Vliv povrchu na užitné vlastnosti výrobku

V současné době již existují nástroje, a to jak přístrojové vybavení, tak i odborné zkušenosti, které dovolují komplexní rozbor stavu povrchu a vzájemné souvislosti s výslednými vlastnostmi. Autoři článku se zabývají komplexním hodnocením obrobeného povrchu s využitím současného stavu poznání, které je často shrnuto pod pojmem integrita povrchu. Pro toto hodnocení byly využity analýzy scratch testu, nanoindentačního měření, impact testu, lokálních korozních testů. K přesnému popisu povrchu je vhodnější uvést nejen hodnoty drsnosti Ra, ale také další povrchové charakteristiky a především hodnoty plošné drsnosti.

Aplikace poznatků z integrity povrchu

Na pracovišti autora se integritě povrchu věnuje velká pozornost. Vyplývá to nejen z přístrojového vybavení pracoviště, ale také ze spolupráce s katedrou obrábění, která je rovněž součástí Fakulty strojní na ZČU v Plzni. Tato spolupráce je rozšířena do praktických aplikací díky řešeným projektům a průmyslovým zakázkám zabývajících se nejen přesností obrábění, ale také stavem povrchu. Před 4 lety byla na evropském trhu jedině firma Baublies [1], která nabízela možnost definované povrchové změny obrobeného povrchu. Jejím přínosem byl samostatný válečkovací nástroj, který má celou řadu výhod. Mezi nejvýznamnější patří to, že je pro dané průměrové rozsahy nastavitelný a této změny lze využít i při opotřebení válečků. Na druhou stranu disponuje nevýhodami spojenými s tím, že je třeba zajistit určité vlastnosti vyvrtaného otvoru, a to nejen z hlediska přesnosti, ale i morfologie povrchu a drsnosti. Také jej nelze použít jako sdružený nástroj. Další nevýhodou je jeho vysoká pořizovací cena, která mnohonásobně převyšuje cenu vrtáků a mnohdy i protahovacích trnů. I přes uvedené nevýhody nemá tato firma v Evropě ve svojí výrobkové nabídce konkurenci. Vedle těchto marketingových přínosů je její přínos také akademický, neboť tento výrobkový sortiment přivedl myšlenku integrity povrchu do praxe. Ačkoliv již byla před čtyřmi lety prezentována americká norma pojednávající o integritě povrchu - ANSI B211.1 1986, přesto její využití v praxi bylo a doposud stále ještě je velmi malé.

Cílem tohoto článku je stručně zachytit vybrané faktory, které jsou komplexně shrnuty v teoretické podobě v dané americké normě. Tyto poznatky byly detailně prezentovány v celé řadě příspěvků [2-4]. S  aplikací integrity povrchu v praxi je třeba si počínat velmi opatrně. Je to dáno obsáhlostí dosažených výsledků, které nemusí být v praxi použitelné, naopak mohou poskytovat protichůdné informace. Dříve se stav povrchu hodnotil především veličinami charakterizujícími drsnost. Pozornost byla také věnována povrchovým a podpovrchovým defektům, a to v některých hlubších analýzách i v souvislosti s únavovými vlastnostmi. Komplexnost výsledků vyžaduje pracovat s výsledky v požadovaných souvislostech
a korelacích. Příkladem může být měření zbytkových napětí. Měření zbytkových napětí je věnována celá řada publikací nejen autora článku [2-4], ale také dalších odborníků [5, 6]. Problém nastává nejen s volbou metody stanovující zbytková napětí s určitou (ne)přesností, ale také s její interpretací a využitelností v samotné praxi. V praxi může nastat problém s využitelností poznatků získaných pouze z měření zbytkových napětí, na jejichž základě by měly být vyřazeny nevhodné výrobky nebo predikovány provozní vlastnosti. Proto autor i jeho kolektiv směrují experimenty a analýzy pro širší zachycení jednotlivých vlastností. Ty mohou na první pohled poskytovat protichůdné poznatky, ale v širším kontextu jsou přesnější než pouze měření zbytkových napětí, jejichž interpretace je složitá, mnohdy i nemožná. Tuto složitost si autor ověřil při studii a vyhodnocování integrity povrchu vrtaných otvorů o délce 3D, u nichž byla požadována přesnost IT6-IT7.

Stav povrchu vrtaných otvorů

Pro tuto studii lze využít světelný metalografický mikroskop. Pro větší detailní posouzení povrchového podpovrchového stavu je vhodný řádkovací elektronový mikroskop. Snímky povrchů jednotlivých otvorů jsou porovnány, a to nejen vizuálně, ale také pomocí obrazové analýzy.

Z vlastních poznatků vyplývá, že na povrchu mohou být stopy i v jiných směrech (obr. 1). Tyto stopy nejsou při klasickém měření lineární drsnosti zachyceny, takže zůstávají bez povšimnutí. A proto se tyto „nerovnosti" neodrazí na hodnotách drsnosti. Z tohoto důvodu nelze považovat výsledky drsnosti za dostatečně průkazné, neboť nepostihují skutečný stav povrchu. Přesto mnoho autorů považuje hodnoty drsnosti za rozhodující při popisu povrchového stavu. Na pracovišti autora se osvědčila dokumentace povrchu pomocí světelného, popř. konfokálního skenovacího mikroskopu a jeho vyhodnocení pomocí obrazové analýzy a stanovení plošné drsnosti.

Mikrostruktura povrchu

Studium povrchu je zapotřebí provádět nejen z hlediska jeho reliéfního stavu, ale také pro podchycení vnitřní struktury. Při posuzování heterogenní struktury např. u šedé litiny, se tento přístup osvědčil, neboť lokality s vytrženým materiálem souvisely s podpovrchovou polohou grafitu. Povrchový reliéf je jednoznačně ovlivněn strukturním stavem. Tento strukturní stav se mění v souvislosti s vneseným napětím a teplotou. Tyto souvislosti se potvrdily především při vrtání nástrojové oceli D2, kdy při vhodných parametrech obrábění nastalo „znovuzakalení" vrtaného povrchu a výrazně se zvýšila tvrdost (z 800HV0,05 až na 1300HV0,05). Z mikrostruktury povrchu a jeho stavu lze také usoudit, že v některých případech dochází k pevnému ulpění třísky. Jak dokumentuje obr. 2, vzniká tak falešný povrch, který má odlišné vlastnosti a dává tak i nesprávný rozměr konečnému výrobku.

Povrchová a podpovrchová mikrotvrdost

Vyšší tvrdost je často požadována z důvodů zvýšení odolnosti při kontaktním namáhání.
V případě svěrných spojů čep-díra je tvrdost spojena s konstrukční tuhostí. Vrtáky vlastní konstrukce byly navrženy pro vyvrtání děr s vysokou přesností právě pro tyto aplikace. Proto byla i v experimentech věnována vysoká pozornost hodnotám tvrdosti a souvisejícím vlastnostem.

Mikrotvrdost vzorků se doporučuje měřit ve dvou rovnoběžných liniích vzdálených
od povrchu a zároveň od sebe cca 50 μm. Poloha první linie má být těsně pod povrchem obráběné plochy a má zasahovat do plasticky deformované zóny vzniklé působením obráběcího nástroje. Druhá linie má za cíl zaznamenat tvrdost neovlivněného materiálu. Porovnáním průměrných hodnot tvrdosti v obou liniích a střední směrodatné odchylky lze usuzovat na stav povrchu materiálu po provedeném obrábění.

Nanoindentační měření mikrotvrdosti

Nanoindentační měření má oproti klasické mikrotvrdosti celou řadu přínosů. Jednak je to jeho přesnost a jednak i množství výstupů, které podstatně důvěryhodně popisují povrchový stav,
a to především v případě zpevněných povrchů. Z nanoindentačních křivek lze zjistit nejen korigované hodnoty ve vazbě na použitý indentor, ale také porovnatelné výsledky
s klasickou mikrotvrdostí. Dalším přínosem je možnost získat informace o elasticko-plastických vlastnostech povrchu.

Byla vytvořena metodika, tak aby bylo měření provedeno v oblasti základního materiálu,
tj. vrtáním neovlivněné oblasti v oblasti těsně pod obrobeným povrchem. Z dosažených výsledků se projevil vliv zpevnění i nárůst elastických deformací oproti plastickým.

Analýza povrchu metodou „scrach test"

Tato vrypová zkouška se v současnosti aplikuje nejčastěji při hodnocení adhezivně-kohezivního chování systémů tenká vrstva-substrát. Použitím této metody při posuzování rovnoměrnosti a tvrdosti materiálu u obrobeného povrchu je využito její historické podstaty, kterou využil Mohse při porovnávaní tvrdosti minerálů. Cílem měření je nejen posoudit vzájemně tvrdost povrchu, ale také jeho rovnoměrnost po celé délce vrtané hloubky.  
Z vytvořené metodiky vyplývá, že na povrchu mají být provedeny vrypy při konstantním zatížení tak, aby byl s vysokou citlivostí zachycen rozdíl mezi ledovanými povrchy. Při posuzování povrchového stavu šedé litiny bylo zvoleno zatížení 40 N. Vytvořené objemy byly naměřeny pomocí konfokálního mikroskopu Olympus Lext 3100 při zvětšení 200x.

V některých případech vlastního měření nekorespondovaly výsledky s předchozími poznatky a nebo byly v rozporu s očekáváním. Tyto protichůdné závěry názorně dokreslují obtížné hledání komplexních vlastností realného povrchu ve vazbě na integritu povrchu.

Závěr

Integrita povrchu spojuje jednotlivé výsledky, které mají vytvářet ucelený obraz o stavu obrobeného povrchu. Bohužel se stává, že některé výsledky jsou protichůdné a lze je těžko zařadit, aniž by nezpůsobily rozpory. Může to vyplývat z nepřesností měření, ale také nelze vyloučit vliv neznámých faktorů, které při různých měřeních mají odlišné významy. První důvod lze eliminovat větším množstvím měření a statistickým zpracováním výsledků
i s přihlédnutím ke směrodatné odchylce. Na základě široké spolupráce jak akademické sféry, tak i výrobců a uživatelů řezných nástrojů budou i nadále rozšiřovány poznatky a výsledky vytvářející ucelený mozaikový obraz integrity povrchu.

Tento článek vznikl řešením projektu FI-IM4/226 a také řešením studentského projektu MŠMT - Rozvoj oboru materiálové inženýrství a strojírenská metalurgie, který je financován FST-ZČU Plzeň.

doc. Dr. Ing. Antonín Kříž

kriz@kmm.zcu.cz

Literatura

[1] stránky firmy Baublies AG  dostupné on line na   //www.baublies.com/de/index.htmlOn-line%202.8.2010.

 [2] KŘÍŽ A., ŠIMEČEK J. Vliv integrity povrchu na užitné vlastnosti výrobku. In Sborník konference Vrstvy a   Povlaky. Rožnov pod Radhoštěm: LISS, a. s., 2009, s. 36-42.

[3] KŘÍŽ A. Integrita povrchu a její význam v praktickém použití. On-line dostupné na //www.ateam.zcu.cz/, on-line 2. 12. 2009.

[4] KŘÍŽ A., ŠIMEČEK J. Surface integrity in heat treatment. In Sborník konference  Tepelné zpracování. Jihlava: Ecosond, 2009, s. 1-6.  ISBN 978-80-254-3067-5.

[5] BUMBÁLEK B. Integrita povrchu a její význam pro posouzení vhodnosti dané plochy pro  její funkci. On-line dostupné na //www.ateam.zcu.cz/, on-line 2. 12. 2009.

[6] STEPHENSON D. J. Surface Integrity Control During The Precision Machining Of Brittle  Materials, dostupné on-line na //www.azom.com/, on-line 2. 12. 2009.

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO.