Surface characterization of ground surfaces: effects of grinding
Mäkipää, Niko (2019)
2019
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Degree Programme in Materials Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-10-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201910083756
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201910083756
Tiivistelmä
Thesis was focused on to the effects of grinding and the surface characterization of the ground surfaces. Main focus was in Barkhausen noise (BN) and its use in surface characterization measurements done to the assigned sample batches. Grinding wheel types used in grinding were Aluminium oxide (Al2O3) and cubic boron nitrade (CBN), CBN was further divided to B126 and B181 wheels based on the grit size. Purpose of the thesis was to examine how well and reliably can BN be used as the detection method for grinding process, indicating for example grinding burns. In addition, the goal was to find out the differences between the grinding wheels through theory and measurements to finalize an opinion which of the wheels suits the grinding operation of the component better. The suitability was based on the residual stresses that rise inevitability during grinding. The objective of the thesis was to contribute information and help industrial quality control to move from destructive and time consuming testing methods to non-destructive testing (NDT) methods.
The grinding samples were all same size and produced from 20MnCrS5 steel. Samples were carburized case hardened with oil quenching before grinding. The laboratory testing started with the use of NDT methods, once the sample batches arrived to university after grinding processes. Before starting with X-ray diffraction based residual stress measurements, visual inspection indicated the grinding direction in the CBN ground samples. Based on earlier measurements during this project and information found in theory, residual stress deviation depends on the direction of the grinding. By measuring the residual stresses, direction of the grinding was solved based on the values acquired. After this, the surface measurements were started by using BN. Barkhausen experiments included using two different sensors (S6287 and S4740) and two different kind of softwares to collect the measured data (MicroScan and PCCaseDepth) The results of BN measurements were compared to X-ray diffraction results and closer to the end with the destructive results. These results were involved as supportive measurements to see the realisticity of the BN results and to give values to see correlation with the BN values.
Final clarity of the results was ensured with destructive testing (residual stress depth profile, hardness measurements and micostructural observation). This was done to verify that the BN results were realistic. For an original, non-ground sample residual stress depth profile was done. Normally ground and intentionally made grinding burn samples were prepared for the optical microscopy and hardness measurements. Based on these values gathered on the measurements and comparing them to theory, the reliability of the BN measurements was determined to be quite good, offering realistic and theory supported results with good correlation to the most values related to the study.
Due to the fact that selected grinding parameters didn’t use the full potential of the grinding wheels, the results resembled quite a lot each other between normally ground batches. Leading up to the conclusion that the selection of the grinding wheel should more likely be based on for example either volume of the component batch or required surface roughness. Differences were detected in the intentionally caused grinding burn samples. In the Al2O3 wheel ground samples temper burn was detected, while in the CBN B126 grinding burn results turn out to be questionable because the whole case depth was ground off. This effort wasn’t wasted, since this result showed that the severity of the grinding burn can’t be judged just by the visual burn on the surface.
At the beginning it was informed that the user of grinding wheel CBN B181 noticed issues when grinding with wheel. Results gathered with grinding wheel CBN B181 showed anomalies in only a few measurements that all can be explained with normal deviation. Based on the results it is hard to define, did the issues noticed with the wheel have influence to the results. Työssä perehdytään hionnan vaikutuksiin ja hiotun pinnan karakterisointiin. Työn pääpaino on ainetta rikkomattoman koetustavan, Barkhausen kohinan (BN), avulla suoritettavissa mittauksissa. Mittauksilla karakterisoidaan eri hiontalaikoilla hiottuja näytteiden pintakerroksia. Työssä käytössä olevat hiontalaikat ovat alumiinioksidipohjainen hintalaikka (Al2O3) ja kuutiollinen boorinitridi-hiontalaikka (CBN), joista CBN on jaoteltu vielä hiontalaikan abrasiivisten kiteiden koon mukaan B126 ja B181 hiontalaikkoihin. Työssä selvitetään kuinka hyvin ja luotettavasti Barkhausen kohinan avulla voidaan määrittää hionnan vaikutuksia, esimerkiksi mahdollisia hiontapalamisia. Tämän lisäksi selvitellään hiontalaikkojen eroja teorian ja mittausten avulla sekä kehitetään ratkaisu, kumpi hiontalaikoista soveltuisi paremmin osaksi työssä tutkittavien kappaleiden valmistusprosessia. Valmistuksen soveltuvuus perustuu jäännösjännityksiin, joita hionnassa väistämättä syntyy. Tutkimuksen päämäärä on edesauttaa teollisuuden laaduntarkastuksen siirtymistä ainetta rikkovista ja aikaa vievistä mittauksista nopeampaan, ainetta rikkomattoman laaduntarkastuksen suuntaan.
Hiontanäytteet olivat samankokoisia ja valmistettu 20MnCrS5 teräksestä. Hiiletyskarkaisu suoritettiin näytteille ennen hiontojen suorittamista. Laboratoriotestit aloitettiin ainetta rikkomattomilla mittauksilla, kun kaikki näytesarjat oli saatu hiottua ja toimitettua yliopistolle. Ennen röntgendifraktioon perustuvan jäännösjännitysmittauksen aloitusta, visuaalisella tarkastuksella näytteiden pinnat tarkastettiin hiontavirheiden varalta. Perustuen projektin aiemmin hiottujen kappaleiden ja teorian osoittamiin arvoihin jäännösjännitysten jakautumisesta eri suuntiin, näytteiden hionnan suunta pääteltiin jäännösjännitysten arvoista. Tämän jälkeen suoritettiin pinnan mittaukset Barkhausenin kohinan avulla. Barkhausenin mittaukset sisälsivät mittauksia hyödyntäen kahta erilaista sensoria (S6387 ja S4740) ja kahta eri datan keräämistarkoitukseen käytettävää ohjelmaa (MicroScan ja PCCaseDepth). BN mittaustuloksia vertailtiin röntgendifraktioon perustuvan jäännösjännitysmittauksen avulla mitattuihin tuloksiin sekä lopuksi ainetta rikkoviin mittaustuloksiin. Nämä toimivat tukena tulosten luotettavuudelle ja antoivat vertailukohtia siihen, miten BN mittaustulokset korreloivat toisten arvojen kanssa.
Tulosten tarkastelu suoritettiin lopuksi ainetta rikkovilla tutkimusmenetelmillä (jäännösjännitys-syvyysprofiili, kovuusmittaukset, optinen mikrorakenteen havainnointi). Näin varmistettiin Barkhausenin kohinan avulla mitattujen tulosten paikkansapitävyys. Alkuperäiselle hiomattomalle näytteelle suoritettiin jäännösjännitys-syvyysprofilointi, hiotut ja tahallisesti aiheutetut hiontapalamisnäytteet leikattiin ja valmisteltiin optista mikroskopiaa ja kovuusmittauksia varten. Saatujen tulosten ja teoriaan vertailun perusteella voidaan Barkhausenin kohinan todeta antaneen suhteellisen hyviä, realistisia ja teorian tukemia tuloksia sekä korreloivan hyvin useiden muiden työssä tutkittujen arvojen kanssa.
Koska työhön valitut hiontaparametrit eivät täysin hyödyntäneet hiontalaikkojen potentiaalia, tulokset muistuttivat paljon toisiaan normaalihionnassa, johtaen hiontalaikan valinnan perustumaan esimerkiksi hiontaerän kokoon ja tarvittavaan pinnanlaatuun. Eroja kuitenkin syntyi, kun näytteisiin tuotettiin tahallisesti hiontapalamista. Al2O3 laikalla hiotuissa näytteissä ilmeni pintapäästymistä. CBN B126 laikan tulokset jäivät kyseenalaisiksi, koska koko karkaisukerros oli hiottu pois. Tämä kuitenkin antoi tiedon, että pinnalle muodustuneen hiontapalamisen vakavuutta ei pystytä tulkitsemaan pelkästään tutkimalla pinnan ulkonäköä visuaalisella tarkastuksella.
Työn alkupuolella CBN B181 laikalla hionnan suorittanut ilmoitti, että joitain ongelmia oli havaittavissa hionnan suorituksen aikana. Hiontalaikalla saaduissa tuloksissa poikkeamia aiheutui vain muutamassa mittauksessa ja nekin ovat selitettävissä normaalina poikkeamana. Tulosten perusteella on siis hankalaa todeta, oliko havaituilla ongelmilla vaikutusta tuloksiin.
The grinding samples were all same size and produced from 20MnCrS5 steel. Samples were carburized case hardened with oil quenching before grinding. The laboratory testing started with the use of NDT methods, once the sample batches arrived to university after grinding processes. Before starting with X-ray diffraction based residual stress measurements, visual inspection indicated the grinding direction in the CBN ground samples. Based on earlier measurements during this project and information found in theory, residual stress deviation depends on the direction of the grinding. By measuring the residual stresses, direction of the grinding was solved based on the values acquired. After this, the surface measurements were started by using BN. Barkhausen experiments included using two different sensors (S6287 and S4740) and two different kind of softwares to collect the measured data (MicroScan and PCCaseDepth) The results of BN measurements were compared to X-ray diffraction results and closer to the end with the destructive results. These results were involved as supportive measurements to see the realisticity of the BN results and to give values to see correlation with the BN values.
Final clarity of the results was ensured with destructive testing (residual stress depth profile, hardness measurements and micostructural observation). This was done to verify that the BN results were realistic. For an original, non-ground sample residual stress depth profile was done. Normally ground and intentionally made grinding burn samples were prepared for the optical microscopy and hardness measurements. Based on these values gathered on the measurements and comparing them to theory, the reliability of the BN measurements was determined to be quite good, offering realistic and theory supported results with good correlation to the most values related to the study.
Due to the fact that selected grinding parameters didn’t use the full potential of the grinding wheels, the results resembled quite a lot each other between normally ground batches. Leading up to the conclusion that the selection of the grinding wheel should more likely be based on for example either volume of the component batch or required surface roughness. Differences were detected in the intentionally caused grinding burn samples. In the Al2O3 wheel ground samples temper burn was detected, while in the CBN B126 grinding burn results turn out to be questionable because the whole case depth was ground off. This effort wasn’t wasted, since this result showed that the severity of the grinding burn can’t be judged just by the visual burn on the surface.
At the beginning it was informed that the user of grinding wheel CBN B181 noticed issues when grinding with wheel. Results gathered with grinding wheel CBN B181 showed anomalies in only a few measurements that all can be explained with normal deviation. Based on the results it is hard to define, did the issues noticed with the wheel have influence to the results.
Hiontanäytteet olivat samankokoisia ja valmistettu 20MnCrS5 teräksestä. Hiiletyskarkaisu suoritettiin näytteille ennen hiontojen suorittamista. Laboratoriotestit aloitettiin ainetta rikkomattomilla mittauksilla, kun kaikki näytesarjat oli saatu hiottua ja toimitettua yliopistolle. Ennen röntgendifraktioon perustuvan jäännösjännitysmittauksen aloitusta, visuaalisella tarkastuksella näytteiden pinnat tarkastettiin hiontavirheiden varalta. Perustuen projektin aiemmin hiottujen kappaleiden ja teorian osoittamiin arvoihin jäännösjännitysten jakautumisesta eri suuntiin, näytteiden hionnan suunta pääteltiin jäännösjännitysten arvoista. Tämän jälkeen suoritettiin pinnan mittaukset Barkhausenin kohinan avulla. Barkhausenin mittaukset sisälsivät mittauksia hyödyntäen kahta erilaista sensoria (S6387 ja S4740) ja kahta eri datan keräämistarkoitukseen käytettävää ohjelmaa (MicroScan ja PCCaseDepth). BN mittaustuloksia vertailtiin röntgendifraktioon perustuvan jäännösjännitysmittauksen avulla mitattuihin tuloksiin sekä lopuksi ainetta rikkoviin mittaustuloksiin. Nämä toimivat tukena tulosten luotettavuudelle ja antoivat vertailukohtia siihen, miten BN mittaustulokset korreloivat toisten arvojen kanssa.
Tulosten tarkastelu suoritettiin lopuksi ainetta rikkovilla tutkimusmenetelmillä (jäännösjännitys-syvyysprofiili, kovuusmittaukset, optinen mikrorakenteen havainnointi). Näin varmistettiin Barkhausenin kohinan avulla mitattujen tulosten paikkansapitävyys. Alkuperäiselle hiomattomalle näytteelle suoritettiin jäännösjännitys-syvyysprofilointi, hiotut ja tahallisesti aiheutetut hiontapalamisnäytteet leikattiin ja valmisteltiin optista mikroskopiaa ja kovuusmittauksia varten. Saatujen tulosten ja teoriaan vertailun perusteella voidaan Barkhausenin kohinan todeta antaneen suhteellisen hyviä, realistisia ja teorian tukemia tuloksia sekä korreloivan hyvin useiden muiden työssä tutkittujen arvojen kanssa.
Koska työhön valitut hiontaparametrit eivät täysin hyödyntäneet hiontalaikkojen potentiaalia, tulokset muistuttivat paljon toisiaan normaalihionnassa, johtaen hiontalaikan valinnan perustumaan esimerkiksi hiontaerän kokoon ja tarvittavaan pinnanlaatuun. Eroja kuitenkin syntyi, kun näytteisiin tuotettiin tahallisesti hiontapalamista. Al2O3 laikalla hiotuissa näytteissä ilmeni pintapäästymistä. CBN B126 laikan tulokset jäivät kyseenalaisiksi, koska koko karkaisukerros oli hiottu pois. Tämä kuitenkin antoi tiedon, että pinnalle muodustuneen hiontapalamisen vakavuutta ei pystytä tulkitsemaan pelkästään tutkimalla pinnan ulkonäköä visuaalisella tarkastuksella.
Työn alkupuolella CBN B181 laikalla hionnan suorittanut ilmoitti, että joitain ongelmia oli havaittavissa hionnan suorituksen aikana. Hiontalaikalla saaduissa tuloksissa poikkeamia aiheutui vain muutamassa mittauksessa ja nekin ovat selitettävissä normaalina poikkeamana. Tulosten perusteella on siis hankalaa todeta, oliko havaituilla ongelmilla vaikutusta tuloksiin.