Transcript analiza procesów i podstawy nowych metod wygładzania

ANALIZA PROCESÓW WYGŁADZANIA I PODSTAWY NOWYCH METOD
Prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak
Politechnika Koszalińska
ANALIZA PROCESÓW
I PODSTAWY NOWYCH
METOD WYGŁADZANIA
ELASTYCZNYMI
NARZĘDZIAMI ŚCIERNYMI
O PODATNOŚCI
ZRÓŻNICOWANEJ
LOKALNIE
XXXI NAUKOWA SZKOŁA
OBRÓBKI ŚCIERNEJ
10-12.09.2008
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
1
51
©WK
WPROWADZENIE
1. Ściernice podatne o spoiwie poliuretanowym, w odróżnieniu od innych
podatnych narzędzi mają zwartą strukturę przestrzenną.
2. 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.
3. Podatność utwierdzenia poszczególnych ziaren zależy od podatności
materiału spoiwa, ale duży wpływ na jej zróżnicowanie w strefie
obróbkowej wywiera ziarnistość narzędzia ściernego.
4. Poprzez zmianę topografii powierzchni czynnej można wpływać na
podatność i naciski jednostkowe w strefie wygładzania.
5. Wielkość deformacji w strefie wygładzania ściernicy spoiwie
poliuretanowym jest od 100 do 200 razy większa od odkształceń
ściernicy o spoiwie ceramicznym.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
2
51
©WK
ZADANIA
1. 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.
2. 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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
3
51
©WK
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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
4
51
©WK
CELE
1. 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.
2. 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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
5
51
16
©WK
Ilustracja do celu 2
ODWZOROWANIE
SUMARYCZNEGO
ZARYSU
ŚCIERNICY
„OBWIEDNIA”
PRZESUNIĘTYCH
W KIERUNKU OSIOWYM
Z MAŁYM KROKIEM
SUMARYCZNYCH
ZARYSÓW
ŚCIERNICY
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
6
51
©WK
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],
2
Ci  C m
2
 a 2zim1m2
 a zi 
ri2

 x  2  h  ro  h
2
  r  h  y x 
2
o
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
7
51
©WK
SCHEMAT ODDZIAŁYWAŃ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
8
51
©WK
SKŁADOWE ODDZIAŁYWAŃ WZAJEMNYCH
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
9
51
©WK
Wyniki modelowania dla niewielkich oddziaływań między ziarnami
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
10
51
©WK
Wyniki modelowania dla silnych oddziaływań między ziarnami
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
11
51
©WK
Naprężenia w wirującej ściernicy
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
12
51
©WK
Zmiany naprężeń w kierunku promieniowym
D = 125 [mm]; d = 20 [mm];
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
13
51
©WK
Przyrost promienia ściernicy (wyznaczony eksperymentalnie)
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
14
51
©WK
Tor ostrza z uwzględnieniem tłumienia
kz = 5 [N/mm], cz = 0,0004 [N·s/mm]
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
15
51
©WK
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
ściernego,
•
Moduł kształtowania obrabianej powierzchni,
•
Moduł graficznej prezentacji wyników symulacji.
cech
kinematycznych
procesu
wygładzania
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
16
51
©WK
Modele powierzchni ściernicy
Numer ziarnistości
ściernicy: 180
Numer ziarnistości
ściernicy: 360
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
17
51
©WK
Nominalna, chwilowa powierzchnia oddziaływania ściernicy
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
18
51
©WK
Wyniki symulacji procesu wygładzania
Proces z niewielkimi wypływkami
na bokach śladu mikroskrawania
Proces ze znacznymi wypływkami
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
19
51
©WK
Rysunek poglądowy do typowej metody wygładzania
Z(Xi, Yj)
Xi
Yj
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
20
51
©WK
Rysunek poglądowy do nowej metody wygładzania
Z(Xi, Yj)
Xi
Yj
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
21
51
©WK
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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
22
51
©WK
Odmiany makrotopografii powierzchni czynnej ściernicy
1 – Ściernica podatna (bez rowków)
oznaczona symbolem C, szerokość
strefy styku Hsc = 20 mm
3 - Ściernica (bez rowków) oznaczona
symbolem C, Hsc = 5 mm
2- Ściernica z naciętymi rowkami
wzdłuż tworzącej ściernicy (NC),
Hsc = 10 mm
4- Ściernica z naciętymi rowkami
wzdłuż tworzącej ściernicy (NC),
Hsc = 20 mm
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
23
51
©WK
Strefa styku z przedmiotem
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
24
51
©WK
Badania podatności lokalnej
1 – penetrator igłowy;
2 – penetrator stożkowy;
3 – penetrator płaski;
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
25
51
©WK
Wyniki badań podatności
A) POJEDYNCZE ZIARNO ŚCIERNE
B) GRUPA ZIAREN ŚCIERNYCH
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
26
51
©WK
Pola styku
CECHA ŚCIERNICY: 280E
Pole styku z
penetratorem płaskim
Pole styku z
penetratorem igłowym
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
27
51
©WK
OBSZAR KONTAKTU ŚCIERNICY Z PENETRATOREM IGŁOWYM
CECHA ŚCIERNICY: 280E
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
28
51
©WK
OBSZAR KONTAKTU Z PENETRATOREM PŁASKIM
CECHA ŚCIERNICY: 280E
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
29
51
©WK
ROZKŁAD PRZEMIESZCZEŃ PIONOWYCH ZIAREN ŚCIERNYCH Z WYKORZYSTANIEM PROGRAMU ANSYS
DOSUW PIONOWY PENETRATORA hzs = 1 mm (E = 10 MPa, n = 0,49)
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
30
51
©WK
BADANIA PROCESU SKRAWANIA POJEDYNCZYM ZIARNEM ŚCIERNYM UTWIERDZONYM W KORPUSIE ŚCIERNICY PODATNEJ
Fotografia ostrza zamocowanego
w korpusie ściernicy podatnej
oznaczonej symbolem 220E
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
31
51
©WK
ŚLAD SKRAWANIA
7.10.4.1. FOTOGRAFIA CAŁEGO ŚLADU SKRAWANIA (STAL 1H18N9T, 220E)
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
32
51
©WK
Strefa środkowa
STREFA ŚRODKOWA ŚLADU (STAL 1H18N9T, 220E)
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
33
51
©WK
STREFA WYJŚCIA ZIARNA (STAL 1H18N9T, 220E)
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
34
51
©WK
WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
35
51
©WK
WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
36
51
©WK
WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH PROCESU WYGŁADZANIA ŚCIERNICAMI PODATNYMI O SPOIWIE POLIURETANOWYM
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
37
51
©WK
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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
38
51
©WK
UKŁAD K45
7.12.1.1. FOTOGRAFIA UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO K45
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
39
51
©WK
WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
40
51
©WK
WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZANEJ
K45
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
41
51
©WK
WPŁYW DOSUWU ŚCIERNICY DO PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI WYGŁADZONEJ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
42
51
©WK
UKŁAD K90
7.12.3.1. FOTOGRAFIA UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO K90
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
43
51
©WK
WARTOŚĆ PARAMETRU Sa CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI WYPOLEROWANYCH ŚCIERNICAMI PODATNYMI O SPOIWIE POLIURETANOWYM
Sa mm
CECHA
ŚCIERNICY
UKŁAD TECHNOLOGICZNY
MATERIAŁ
OBRABIANY
CO
NC0
K45
STAL 45
0,153 [um]
0,351 [um]
0,0697 [um]
STAL
1H18N9T
0,153 [um]
0,134 [um]
0,0554 [um]
STAL 45
0,0725 [um]
0,0944 [um]
0,0590 [um]
STAL
1H18N9T
0,0690 [um]
0,0707 [um]
0,0496 [um]
500E
500P
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
44
51
©WK
Porównanie efektów wygładzania
CHARAKTERYSTYKA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA
ZARYSÓW POWIERZCHNI STALI 1H18N9T
WYGŁADZONEJ ŚCIERNICĄ PODATNĄ 500E
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
45
51
©WK
Porównanie efektów
WPŁYW UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO NC0, K45, K90 NA
ZMNIEJSZENIE WYSOKOŚCI SKŁADOWEJ HARMONICZNEJ ZARYSU
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
46
51
©WK
W porównaniu do powierzchni przed wygładzaniem
WPŁYW UKŁADU TECHNOLOGICZNEGO C0, NC0, K45
NA ZMNIEJSZENIE WYSOKOŚCI SKŁADOWEJ
HARMONICZNEJ ZARYSU
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
47
51
©WK
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 wykazują ściernice,
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 wynikają
z 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.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
48
51
©WK
PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy wyników badań można
stwierdzić, iż:
1.
Stosując układ technologiczny K45 można
uzyskać powierzchnie o niskiej
chropowatości.
2.
Zastosowanie układu technologicznego K90
zwiększa refleksyjność powierzchni
wygładzonej ściernicami podatnymi
o spoiwie poliuretanowym.
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
49
51
©WK
Dziękuję za uwagę
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
Wy łączono nadzorowanie zdarzeń <<
<<
>>
St art
e a
09.09.2008
50
51
©WK