KIERUNKI ROZWOJU JEDNOPRZEJŚCIOWEGO SZLIFOWANIA OTWORÓW

Transkrypt

1 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.

2 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

3 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

4 18 K. Nadolny, J. Plichta Parametry wejściowe - parametry geometryczne i kinematyczne procesu: vs, vw, vfa, ae, bw, dw - rodzaj spoiwa - budowa strefy szlifowania wykończeniowego ściernicy - geometria ściernicy: T, T1, T2, D - budowa strefy szlifowania zgrubnego ściernicy - początkowa topografia przedmiotu Generowanie modelu powierzchni strefy szlifowania zgrubnego ściernicy Generowanie modelu powierzchni strefy szlifowania wykończeniowego ściernicy Generowanie zbioru modeli powierzchni ziaren w strefie szlif. zgrubnego Import profilu przedmiotu przed obróbką Generowanie zbioru modeli powierzchni ziaren w strefie szlif. wykończeniowego SYMULACJA PROCESU JEDNOPRZEJŚCIOWEGO SZLIFOWANIA OTWORÓW ŚCIERNICAMI O STREFOWO ZRÓŻNICOWANEJ BUDOWIE Rejestracja parametrów chwilowych procesu 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

5 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. Konwencjonalne ściernice wielkoporowe charakteryzują się mniejszą liczebnością ziaren na CPS, co wpływa na relatywny wzrost wielkości wiórów powstających Rys. 4. Struktura ściernicy z mieszaniną spoiwa i mikroziaren sferycznych [6] Fig. 4. Grinding-wheel structure with the mixture of binder and spherical micro-grains [6] 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.

6 20 K. Nadolny, J. Plichta Rys. 5. Metody kształtowania mikronieciągłości na czynnych powierzchniach ściernic Fig. 5. Methods of shaping the micro-discontinuities on active surfaces on grinding wheels 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 użyciem tych samych narzędzi, jedynie po zatrzymaniu 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-

7 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.

8 22 K. Nadolny, J. Plichta... ZADANIE OBRÓBKOWE... Ściernice elementarne Obciągacze elementarne Strefa szlifowania zgrubnego Strefa szlifowania wykończeniowego 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

9 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 [2] Klocke F., Hegener G., Schnell, gut und flexibel: Hochleistungs-Aussenrund- -Formschleifen, IDR, 1999, 33, 2, s [3] Nadolny K., Badania efektywności procesu jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicami o strefowo zróżnicowanej budowie, rozprawa doktorska, Politechnika Koszalińska [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 [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 , Aug , 1984.

10 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 [7] Oczoś K. E., Doskonalenie techniki szlifowania. Część 2, Mechanik, 2005, 78, 10, s [8] Plichta J., Plichta S., Wpływ mikronieciągłości czynnych powierzchni ściernic na ich właściwości eksploatacyjne, in: Materiały XV Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów 1992, s [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 [10] Webster J., Tricard M., Innovations in Abrasive Products for Precision Grinding, Annals of the CIRP, 2004, 53, 2, s [11] Weinert K., Finke M., Kötter D., Wirtschaftliche Alternative zum Hartdrehen. Innenrund- Schälschleifen steigert Flexibilität beim Schleifen von Futterteilen, Maschinenmarkt, 2003, 109, 48, s Praca wpłynęła do Redakcji 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