plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 27 nr 2
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2007
KRZYSZTOF NADOLNY * , JAROSŁAW PLICHTA * *
KIERUNKI ROZWOJU
JEDNOPRZEJŚCIOWEGO SZLIFOWANIA OTWORÓW
W artykule przedstawiono kierunki rozwoju jednoprzejściowego szlifowania otworów, będące
przedmiotem prac prowadzonych w Katedrze Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej.
Opisano rolę modelowania i symulacji komputerowej w tworzeniu nowych rodzajów narzędzi
ściernych na przykładzie ściernic o strefowo zróżnicowanej budowie. Omówiono sposoby wprowadzenia sztucznej porowatości ściernicy przez domieszkowanie korundu pęcherzykowego oraz w
wyniku kształtowania mikronieciągłości na jej czynnej powierzchni. Zaproponowano również
koncepcję budowy inteligentnego systemu narzędziowego do jednoprzejściowego szlifowania
otworów.
Słowa kluczowe: szlifowanie jednoprzejściowe, ściernice o strefowo zróżnicowanej budowie,
symulacja komputerowa, korund sferyczny, mikronieciągłość CPS
1. WPROWADZENIE
Szlifowanie jednoprzejściowe stanowi jeden z ważniejszych kierunków rozwoju procesów szlifowania. Dzięki usuwaniu całego naddatku obróbkowego w jednym przejściu roboczym ściernicy możliwe jest znaczne skrócenie czasu obróbki.
Istotne jest również to, że przez odpowiedni dobór parametrów obróbki, konstrukcji ściernic oraz specyficzne ukształtowanie ich czynnej powierzchni, mimo istotnego zwiększenia wydajności ubytkowej szlifowania, uzyskuje się żądaną jakość
szlifowanej powierzchni [1, 2, 7, 10, 11].
W Katedrze Inżynierii Produkcji od kilku lat są prowadzone prace nad jednoprzejściowym procesem szlifowania otworów w stali łożyskowej z użyciem
ściernic o strefowo zróżnicowanej budowie z ziarnami korundu spiekanego SG
(rys. 1). Dalszy rozwój tych prac ukierunkowany jest na szlifowanie otworów w
materiałach trudnoobrabialnych, takich jak tytan, inconel czy incoloy. Poszukuje
się możliwości wzrostu efektywności szlifowania tych materiałów. Na podsta*.Dr
**
inż.
Dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej.
16
K. Nadolny, J. Plichta
wie analizy literatury oraz własnych badań rozpoznawczych ustalono, że wzrost
ten będzie się odbywał przede wszystkim przez dalszą optymalizację budowy
ściernic warstwowych z wykorzystaniem modelowania i symulacji komputerowej, wprowadzenie dodatkowej
porowatości struktury ściernic
dzięki dodaniu ziaren korundu
sferycznego, kształtowanie mikronieciągłości na CPS o określonej geometrii i układzie powierzchniowym oraz przez zastosowanie inteligentnego systemu doboru funkcjonalnych stref
narzędzia ściernego o budowie
warstwowej.
Rys. 1. Jednoprzejściowe osiowe
szlifowanie otworów ściernicą o strefowo zróżnicowanej budowie [7]
Fig. 1. Single-pass internal cylindrical
grinding with grinding wheel whose
structure is zonally diversified [7]
2. ZASTOSOWANIE SYMULACJI I MODELOWANIA KOMPUTEROWEGO
DO PROJEKTOWANIA NOWYCH TYPÓW ŚCIERNIC
W celu zwiększenia efektywności szlifowania jednoprzejściowego na części
atakującej czynnej powierzchni ściernicy kształtowany jest nakrój stożkowy [2, 5].
Pozwala on równomiernie rozłożyć całkowity naddatek obróbkowy na szerokości
narzędzia, przez co w procesie szlifowania zgrubnego bierze udział większa liczba
ziaren aktywnych. Pozostały, walcowy obszar czynnej powierzchni ściernicy tworzy strefę szlifowania wykończeniowego i wyiskrzania, w której kształtowana jest
ostateczna chropowatość powierzchni. Funkcjonalny podział ściernicy, wynikający z zastosowania nakroju stożkowego, można wykorzystać do zróżnicowania
budowy w poszczególnych strefach narzędzia. W ten sposób powstała koncepcja
stworzenia ściernic o strefowo zróżnicowanej budowie (rys. 2). Charakteryzują się
one odmiennym rodzajem i wielkością ziaren ściernych w stożkowej strefie szlifowania zgrubnego oraz w walcowej części, w której zachodzi szlifowanie wykończeniowe.
Do rozpoznania wpływu strefowej budowy ściernic na proces jednoprzejściowego szlifowania otworów wykorzystano modelowanie i symulację komputerową. Umożliwiło to określenie warunków przebiegu szlifowania przy zmiennych
Kierunki rozwoju jednoprzejściowego szlifowania otworów
17
parametrach charakteryzujących budowę poszczególnych stref ściernicy i przy
stałych warunkach obróbki.
Rys. 2. Przykład ściernicy o strefowo zróżnicowanej budowie z ziarnami korundu spiekanego SG
i spoiwem szklano-krystalicznym: a) strefa szlifowania zgrubnego; b) strefa szlifowania wykończeniowego; c) schemat budowy
Fig. 2. Example of grinding wheel whose structure is zonally diversified with sintered corundum
grains SG and glass-crystalline bond: a) rough grinding zone; b) finish grinding zone; c) structure
Zastosowano spójny system modelowania i symulacji wpływu geometrycznych cech czynnej powierzchni ściernicy na kształtowanie powierzchni przedmiotu obrabianego, opracowany w Katedrze Mechaniki Precyzyjnej Politechniki
Koszalińskiej. Otwarta struktura tego narzędzia pozwoliła na wykorzystanie go
do modelowania i symulacji jednoprzejściowego procesu obwodowego szlifowania osiowego walcowych powierzchni wewnętrznych nowymi narzędziami
ściernymi. Podczas tworzenia modelu symulacyjnego opracowano następujące
modele cząstkowe: model topografii ziaren ściernych, model topografii ściernicy, model kinematyki procesu, model usuwania materiału i powstawania wypływek oraz model kształtowania topografii powierzchni przedmiotu obrabianego 1 . Proces symulacji podzielono na trzy główne etapy: tworzenie powierzchni
ziaren ściernych, generowanie topografii powierzchni ściernicy oraz obliczenia
symulacyjne kontaktu ziarna z przedmiotem obrabianym (rys. 3).
Badania symulacyjne miały na celu zawężenie zakresu zmienności parametrów opisujących budowę ściernic, charakteryzujących się strefowym zróżnicowaniem, i w efekcie ograniczenie planu badań doświadczalnych oraz zmniejszenie liczby koniecznych do wykonania rzeczywistych narzędzi ściernych [4].
1
Opisany model symulacyjny został opracowany w ramach grantu KBN nr 4 T07D 036 29.
18
K. Nadolny, J. Plichta
Parametry wejściowe
Generowanie zbioru
modeli powierzchni
ziaren w strefie szlif.
wykończeniowego
- rodzaj spoiwa
- geometria ściernicy: T, T1, T2, D
- początkowa topografia przedmiotu
Generowanie modelu
powierzchni strefy
szlifowania wykończeniowego ściernicy
SYMULACJA PROCESU
JEDNOPRZEJŚCIOWEGO
SZLIFOWANIA OTWORÓW
ŚCIERNICAMI O STREFOWO
ZRÓŻNICOWANEJ BUDOWIE
Rejestracja parametrów chwilowych procesu
Import profilu przedmiotu przed obróbką
Generowanie modelu
powierzchni strefy
szlifowania zgrubnego
ściernicy
Generowanie zbioru
modeli powierzchni
ziaren w strefie szlif.
zgrubnego
- parametry geometryczne i kinematyczne procesu: vs, vw, vfa, ae, bw, dw
- budowa strefy szlifowania wykończeniowego ściernicy
- budowa strefy szlifowania zgrubnego ściernicy
Rejestracja parametrów końcowych procesu
Na – liczba ziaren aktywnych biorących udział w usuwaniu materiału w trakcie przejścia roboczego
ADz – przekrój poprzeczny warstwy skrawanej pojedynczym ziarnem
Rys. 3. Schemat symulacji procesu jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicami o strefowo zróżnicowanej budowie [4]
Fig. 3. Simulation diagram of single-pass internal cylindrical grinding with grinding wheels of
zonally-diversified structure [4]
Opisany system modelowania i symulacji stanowi jedno z narzędzi wspomagających projektowanie ściernic. Umożliwia on ocenę różnego rodzaju narzędzi
ściernych o niespotykanych dotychczas lub trudnych do uzyskania właściwościach. Zastosowanie symulacji charakteryzującej się wnikliwie zweryfikowanymi modelami składowymi pozwala na skrócenie czasu opracowania nowych
ściernic, ponieważ przed etapem wytwarzania możliwe jest uzyskanie rozwiązań
już wstępnie przetestowanych i zweryfikowanych. Pozwala to ponadto na
zmniejszenie kosztów, ponieważ już w fazie modelowania i symulacji odrzuca
Kierunki rozwoju jednoprzejściowego szlifowania otworów
19
się błędne lub mało korzystne koncepcje, bez konieczności ponoszenia nakładów na badania eksperymentalne kontaktu ziarna z przedmiotem obrabianym.
3. ŚCIERNICE DOMIESZKOWANE KORUNDEM SFERYCZNYM
Mikroziarna korundu sferycznego wprowadzone do spoiwa narzędzi ściernych
z CBN ze spoiwem ceramicznym pozwalają uzyskać sztuczną porowatość w obrębie mostków wiążących ziarna
ścierne (rys. 4). Ziarna korundu
sferycznego w momencie destrukcji podczas obróbki tworzą
otwarte przestrzenie (mikronieciągłość), w których gromadzą
się wióry materiału obrabianego
i produkty zużycia ściernicy.
Pozwala to zwiększyć efektywność obróbki, zwłaszcza materiałów trudnoobrabialnych. Konściernicy z mieszaniną spoiwa i miwencjonalne ściernice wielkopo- Rys. 4. Struktura
kroziaren sferycznych [6]
rowe charakteryzują się mniej- Fig. 4. Grinding-wheel structure with the mixture of
szą liczebnością ziaren na CPS,
binder and spherical micro-grains [6]
co wpływa na relatywny wzrost
wielkości wiórów powstających
w procesie szlifowania. Wnikają one głęboko w duże i otwarte pory ściernicy,
powodując lokalne zalepienia i zmiany właściwości skrawnych narzędzia ściernego oraz utrudniając dostęp chłodziwa. Wprowadzenie korundu sferycznego
sprawia, że ściernica staje się bardziej zwarta, co zapobiega przenikaniu wiórów
w strukturę narzędzia. Porowatość ujawnia się dopiero w efektywnej strefie obróbki w postaci mikronieciągłości. Ściernica pozostaje czysta i nie zamyka się,
przez co stabilizują się właściwości skrawne w długich okresach jej pracy, a to
zapewnia dużą powtarzalność wyników obróbki [9].
4. UZYSKANIE MIKRONIECIĄGŁOŚCI
NA CZYNNEJ POWIERZCHNI ŚCIERNICY
Mikronieciągłość czynnej powierzchni ściernicy jest rezultatem lokalnych
nieciągłości w strukturze powierzchniowej narzędzia, uzyskiwanych bez ingerencji w jego makrogeometrię. Mikronieciągłość taką można uzyskać w specjalnych zabiegach obciągania lub przez odpowiednie rozmieszczenie ziaren ściernych (najczęściej supertwardych) za pomocą maskowania.
20
K. Nadolny, J. Plichta
Stosowanie mikronieciągłości na czynnej powierzchni ściernicy poprawia
właściwości eksploatacyjne narzędzia. Wpływa korzystnie na rozkład energii
cieplno-mechanicznej w strefie skrawania, pozwala na lepsze odprowadzenie
z niej ciepła i wiórów oraz doprowadzenie cieczy chłodząco-smarującej. Właściwości te wpływają korzystnie na trwałość ściernicy oraz na przebieg i wyniki
szlifowania. Przez regulację kształtu, wymiarów, konfiguracji powierzchniowej
i udziału względnego mikronieciągłości w czynnej powierzchni ściernicy można również uzyskać różne właściwości skrawne i eksploatacyjne narzędzia
ściernego, stosownie do wymaganego zadania obróbkowego.
Opracowano wiele rozwiązań umożliwiających kształtowanie w zabiegu obciągania mikronieciągłości na czynnych powierzchniach narzędzi ściernych,
zarówno z zastosowaniem narzędzi jedno- jak i wieloostrzowych (rys. 5).
Istota metod wykorzystujących narzędzia jednoostrzowe polega na kształtowaniu mikronieciągłości
o różnym kształcie i konfiguracji przez ruch obrotowy lub oscylacyjny narzędzia (rys. 5a÷d). Umożliwia to znaczne modyfikacje zarówno kształtu,
jak i rozmieszczenia rowków i wgłębień na czynnej powierzchni narzędzia
ściernego. Dodatkowo, zastosowanie opisywanych
metod pozwala również na
kształtowanie wyjściowego zarysu czynnej powierzchni ściernicy z użyRys. 5. Metody kształtowania mikronieciągłości na czynnych
ciem tych samych narzępowierzchniach ściernic
Fig. 5. Methods of shaping the micro-discontinuities on active
dzi, jedynie po zatrzymasurfaces on grinding wheels
niu ich ruchu roboczego.
Natomiast istota metod
kształtowania mikronieciągłości z użyciem narzędzi wieloostrzowych polega na
kształtowaniu pojedynczych wgłębień na czynnej powierzchni ściernicy przez
oddziaływanie na nią zbiorem elementów roboczych. Elementy te (np. ziarna
ścierne) położone na roboczej krawędzi narzędzia (np. ściernicy) charakteryzują
się zmiennym promieniem działania uzyskiwanym przez mimośrodowe osadzenie ich osi obrotu lub przez wprowadzenie bicia czołowego i obwodowego dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu makrogeometrii narzędzia (rys. 5e÷f). Kształ-
Kierunki rozwoju jednoprzejściowego szlifowania otworów
21
towanie mikronieciągłości wierzchołkami ziaren ściernych odbywa się w wyniku ich kolejnego wchodzenia w styk z kształtowaną ściernicą. W rezultacie następuje równomierny podział usuwanej warstwy na poszczególne ziarna z zapewnieniem ich relatywnie małego obciążenia. Cechy te sprzyjają małemu zużyciu narzędzia i zapewniają jego długą trwałość. Metody te mogą być szczególnie przydatne do kształtowania mikronieciągłości na czynnych powierzchniach ściernic z materiałów supertwardych.
Z badań wynika [8], że wprowadzenie mikronieciągłości pozwala na zmniejszenie obciążeń cieplno-mechanicznych ziaren aktywnych i w konsekwencji
zmniejszenie zużycia ściernego i wytrzymałościowego ściernicy. Przy ułożeniu
wgłębień szczególnie sprzyjającym danemu procesowi szlifowania uzyskuje się
znaczne wydłużenie okresu trwałości narzędzia. Modyfikacje konfiguracji wgłębień prowadzą do stosunkowo dużego zróżnicowania właściwości skrawnych
ściernic przy stałych parametrach obróbki. Wadą tego typu modyfikacji narzędzi
ściernych jest znaczne pogorszenie gładkości obrabianych powierzchni w porównaniu ze szlifowaniem ściernicami obciąganymi w sposób konwencjonalny
(nawet do około 70%). Jest to szczególnie wyraźne w początkowych okresach
pracy ściernic.
5. INTELIGENTNY SYSTEM KONFIGURACJI ŚCIERNIC
O STREFOWO ZRÓŻNICOWANEJ BUDOWIE
Aby umożliwić elastyczny dobór budowy poszczególnych stref funkcjonalnych narzędzia ściernego, obciągacza, a także parametrów i warunków szlifowania do założonego zadania obróbkowego, opracowano koncepcję inteligentnego systemu narzędziowego (rys. 6). Powinien być w nim użyty moduł sztucznej inteligencji, oparty np. na sztucznych sieciach neuronowych lub systemie
eksperckim. W takim systemie narzędziowym możliwe byłoby uzyskanie ściernicy o strefowo zróżnicowanej budowie jako narzędzia składanego z dostępnego
zbioru ściernic elementarnych, różniących się wysokością T, rodzajem i wielkością ziaren ściernych, strukturą itp. W zależności od wymaganego naddatku obróbkowego i wysokości strefy szlifowania zgrubnego ściernicy byłby kształtowany odpowiedni nakrój stożkowy, przez odwzorowanie kształtu obciągacza
rolkowego. Obciągacz taki byłby dostosowywany do danej ściernicy przez złożenie go z obciągaczy elementarnych. Rozwiązanie to pozwoliłoby dodatkowo
zróżnicować charakterystykę obciągacza i w rezultacie w zabiegu obciągania
można by ukształtować odmienną strukturę na czynnej powierzchni poszczególnych stref ściernicy. Jak pokazują badania [3], dostosowanie stanu czynnej powierzchni ściernicy do danego rodzaju obróbki (zgrubna lub wykończeniowa)
pozwala zmniejszyć moc szlifowania oraz chropowatość przeszlifowanej powierzchni.
22
K. Nadolny, J. Plichta
ZADANIE OBRÓBKOWE
...
Ściernice elementarne
..........................
Strefa szlifowania
zgrubnego
Strefa szlifowania
wykończeniowego
Obciągacze elementarne
Strefa szlifowania
zgrubnego
Strefa szlifowania
wykończeniowego
SZTUCZNA
INTELIGENCJA
(SSN, SE)
KSZTAŁTOWANIE MAKRO- I MIKROGEOMETRII CPS
Ściernica
warstwowa
Obciągacz
składany
JRDNOPRZEJŚCIOWE
SZLIFOWANIE OTWORÓW
ŚCIERNICAMI O STREFOWO
ZRÓŻNICOWANEJ BUDOWIE
Warunki obróbki
Szlifierka
Materiał obrabiany
Chłodzenie wewnętrzne
przez pory ściernicy
i specjalnie uformowane
kanały stanowiące
jednocześnie nieciągłości CPS
Stan warstwy wierzchniej (Ra, σ)
Przebieg obróbki (P, EA)
Makro-i mikrozużycie ściernicy
Rys. 6. Idea inteligentnego systemu narzędziowego do jednoprzejściowego szlifowania otworów
Fig. 6. The central idea of the intelligent tool system for a single-pass internal grinding
W przedstawionym systemie narzędziowym zakłada się możliwość doprowadzenia cieczy chłodząco-smarującej od wewnątrz, przez pory ściernicy i specjalne kanały, bezpośrednio do strefy kontaktu narzędzia z materiałem obrabianym.
Rozwiązanie takie pozwoliłoby na ograniczenie zjawiska zalepiania czynnej
powierzchni ściernicy, występującego przy dużej wydajności ubytkowej szlifowania [3]. Konwencjonalne chłodzenie zalewowe, ze względu na długą strefę
styku ściernicy z materiałem obrabianym występującą w procesie szlifowania
Kierunki rozwoju jednoprzejściowego szlifowania otworów
23
otworów, nie zapewnia odpowiedniego usuwania wiórów ze strefy obróbki
i prawidłowego jej chłodzenia. W rezultacie przy postępującym zużyciu ściernicy może dojść do nadmiernego wzrostu obciążeń termicznych. Można sądzić, że
podczas zastosowania narzędzi o otwartej strukturze doprowadzona od wewnątrz ciecz chłodząco-smarująca przedostanie się przez pory ściernicy bezpośrednio do strefy szlifowania. Dodatkowo można zaprojektować kanały służące
do doprowadzenia większej ilości chłodziwa do końca stożka, czyli do najbardziej obciążonej strefy ściernicy. Kanały takie stanowiłyby jednocześnie nieciągłość czynnej powierzchni ściernicy, co z kolei może się przyczynić do poprawy
warunków obróbki [8] w tej części strefy stożkowej.
6. PODSUMOWANIE
Przedstawione kierunki prac zmierzają do dalszego doskonalenia technologii
jednoprzejściowego szlifowania otworów zarówno ściernicami z materiałów
supertwardych (CBN), jak i konwencjonalnych (SG). Dotychczas uzyskane rezultaty szeroko zakrojonych badań doświadczalnych potwierdzają, że istnieją
duże możliwości rozwoju tej metody obróbki.
Zastosowanie modelowania i symulacji komputerowej pozwala na sprawdzenie skutków modyfikacji CPS jeszcze przed fizycznym wykonaniem narzędzia,
co przyspiesza rozwój metody oraz obniża koszty badań. Można również przypuszczać, że wprowadzenie mikronieciągłości na czynnej powierzchni ściernicy
umożliwiłoby rozszerzenie zastosowania jednoprzejściowego szlifowania otworów o obróbkę materiałów trudnoobrabialnych.
Kolejne prace powinny się zatem skoncentrować na wprowadzeniu opisanych modyfikacji w celu jak najpełniejszego wykorzystania potencjału jednoprzejściowego szlifowania otworów.
LITERATURA
[1] Junker E., Verfahren und Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeits-Profilschleifen von rotations-symmetrischen Werkstücken, Europäisches Patent, 1985, Nr. 0176654.
[2] Klocke F., Hegener G., Schnell, gut und flexibel: Hochleistungs-Aussenrund-Formschleifen, IDR, 1999, 33, 2, s. 153–160.
[3] Nadolny K., Badania efektywności procesu jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicami o strefowo zróżnicowanej budowie, rozprawa doktorska, Politechnika Koszalińska 2006.
[4] Nadolny K., Bałasz B., Modelowanie i symulacja procesu jednoprzejściowego szlifowania
walcowych powierzchni wewnętrznych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji,
2006, vol. 26, nr 2, s. 67–76.
[5] Nakajima T., Okamura K., Uno Y., Traverse Grinding Techniques for Improving Both
Productivity and Surface Finish, n: International Grinding Conferece, Fontana, Wisconsin,
SME, Mr 84–534, Aug. 27–29, 1984.
24
K. Nadolny, J. Plichta
[6] Oczoś K. E., Materiały, narzędzia i obrabiarki do obróbki ściernej na EMO 2001 w Hanowerze, Mechanik, 2002, 75, 2, s. 69–76.
[7] Oczoś K. E., Doskonalenie techniki szlifowania. Część 2, Mechanik, 2005, 78, 10, s. 745–750.
[8] Plichta J., Plichta S., Wpływ mikronieciągłości czynnych powierzchni ściernic na ich właściwości eksploatacyjne, in: Materiały XV Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów
1992, s. 73–80.
[9] Staniewicz-Brudnik B., Plichta J., Nadolny K., Pluta J., Badanie efektywności szlifowania ściernicami CBN o podwyższonej porowatości z mikroziarnami korundu sferycznego,
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2006, vol. 26, nr 2, s. 77–83.
[10] Webster J., Tricard M., Innovations in Abrasive Products for Precision Grinding, Annals of
the CIRP, 2004, 53, 2, s. 597–617.
[11] Weinert K., Finke M., Kötter D., Wirtschaftliche Alternative zum Hartdrehen. InnenrundSchälschleifen steigert Flexibilität beim Schleifen von Futterteilen, Maschinenmarkt, 2003,
109, 48, s. 44–47.
Praca wpłynęła do Redakcji 6.04.2007
Recenzent: prof. dr hab. inż. Hubert Latoś
DEVELOPMENT TRENDS
IN THE SINGLE-PASS INTERNAL CYLINDRICAL GRINDING
S u m m a r y
The paper presents trends in the development in the single-pass internal cylindrical grinding
worked out in the Department of Production Engineering, Koszalin University of Technology. The
role of the computer modelling and simulation in creation of new abrasive tools using the grinding
wheels of zoned diversified structure as an example was discussed. The techniques of introducing
the artificial porosity into grinding wheels by doping the bubble corundum and by forming the
micro-discontinuity on their active surface were presented. The concept for the structure of the
intelligent tooling system designed for the single-pass internal grinding was also proposed.
Key words: Single-pass grinding, Grinding wheels whose structure is zonally diversified,
Computer simulation, Bubble corundum, Micro-discontinuity of grinding wheel
surface