Modeling of surface geometric structure state after intergrated formed milling and burnishing

• Autorzy: Berczyński S. , Grochała D. , Grządziel Z.

Identyfikatory

DOI

10.1515/mspe-2017-0020

Warianty tytułu

PL

Modelowanie stanu struktury geometrycznej powierzchni po zintegrowaniu kształtującego frezowania z wykończeniowym nagniataniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article deals with computer-based modeling of burnishing a surface previously milled with a spherical cutter. This method of milling leaves traces, mainly asperities caused by the cutting crossfeed and cutter diameter. The burnishing process – surface plastic treatment – is accompanied by phenomena that take place right in the burnishing ballmilled surface contact zone. The authors present the method for preparing a finite element model and the methodology of tests for the assessment of height parameters of a surface geometrical structure (SGS). In the physical model the workpieces had a cuboidal shape and these dimensions: (width × height × length) 2×1×4.5 mm. As in the process of burnishing a cuboidal workpiece is affected by plastic deformations, the nonlinearities of the milled item were taken into account. The physical model of the process assumed that the burnishing ball would be rolled perpendicularly to milling cutter linear traces. The model tests included the application of three different burnishing forces: 250 N, 500 N and 1000 N. The process modeling featured the contact and pressing of a ball into the workpiece surface till the desired force was attained, then the burnishing ball was rolled along the surface section of 2 mm, and the burnishing force was gradually reduced till the ball left the contact zone. While rolling, the burnishing ball turned by a 23° angle. The cumulative diagrams depict plastic deformations of the modeled surfaces after milling and burnishing with defined force values. The roughness of idealized milled surface was calculated for the physical model under consideration, i.e. in an elementary section between profile peaks spaced at intervals of crossfeed passes, where the milling feed fwm = 0.5 mm. Also, asperities after burnishing were calculated for the same section. The differences of the obtained values fall below 20% of mean values recorded during empirical experiments. The adopted simplification in aftermilling SGS modeling enables substantial acceleration of the computing process. There is a visible reduction of the Ra parameter value for milled and burnished surfaces as the burnishing force rises. The tests determined an optimal burnishing force at a level of 500 N (lowest Ra = 0.24 μm). Further increase in the value of burnishing force turned out not to affect the surface roughness, which is consistent with the results obtained from experimental studies.

PL

W artykule przedstawiono komputerowe modelowanie nagniatana powierzchni frezowanej frezem kulistym. Taka metoda frezowania pozostawia ślady, gdzie dominują nierówności wynikające z posuwu wierszowania i średnicy freza. Procesowi nagniatania (obróbce plastycznej powierzchni) towarzyszą zjawiska zachodzące bezpośrednio w strefie kontaktu kulki nagniatającej z powierzchnią frezowaną. Zaprezentowano sposób przygotowania modelu MES i metodykę badań służących ocenie wartości wysokościowych parametrów Struktury Geometrycznej Powierzchni (SGP). W przygotowanym modelu fizycznym, próbki miały kształt prostopadłościanu o wymiarach: 2×1×4,5 mm (szerokość × wysokość × długość). Ponieważ w trakcie nagniatania w prostopadłościennej próbce występują odkształcenia plastyczne, uwzględniono nieliniowości materiału próbki frezowanej. Model fizyczny procesu zakładał również odtaczanie kulki nagniatającej w kierunku prostopadłym do śladów pozostawionych przez frez. W badaniach modelowych przyjęto trzy różne wartości siły nagniatania wynoszące odpowiednio 250 N, 500 N i 1000 N. Modelowanie procesu obejmowało, kontakt i wciskanie kulki w powierzchnię próbki do osiągnięcia wartości żądanej siły nagniatania a następnie rozpoczęcie odtaczania kulki nagniatającej po powierzchni na odcinku 2 mm, następnie stopniowo zmniejszano wartość siły nagniatania aż do wyjścia kuli ze strefy kontaktu. Podczas odtaczania kula nagniatające obracała się o kąt 23°. Przedstawiono zbiorcze wykresy deformacji plastycznych modelowanych powierzchni po frezowaniu i nagniataniu wybranymi wartościami sił. Obliczono chropowatość idealizowanej powierzchni frezowanej w rozważanym modelu fizycznym, na odcinku elementarnym pomiędzy szczytami profilu odległymi o odległość posuwu wierszowania przy frezowaniu fwm = 0,5 mm. Na tym samym odcinku obliczono chropowatości po nagniataniu. Różnice otrzymanych wartości mieszczą się poniżej 20% zarejestrowanych wartości średnich w trakcie badań doświadczalnych. Przyjęte uproszczenie w modelowaniu SGP po frezowaniu pozwala na znaczne przyśpieszenie procesu obliczeniowego. Widoczne jest obniżenie się wartości parametru Ra dla modelowanych powierzchni po frezowaniu i nagniataniu wraz ze wzrostem siły nagniatania. W badaniach otrzymano optimum siły nagniatania przy wartości wynoszącej 500 N (najniższa wartość Ra = 0,24 μm), dalsze zwiększanie wartości siły nagniatania nie powoduje zmniejszania się wartości chropowatości powierzchni, co jest zgodne z wynikami otrzymanymi w trakcie prowadzonych badań doświadczalnych.

Słowa kluczowe

EN

surface geometric structure; milling; burnishing; hybrid machining; FEM modeling

PL

struktura geometryczna powierzchni; frezowanie; nagniatanie; obróbka hybrydowa; modelowanie MES

• Wydawca: STE GROUP
• Czasopismo: Management Systems in Production Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 2 (25)
• Strony: 131--136
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Berczyński S.

• West Pomeranian University of Technology Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics Aleja Piastów 19, 70-310 Szczecin, POLAND

autor

Grochała D.

• West Pomeranian University of Technology Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics Aleja Piastów 19, 70-310 Szczecin, POLAND

autor

Grządziel Z.

• Maritime University of Szczecin Faculty of Marine Engineering ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin, POLAND

Bibliografia

• [1] C.H. Chen and F.J. Shiou. “Determination of Optimal Ball-Burnishing Parameters for Plastic injection Moulding Steel”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 21, issue 3, March 2003, pp. 177-185.
• [2] D. Grochała, S. Berczyński and Z. Grządziel. “Stress in the surface layer of objects burnished after milling”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 72, issue 9, June 2014, pp. 1655- 1663.
• [3] R. Gubała, D. Grochała and W. Olszak. „Mikrohydrauliczne narzędzie do nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych”, Mechanik, no. 1, 2014, pp. 22-23.
• [4] J. Kalisz, K. Żak, W. Grzesik and K. Czechowski. „Characteristics of surface topography after rolling burnishing of EM AW-AlCu4MgSi(A) aluminum alloy”, Journal of Machine Engineering, vol. 15, no. 1, 2015, pp. 71-80.
• [5] W. Kwaczyński, K. Chmielewski and D. Grochała. „Programowanie frezowania i nagniatania złożonych powierzchni przestrzennych na centrach frezarskich ze sterowaniem wieloosiowym”, in Współczesne problemy technologii obróbki przez nagniatanie, vol. 3, W. Przybylski, Ed., Gdańsk: Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, 2011, pp. 179-191.
• [6] L.N. López de Lacalle, A. Lamikiz, J. Muñoa and J.A. Sánchez. “Quality improvement of ball-end milled sculptured surfaces by ball burnishing”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 45, issue 15, December 2005, pp. 1659-1668.
• [7] L.N. López de Lacalle, A. Lamikiz, J.A. Sánchez and J.L. Arana. “The effect of ball burnishing on heat-treated steel and Inconel 718 milled surfaces”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 32, issue 9-10, April 2007, pp. 958-968.
• [8] A. Rodríguez, L.N. López de Lacalle, A. Celaya, A. Lamikiz and J. Albizuri. “Surface improvement of shafts by the deep ball-burnishing technique”, Surface & Coatings Technology, vol. 206, 2012, pp. 2817-2824.
• [9] F.J. Shiou and C.H. Chen. “Ultra-precision surface finish of NAK80 mould tool steel using sequential ball burnishing and ball polishing processes”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 201, 2008, pp. 554-559.
• [10] F.J. Shiou and C.H. Chuang. “Precision surface finish of the mold steel PDS5 using an innovative ball burnishing tool embedded with a load cell”, Precision Engineering, vol. 34, issue 1, January 2010, pp. 76-84.
• [11] M. Sosnowski and D. Grochała. „Problemy technologii nagniatania powierzchni przestrzennych złożonych na centrach obróbkowych”, Mechanik, no. 1, 2011, pp. 14-18.
• [12] V.P. Kuznetsov, LYu. Smolin, A.J. Dmitrtev, S.Yu. Tarasov, V.G. Gorgots. "Toward control of subsurface strain accumulation in nanostructurin burnishin on hermostrenghened steel”. Surface&Coatings Technol. No. 285 2016, s. 171-178., http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.11.045K.
• [13] Żak and W. Grzesik. “Investigation of technological effects of ball burnishing after cryogenic turning of hard steel”, Advances in Manufacturing Science and Technology, vol. 38, no. 1, 2014, pp. 37-52.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)