2. Analiza stanu wiedzy
2.7. Modelowanie procesu LAM i efektów oddziaływania wiązki lasera na materiał
rozumianego bilansu cieplnego skrawania. Oddziaływanie wiązki lasera zmienia rozkład naprężeń powstających w strefie skrawania. Badania numeryczne naprężeń warstwy skrawanej [43] w warun-kach skrawania wspomaganego laserowo, podczas toczenia swobodnego, wykazały występowanie naprężeń rozciągających do głębokości 70 µm obrabianego materiału. Podobne wartości uzyskano w obliczeniach modelu oddziaływania ostrza na materiał podczas obróbki konwencjonalnej. Wartość różnicy naprężeń w strefie kontaktu ostrza i materiału obrabianego jest znacząco mniejsza (rys. 2.38).
Zmianę wartości naprężeń w płaszczyźnie poślizgu w LAM zaobserwowano w pracy [145].
W badaniach numerycznych wykazano, że wzrost prędkości skrawania nie jest powiązany z liniowym wzrostem naprężeń. Jest to potwierdzone wynikami, jakie uzyskuje się w analizie czynników istot-nych, wpływających na siły w procesie LAM [146].
Rys. 2.38. Naprężenia w strefie ścinania dla skrawania swobodnego obróbki a) konwencjonalnej oraz b) wspo-maganej; symulacje dla stali 42CeMo4, vc = 240 m/s, ap = 3 mm, f = 0,1 mm/obr [43]
Błędny dobór parametrów nagrzewania, wiązać się będzie z powstaniem zmiennego pola przekro-ju warstwy skrawanej i niejednorodnej metalograficznie warstwy skrawanej. Prawidłowo przeprowa-dzony proces nagrzewania laserowego oraz pomiar temperatury materiału obrabianego, musi opierać
układ laser-grzałka
układ grzałka-laser wrzeciono
wrzeciono
materiał obrabiany materiał obrabiany
39
się na znajomości rozkładu strumieni ciepła w procesie. W podstawowym ujęciu procesu laserowego wspomagania skrawania z cieplnym zmiękczeniem warstwy wierzchniej, źródłami ciepła są:
- praca odkształceń plastycznych i dekohezji materiału zużywana na tworzenie wióra (Qo), - praca sił tarcia na powierzchni natarcia (Qt),
- praca sił tarcia na powierzchni przyłożenia (Qtα),
- praca odkształceń plastycznych poprzedzających poślizg i przenikających do WW (QWW), - praca wynikająca z nagrzewania wiązką lasera powierzchni elementu (QL),
- praca odkształceń termicznych pomiędzy ostrzem a miejscem nagrzewania laserowego (Qto).
Ciepło wydzielone QLAM w strefie dekohezji materiału obrabianego w warunkach LAM jest sumą bilansów cieplnych związanych z nagrzewaniem laserowym Ql oraz procesem skrawaniem Q. Wiązka lasera dostarcza ciepło Qls do materiału obrabianego, który zanim zostanie usunięty, oddaje ciepło do materiału niezeskrawanego Qml. Część ulotni się w wyniku wymiany z atmosferą Qal. W momencie skrawania (w strefie dekohezji materiału) ciepło jest unoszone przez wiór Qw, przejmowane przez ostrze skrawające Qn oraz ciepło oddawane do atmosfery w obrębie strefy skrawania Qas. Część ciepła jest również pochłaniana przez materiał obrabiany Qms. W formie symbolicznej, bilans cieplny procesu laserowego wspomagania toczenia można przestawić za pomocą równania:
QLAM = Ql +Q = Qls + Qml + Qal + Qw + Qn + Qms + Qas (2.5) W aspekcie praktycznym Niesłony [87] zwrócił uwagę na znajomość rozkładu ciepła pomiędzy wiórem, ostrzem i materiałem obrabianym. W przypadku laserowego wspomagania obróbki skrawa-niem, rozkład znany z takich prac jak [87] ulegnie zmianie. Kierunki przepływu strumieni cieplnych przedstawiono na rys. 2.39.
Rys. 2.39. Kierunki propagacji ciepła podczas skrawania ze wspomaganiem laserowym (opracowanie własne) Efekt zmiękczenia cieplnego uzyskany będzie jedynie w przypadku, gdy ciepło dostarczone do ma-teriału Qml będzie skupiało się tylko w warstwie wierzchniej, nie wprowadzając zmian w rdzeniu ma-teriału lub w narzędziu. Dodatkowo, strumień ciepła, który będzie zmniejszał wartość pracy odkształ-cenia plastycznego zużywanej na tworzenie wióra Qo, nie będzie znacząco wpływał na sumaryczną wartość ciepła, przenikającą do narzędzia oraz w szczególnych przypadkach, do uchwytu obróbkowe-go.
Prawidłowy dobór warunków nagrzewania powierzchni cylindrycznej – czyli elementu najczęściej obrabianego podczas toczenia – opisany został równaniem sformułowanym w pracach [115, 116, 117, 118]:
ql
ql m
ql s
ql a qs w
qs m qα m
qα n
qγ n
qγ w
40 1
𝑟
𝜕
𝜕𝑟(𝑘𝑟𝜕𝑇
𝜕𝑡) + 1 𝑟2
𝜕
𝜕𝜑(𝑘𝜕𝑇
𝜕𝜑) + 𝜕
𝜕𝑧(𝑘𝜕𝑇
𝜕𝑧) + 𝑞′′′ = 𝜌𝑐𝑝𝜔𝜕𝑇
𝜕𝜑+ 𝜌𝑐𝑝𝑉𝑧𝜕𝑇
𝜕𝑧 + 𝜌𝑐𝑝𝜕𝑇
𝜕𝑡 (2.6)
Zależności geometryczne pomiędzy poszczególnymi strumieniami ciepła opisuje model jak na ry-sunku 2.40. Zastosowanie odpowiednich warunków brzegowych w równaniu 2.2 pozwala na wyzna-czenie wartości pół temperatur w procesie nagrzewania, jak i nagrzewania z usuwanym materiałem.
Zestawienie warunków brzegowych przedstawiono w tabeli 2.9.
a)
b)
Rys. 2.40. Kierunki propagacji ciepła podczas skrawania ze wspomaganiem laserowym obowiązujące w modelu [115] dla a) nagrzewania laserowego oraz b) laserowego wspomagania toczenia [116][118]; k – przewodność cieplna; ρ – gęstość, cp – ciepło właściwe; ω -prędkość obrotowa elementu; vz – prędkość posuwowa; q” –
stru-mień ciepła objętościowego
Modele przepływu ciepła w strefie skrawania, znalazły zastosowanie w wielu innych badaniach, takich jak w [108]. Na rysunku 2.41 przedstawiono wyniki symulacji strefy wpływu ciepła w stopie Inconel 718 podczas frezowania wspomaganego laserowo. Warto zauważyć, że strefa wpływu ciepła nie spowodowała zmian w materiale stopu. Nie występuje rozdrobienie ziarna, zmiana kierunkowości jego ułożenia lub inne zmiany obserwowane np. dla stopów żelaza.
Temperatura warstwy skrawanej zależy od wielu czynników fizycznych. Jednym z nich jest ab-sorpcja wiązki lasera przez materiał obrabiany. Znaczący wpływ na pochłanialność energii ma długość fali wiązki laserowej. Długość wiązki jest determinowana źródłem akcji laserowej. Dla laserów na ciele stałym typu Nd:YAG długość fali wynosi około 1,06 µm, dla lasera gazowego CO2 długość fali jest blisko dziesięciokrotnie wyższa i wynosi 10,6 µm [35, 54]. Absorpcja wiązki zależy również od
41
refleksyjności powierzchni obrobionej, która z kolei jest silnie uzależniona od struktury geometrycznej powierzchni nagrzewanego stopu [54].
Tabela 2.8. Warunki brzegowe dla modelu cieplnego nagrzewania laserowego i laserowego wspomagania skrawania [116, 118]
Miejsce Nagrzewanie laserowe Skrawanie z nagrzewaniem
powierzchnia
42
Rys. 2.41. Wynik prób symulacyjnych w postaci pól temperatur i badań doświadczalnych nagrzewania lasero-wego stopu Inconel 718 [108]
Współczynnik absorpcji zmienia się od wartości temperatury powierzchni obrabianej oraz czasu pojedynczego impulsu wiązki lasera [54]. Absorpcja pojedynczego impulsu wiązki lasera gazowego jest zbliżona w zakresie temperatur 500-1500 K i niezależna od stanu struktury geometrycznej po-wierzchni (rys. 2.42a). Czas impulsu znacząco poprawia pochłanialność energii wiązki (rys. 2.42b).
Źródło lasera generującego krótszą długość fali, ma możliwość głębszej penetracji materiału obrabia-nego, co więcej współczynnik absorbcji zmienia się niemal dwukrotnie przy wzroście temperatury powierzchni obrabianej (tabela 2.9).
a) b)
Rys. 2.42. Pomiary współczynnika absorbcji stopu Inconel 718 dla dwóch źródeł energii oraz stanu powierzchni nagrzewanego elementu a) lasera CO2 b) lasera Nd:YAG [54]
Tabela 2.9. Wpływ temperatury, stanu powierzchni nagrzewanego elementu na absorpcyjność wiązki dla różnej długości fali wiązki lasera [108] S – punkt początkowy oraz K – punkt końcowy pomiaru temperatury [54]
Materiał i przygotowanie
43
Absorpcyjność powierzchni jest kluczowym czynnikiem dla którego lasery Nd:YAG stosowane są w technologii laserowego wspomagania skrawania stopów Inconel 718. Świadczy o tym, przywołany wcześniej zakres stosowalności różnych ostrzy skrawających w LAM i rodzaj lasera zastosowany w poszczególnych publikacjach (tabela 2.5 oraz 2.6).
W pracach [3], [35] oraz [125] zastosowano dwa źródła wiązki laserowej nagrzewające powierzch-nie elementu oraz jak i powierzchnię skrawaną, zgodpowierzch-nie ze schematem przedstawionym na rys. 2.43.
Nie odleziono prac stwierdzających korzyści z zastosowania dwóch laserów w procesie wspomaga-nym, z uwzględnieniem kosztu jednostkowego lub technicznego kosztu wytworzenia.
Rys. 2.43. Zastosowanie dwóch źródeł energii wiązki laserowej (Nd:YAG+CO2) podczas toczenia nadstopu niklu, wymiary geometryczny i miejsce padania wiązki na tworzącą wałka [35]
wiązka lasera Nd:YAG wiązka lasera
Nd:YAG
dl = 4 mm
lw = 1,2 mm ap
pow.obrobiona pow. obrabiana
pow. nieobrobiona
44 2.8. Podsumowanie stanu wiedzy
Aktualny stan wiedzy z zakresu skrawania konwencjonalnego i wspomaganego laserowo stopów Inconel 718, można podsumować następująco:
1. Znane są możliwości zastosowania oraz ograniczenia wynikające z zastosowania różnych ma-teriałów narzędziowych w procesie toczenia konwencjonalnego stopu Inconel 718 [31, 65, 157, 159]. Informacje dotyczące skrawalności ostrzy w procesie LAM odnoszą się do zasto-sowań węglików spiekanych oraz ceramiki narzędziowej [4, 12, 85, 147].
2. Naprężenia występujące w warstwie wierzchniej, powstałe w procesie skrawania konwencjo-nalnego stopu Inconel 718, przyjmują postać naprężeń rozciągających, które przechodzą w naprężenia ściskające, gdzie na określonej głębokości efekt oddziaływania ostrza całkowi-cie zanika [34, 92, 124].
3. Zjawisko powstawania białej warstwy w strefie przypowierzchniowej obserwuje się po obrób-ce skrawaniem [19] lub elektroerozyjnej [24, 77]. Biała warstwa (strefa) po skrawaniu ma cha-rakter ciągły lub ujawniający się w postaci nieregularności na powierzchni obrabianej będącej efektem bocznego płynięcia materiału. Grubość białej warstwy jest zależna od jej charakteru i przyjmuje wartość do 5 µm dla postaci ciągłej oraz do 30 µm dla formy o nieregularnej gru-bości [19].
4. Wykazano, że optymalna ze względu na trwałość, zawartość CBN w osnowie dla toczenia stopu Inconel 718, powinna oscylować pomiędzy 45% a 60% udziału masowego, a zastoso-wana prędkości skrawania powinna być dobrana z zakresu vc = 250÷300 m/min [32].
5. Model rozpływu ciepła w strefie skrawania w warunkach laserowego wspomagania toczenia, jak i samego nagrzewania. Warunki brzegowe opisują oddziaływanie wiązki lasera, ostrza skrawającego, materiału skrawanego oraz otoczenia [115÷118].
6. Istnieją prace związane z optymalizacją parametrów skrawania jak i nagrzewania dla LAM stopu Inconel 718, w których parametrami optymalizowanymi są odległość kątowa między miejscem nagrzewania a skrawania, moc lasera, prędkość skrawania oraz posuw [4, 12, 85, 140, 147].
7. Wiązka lasera Nd:YAG posiada krótsza falę niż wiązka lasera CO2, stąd też częściej stosowa-na jest w laserowo wspomaganym toczeniu stopu niklu Inconel 718 [4, 6, 12, 42, 85]. Zstosowa-nane są zastosowania dwóch laserów w LAM [3, 35, 125].
8. Prace w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych dla laserowego wspomagania frezowania osią-gnęły zaawansowany poziom technologiczny umożliwiający prace wdrożeniowe. Prowadzone są badania uwzględniające dodatkowe rozwiązania zwiększające wydajność procesu nagrze-wania laserowego przez optymalizację pozycji miejsca nagrzenagrze-wania względem narzędzia, lub wprowadzenie dodatkowego źródła energii cieplnej [11, 17, 60, 69, 94, 95, 153].
Przeprowadzona analiza pozwala stwierdzić, że obszar laserowego wspomagania skrawania jest jeszcze słabo rozpoznany. Można wskazać braki oraz niejednoznaczności związane z zakresem stoso-wanych parametrów skrawania, jak i nagrzewania. Kierunki badawcze wymagające sprecyzowania i szczegółowej analizy to:
− ocena efektów zastosowania różnych mechanizmów laserowego wspomagania skrawania na właściwości technologicznej warstwy wierzchniej,
− zastosowania laserowego wspomagania toczenia dla różnych odmian kinematycznych procesu z uwzględnieniem strategii wspomagania laserowego,
− analiza skrawalności w warunkach LAM stopu Inconel 718 po różnych obróbkach cieplnych,
45
− opis zaleceń odnośnie doboru parametrów technologicznych toczenia ze wspomaganiem lase-rowym dla obróbki z zastosowaniem lasera i ostrza skrawającego,
− porównanie mechanizmów zużycia ostrzy z różnych materiałów narzędziowych w procesie toczenia ze wspomaganiem laserowym,
− zastosowanie laserowego wspomagania skrawania w obróbce HSM, w zakresach prędkości vc
stosowanych dla ostrzy CBN z uwzględnieniem trybów wspomagania,
− wskazanie różnic pomiędzy procesem hybrydowym oraz łączonym czy też wspomaganym,
− brak szczegółowej analizy procesu toczenia ze wspomaganiem laserowym stopu 718 ze względu na Kj oraz technicznego kosztu wytworzenia.
46
3. B
ADANIA ROZPOZNAWCZE 3.1. Cel i zakres badańCelem badań rozpoznawczych była ocena parametrów struktury geometrycznej powierzchni stopu Inconel 718 po toczeniu tradycyjnym narożem ostrza oraz krawędzią prostoliniową w warunkach ob-róbki konwencjonalnej oraz wspomaganej laserowo w trybie sekwencyjnym.
Warunki przeprowadzonych badań – zakres prędkości skrawania oraz nagrzewania, wartości po-suwu, kinematyka procesu czy też inne parametry, zostały dobrane na podstawie doświadczeń wła-snych Zespołu oraz analizy światowej literatury. Stanowiły one punkt wyjścia do dyskusji o możliwo-ści zastosowania technologii LAM w obróbce ubytkowej nadstopów niklu.
Badania dotyczyły toczenia wzdłużnego stopu w warunkach wspomagania laserowego w trybie sekwencyjnym. Idea procesu została przedstawiona we wcześniejszych rozdziałach (rys. 3.1). W ba-daniach rozpoznawczych zastosowano tzw. toczenie skośne, ze względu na jego większą wydajność skrawania, niż w przypadku toczenia narożem, przy porównywalnych wartościach chropowatości teoretycznej, co zostało opisane m. in. pracach [29] oraz [63]. Większa wydajność może stanowić ważny czynnik ekonomiczny, wpływający na ostateczną wartość kosztu jednostkowego.
3.2. Metodyka badań rozpoznawczych
Próby przeprowadzono na wale o wymiarach przedstawionych na rys. 3.1a, wykonywanych na stopie Inconel 718 o twardości 45HRC (w stanie utwardzonym wydzieleniowo). Mikrostrukturę stopu przed obróbką przedstawiono na rysunku rys. 4.1b.
a) b)
Rys. 3.1. Materiał stosowany w badaniach a) wymiary próbki oraz b) mikrostruktura stopu Inconel 718 (45HRC) (opracowanie własne)
Toczenie konwencjonalne wałka w stanie po obróbce cieplnej oraz przetopionego laserowo, prze-prowadzono w warunkach obróbki na sucho, na tokarce TUR560. Skrawano narożem ostrza oraz kra-wędzią prostoliniową. Ostrza zastosowane w próbach to ceramika SiAlON o geometrii zgodnej z PN-ISO 1832-1998 o oznaczeniu SNGN 120408 produkcji firmy Kennametal. Wartości parametrów zmiennych przedstawiono w tabeli 3.1. Skrawano ze stałą wartością głębokości ap = 0,15 mm oraz prędkością skrawania vc = 100 m/min. Kąt pochylenia krawędzi skrawającej podczas toczenia skośne-go λs = 45°.
Nagrzewanie laserowe przeprowadzono na laserze molekularnym CO2, o maksymalnej mocy PCO2=2,6 kW. Zastosowana prędkość przemieszczania się wiązki lasera po powierzchni próbki (pręd-kość skanowania, pręd(pręd-kość nagrzewania) wynosiła vl=5 m/min. Powierzchnia wałka przed nagrzewa-niem została pokryta powłoką absorpcyjną typu Acheson.
I II VI V IV III
Oznaczenie sekcji
47
Oceniono parametry chropowatości Rz, Ra, Rku oraz Rsk wg normy PN-EN ISO 4287(1999), zgodnie z którą odcinek elementarny lr przyjęto 0,8mm. Badania wykonano za pomocą profilografo-metru Hommel Tester T500 z oprogramowaniem TurboDataWin.
W analizie statystycznej wyników prób oceniano wartości średnie i przedziały ufności ±s(xśr)tα,n–1
dla poziomu istotności α = 0,05 i n–1 = 5 stopni swobody. Na wykresach słupki reprezentują tę war-tość.
Tabela 3.1. Warunki badań
Toczenie Przyjęty model chropowatości
teore-tycznej Powierzchnia f
[mm/obr]
Zgłady metalograficzne przygotowano w Instytucie Obróbki Plastycznej. Strukturę próbek ujaw-niono po trawieniu w odczynnikach składających się z kwasu azotowego HNO3, kwasu solnego HCl oraz gliceryny w stosunku 1:3:2. Obserwacje przeprowadzono na mikroskopach optycznych.
Warstwę przetopioną poddano skrawaniu. Próby skrawania przeprowadzono dla toczenia narożem płytki oraz toczenia krawędzią prostoliniową. Ocenie poddano grupę parametrów mikronierówności.
Analizy dokonano ze względu na dokładności odwzorowania kinematyczno-geometrycznego ostrza w materiale powstałego w trakcie procesu, zgodnie z zależnościami przedstawionymi w tabeli 3.1.
3.3. Wyniki badań i ich analiza
Pierwszym etapem wspomagania w trybie sekwencyjnym jest nagrzewanie powierzchni stopu.
Na rysunku 3.2. przedstawiono zdjęcia mikrostruktury, uzyskanej w wyniki oddziaływania wiązki lasera. Efektem nagrzewania jest wyraźnie wyróżniająca się od mikrostruktury rdzenia, warstwa mate-riału o powtarzającym się kształcie. Powtarzalność ta związana jest z kinematyką nagrzewania oraz parametrami geometrycznymi wiązki lasera. Warstwa ta ma charakter struktury dendrytycznej co można zaobserwować na zbliżaniach (I), (II) oraz (III) – rys. 3.2. Na zbliżeniu (IV) zauważyć moż-na wyraźną granicę między materiałem przetopionym a warstwą pierwotną (V). Granicy między prze-topieniem a warstwą podstawową nie towarzyszą dodatkowe zmiany związane ze strefą wpływu cie-pła. Nie zaobserwowano m.in. rozdrobnienia ziarna po stronie materiału pierwotnego rozpatrywanej w głąb, czy też występowania porów lub pojawianie się dodatkowych aglomeratów.
Ciekawym rozwiązaniem, wcześniej nieopisywanym, jest zastosowanie wiązki lasera do zmian mikrostruktury i późniejsze skrawanie. Przetopiona mikrostruktura posiada mniejszą twardość, niż rdzeń materiału (rys. 3.4). Mniejsza twardość materiału, czyli jednego z podstawowych wskaźników skrawalności, świadczy o możliwości poprawy procesu ubytkowego kształtowania stopu Inconel 718, przez zastosowanie laserowego wspomagania toczenia w trybie sekwencyjnym.
48
Rys. 3.2. Mikrostruktura stopu Inconel 718 (45HRC) po nagrzewaniu laserowym w obszarach przetopienia (I, II, III), przejściowej między przetopieniem oraz rdzeniem (IV) oraz pod powierzchnią przetopioną (V)
Rys. 3.3. Schemat pomiaru mikrotwardości powierzchni przetopionej (opracowanie własne)
Na wykresie 3.5. przedstawiono przebiegi pomiarów oraz wartości chropowatości teoretycznej od-powiadającej zakresowi parametrów technologicznych i geometrycznych narzędzia. Dla posuwu f=0,05 mm/obr podczas toczenia konwencjonalnego, zaobserwować można znaczące odstępstwa
war-I III II
IV V
I II
III V
IV
Ścieżka pomiarowa I Ścieżka pomiarowa II
49
tości parametru Rz do parametru Rzto. Zjawisko to, tłumaczy się powstawaniem tzw. anomaliami w strukturze geometrycznej powierzchni w zakresie małych posuwów. Zastosowanie wspomagania laserowego umożliwiło znaczące obniżenie wartości parametru. Powyżej wartości posuw f > 0,15 mm/obr nie zaobserwowano znaczącej poprawy jakości powierzchni wyrażonej parametrem Rz i jego odstępstwem od wartości teoretycznej.
a) b)
Rys. 3.4. Pomiar mikrotwardości HV0,1 a) w głąb materiału oraz b) pod powierzchnia na głębokości 0,6 mm (opracowanie własne)
Rys. 3.5. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rzt0, Rzt0’ i rzeczywiste Rz powierzchni po toczeniu konwen-cjonalnym oraz wspomaganym laserowo narożem ostrza oraz krawędzią prostoliniową (opracowanie własne)
Zestawienie wartości średnich i ich odchyleń parametrów chropowatości, takich jak średnia aryt-metyczna rzędnych profilu Ra, współczynnik nachylenia profilu (kurtoza) Rku oraz współczynnik asymetrii Rsk (skośność), przedstawiono w tabeli 3.2.
Ze względów eksploatacyjnych, wartość parametru skośności powinna przyjmować wartości ujem-ne, wartości kurtozy mniejsze od trzech, wskazują na korzystną koncentrację profilu wzdłuż linii. Dla analizowanych przebiegów profilu chropowatości, opisanych parametrami Ra, Rku oraz Rsk korzystne wartości otrzymano dla toczenia narożem ostrza przy posuwie f = 0,15 mm/obr oraz dla toczenia kra-wędzią przy posuwie f = 0,25 mm/obr.
Inconel 718 (45HRC); SiAlON vc= 100 m/min; ap= 0,15 mm;
50
Tabela 3.2. Wartości parametrów chropowatości po toczeniu konwencjonalnym oraz wspomaganym laserowo w trybie sekwencyjnym (opracowanie własne)
Toczenie narożem ostrza rε=0,8 mm f
[mm/obr]
Ra [μm] Rku [μm] Rsk [μm]
konw. LAM konw. LAM konw. LAM
0,05 4,57±0,695 0,53±0,032 3,12±0,480 2,81±0,272 0,49±0,177 0,15±0,068 0,15 1,24±0,470 1,74±0,122 1,86±0,233 1,59±0,222 -0,07±0,123 -0,08±0,109 0,25 2,36±0,203 3,28±0,110 2,34±0,188 2,19±0,062 0,49±0,207 0,48±0,128
Toczenie krawędzią prostoliniową dla geometrii: λs = 45°, rε→∞
0,25 0,67±0,186 0,81±0,148 1,96±0,314 2,81±0,226 -0,08±0,183 -0,08±0,182 0,35 0,70±0,202 1,01±0,029 2,38±0,495 2,90±0,274 0,16±0,136 0,74±0,216 0,45 1,04±0,071 1,38±0,072 2,43±0,118 2,77±0,202 0,51±0,028 0,51±0,130
3.4. Wnioski dotyczące badań rozpoznawczych
Przeprowadzone badania pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
− zmiana mikrostruktury warstwy wierzchniej w wyniku oddziaływania wiązki lasera na struk-turę stopu wiąże się z pojawianiem struktury dendrytycznej. W zakresie analizowanych para-metrów obróbki nie stwierdzono występowania warstwy przejściowej między przetopieniem a materiałem pierwotnym, czyli strukturą austenityczną,
− przetopiona struktura dendrytyczna stopu Inconel 718 po starzeniu i utwardzeniu wydziele-niowym ma mniejszą twardość niż struktura austenityczna rdzenia,
− warstwa przetopiona posiada lepszą skrawalność, ze względu na wartości parametrów chro-powatości, aniżeli warstwa austenityczna. W zakresie analizowanych parametrów technolo-gicznych, struktura geometryczna powierzchni przyjmuje korzystniejszą postać dla toczenia wspomaganego w trybie sekwencyjnym w porównaniu do konwencjonalnego, przede wszyst-kim w zakresie posuwu f mniejszego od 0,15 mm/obr,
− nie zaobserwowano znaczącej poprawy jakości SGP dla kinematyki toczenia skośnego.
51
4. T
EZY PRACYLaserowe wspomaganie toczenia umożliwia poprawę warunków i efektów obróbki trudno skrawal-nych materiałów konstrukcyjskrawal-nych, takich jak: ceramika czy kompozyty metalowo-ceramiczne.
Do grupy materiałów trudno obrabialnych zalicza się również nadstop niklu Inconel 718. Mimo licz-nych doniesień literaturowych, związalicz-nych zarówno ze skrawaniem konwencjonalnym jak i odmia-nami wspomaganymi, nie rozwiązano problemów dotyczących kształtowania właściwości warstwy wierzchniej oraz założonych paramentów struktury geometrycznej powierzchni tego superstopu.
Laserowe wspomaganie toczenia stopu Inconel 718 jest niewystarczająco zbadane zarówno pod względem kinematyki procesu, jaki i efektów technologicznych. Brakuje między innymi rozróżnienia i opisu mechanizmów cieplnego oraz przetopieniowego efektu oddziaływania wiązki lasera w LAM.
Brakuje analizy rezultatów oddziaływania wiązki lasera oraz ostrza skrawającego na stan technolo-gicznej warstwy wierzchniej i przyrównania tego sposobu skrawania z obróbką konwencjonalną stopu Inconel 718 po różnych obróbkach cieplnych.
Przeprowadzone badania własne ujawniły możliwość zastosowania LAM w trybie sekwencyjnym w celu poprawy jakości powierzchni obrobionej wyrażonej parametrami chropowatości. Zaobserwo-wano zmiany mikrostruktury warstwy przetopionej, wpływające na poprawę skrawalność stopu 718.
Skrawanie materiału wcześniej przetopionego wiązką lasera, umożliwia obniżenie wartości parame-trów wysokościowych profilu R.
Rozpoznanie problemu naukowego, przeprowadzonego na podstawie analizy stanu wiedzy w lite-raturze krajowej jak i światowej, oraz badań własnych uzasadniają celowość podjęcia badań o charak-terze poznawczym i użytkowym. Obszarem o szczególnie istotnym znaczeniu jest stan warstwy wierzchniej stopu Inconel 718 po toczeniu ze wspomaganiem laserowym. Pozwala to na sformułowa-nie głównych tez pracy.
Główne tezy rozprawy:
I. Efektywność laserowego wspomagania skrawania stopu Inconel 718 uwarunkowana jest od występowania mechanizmu cieplnego zmiękczenia warstwy skrawanej lub wprowadzenia zmian w mikrostrukturze warstwy wierzchniej w wyniku oddziaływania energii cieplnej wiązki lasera na powierzchnię obrabianego elementu.
II. Laserowe wspomaganie toczenia stopu Inconel 718, niezależnie od trybu realizowanego wspomagania, umożliwia poprawę wskaźników skrawalności wyrażonej parametrami struk-tury geometrycznej powierzchni oraz wartościami sił skrawania.
Potwierdzenie tez pracy związane jest z realizacją celów pracy, jakimi są:
− wyznaczenie zakresu temperatury wpływającej na występowania mechanizmu cieplnego zmięk-czenia warstwy skrawanej, poprawiającego warunki obróbki oraz przeprowadzenie prób skrawa-nia z zastosowaniem tego mechanizmu,
− porównanie wartości różnych wskaźników struktury geometrycznej powierzchni po różnych spo-sobach laserowego wspomagania skrawania,
− przeprowadzenie prób porównawczych toczenia stopu Inconel 718 w trybie sekwencyjnym oraz trybie ciągłym, porównując efekty uzyskiwanych właściwości struktury geometrycznej po-wierzchni oraz warstwy po-wierzchniej dla zmiennych parametrów nastawnych,
− opis efektów oddziaływana energii wiązki lasera oraz ostrza skrawającego na występujące w war-stwie wierzchniej efekty takie jak wartości i kierunek naprężeń czy generowanie białej warstwy.
52