NOWE MEDIA I SPOSOBY ICH DOPROWADZANIA DO STREFY SZLIFOWANIA

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 4 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 RYSZARD WÓJCIK NOWE MEDIA I SPOSOBY ICH DOPROWADZANIA DO STREFY SZLIFOWANIA W artykule zaprezentowano badania procesu szlifowania stali łożyskowej i narzędziowej ściernicą z elektrokorundu szlachetnego. Cieczą obróbkową zastosowaną w badaniach była mgła olejowa (MQL) oraz sprężone powietrze. Przedstawiono propozycję podawania obu czynników jednocześnie. Słowa kluczowe: szlifowanie, chłodzenie sprężonym powietrzem, smarowanie minimalną ilością oleju 1. WSTĘP W procesie szlifowania istotnym elementem jest dobór właściwego płynu obróbkowego (cieczy, gazu). Ciecz obróbkowa (CO) jest doprowadzana przez odpowiednio ukształtowane dysze do strefy kontaktu ściernicy z przedmiotem obrabianym [2, 5, 6]. Dobór cieczy obróbkowej nie zapewnia jeszcze uzyskania w pełni żądanych efektów obróbkowych, gdyż wpływa na nie również sposób i technika jej doprowadzenia do strefy skrawania. Bardzo ważne jest, aby jak największa objętość cieczy trafiała do strefy styku ściernicy z obrabianym przedmiotem. Trwają poszukiwania sposobów doprowadzania do strefy skrawania cieczy obróbkowej w postaci aerozoli powietrza i oleju (MQL). Prowadzone są prace w zakresie chłodzenia samym sprężonym powietrzem (SP) lub sprężonym powietrzem schłodzonym (SPS) [3, 8]. Badania te mają na celu rezygnację z CO, np. z wodnych roztworów emulsji. Na obecnym etapie badań użycie chłodzenia sprężonym powietrzem w procesach szlifowania powoduje głośną pracę na skutek rozprężania powietrza, zwłaszcza przy ciśnieniu 0,6 MPa. To zjawisko jest niekorzystne dla operatora obrabiarki i środowiska. Prowadzone badania zmierzają do jednoczesnego doprowadzenia minimalnej ilości mgły olejowej w celu zwilżania powierzchni ściernicy oraz sprężonego Dr hab. inż. Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej.

2 138 R. Wójcik powietrza w celu chłodzenia powierzchni przedmiotu podczas szlifowania. Zaletą tego rozwiązania byłoby zmniejszenie obciążenia cieplnego przy jednoczesnym wzroście trwałości ściernicy i jakości warstwy wierzchniej szlifowanego przedmiotu w porównaniu z klasycznym chłodzeniem. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE W badaniach wykorzystywano dwa sposoby podawania czynnika chłodzącego: sprężonego powietrza (SP) i mgły olejowej (MQL) z różnych kierunków. Celem było uzyskanie chłodzenia próbki pozwalającego uniknąć przypaleń, pęknięć powierzchni i związanych z nimi odkształceń, zwłaszcza w zakresie małych prędkości przedmiotu do v w = 0,1 m/s i dużych głębokości szlifowania a e = 0,05 mm, ponieważ przy tych parametrach procesu szlifowana warstwa wierzchnia przedmiotu jest najbardziej obciążona cieplnie. W badaniach procesu szlifowania wykorzystano siłomierz 9321B do pomiaru rozkładu sił skrawania (F c ), na którym mocowano uchwyty do próbek płaskich. Badano kilkanaście rodzajów stali, które były poddane różnym procesom obróbki cieplnej. Wybrano dwie stale: stal łożyskową 100Cr6 obrobioną cieplnie do twardości 62 HRC oraz stal narzędziową X39Cr13 o twardości 60 HRC. Do dostarczania cieczy obróbkowej z minimalnym wydatkiem (MQL) zastosowano urządzenie firmy MicroJet oraz ciecz obróbkową MICRO 3000 (rys. 1). Rys. 1. Urządzenie MQL firmy MicroJet Fig. 1. MicroJet MQL equipment Badano wpływ kierunku podawania cieczy obróbkowej (SP) i (MQL) na wartość siły skrawania i odkształcenia cieplne próbki. Uzyskane wyniki porównano z procesem szlifowania bez udziału CO. Proces szlifowania wykonano na próbkach płaskich (o przekroju prostokątnym, wymiary: ,5 mm).

3 Nowe media i sposoby ich doprowadzania do strefy szlifowania 139 Próbki szlifowano metodą wgłębną na szlifierce SPD-30 z następującymi parametrami: prędkość przedmiotu v w = 0,1 m/s, głębokość szlifowania a e = 0,06 mm, prędkość obwodowa ściernicy v s = 25 m/s. W procesie szlifowania wykorzystano ściernicę z elektrokorundu szlachetnego 25A 80G 12 VBE. Aby prześledzić warunki doprowadzenia mgły olejowej do strefy skrawania, zastosowano metodę PIV (Particle Image Velocimetry). Polega ona na oświetlaniu strumienia cząsteczek (w tym przypadku rozpylonego oleju) światłem laserowym i rejestracji ich przemieszczeń na podstawie wykonywanych w krótkich odstępach zdjęć. 3. WYNIKI BADAŃ Badano trzy kierunki podawania CO (rys. 2). Sprężone powietrze i mgłę olejową do strefy szlifowania wprowadzano za pomocą dyszy o średnicy otworów d = 0,3 0,5 mm, wartość ciśnienia wynosiła 0,3 0,6 MPa. Kierunki strumienia sprężonego powietrza (SP) i mgły olejowej (MQL) oznaczono następująco: K1 (MQL-1, SP-1) z przodu ściernicy, K2 (MQL-2, SP-2) z boku ściernicy, K3 (MQL-3, SP-3) z tyłu ściernicy pod kątem 45 stopni (rys. 2). Na rysunku 3 przedstawiono ustawienia dysz podających mgłę olejową do strefy szlifowania K3 przedmiot ściernica. Trwają prace nad modyfikacją dysz podających CO, gdyż obecne rozmiary nie pozwalają na bliskie podejście do strefy szlifowania z uwagi na bezpieczeństwo procesu. Dotyczy to ustawienia dyszy stycznie do obwodu ściernicy szlifującej, co może powodować zakłócenia przepływu strumienia mgły olejowej (rys. 7c i d). W przypadku pokazanym na rys. 7c mgła olejowa jest rozdzielona przez krawędź próbki w początkowej fazie szlifowania. Trwają prace nad konstrukcją dyszy zachowującej kierunek styczny, podającej CO w sposób prostopadły. Zastosowanie różnych CO znalazło odbicie w pomiarach stycznej siły szlifowania. Na rysunku 4 zaprezentowano wyniki pomiarów siły stycznej w zależności od prędkości przedmiotu i kierunku podawania mgły olejowej. Przy tych samych kierunkach podawania obu czynników MQL i SP składowe siły miały różne wartości. v w K2 K1 Rys. 2. Kierunki podawania sprężonego powietrza i MQL Fig. 2. The supplying directions of compressed air and MQL aerosol

4 140 R. Wójcik a) b) Rys. 3. Sposoby podawania minimalnej ilości oleju do strefy skrawania; kierunek: a) prostopadły, b) styczny Fig. 3. Different types of supplying minimal quantity lubricant into cutting zone: a) perpendicular direction, b) tangential direction a) b) Rys. 4. Rozkład sił skrawania (F c ) w procesie szlifowania płaszczyzn ściernicą 25A 80G 12 VBE z udziałem SP i MQL stali 100Cr6: a) sprężone powietrze, b) mgła olejowa Fig. 4. Distribution of tangential cutting force Ft during surface grinding by means of 25A 80G 12 VBE grinding wheel: a) Compressed Air (SP), b) MQL Workpiece material: bearing steel 100Cr6 Na rysunku 5 podano wartości siły skrawania (parametry procesu szlifowania: v s = 25 m/s, v w =0,1 m/s, a e = 0,05 mm) i odkształcenie próbki szlifowanej z udziałem MQL dla kierunków jak na rys. 2. Odkształcenia i siły dla różnych kierunków porównano z odkształceniami i siłami podczas szlifowania bez udziału cieczy były one mniejsze dla obu stali.

5 Nowe media i sposoby ich doprowadzania do strefy szlifowania 141 a) b) Rys. 5. Wpływ kierunku podawania mgły olejowej na odkształcenia cieplne i siły skrawania podczas szlifowania wgłębnego ściernicą 25A 80G 12 VBE powierzchni płaskich; stal: a) 100Cr6, b) X39Cr13 Fig. 5. An influence of compressed air supplying direction on deformation of rectangular shaped samples during surface grinding 25A 80G 12 VBE grinding wheel; steels: a) 100Cr6, b) X39Cr13 a) b) Rys. 6. Uszkodzenia powstałe podczas szlifowania ściernicą z elektrokorundu szlachetnego: a) pęknięcie początkowe (stal X39Cr13), b) przypalenie siatka mikropęknięć (stal 100Cr6) Fig. 6. The defects of the surface integrity during surface grinding with chromium aluminum oxide grinding wheel: a) initial crack of tool steel (X39Cr13), b) grinding burn micro cracking net of defects of bearing steel (100Cr6) W procesie szlifowania bez udziału CO (S) powierzchni płaskich ściernicami z elektrokorundu szlachetnego w zakresie prędkości do 0,1 m/s prawie zawsze

6 142 R. Wójcik powstawały uszkodzenia warstwy wierzchniej od mikropęknięć na powierzchni stali 100Cr6 (rys. 6b) do głębokich pęknięć warstwy wierzchniej (50 μm) w stali X39Cr13 (rys. 6a). Stale powyższych gatunków są najbardziej podatne na uszkodzenia. W praktyce rzadko stosuje się szlifowanie na sucho, zdarza się to jednak w przypadku szlifowania narzędzi skrawających. a) b) c) d) Rys.7. Kierunki podawania mgły olejowej: a) prostopadły, start ściernicy, b) ruch ustalony, c) kierunek styczny współbieżny, d) kierunek styczny przeciwbieżny przedmiotu Fig. 7. Supplying directions of minimal quantity lubricant: a), perpendicular direction, initial stage of grinding, b) steady motion, c), d) tangential direction Wyniki dotyczące kierunku podawania cieczy obróbkowej wskazują, że zdecydowanie lepsze efekty uzyskuje się przy doprowadzeniu mgły olejowej w kierunku prostopadłym do powierzchni roboczej ściernicy. W całym zakresie badań siła styczna szlifowania była mniejsza niż podczas szlifowania ze stycznym kierunkiem podawania cieczy obróbkowej. W zależności od głębokości szlifowania obserwowano spadek siły szlifowania (rys. 4b). Potwierdzają to obserwacje strumienia cieczy obróbkowej metodą PIV (Particle Image Velocimetry) (rys. 7a i b). Jest to efekt lepszego zwilżania powierzchni roboczej ściernicy uzyskany dzięki prostopadłemu skierowaniu

7 Nowe media i sposoby ich doprowadzania do strefy szlifowania 143 dyszy do tej powierzchni oraz mniejszemu rozproszeniu strugi. W tych warunkach lepsze jest smarowanie powierzchni styku ziaren ściernych z materiałem obrabianym. Na rysunku 7a pokazano moment rozruchu ściernicy i wyrzucanie nagromadzonego oleju. Po ustaleniu się prędkości obrotowej ściernicy pozostaje mikrowarstwa, tzw. otoczka smarna, która bierze udział w procesie szlifowania. W przypadku stycznego wprowadzania mgły olejowej jest ona rozpraszana zarówno w kierunku współbieżnym, jak i przeciwbieżnym szlifowanego przedmiotu (rys. 7c id). Kierunek styczny jest w dalszym ciągu badany, gdyż istnieje szansa, że po pewnej modyfikacji ściernicy zapewni on właściwe smarowanie. Trwają poszukiwania odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych dysz. Ściernica Kierunek podawania (MQL) Próbka Kierunki podawania (SP) P, B, B1 zawór sterujące Zawór sterujący B1 B B1 P, K1 B v wb v wb1 Rys. 8. Sposób połączenia metod smarowania (MQL) i chłodzenia (SP) Fig. 8. Connection of two kinds of lubricating and cooling methods: (MQL) minimal quantity lubrication and Compressed Air (SP) Na rysunku 8 przedstawiono hybrydowe sposoby podawania obu czynników. Minimalna ilość mgły olejowej została wykorzystana do zwilżania powierzchni

8 144 R. Wójcik roboczej ściernicy (sposób prostopadły), a sprężone powietrze do chłodzenia przedmiotu szlifowanego. Wykorzystano styczny sposób podawania sprężonego powietrza, strumień jest kierowany pomiędzy ściernicę a przedmiot obrabiany. Dodatkowo zastosowano chłodzenie boczne obustronne SP przedmiotu. Dysze B i B1 pracują przemiennie w zależności od kierunku szlifowania. Dysze oznaczone P i K1 pracują cały czas podczas szlifowania z posuwem poprzecznym. Sterowanie dyszami B i B1 odbywa się z wykorzystaniem zderzaków szlifierki. 4. WNIOSKI Zaprezentowane badania potwierdziły możliwość połączenia dwóch czynników chłodząco-smarujących w procesie szlifowania powierzchni płaskich z posuwem poprzecznym. Konieczne jest opracowanie konstrukcji specjalnego zestawu dysz, aby przybliżyć dysze z mgłą olejową do strefy szlifowania, co zwiększyłoby skuteczność chłodzenia. Przedmiotem dalszych badań będą różnego rodzaju modyfikacje ściernicy mające na celu lepsze wykorzystanie metody PIV. Umożliwi to dokładniejsze obserwacje zachowania mgły olejowej w pobliżu styku ściernicy z przedmiotem obrabianym. LITERATURA [1] Eisenblatter G., Minimum Quantity Lubrication, w: Proc. First Int. Work-shop on High Prefomance Cutting, Paris 2002, s [2] Karpiński T., Sieniawski J., Badania efektywności metody chłodzenia strefowego w szlifowaniu płaszczyzn, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2005, vol. 25, nr 2, s [3] Kruszyński B., Pazgier J., Temperatures and forces in grinding of magnetics composites, w: III rd International Scientific Konference Development of Metal Cutting, Koszyce 2000, s. PL65 PL67. [4] Kruszyński B., Wójcik R.: Residual stress in surface grinding, w: Development in Metal Cutting, Košice 1996, s [5] Oczoś K. E., Doskonalenie strategii chłodzenia i smarowania w procesach obróbkowych, Mechanik, 2004, nr 10, s [6] Oczoś K. E., Doskonalenie technik szlifowania, cz. 1, Mechanik, 2005, nr 8 9, s [7] Wójcik R., Utwardzanie powierzchni płaskich w procesie szlifowania, w: XXVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Kraków 2003, s [8] Wójcik R., Kruszyński B., Szlifowanie powierzchni płaskich z zastosowaniem minimalnego smarowania (minimum quantity lubrcation-mql), w: XXVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Kraków 2003, s Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Jarosław Plichta

9 Nowe media i sposoby ich doprowadzania do strefy szlifowania 145 APPLICATION OF NEW KINDS OF COOLING MEDIA AND SUPPLYING METHODS DURING SURFACE GRINDING S u m m a r y In the paper results of grinding bearing and tool steel by means of chromium aluminum oxide grinding wheel are presented. Two types of cooling methods are investigated: MQL and SPcompressed air. On the basis of conducted investigations two types of cooling and lubricating methods were applied simultaneously during surface grinding. Moreover different kinds of supplying methods are presented, too. Key words: grinding, CAC-compressed air cooling, MQL minimal quantity lubrication