24 414 965 3450 310 9,9

ZrO2 (parcialno

stabiliziran) 5,8 448 690 1860 207 11,0

ZrO2

(transformacijsko ojačan)

5,8 345 793 1725 200 12,1

Preglednica 2.2: Termične lastnosti izbranih keramik [15]

Material Tališče (°C)

Temperaturni koeficient raztezka

(× 10^-6 cm/cm)/°c

Al2O3 2000 ~6,8

BN 2732 0,57^a,-0,46^b

SiC 2700 ~3,7

Diamant / 1,02

Mulit (silikatni

mineral) 1810 4,5

TiO2 1840 8,8

Kubični ZrO2 2700 10,5

a Pravokotno na smer stiskanja

b Vzporedno na smer stiskanja

(43)

17

2.4.2 Sinteza keramičnih izdelkov

Keramični materiali imajo visoka tališča in so v splošnem krhki. Tako postopki ulivanja in termo-mehanskega oblikovanja, kot so pogosto uporabljeni za kovine in termo plastike, ne pridejo v poštev. Zato se oblikovanje keramičnih izdelkov največkrat začne v obliki keramičnega prahu. Prah oblikujemo v izdelek z uporabo valjanja, ekstruzije ali ulivanja prahu v kalup. Tako oblikovan izdelek se imenuje zeleni surovec, ki se nato sintra pri visokih temperaturah in kontrolirani atmosferi. Previsoka temperatura sintranja zelenega surovca lahko vodi do upada trdnosti izdelka, kar je posledica prekomerne rasti zrn v materialu.

Keramiko lahko nato dodatno obdelamo z brušenjem, poliranjem, odrezovanjem ali razrezom z uporabo abrazivnega vodnega curka. Raziskave so pokazale, da uporaba abrazivnega vodnega curka izboljša rob, saj ne prihaja do iztrganja zrn iz površine, hkrati pa se rob med obdelavo ne kruši. Prav tako je bilo ugotovljeno, da je površina obdelovanca po razrezu z abrazivnim vodnim curkom manj porozna, kot v primerih razreza s frezanjem. V nekaterih primerih posebnih aplikacij se na keramiko nato namesti električne povezave ali elektrode, povzeto po [15][16][17]. Izdelava keramičnih izdelkov je možna tudi s selektivnim laserskim sintranjem (SLS). SLS postaja vedno bolj aktualen proces sinteze keramičnih izdelkov s porastom 3D tiskanja kompleksnih industrijskih komponent. Pri procesu SLS je keramični pah v plasteh sekvenčno nalagan in sintran ali pretaljen, odvečni prah pa je odstranjen in recikliran [18]. Raziskan je bil tudi vpliv velikosti zrn keramike na lastnosti izdelka izdelanega po postopku SLS, ki je prikazan na sliki 2.13. Prikazani vzorci, označeni S1-S5 predstavljajo mešanice prahu silike v razmerjih 1:0, 7:3, 5:5, 3:7 in 0:1, kjer ima prva komponenta povprečno velikost delcev 45,6 μm in druga povprečno velikost delcev 23,3 μm [19].

Slika 2.13: vpliv velikosti zrn na upogibno trdnost SLS materiala [19]

Upogibna trdnost [MPa]

št. vzorca

(44)

18

(45)

19

3 Metodologija raziskave

Vzorci so bili pripravljeni na CNC stružnici z uporabo ultrazvočnega stružnega noža.

Osnova za stružni nož je ročna ultrazvočna naprava proizvajalca Mecasonic - Pulse Touch.

Generator generira ultrazvočni signal frekvence 30 kHz, ki je poslan do ročne enote - ta je sestavljena iz transduktorja, ojačevalnika in sonotrode. Na konici sonotrode je nameščena diamantna rezalna ploščica, celotna ultrazvočna enota pa je bila z nosilcem nameščena v stružnico. Po struženju so bili obdelovanci optično analizirani z mikroskopom Keyence VHX 7000. Topografija obdelanih površin je bila analizirana s pomočjo optičnega 3D merilnega sistema Alicona InfiniteFocus SL. Raziskava je bila osredotočena na površinska parametra Sa in S10z, ter na profilne prametre Ra,Rq in Rz vzdolž poti noža.

V posameznih podpoglavjih bodo podrobneje predstavljeni preračuni, postopki in načini izvedbe preizkusov in analiz.

3.1 Preračuni

To poglavje se osredotoča na matematično modeliranje procesov, opravljenih med raziskavo. S pomočjo teh matematičnih modelov bomo poskušali napovedati parametre, ki jih pričakujemo na obdelovancih po obdelavi.

3.1.1 Izračun pričakovane karakteristične valovne dolžine

Karakteristična valovna dolžina (λk) je funkcija rezalne hitrosti in frekvence vibriranja orodja. Definirana je kot razdalja med dvema sosednjima točkama na površini, med katerima ni faznega zamika - npr. med dvema sosednjima vrhovoma valovite površine obdelovanca, ki je rezultat uporabe ultrazvoka med struženjem. Predstavlja normalno projekcijo poti, ki jo opravi orodje relativno na površino obdelovanca v času enega celotnega nihaja orodja, ki je definiran kot obratna vrednost frekvence nihanja orodja.

(46)

Metodologija raziskave

20

Predpostavljamo, da orodje nikoli ne izgubi stika z obdelovancem, tudi v legi, ko je rezalna globina najmanjša (odmik orodja zaradi ultrazvočnega nihaja).

Orodje niha s konstantno frekvenco 30 kHz. Eksperimentalni del bo osredotočen na rezalne hitrosti 50, 150 in 300 m/min, zato bodo izračunani podatki prav tako za ta razpon.

Teoretična karakteristična valovna dolžina lamele je definirana po sledeči enačbi:

𝜆_{𝑘 𝑡𝑒𝑜} = 1000 ∙ 𝑉_𝑐 60 ∙ 𝑓

(3.1)

kjer je teoretična karakteristična valovna dolžina 𝜆_{𝑘 𝑡𝑒𝑜} v µm, rezalna hitrost 𝑉_𝑐 podana v m/min in frekvenca 𝑓 v kHz.

Slika 3.1 prikazuje graf odvisnosti pričakovane karakteristične valovne dolžine od rezalne hitrosti pri frekvenci osciliranja noža 30 kHz.

Slika 3.1: Odvisnost teoretične karakteristične valovne dolžine od rezalne hitrosti pri konstantni frekvenci vibriranja orodja 30 kHz.

3.2 Eksperimentalni del

V tem delu naloge so predstavljeni in podrobneje opisani vsi relevantni objekti opravljene raziskave in pristopi k izvedbi eksperimentalnega dela.

3.2.1 Vzorci, materiali in orodja

V nadaljevanju bodo smiselno predstavljeni vzorci, ki smo jih obdelovali, njihova materialna skupina in orodja ter naprave, s katerimi smo vzorce obdelali in analizirali.

27.78

83.33

166.67

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 50 100 150 200 250 300 350

λk teo[µm]

v_c[m/min]

(47)

21

3.2.1.1 Obdelovanci

Eksperimentalni del je bil izveden na vzorcih iz sintrane industrijske kompozitne keramike.

Vzorci so bili v obliki valja premera 42 mm in debeline 10 mm. Slika 3.2. prikazuje primer vzorca po pripravi za obdelavo.

Površina vseh vzorcev je bila pred ultrazvočno obdelavo stružena, s čimer je bilo izhodiščno stanje površine vedno enako.

Slika 3.2: Primer vzorca po obdelavi

3.2.1.2 Stružno orodje

Ker so obdelovanci iz trdega keramičnega materiala, je bilo izbrano polikristalinično diamantno PCD (angl. polycrystalline diamond) stružno orodje oz. rezalna ploščica. Rezalna ploščica proizvajalca GARANT, z oznako DCGW 11T304 PCD (slika 3.3) ima cepilni kot 0° (nevtralni cepilni kot), radij konice rezalne ploščice pa je 0,4 mm. Nevtralni cepilni kot je bil izbran zaradi visoke trdote obdelovancev. Osnovni del ploščice je izdelan iz karbidne trdine, na konici pa je pritrjen PCD vložek. Proizvajalec priporoča uporabo rezalne ploščice pri rezalnih hitrostih 300-1500 m/min, kadar stružimo nekovinske materiale. Kljub temu so bili rezultatu struženja zadovoljivi pri nižjih rezalnih hitrostih.

Slika 3.3: PCD rezalna ploščica - DCGW 11T304 PCD [20]

(48)

22

3.2.1.3 CNC obdelovalni center

Proces struženja keramike je bil izveden na CNC stružnici. Tako je bila zagotovljena konstantna rezalna hitrost, ne glede na oddaljenost konice orodja od centra rotacije obdelovanca. Prav tako togost in natančnost uporabljenega stroja omogočata, da so kakršnekoli napake v pomiku orodja glede na obdelovanec med struženjem zanemarljive.

Na sliki 3.4 je razvidna montaža ultrazvočnega orodja v CNC obdelovalnem centru.

Slika 3.4: Ultrazvočni nož v CNC obdelovalnem centru

3.2.1.4 Ultrazvočna naprava

V stružnico je bila nameščena adaptirana ročna ultrazvočna naprava proizvajalca Mecasonic Pulse Touch (slika 3.5).

Slika 3.5: Ročna ultrazvočna varilna naprava – Mecasonic Pulse Touch [21]

Namesto varilne konice je bila za napravo razvita in izdelana posebna sonotroda, ki ima skupaj z rezalno ploščico resonančno frekvenco enako frekvenci ultrazvočnega generatorja – 30 kHz. Če lastna frekvenca sonotrode ni v območju delovanja ultrazvočnega generatorja je možno, da na konici orodja ne dobimo pričakovane amplitude nihanja.

(49)

23 Pri oblikovanju sonotrode je pomemben potek površine v smeri osciliranja. S primerno uporabo zaokrožitev in ostrih robov zagotovimo pravilno operacijo sonotrode.

Lastna frekvenca sonotrode je bila v začetni fazi določena s pomočjo simulacij v programu SOLIDWORKS, kasneje pa je bila uglašena, izmerjena in potrjena eksperimentalno pred pričetkom struženja obdelovancev. Pri tem je bilo potrebno upoštevati tudi maso rezalne ploščice. Sonotroda je bila uglašena z uporabo kovinskih podložk, ki so efektivno podaljšale dolžino orodja (sonotrode), s čimer je pogojena lastna frekvenca orodja.

Ultrazvočni generator omogoča spreminjanje amplitude obratovanja. Ugotovljeno je bilo, da je pri višjih amplitudah obratovanja prihajalo do loma konice rezalne ploščice. Posledično smo se odločili, da bo obdelava potekala pri 50% nastavitvi amplitude ultrazvoka, s čimer pričakujemo amplitudo nihanja konice prib. 10 μm.

Slika 3.6 podaja shematski prikaz oblike sonotrode:

Slika 3.6: Sonotroda z rezalno ploščico

Na levi strani je vir osciliranja (ultrazvočni transduktor). Oscilacije nato potujejo desno po sonotrodi do konice rezalne ploščice. Vidna sta dva prehoda oženja sonotrode, ki se začneta z ostrim prehodom in zaključita z zaokrožitvijo. Celotna dolžina sonotrode znaša prib. 190 mm, centralni del ima premer prib. 35 mm. Prva polovica sonotrode je izdelana iz aluminijeve zlitine, druga polovica pa iz ogljikovega jekla.

Priklop na ultrazvočni transduktor

Sonotroda

PCD rezalna ploščica

(50)

24

3.2.2 Metodologija preizkusov

V nadaljevanju bodo v podpoglavjih natančno, in kjer je to potrebno, s slikami predstavljeni koraki od priprave vzorcev do njihove končne analize.

3.2.2.1 Priprava vzorcev – struženje z ultrazvokom

Vzorci so bili struženi čelno, pri čemer je bilo orodje postavljeno pravokotno na čelno ploskev obdelovanca. To je pomembno, saj mora biti gibanje ultrazvočnih oscilacij noža pravokotno glede na površino obdelovanca. Shematski prikaz procesa struženja je razviden na sliki 3.7:

Slika 3.7: Shematski prikaz procesa struženja z ultrazvokom

(51)

25 Na levi strani je razvidna stružna glava, v kateri je vpet obdelovanec prikazan v zeleni barvi.

Na desni strani je sonotroda z rezalno ploščico. S puščico je prikazano transverzalno gibanje orodja glede na obdelovanec. Prav tako je razvidna usmeritev ultrazvočnega osciliranja glede na obdelovanec.

Med struženjem je bila vzdrževana konstantna rezalna hitrost, ki je pogojena z oddaljenostjo orodja od osi vrtenja obdelovanca. Najvišja uporabljena rezalna hitrost med preizkusi je bila 300 m/min, zato smo območje struženja omejili na premer večji od prib. 20 mm. V nasprotnem primeru bi lahko dosegli maksimalno vrtilno hitrost stružnice, s čimer pa bi rezalna hitrost v tem območju padla pod želeno vrednost. Primer obdelane površine na obdelovancu je bolje razviden na sliki 3.8. V vseh primerih je bilo podajanje orodja v radialni smeri 0,1 mm/obrat. Pričakovana amplituda nihanja orodja je bila 0,01 mm (0,005 mm v obe smeri od srednje lege), tako je bila v vseh primerih nastavljena globina reza 0,01 mm, s čimer zagotovimo neprekinjen proces ultrazvočnega struženja.

Slika 3.8: Območje struženja na površini obdelovanca

Tako je bilo pripravljenih 9 preizkušancev pri različnih rezalnih hitrostih in enaki amplitudi ter frekvenci ultrazvočnih oscilacij noža. Vsi parametri obdelave za posamične preizkušance so prikazani v preglednici 3.1. Za vsako rezalno hitrost so bile narejene tri ponovitve, z namenom potrditve ponovljivosti preizkusa.

(52)

26

Preglednica 3.1: Parametri obdelave preizkušancev

Št.

preizkušanca

Rezalna hitrost [m/min]

Globina reza [mm]

Podajanje orodja [mm/vrt]

Ultrazvočni generator:

amplituda*

Ultrazvočni generator:

Frekvenca [kHz]

1

50

0,01 0,1 50%

(amplituda nihanja

konice10 μm) 30

2 3 4

150 5

6 7

300 8

9

*Ultrazvočni generator omogoča nastavitev amplitude oz. moči obratovanja v območju vrednosti od 0 do 100%.

V raziskavi smo se osredotočili predvsem na vpliv rezalne hitrosti na karakteristično valovno dolžino oz. frekvenco vdolbin (lamel) na površini obdelovanca ob dani frekvenci ultrazvoka.

Zato smo frekvenco in amplitudo ultrazvočnega generatorja fiksirali in spreminjali le rezalno hitrost struženja. Po obdelavi je bila eksperimentalno izmerjena tudi širina vdolbin na površini preizkušancev. Predvidevamo, da je ta odvisna le od amplitude ultrazvočnega nihanja konice rezalne ploščice, in posledično enaka na vseh preizkušancih. Ta meritev nam bo v nadaljevanju omogočala napoved rezalne hitrosti pri konstantni frekvenci ultrazvoka, s katero bodo imele zareze tvorjene na površini dimenzijsko razmerje dolžine 𝑙 (vzporedno na pot noža po površini) proti širini 𝑤 (pravokotno na pot noža po površini) enako 1:1. Širina lamele je bila določena kot najširši del lamele.

Dimenzijsko razmerje lamele 𝛾 določa enačba 3.2. Območje, na katerem je dimenzijsko razmerje lamele 𝛾 = ~1 je zanimivo, saj so takrat topološke lastnosti površine najbolj izotropične.

𝛾 = 𝑙 𝑤

(3.2)

Pri tem je pomembno dejstvo, da dolžina lamele ni nujno enaka karakteristični valovni dolžini. Dolžina lamele predstavlja dolžino vdolbine, in ne razdalje med dvema sosednjima točkama v enaki fazi na površini. Posledično je dolžina lamele lahko enaka ali krajša od specifične valovne dolžine na opazovanem mestu. Ker pa smo preizkušance pripravili tako, da med struženjem nož ni izgubil kontakta s površino (rez je neprekinjen), je v našem primeru dolžina lamele enaka karakteristični valovni dolžini (𝑙 = 𝜆_𝑘). Torej velja:

𝛾 =𝜆_𝑘 𝑤

(3.3)

(53)

27 Shematsko so dimenzije lamele prikazane na sliki 3.9. Svetli predeli predstavljajo vdolbino, temne meje pa vrhove med vdolbinami na površini.

Kljub temu, da je pot noža po površini obdelovanca krožna, jo lahko ob zadostni povečavi (red velikosti nekaj lamel) smatramo za linearno.

Slika 3.9: Določitev razmerja lamele na obdelani površini lamela

Pot noža

w

l

(54)

28

3.2.2.2 Optična analiza vzorcev

Po obdelavi so bili vzorci optično analizirani s pomočjo optičnega mikroskopa proizvajalca Keyence, model VHX-7000 (slika 3.10). Površina vzorcev je bila osvetljena tako, da so bile reliefne lastnosti čim bolj razvidne. Za boljšo kvaliteto slike je bil uporabljen linearni polarizator svetlobe, s čimer smo zmanjšali vpliv bleščečih odsevov s površine.

Slika 3.10: Optični mikroskop Keyence VHX-7000

Vsak vzorec smo pod mikroskopom analizirali dvakrat, prvič pri povečavi 100×, in drugič pri povečavi 300×. Namen 100-kratne povečave je bil pregled celotnega vzorca z zadovoljivo resolucijo. Namen analize pri 300-kratni povečavi je bil izdelava slike z visoko ločljivostjo in dobro razločno topografijo površine na izbranem območju vzorca. Točnejša območja analize vzorcev so prikazana na sliki 3.11. S pomočjo slik, narejenih na mikroskopu, je bila izmerjena dejanska karakteristična valovna dolžina vdolbin na površini vzorcev.

(55)

29 Slika 3.11: Območja optične analize vzorcev z mikroskopom

Optični mikroskop poda rezultate v obliki 2D slike, ki omogoča vizualno vrednotenje površine in meritve dimenzij na površini (npr. velikost napake na površini). Za nadaljnjo analizo površine, ki zahteva rezultate v 3D prostoru (npr. velikost in globina napake na površini) pa smo uporabili optični profilometer Alicona InfiniteFocus SL, ki je prikazan na sliki 3.12.

Slika 3.12: 3D profilometer Alicona InfiniteFocus SL Vzorec (Ø 42 mm)

Območje 100-kratne povečave Območje 300-kratne povečave

(56)

30

S profilometrom so bili ugotovljeni oz. pridobljeni sledeči parametri površine:

- Graf 2D profila površine vzporedno s potjo noža (koncentrično z rotacijsko osjo vzorca)

▪ Ra – aritmetična srednja hrapavost

▪ Rq – korenski srednji kvadrat profila

▪ Rz – Povprečna globna hrapavosti

- Graf 2D profil površine pravokotno na pot noža (radialno na rotacijsko os vzorca)

▪ Ra

▪ Rq

▪ Rz

- 3D profil površine

▪ Sa – aritmetična srednja hrapavost 3D površine

▪ S10z – povprečna globina hrapavosti 3D površine - 3D model površine

2D in 3D profil površine omogočajo določitev tipičnih topoloških parametrov, kot so posamično opisani v poglavju 2.2 - Osnove analize površin, stran 13.

3D model površine omogoča izračun dejanske 'aktivne' površine in možnost za nadaljnjo obdelavo rezultatov s pomočjo digitalnih grafičnih orodij, ki omogočajo boljšo vizualizacijo atributov površine. Primer takšne obdelave je uporaba različnih načinov obarvanja 3D topografije, kontrastno senčenje, skaliranje (povečava) 3D modela v eni ali več izbranih smereh, …

S profilometrom smo zajeli radialni pas na obdelovancu, prib. dimenzije 23,5 × 3,8 mm, kot je razvidno na sliki 3.13:

Slika 3.13: Območje analize vzorcev s profilometrom

Ker opisani pas zajemanja podatkov vključuje tudi neobdelano površino obdelovanca, je bil ta nato obdelan tako, da je bila analizirana le obdelana površina.

Vzorec (Ø 42 mm) Območje analize

(57)

31 Primer profila v radialni smeri čez celoten polmer obdelovanca (obdelan in neobdelan predel) je prikazan na sliki 3.14.

Slika 3.14: Primer profila površine v radialni smeri

Na grafu je razvidno območje neobdelane površine (levo), in območje obdelane površine (desno). Prav tako je prikazan pas kalibracije globine reza, ki je razviden kot ozka črta na mikroskopski sliki, in kot globalni minimum na grafu profila. Na tem območju je bilo pred obdelavo določeno delovno koordinatno izhodišče globine reza.

Pas kalibracije globine reza

(58)

32

3.2.2.3 Realna specifična površina vzorcev

Dejanska oz. realna specifična površina je bila določena na 3D modelu izseka v obliki pravokotnika velikosti 6 × 3,8 mm (22,8 mm²), kot prikazuje slika 3.15. Pričakujemo, da je realna specifična površina po obdelavi večja zaradi razgibanosti profila. Razlika povečanja bo v nadaljevanju definirana kot odstotni delež povečanja glede na idealno ravno gladko površino enakih dimenzij.

Slika 3.15: Povečanje realne površine obdelovanca

Povečanje realne površine je lahko za namene kovinskega nanosa zaželeno, saj napoveduje večjo natezno trdnost spoja, ki je neposredno odvisna od realne 'aktivne' površine na kateri deluje adhezija.

(59)

33

4 Rezultati

4.1 Analiza površine - mikroskop

Rezultati in slike optične analize površine posameznih vzorcev z mikroskopom so podani v nadaljevanju. Nekatere slike so bile dodatno povečane za boljšo razločnost površinskih detajlov. Za vsak vzorec je najprej podana celotna slika površine vzorca v poglavju 4.1.1 – preglednice od 4.1 do 4.3, nato pa še povečana slika z razvidnimi lastnostmi površine v poglavju 4.1.2 - preglednice od 4.4 do 4.6. Numeracija vzorcev sovpada s preglednico 'Parametri obdelave preizkušancev' na strani 26. Vzorec št. 10 prikazuje površino pred obdelavo.

4.1.1 Mikroskopske slike celotnih vzorcev

Preglednica 4.1: Mikroskopske slike površin vzorcev po obdelavi - 100× povečava (1/3)

1 10 mm 2

10 mm

(60)

Rezultati

34

3 10 mm 4

10 mm

5 10 mm 6

10 mm

(61)

Rezultati

35 Preglednica 4.3: Mikroskopske slike površin vzorcev po obdelavi - 100× povečava (3/3)

Površina vzorca 7 ni bila v celoti obdelana.

V nadaljevanju je bil analiziran le obdelan del.

Površina struženega vzorca brez ultrazvoka.

7 10 mm 8

10 mm

9 10 mm

10 4 mm

(62)

Rezultati

36

4.1.2 Mikroskopske slike lamel vzorcev in določitev dimenzij

2000 μm

2000 μm 1

2

3

(63)

Rezultati

37 Preglednica 4.5: Mikroskopske slike površin vzorcev po obdelavi - 300× povečava (2/3)

2000 μm

2000 μm 4

5

6

7

(64)

Rezultati

38

Površina stružena brez ultrazvoka – opazimo da na površini ni večjih vdolbin.

V preglednici 4.1 je na vseh obdelanih vzorcih razviden centralni del neobdelane površine in zunanji del, kjer je površina obdelana. Na povečanih slikah so razvidne luske oz. vdolbine, kot posledica ultrazvočne obdelave. Izmerjene karakteristične valovne dolžine vdolbin (vzdolž poti noža) na površini za posamezne vzorce so podane v preglednici 4.7.

2000 μm

2000 μm 8

9

10

(65)

Rezultati

39 Preglednica 4.7: Izmerjene karakteristične valovne dolžine 𝝀_𝒌 in širine lamel.

vzorec

vc -rezalna hitrost [m min^-1]

n - število lamel (izmerjeno na

mikroskopu)

h - razdalja med prvo in

zadnjo lamelo [µm]

karakteristična valovna dolžina 𝝀𝒌=_𝒏−𝟏^𝒉 [µm]

𝝀_{𝒌 𝒂𝒗𝒈} [µm]

𝒘 - širina lamel [µm]

Razmerje lamele 𝜸𝒂𝒗𝒈= 𝝀𝒌/𝒘

1 50

22 597 28,429

28,532

100,00

0,29

2 13 344 28,667 97,80

3 17 456 28,500 98,40

4 150

7 509 84,833

83,111

93,80

0,87

5 8 574 82,000 97,20

6 4 247 82,500 95,80

7 300

6 845 169,000

165,700

107,80

1,57

8 7 975 162,500 107,20

9 6 828 165,600 101,60

Na podlagi rezultatov lahko potrdimo, da je širina lamel relativno konstantna in neodvisna od rezalne hitrosti. Odvisnost karakteristične valovne dolžine lamel od rezalne hitrosti podaja slika 4.1:

Slika 4.1: Primerjava izmerjenih in teoretičnih karakterističnih valovnih dolžin

28.53

83.11

165.70

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 50 100 150 200 250 300 350

λk[µm]

v_c[m/min]

λk teo λk avg

(66)

Rezultati

40

Slika 4.1 prikazuje točke (označene z rdečimi križci) eksperimentalno izmerjene odvisnosti karakteristične valovne dolžine lamel od rezalne hitrosti na površini vzorcev v primerjavi s teoretično določenimi vrednostmi (siv del grafa). Vrednosti so podane tudi v preglednici 4.8.

Odstopanje je podano glede na teoretično izračunano vrednost 𝝀𝒌 𝒕𝒆𝒐, ki je bila izračunana v poglavju 3.1.1 na strani 19. Opazimo izjemno dobro ujemanje teoretičnega modela in eksperimentalnih rezultatov.

Preglednica 4.8: Primerjava izmerjenih in teoretičnih karakterističnih valovnih dolžin lamel

vc [m min^-1] 𝝀_{𝒌 𝒕𝒆𝒐}[µm] 𝝀_{𝒌 𝒂𝒗𝒈}[µm]

Povprečno relativno odstopanje

𝝀_{𝒌 𝒂𝒗𝒈}−𝝀_{𝒌 𝒕𝒆𝒐}

𝝀_{𝒌 𝒕𝒆𝒐} ∙ 100 [%]

50 27,78 28,532 +2,7

150 83,33 83,111 -0,3

300 166,67 165,700 -0,6

Na osnovi izmerjenih dimenzij lamel smo določili razmerje lamel, ki je podano z grafom na sliki 4.2. Ugotovimo, da bi bilo dimenzijsko razmerje lamele 𝛾enako 1 pri rezalni hitrosti prib. 184 m/min, ob predpostavki, da je frekvenca ultrazvočnega generatorja 30 kHz (na grafu označeno z rdečim križcem).

Slika 4.2: Dimenzijsko razmerje lamel v odvisnosti od rezalne hitrosti, f =30 kHz

y = 0.0051x + 0.0612 R² = 0.9963

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

0 50 100 150 200 250 300 350

Dimenzijsko razmerje lamele -𝛾

v_c[m/min]