Pomiar i wstępna analiza wartości składowych sił w procesie

1362
MECHANIK NR 10/2016
Pomiar i wstępna analiza wartości składowych sił
w procesie szlifowania ściernicą z nasypem z CBN
Measurement and initial analysis of force components during grinding
with CBN grinding wheels
ANDRZEJ KAWALEC
ANNA BAZAN
MAREK KROK
MARCIN SAŁATA
IRENEUSZ PIOTR CHMIELIK *
W artykule omówiono metodykę badań skupionych na wartościach sił w procesie szlifowania płaszczyzn ściernicą z nasypem z CBN ze spoiwem wytwarzanym metodą galwaniczną.
Przedstawiono również wyniki wstępnej analizy wzajemnych
relacji pomiędzy składowymi siły szlifowania.
SŁOWA KLUCZOWE: siły szlifowania, ściernice z CBN, ściernice
ze spoiwem galwanicznym
In the paper there is described the methodology of the research focused on the values of forces in the process of surface
grinding with CBN electroplated grinding wheel. There are also
presented the results of the initial analysis of the relationships
between the grinding force components.
KEYWORDS: grinding forces, CBN grinding wheels, electroplated grinding wheels
W ostatnich latach w przemyśle lotniczym coraz częściej
wykorzystuje się ściernice supertwarde, które zapewniają
większą elastyczność w przypadku produkcji małoseryjnej
[1]. Powoduje to rosnące znaczenie ściernic ze spoiwem
nanoszonym metodą galwaniczną i nasypem cechującym
się bardzo dużą twardością, np. z CBN. Ma to również
swoje odzwierciedlenie w zainteresowaniu badaczy tymi
ściernicami w kontekście obróbki materiałów stosowanych
w przemyśle lotniczym [2÷6]. Jednymi z parametrów, które
obserwuje się w celu pogłębienia wiedzy na temat konkretnego procesu szlifowania oraz wpływu poszczególnych
parametrów nastawnych procesu, są składowe siły szlifowania [7÷9].
W artykule zaprezentowano wstępne wyniki badań dotyczące wartości składowych sił szlifowania ściernicami
ze spoiwem nanoszonym metodą galwaniczną z nasypem
z CBN.
DOI: 10.17814/mechanik.2016.10.362
ziarna B64, ze spoiwem nanoszonym metodą galwaniczną.
Maksymalna średnica ściernicy wynosiła d = 100 mm, kąt
stożka α = 140°, szerokość nasypu z CBN mierzona wzdłuż
tworzącej b = 9,5 mm. Topografia ściernicy wykorzystanej
do badań została opisana w publikacji [10].
W przeprowadzonym eksperymencie za zmienne zależne przyjęto trzy parametry procesu szlifowania: prędkość
szlifowania vs, posuw ft oraz głębokość szlifowania ae (rys.
1). Szerokość szlifowania ap wynosiła 9 mm. Stosowano chłodzenie olejem szlifierskim. Całkowity naddatek był
mniejszy niż 0,2 mm, czyli głębokość, przy której następuje
intensywny spadek twardości materiału obrabianego.
W programie JMP 12.1.0 opracowano plan eksperymentu oraz przeprowadzono jego analizę. Przyjęto plan
kompozycyjny rotatabilny dla trzech zmiennych zależnych
przyjmujących po pięć poziomów wartości. Parametry
zmieniano w zakresach:
●● prędkość skrawania: vs = 27,5÷36,5 m/s,
●● posuw: ft = 500÷5000 mm/min,
●● głębokość skrawania: ae = 5÷40 μm.
Prędkość skrawania vs podano dla średniej wartości
średnicy wynoszącej dsr = 91,5 mm.
Metodyka badań
Przedmiotem badań była ocena wybranych parametrów
procesu szlifowania wykończeniowego powierzchni płaskich przedmiotów wykonanych ze stali wysokostopowej
Pyrowear 53 w stanie utwardzonym (ok. 62 HRC) na wartości sił szlifowania. Procesy szlifowania przeprowadzono
na szlifierce do narzędzi Fortis firmy Deckel. Wykorzystano
ściernicę stożkową (rys. 1) z nasypem z CBN o numerze
* Dr hab. inż. Andrzej Kawalec ([email protected]), mgr inż. Anna Bazan ([email protected]), mgr inż. Marek Krok ([email protected]), mgr inż. Marcin
Sałata ([email protected]) – Politechnika Rzeszowska; dr inż. Ireneusz
Piotr Chmielik ([email protected]) – Taylor Hobson Polska
Rys. 1. Kinematyka szlifowania i siły składowe: ns – prędkość obrotowa
ściernicy, vft – prędkość posuwu stycznego, vfr – prędkość posuwu promieniowego, ap – szerokość szlifowania, ae – głębokość szlifowania, Fn –
składowa normalna siły szlifowania, Ft – składowa styczna siły szlifowania
Konfigurację stanowiska badawczego przedstawiono na
rys. 2. Siły skrawania mierzono za pomocą dynanometru
obrotowego Kistler 9123C, połączonego ze wzmacniaczem
5223B i kartą pomiarową NI USB-6009.
+
MECHANIK NR 10/2016
1363

MECHANIK

NR

.../20...

Rejestrację
prowadzono
w LabVIEW
programie
Rejestrację
sygnałówsygnałów
prowadzono
w programie
LabVIEW2012
Signal
Express 2012 z próbkowania
częstotliwością5próbkoSignal Express
z częstotliwością
kS/s.
wania przetwarzania
5 kS/s. Do dalszego
przetwarzania
w tym
Do dalszego
sygnałów,
w tym sygnałów,
wyznaczenia
wyznaczenia
wartości
siły
stycznej
i
normalnej,
wykorzywartości siły stycznej i normalnej wykorzystano środowisko
stano środowisko
programistyczne
Python. programistyczne Python.
30
25
20
Siła Ft, N
15
10
5
0
-5
0
1
2
3
40
5
Siła Fn, N
60
70
80
9
Rys. 4. Korelacja pomiędzy składowymi Ft i Fn
Rys. 4. Korelacja pomiędzy składowymi F t i F n
Podsumowanie
Podsumowanie
Rys. 2. Obszar roboczy z elementami stanowiska badawczego
Wyniki badań
Rys. 2. Obszar roboczy z elementami stanowiska badawczego
Podczas szlifowania z różnymi parametrami nastawnymi
składowa normalna Fn przyjmowała wartości z zakresu
Wyniki badań
7,2÷83,6 N, a składowa styczna Ft – z zakresu 0,1÷25,9 N.
W artykule
skupiono
na zależnościach
pomiędzy
W
artykuleuwagę
uwagę
skupiono
na zależnościach
pomiędzy
składowymi
siły
szlifowania
mierzonymi
podczas
składowymi siły szlifowania mierzonymi podczas szlifoszlifowania
wania płaszczyzn ściernicą z nasypem z CBN. Pomiędzy
płaszczyzn
ściernicą z nasypem z CBN. Pomiędzy
składową normalną i styczną siły szlifowania zachodzi
składową normalną i styczną siły szlifowania zachodzi
bardzo silna dodatnia korelacja liniowa, o czym świadczy
bardzo
dodatnia korelacji
korelacja
liniowa,
o czymtoświadczy
wartośćsilna
współczynnika
r bliska
1. Wskazuje
na
wartość
współczynnika
korelacji
r
bliska
1.
Wskazuje to na
poprawność wykonanych badań.
poprawność
wykonanych
badań.
W dalszej kolejności
planuje
się przeprowadzenie badań
W
dalszej
kolejności
planuje
się przeprowadzenie
dotyczących wpływu parametrów doprowadzenia
chłodzi-badań
dotyczących
wpływu
parametrów
doprowadzenia
chłodziwa
wa na wartość współczynnika tarcia podczas szlifowania
na
wartośćjednowarstwowymi
współczynnika ztarcia
podczas
ściernicami
nasypem
z CBN. szlifowania
Przykład
przebiegu
wartości parametrami
mierzonych składowych
siły
Podczas
szlifowania
z różnymi
nastawnymi
szlifowania
przedstawiono
na rys. wartości
3.
F n przyjmowała
składowa
normalna
z zakresu
7,2÷83,6 N, a składowa styczna F t z zakresu 0,1÷25,9 N.
ściernicami jednowarstwowymi z nasypem z CBN.
Przykład przebiegu wartości mierzonych składowych siły
LITERATURA
szlifowania przedstawia rys. 3.
LITERATURA
1.Klocke F., Soo S.L., Karpuschewski B., Webster J.A., Novovic D.,
Rys. 3. Przebieg wartości składowych siły szlifowania dla parametrów
obróbki: vs = 29 m/s, ft = 4088 mm/min, ae = 12 μm
Dla składowej normalnej i stycznej siły szlifowania wykorelacji liniowej,
który wynosił
r=
Rys. 3. znaczono
Przebieg współczynnik
wartości składowych
siły szlifowania
dla
= 0,9853
oraz
determinacji
parametrów
obróbki:
v s =współczynnik
29 m/s, f t = 4088
mm/min, R
a e2 = 0,97.
12 μm
Wykres zależności pomiędzy Ft i Fn oraz prostą regresji
zaprezentowano
na rys. 4.
Dla składowej normalnej
i stycznej siły szlifowania
Równanie
prostej
wzór:wynosił r
wyznaczono współczynnik regresji
korelacjiprzedstawia
liniowej, który
= 0,9853 oraz współczynnik determinacji R2 = 0,97.
zależności
Ft pomiędzy
= -1,340765F+ 0,3415677
× Fn
Wykres
t i F n oraz prostą regresji
przedstawiono na rys. 4.
Wyznaczony model liniowy jest istotny statystycznie dla
Równanie prostej regresji przedstawia wzór (1):
poziomu istotności p < 0,0001.
Współczynnik kierunkowy prostej regresji na wykresie
-1,340765siłą
+ 0,3415677*F
F t = pomiędzy
n
zależności
styczną i normalną
(rys. 4)(1)
jest
równy współczynnikowi tarcia μ [3, 11]. Z równania wynika, że współczynnik
tarcia
prowadzonych
badaniach
Wyznaczony
model liniowy
jestwistotny
statystycznie
dla
ok. μ
= 0,34. Mieścił się on w przedziale wartości
p<0,0001.
poziomuwynosił
istotności
współczynnika
tarcia podczas
szlifowania
Współczynnik
kierunkowy
prostej
regresji stali
na podawanewykresie
go
w
literaturze:
μ
=
0,2÷0,4
[11].
zależności pomiędzy siłą styczną i normalną (rys. 4) jest
równy współczynnikowi tarcia μ [3, 11]. Z równania (1)
wynika, że współczynnik tarcia w prowadzonych badaniach
wynosił ok. μ = 0,34. Mieścił się on w przedziale wartości
1. Klocke
SooD.A.,
S. L.,
Karpuschewski
Webster
J. A., Novovic
Elfizy A.F.,
Axinte
Tonissen
S. “AbrasiveB.,
machining
of advanced
D.,
Elfizy A.;
Axinte
D. A., Tonissen
S.–"Abrasive
machining
of
aerospace
alloys
and composites”.
CIRP Annals
Manufacturing
Technology. Vol.aerospace
64, No. 1 ( 2015):
pp. 581÷604.
advanced
alloys
and composites". CIRP Annals 2.You
H., Ye P., Wang
J., Deng X. “Design
application
of CBN
shape
Manufacturing
Technology.
Vol 64,and
No.
1 ( 2015):
p. 581÷604.
grinding
wheel
gears”.
Journal ofand
Machine
Tools andof CBN
2. You
H., Ye
P.,for
Wang
J.,International
Deng X. "Design
application
Manufacture. Vol. 43, No. 12 (2003): pp. 1269÷1277.
shape grinding wheel for gears". International Journal of Machine
3. Guo C., Shi Z., Attia H., McIntosh D. “Power and Wheel Wear for
Tools
andNickel
Manufacture.
Vol. CBN
43, No.
12 (2003):
p. 1269÷1277.
Grinding
Alloy with Plated
Wheels”.
CIRP Annals
– Manu3. Guo
C.
,
Shi
Z.,
Attia
H.,
McIntosh
D.
"Power
and
facturing Technology. Vol. 56, No. 1 (2007): pp. 343÷346. Wheel Wear for
Grinding
Nickel
Alloy with
Plated CBN
Wheels”.
CIRP Annals 4.
Gift F., Force
E., Misiolek
W. “Mechanics
of Loading
for Elec-troplated
Cubic Boron Nitride
(CBN) Wheels
During
Grinding
of a Nickel-Based
Manufacturing
Technology.
Vol.
56, No.
1. (2007):
p. 343÷346.
Superalloy
in Water-Based
Lubricating
Fluids”. Journal
of Manufac4. Gift
F., Force
E., Misiolek
W. "Mechanics
of Loading
for Electuring Science and Engineering. Vol 126, No. 4 (2004): pp. 795÷801.
troplated
Cubic Boron Nitride (CBN) Wheels During Grinding of a
5. Gift F., Misiolek W. “Fluid Performance Study for Groove Grind-ing
Nickel-Based
Superalloy in Water-Based Lubricating Fluids".
a Nickel-Based Superalloy Using Electroplated Cubic Boron Nitride
Journal
of Manufacturing
Science
and Engineering.
Vol
126, No.
(CBN) Grinding
Wheels”. Journal
of Manufacturing
Science and
Engi4 neering.
(2004):Vol.
p. 795÷801.
126, No. 3 (2004): pp. 451÷458.
Liu F.,
Q., Misiolek
Chen X., Gindy
N. “Robust
design andStudy
optimisation
of aero- Grind5. 6.
Gift
W. "Fluid
Performance
for Groove
space
alloy grinding bySuperalloy
different abrasive
The International
ing
a Nickel-Based
Usingwheels”.
Electroplated
Cubic Boron
Journal of
Advanced
Manufacturing
Technology.
Vol. 39,ofNo.1
(2008):
Nitride
(CBN)
Grinding
Wheels".
Journal
Manufacturing
pp. 1125÷1135.
Science and Engineering. Vol 126, No. 3 (2004): p. 451÷458.
7. Hwang T.W., Malkin S., Evans C.J. “High Speed Grinding of Silicon
6. Liu
Q., With
Chen
X., Gindy
N. "Robust
and and
optimisation
of
Nitride
Electroplated
Diamond
Wheels,design
Part 1: Wear
Wheel
aerospace
alloy
grinding byScience
different
wheels".
Life”. Journal
of Manufacturing
andabrasive
Engineering.
Vol. 122,The International
Journal
of Advanced Manufacturing Technology. Vol.
No. 1 (1999):
pp. 32÷41.
8.
Hwang
Malkin
Evans C.J. “High Speed Grinding of Silicon
39,
No.1T.W.,
(2008):
p. S.,
1125÷1135.
Nitride With
Electroplated
Wheels,
Part
2: Wheel
Topography
7. Hwang
T. W.,
Malkin Diamond
S., Evans
C. J.
"High
Speed
Grinding of
and Grinding
Journal ofDiamond
Manufacturing
Science
Silicon
NitrideMechanisms”.
With Electroplated
Wheels,
Partand
1: Wear
Engineering. Vol. 122, No. 1 (1999): pp. 42÷50.
and
Wheel
Life."
Journal
of
Manufacturing
Science
and
9. Shi Z., Malkin S. “An Investigation of Grinding with Electroplated CBN
Engineering.
122,– No.
1 (1999): Technology.
p. 32÷41. Vol 52, No. 1
Wheels”. CIRPVol.
Annals
Manufacturing
8. Hwang
T. W.,
Malkin S., Evans C. J. "High Speed Grinding of
(2003): pp.
267÷270.
Silicon A.,Nitride
Diamond
Wheels,
Part 2:
10.Bazan
KawalecWith
A., KrokElectroplated
M., Chmielik I. „Analiza
wybranych
parametrów ziaren
ściernic z CBNand
na podstawie
pomiarów
topografii”. XXXVII
Wheel
Topography
Grinding
Mechanisms".
Journal of
Naukowa SzkołaScience
Obróbki Ściernej.
Mechanik. R.Vol.
87, 122,
z. 8–9No.
(2014):
Manufacturing
and Engineering.
1 (1999):
s. 49÷52.
p.CD
42÷50.
11. Malkin S. “Grinding Technology: Theory and Applications of Machining
9. Shi
Z., Malkin S. "An Investigation of Grinding with Electroplated
with Abrasives”. Ellis Horwood Ltd., 1989.
■
CBN Wheels". CIRP Annals - Manufacturing Technology. Vol 52,
o. 1 (2003), p. 267÷270.
10. Bazan A., Kawalec A., Krok M., Chmielik I. „Analiza wybranych
parametrów ziaren ściernic z CBN na podstawie pomiarów
topografii”. XXXVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej. Mechanik.