ANALIZA PROCESÓW WYGŁADZANIA I PODSTAWY NOWYCH METOD

1. ANALIZA PROCESÓW WYGŁADZANIA I PODSTAWY NOWYCH METOD Prof. dr hab. inż. Wojciech KacalakPolitechnika Koszalińska ANALIZA PROCESÓW I PODSTAWY NOWYCH METOD WYGŁADZANIA ELASTYCZNYMI NARZĘDZIAMI ŚCIERNYMI O PODATNOŚCI ZRÓŻNICOWANEJ LOKALNIE XXXI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ 10-12.09.2008

2. WPROWADZENIE • Ściernice podatne o spoiwie poliuretanowym, w odróżnieniu od innych podatnych narzędzi mają zwartą strukturę przestrzenną. • Ocenę podatności utwierdzenia ziaren przeprowadzono za pomocą metod statycznych i dynamicznych. Metody statyczne polegały na obciążeniu ziaren ściernych z wykorzystaniem różnych układów penetracji. Metody dynamiczne polegały na skrawaniu próbki płaskiej pochylonej pod niewielkim kątem pojedynczym ziarnem lub grupą ziaren ściernych. • Podatność utwierdzenia poszczególnych ziaren zależy od podatności materiału spoiwa, ale duży wpływ na jej zróżnicowanie w strefie obróbkowej wywiera ziarnistość narzędzia ściernego. • Poprzez zmianę topografii powierzchni czynnej można wpływać na podatność i naciski jednostkowe w strefie wygładzania. • Wielkość deformacji w strefie wygładzania ściernicy spoiwie poliuretanowym jest od 100 do 200 razy większa od odkształceń ściernicy o spoiwie ceramicznym.

3. ZADANIA W pracach badawczych i modelach symulacyjnych dotyczących podatności utwierdzenia ziaren zamocowanych w spoiwie poliuretanowym nie uwzględniano typowej cechy tych narzędzi - zmiany wzajemnego położenia ziaren podczas obróbki wynikającej z lokalnych oddziaływań między ziarnami. W niniejszej pracy opracowano modele matematyczne opisujące oddziaływania między ziarnami w obszarze kontaktu narzędzia ściernego z powierzchnią przedmiotu. Stosowane dotąd procesy wygładzania ściernicami podatnymi prowadzono z wykorzystaniem układu technologicznego, w którym płaszczyzna obrotu ściernicy jest ustawiona równolegle do kierunku posuwu wzdłużnego. W pracy wykazano korzyści procesu wygładzania z wykorzystaniem układu technologicznego, w którym płaszczyzna obrotu ściernicy jest ustawiona nierównoległe względem kierunku posuwu wzdłużnego przedmiotu obrabianego.

4. CELE Pierwszym celem pracy było określenie w jaki sposób lokalne zróżnicowanie podatności w postaci strefowego zróżnicowania makrogeometrii podatnego narzędzia ściernego może wpływać na właściwości sprężyste ściernic podatnych, efektywność procesu i wyniki wygładzania. Drugim celem pracy było sprawdzenie czy zmiana orientacji płaszczyzny wirowania ściernicy w stosunku do kierunku ruchu posuwowego przedmiotu może zapewnić korzystniejszą topografię powierzchni charakteryzującej się niższą chropowatością.

5. CELE • Cel (1) wynikał z faktu, iż w procesach wygładzania ściernego zmniejszenie udziału składowych nierówności o wysokich częstotliwościach oraz usuwanie składowych nierówności o niskich częstotliwościach, są zadaniami konkurencyjnymi względem siebie. Modyfikacja właściwości poprzez wprowadzenie nieciągłości, w postaci rowków na czynnej powierzchni ściernic zwiększa lokalnie zarówno podatność jak i naciski jednostkowe w strefie wygładzania, co pozwala na uzyskanie powierzchni o niższej chropowatości z zachowaniem określonej wydajności obróbki. • Cel (2) wynikał ze stwierdzenia, iż odchylenie kierunku posuwu wzdłużnego przedmiotu od płaszczyzny prostopadłej do osi obrotu ściernicy, w procesie wygładzania podatnymi narzędziami ściernymi, pozwala na uzyskanie korzystniejszej topografii powierzchni wskutek zmniejszenia tendencji do tworzenia długich nieregularnych rys, a przez to, umożliwia uzyskanie struktury geometrycznej powierzchni o większej regularności i niższej chropowatości. 16

6. Ilustracja do celu 2 ODWZOROWANIESUMARYCZNEGOZARYSUŚCIERNICY „OBWIEDNIA”PRZESUNIĘTYCH W KIERUNKU OSIOWYMZ MAŁYM KROKIEMSUMARYCZNYCHZARYSÓWŚCIERNICY

7. MODEL azi – zagłębienie ostrza [um], yi – przemieszczenie ostrza [um], h – dosuw ściernicy do przedmiotu obrabianego [mm], y(x) – funkcja zarysu powierzchni obrabianej [um], Pzi – składowa normalna siły nacisku [N],

8. SCHEMAT ODDZIAŁYWAŃ

9. SKŁADOWE ODDZIAŁYWAŃ WZAJEMNYCH

10. Wyniki modelowania dla niewielkich oddziaływań między ziarnami

11. Wyniki modelowania dla silnych oddziaływań między ziarnami

12. Naprężenia w wirującej ściernicy

13. Zmiany naprężeń w kierunku promieniowym D = 125 [mm]; d = 20 [mm];

14. Przyrost promienia ściernicy (wyznaczony eksperymentalnie)

15. Tor ostrza z uwzględnieniem tłumienia kz = 5 [N/mm], cz = 0,0004 [N·s/mm]

16. System symulacji procesu wygładzania • ELEMENTY SKŁADOWE SYSTEMU SYMULACJI • Moduł parametrów wejściowych procesu wygładzania ściernego, • Moduł generowania powierzchni ziaren ściernych, • Moduł generowania powierzchni ściernicy, • Moduł określenia cech kinematycznych procesu wygładzania ściernego, • Moduł kształtowania obrabianej powierzchni, • Moduł graficznej prezentacji wyników symulacji.

17. Modele powierzchni ściernicy Numer ziarnistości ściernicy: 180 Numer ziarnistości ściernicy: 360

18. Nominalna, chwilowa powierzchnia oddziaływania ściernicy

19. Wyniki symulacji procesu wygładzania Proces z niewielkimi wypływkamina bokach śladu mikroskrawania Proces ze znacznymi wypływkami

20. Rysunek poglądowy do typowej metody wygładzania Z(Xi, Yj) Xi Yj

21. Rysunek poglądowy do nowej metody wygładzania Z(Xi, Yj) Xi Yj

22. Zakres badań • ZAKRES BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH OBEJMOWAŁ: • BADANIA DOKŁADNOŚCI WYMIAROWEJ I KSZTAŁTOWEJ ŚCIERNIC O SPOIWIE POLIURETANOWYM • BADANIA ODKSZTAŁCEŃ PROMIENIOWYCH ŚCIERNIC PODCZAS WIROWANIA, • BADANIA WŁAŚCIWOŚCI SPRĘŻYSTYCH ŚCIERNIC PODATNYCH O POWIERZCHNI CIĄGŁEJ I STREFOWO ZRÓŻNICOWANEJ PODATNOŚCI, • BADANIA PODATNOŚCI UTWIERDZENIA POJEDYNCZYCH ZIAREN I GRUPY ZIAREN ŚCIERNYCH, • BADANIA PODATNOŚCI UTWIERDZENIA POJEDYNCZYCH ZIAREN ŚCIERNYCH I GRUPY ZIAREN ŚCIERNYCH W STREFIE KONTAKTU ŚCIERNICY Z PRZEDMIOTEM, • BADANIA PROCESU SKRAWANIA POJEDYNCZYM ZIARNEM ŚCIERNYM UTWIERDZONYM W KORPUSIE ŚCIERNICY PODATNEJ, • BADANIA PROCESU WYGŁADZANIA PODATNYMI NARZĘDZIAMI ŚCIERNYMI O POWIERZCHNI CIĄGŁEJ I STREFOWO ZRÓŻNICOWANEJ PODATNOŚCI W RÓŻNYCH UKŁADACH TECHNOLOGICZNYCH.

23. Odmiany makrotopografii powierzchni czynnej ściernicy 1 – Ściernica podatna (bez rowków) oznaczona symbolem C, szerokość strefy styku Hsc = 20 mm 2- Ściernica z naciętymi rowkami wzdłuż tworzącej ściernicy (NC), Hsc = 10 mm 3 - Ściernica(bez rowków) oznaczona symbolem C, Hsc = 5mm 4- Ściernica z naciętymi rowkami wzdłuż tworzącej ściernicy (NC), Hsc = 20 mm

24. Strefa styku z przedmiotem

25. Badania podatności lokalnej 5 8 4 7 3 1 2 3 2 9 6 1 1 – penetrator igłowy; 2 – penetrator stożkowy; 3 – penetrator płaski;

26. Wyniki badań podatności A) POJEDYNCZE ZIARNO ŚCIERNE B) GRUPA ZIAREN ŚCIERNYCH

27. Pola styku CECHA ŚCIERNICY: 280E Pole styku z penetratorem płaskim Pole styku z penetratorem igłowym

28. OBSZAR KONTAKTU ŚCIERNICY Z PENETRATOREM IGŁOWYM CECHA ŚCIERNICY: 280E

29. OBSZAR KONTAKTU Z PENETRATOREM PŁASKIM CECHA ŚCIERNICY: 280E

30. ROZKŁAD PRZEMIESZCZEŃ PIONOWYCH ZIAREN ŚCIERNYCH Z WYKORZYSTANIEM PROGRAMU ANSYS DOSUW PIONOWY PENETRATORA hzs = 1 mm (E = 10 MPa, n = 0,49)

31. BADANIA PROCESU SKRAWANIA POJEDYNCZYM ZIARNEM ŚCIERNYM UTWIERDZONYM W KORPUSIE ŚCIERNICY PODATNEJ Fotografia ostrza zamocowanego w korpusie ściernicy podatnej oznaczonej symbolem 220E

32. ŚLAD SKRAWANIA 7.10.4.1. FOTOGRAFIA CAŁEGO ŚLADU SKRAWANIA (STAL 1H18N9T, 220E)

33. Strefa środkowa STREFA ŚRODKOWA ŚLADU (STAL 1H18N9T, 220E)

34. STREFA WYJŚCIA ZIARNA (STAL 1H18N9T, 220E)

35. WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ

36. WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ

37. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH PROCESU WYGŁADZANIA ŚCIERNICAMI PODATNYMI O SPOIWIE POLIURETANOWYM

38. WNIOSKI Lepsze efekty technologiczne uzyskano stosując ściernice podatne o powierzchni nieciągłej oznaczonej symbolem NC. Zróżnicowanie strefowe podatności narzędzia ściernego zmniejsza obszar kontaktu narzędzia z przedmiotem oraz zmniejsza się również liczba ziaren ściernych kontaktujących się z materiałem obrabianym. Towarzyszy temu wzrost nacisków jednostkowych oraz wzrost lokalnej podatności narzędzia ściernego w strefie pracy ściernicy podatnej, co przy zachowaniu porównywalnych właściwości skrawnych ostrzy powoduje zmniejszenie chropowatości oraz zwiększenie średniej wartości refleksyjności powierzchni.

39. UKŁAD K45 7.12.1.1. FOTOGRAFIA UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO K45

40. WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ

41. WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ K45

42. WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZONEJ

43. UKŁAD K90 7.12.3.1. FOTOGRAFIA UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO K90

44. WARTOŚĆ PARAMETRU Sa CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI WYPOLEROWANYCH ŚCIERNICAMI PODATNYMI O SPOIWIE POLIURETANOWYM Sa mm

45. Porównanie efektów wygładzania CHARAKTERYSTYKA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA ZARYSÓW POWIERZCHNI STALI 1H18N9T WYGŁADZONEJ ŚCIERNICĄ PODATNĄ 500E

46. Porównanie efektów WPŁYW UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO NC0, K45, K90 NA ZMNIEJSZENIE WYSOKOŚCI SKŁADOWEJ HARMONICZNEJ ZARYSU

47. W porównaniu do powierzchni przed wygładzaniem WPŁYW UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO C0, NC0, K45 NA ZMNIEJSZENIE WYSOKOŚCI SKŁADOWEJ HARMONICZNEJ ZARYSU

48. WNIOSKI DOTYCZĄCE BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH PROCESU WYGŁADZANIA ŚCIERNICAMI PODATNYMI O SPOIWIE POLIURETANOWYM Najskuteczniejsze usuwanie składowych harmonicznych zarysu o największych amplitudach do 0,04 μm i długościach fali od 0,8 do 4 mm wykazująściernice, w których płaszczyzna wirowania jest prostopadła lub ustawiona pod znacznym kątem (w badaniach 45°) względem kierunku posuwu, co potwierdzają wyniki symulacji matematycznych. Pozytywne efekty takiego układu obróbkowego wynikająz tego, że zarys powierzchni przedmiotu powstaje nie jako odwzorowanie odkształconej powierzchni ściernicy, lecz jako obwiednia bardzo dużej liczby gęsto ułożonych (przesuniętych z bardzo małym krokiem) zarysów odkształconej powierzchni narzędzia.

49. PODSUMOWANIE Na podstawie analizy wyników badań można stwierdzić, iż: Stosując układ technologiczny K45 można uzyskać powierzchnie o niskiej chropowatości. Zastosowanie układu technologicznego K90 zwiększa refleksyjność powierzchni wygładzonej ściernicami podatnymi o spoiwie poliuretanowym.

50. Dziękuję za uwagę DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ