KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 KRZYSZTOF NADOLNY *, STANISŁAWA PLICHTA * JAROSŁAW PLICHTA * * MODEL POWSTAWANIA NAPRĘŻEŃ W WARSTWIE WIERZCHNIEJ PRZEDMIOTU OBROBIONEGO W PROCESIE JEDNOPRZEJŚCIOWEGO SZLIFOWANIA OTWORÓW ŚCIERNICĄ O STREFOWO ZRÓŻNICOWANEJ BUDOWIE W artykule przedstawiono wyniki badań stanu naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotów obrobionych w procesie jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicami o strefowo zróżnicowanej budowie. Opisano warunki prowadzonych badań doświadczalnych oraz stanowisko pomiarowe do wyznaczenia naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotów po szlifowaniu metodą Weissmana-Philipsa. Na podstawie zarejestrowanych rozkładów naprężeń opracowano model powstawania naprężeń w tego typu procesie szlifowania. Słowa kluczowe: naprężenia, szlifowanie jednoprzejściowe, ściernice o strefowo zróżnicowanej budowie 1. WPROWADZENIE W szlifowaniu jednoprzejściowym cały naddatek obróbkowy usuwany jest w jednym przejściu roboczym ściernicy z jednoczesnym zapewnieniem wysokiej jakości obrobionej powierzchni. W większości tego typu procesów stosowane są ściernice z materiałów supertwardych, takich jak regularny azotek boru (CBN) [2, 3, 5, 6, 8, 9]. W Katedrze Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej od kilku lat bada się możliwości zastosowania w jednoprzejściowym szlifowaniu otworów ściernic z ziaren mikrokrystalicznego korundu spiekanego SG. W wyniku tych badań opracowano specjalne ściernice, charakteryzujące się strefowym zróżnicowaniem budowy. Zastosowanie takich narzędzi (rys. 1) pozwoliło na prowadzenie opisywanego procesu z naddatkami a e dochodzącymi do 0,2 mm [4]. * Dr inż. ** Dr hab. inż. Katedra Inżynierii Produkcji Politechniki Koszalińskiej.

2 26 K. Nadolny, S. Plichta, J. Plichta Rys. 1. Ściernica o strefowo zróżnicowanej budowie Fig. 1. Grinding wheel whose structure is zonally diversified Proces jednoprzejściowy charakteryzuje się znacznie większym obciążeniem czynnej powierzchni ściernicy (CPS) w porównaniu ze szlifowaniem prostoliniowo-zwrotnym w związku z większą głębokością szlifowania przypadającą na pojedynczy ruch roboczy (rys. 2). W celu równomiernego rozłożenia naddatku obróbkowego na jak największej powierzchni ściernicy stosuje się nakrój stożkowy, w którego obszarze zachodzi szlifowanie zgrubne szlifowanie wykończeniowe zachodzi w części walcowej. Taka ściernica zapewnia uzyskiwanie powierzchni o chropowatości Ra = 0,2 0,4 µm. Jak wiadomo, o jakości obrobionej powierzchni, poza jej Rys. 2. Porównanie obciążenia ściernicy podczas jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicą z nakrojem stożkowym (a) oraz konwencjonalnego procesu wieloprzejściowego (b) [6, 8, 9] Fig. 2. Comparison of grinding wheel load in single-pass internal cylindrical grinding using grinding wheel with conic chamfer (a) and conventional multi-pass grinding (b) [6, 8, 9] makro- i mikrogeometrią, decydują również cechy fizykochemiczne warstwy wierzchniej, np. naprężenia wprowadzone na skutek obróbki [7]. Zagadnienie to może być szczególnie istotne w szlifowaniu jednoprzejściowym, charakteryzującym się znacznym obciążeniem ściernicy w strefie obróbki. O ile w przypadku ściernic z CBN można zakładać, że bardzo wysoki współczynnik przewodzenia

3 Model powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej ciepła tych ziaren (λ = 200 W/(m K) [5]) zapewnia zimne szlifowanie i zapobiega powstawaniu w trakcie obróbki znaczących zmian naprężeń, o tyle dla korundu spiekanego SG (λ 30 W/(m K) [1]) należało ten wpływ określić. 2. BADANIA DOŚWIADCZALNE STANU NAPRĘŻEŃ W WARSTWIE WIERZCHNIEJ OBOBIONYCH PRZEDMIOTÓW 2.1. Stanowisko badawcze Badania wykonano w ramach grantu KBN nr 4 T07D pt. Narzędzia ścierne z tlenku glinu o funkcjonalnym gradiencie strukturalnym w zastosowaniach do jednoprzejściowego szlifowania powierzchni wewnętrznych walcowych. W badaniach użyto szlifierki uniwersalnej typu RUP 28P, wyposażonej w elektrowrzeciono firmy FISCHER (typ EV-70/70-2WB), o mocy 5,2 kw i maksymalnych obrotach wynoszących obr/min (rys. 3). Rys. 3. Szlifierka RUP 28P wraz z układem sterowania elektrowrzeciona FISCHER Fig. 3. RUP 28P grinding machine with control system of FISCHER electro-spindle Przedmiotami szlifowanymi były półwyroby łożysk tocznych ze stli ŁH15 o twardości 63±2 HRC. Ciecz chłodząco-smarującą stanowił 5-procentowy wodny roztwór oleju Castrol Syntilo R HS Stanowisko do pomiaru naprężeń W badaniach sprawdzających stan naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotu obrabianego zastosowano metodę usuwania kolejnych warstw materiału w wyniku elektrolitycznego trawienia i pomiaru odkształceń próbki (Weissmana- -Philipsa). Najważniejszymi elementami stanowiska pomiarowego były (rys. 4): elektrolizer (zbiornik do elektronicznego usuwania warstwy wierzchniej), układ mocowania (uchwyt),

4 28 K. Nadolny, S. Plichta, J. Plichta analogowy czujnik indukcyjny z głowicą pomiarową VIS MDKa-C-3 i wskaźnikiem cyfrowym VIS CIMETR 1 o tolerancji wskazań ±1 μm, zespól regulacji temperatury, zespól regulacji wymuszonego ruchu elektrolitu w zbiorniku, centralny system sterowania CSS-84a z multiplekserem MAC-1 i rejestratorem VISOPRINT drukującym wyniki pomiarów czujnika indukcyjnego, zasilacz prądu stałego, elektrolit (10-procentowa mieszanina wodna kwasu azotowego HNO 3 i kwasu solnego HCl w proporcjach 1:3). Rys. 4. Schemat stanowiska do pomiaru naprężeń; 1 czujnik przemieszczeń; 2 katoda; 3 uchwyt; 4 trawiona próbka; 5 elektrolit; 6 zbiornik Fig. 4. Stress measuring position: 1 displacement sensor; 2 cathode; 3 holder; 4 etched workpiece; 5 electrolyte; 6 tank Pomiary wykonano, rejestrując odkształcenia trawionej próbki (wartości strzałki ugięcia) w trakcie trawienia z częstotliwością 60 s, przy zapewnieniu niezmiennej temperatury (T = 18 C ±1 C) i natężenia prądu I = 4 A ±1 A. Stałe warunki trawienia warstwy wierzchniej zapewniono przez zastosowanie urządzeń do pomiaru i regulacji temperatury (termometr kontaktowy, grzałka) oraz mieszadła wymuszającego ruch elektrolitu w kierunku równoległym do trawionej powierzchni.

5 Model powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej Wyniki pomiarów naprężeń Sporządzono wykresy rozkładu naprężeń w warstwie wierzchniej obrobionych przedmiotów, a jeden z nich przedstawiono na rys. 5. Wyniki pomiarów wskazują, że w warstwie wierzchniej przeszlifowanych pierścieni łożyskowych występują naprężenia ściskające o maksymalnej wartości na głębokości μm od powierzchni próbki. W strefach przypowierzchniowych zaobserwowano charakterystyczne zmniejszenie wartości naprężeń. 0 Odległość od powierzchni [μm] Naprężenia w warstwie wierzchniej [MPa] Ściernica: 1-35x20x10 - SG/F46 K 7 V DG 70% / SG/F60 K 7 V DG 30% vs = 60 [m/s] vw = 0,75 [m/s] ae = 0,15 [mm] q = 80 χ = 0,60 [ ] ns = [obr./min] nw = 341 [obr./min] vfa = 1,5 [mm/s] QCCS = 5,0 [l/min] b = 14,4 [mm] Rys. 5. Przykładowy rozkład naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotu po jednoprzejściowym szlifowaniu ściernicą o strefowo zróżnicowanej budowie Fig. 5. Example of stresses distribution in workpiece surface layer after single-pass internal cylindrical grinding with grinding wheel whose structure is zonally diversified 2.4. Model powstawania naprężeń Charakter rozkładu naprężeń wynika ze specyfiki procesu szlifowania jednoprzejściowego ściernicą z nakrojem stożkowym oraz rodzaju zastosowanych ziaren ściernych i struktury ściernicy. Podczas zdejmowania materiału przez stożkową część czynnej powierzchni ściernicy w materiale obrabianym konstytuują się naprężenia ściskające wynikające z oddziaływania składowych siły szlifowania, ciepła wynikającego z odkształceń plastycznych w strefie szlifowania oraz z odpowiadających im zmian objętości właściwej składników struktury (σ W1 na rys. 6).

6 30 K. Nadolny, S. Plichta, J. Plichta Rys. 6. Model powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotu szlifowanego w procesie jednoprzejściowym z wykorzystaniem ściernicy o strefowo zróżnicowanej budowie (wykonanej z ziaren korundu spiekanego SG) Fig. 6. Model of stresses formation in workpiece surface layer in single-pass internal cylindrical grinding with grinding wheel whose structure is zonally diversified (made on the basis of sintered corundum SG grains) Największe obciążenie występuje w końcowej części stożka ściernicy, a po przekroczeniu granicy plastyczności materiału następują trwałe odkształcenia plastyczne materiału obrabianego, wywołując stan naprężeń σ W2 (rys. 6). W strefie przypowierzchniowej występują naprężenia rozciągające, przechodzące w warstwach dalej położonych od powierzchni szlifowanej w naprężenia ściskające. Strefa walcowa ściernicy wygładza wierzchołki nierówności szlifowanego przedmiotu, zdejmując mikronowe objętości materiału. Towarzyszy

7 Model powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej temu tarcie i niewielki wzrost temperatury w przypowierzchniowych strefach warstwy wierzchniej, co powoduje, że stan naprężeń (σ W2 ) w samej strefie przypowierzchniowej się zmienia. W rezultacie takiej relaksacji naprężeń kształtuje się stan naprężeń ściskających σ W3 widoczny na rys. 6. Taki charakter naprężeń jest wynikiem charakterystycznych właściwości mikrokrystalicznych ziaren SG (zdolność do ciągłego samoostrzenia na skutek wykruszania mikrowierzchołków ziaren), ich dobrej przewodności cieplnej, λ 30 W/(m K) (dwukrotnie większej niż elektrokorundu szlachetnego 99A), dużej otwartości struktury. Ponadto niewielki posuw osiowy v fa nie wywołuje dużych obciążeń cieplnych przedmiotu obrabianego, natomiast szeroka strefa kontaktu części wygładzającej ściernicy z przedmiotem szlifowanym zmniejsza intensywność gradientów temperatury. Chłodzenie powierzchni następuje stopniowo, nie powodując dodatkowych istotnych zmian w stanie naprężeń. 3. PODSUMOWANIE Analiza wyników badań doświadczalnych jednoprzejściowego szlifowania otworów wykazała, że ostateczne naprężenia powstające w warstwie wierzchniej przedmiotu mają charakter ściskający. Rozkład ten jest korzystny ze względu na właściwości eksploatacyjne kształtowanych powierzchni i zbliżony do rozkładu naprężeń po szlifowaniu ściernicami z ziarnami regularnego azotku boru. Konstytuowanie się naprężeń w procesie szlifowania zostało przeanalizowane na podstawie modelu jakościowego, który umożliwia opis zjawisk cieplno-mechanicznych zachodzących w strefie szlifowania ściernicą o strefowo zróżnicowanej budowie. LITERATURA [1] Dobrzański L. A., Leksykon materiałoznawstwa. Praktyczne zestawienie norm polskich, zagranicznych i międzynarodowych, t. 4, Verlag Dashöfer [2] Klocke F., Hegener G., Deacu L., Hochleistungs-Aussenrund-Formschleifen. Innovatives Fertigungsverfahren vereint hohe Flexibilität und Produktivität, ZWF, 1996, 91, 4, s [3] Klocke F., Hegener G., Schnell, gut und flexibel: Hochleistungs-Aussenrund- -Formschleifen, IDR, 1999, 33, 2, s [4] Nadolny K., Badania efektywności procesu jednoprzejściowego szlifowania otworów ściernicami o strefowo zróżnicowanej budowie, rozprawa doktorska, Politechnika Koszalińska [5] Oczoś K. E., Charakterystyka trendów rozwojowych szlifowania ściernicowego, in: Materiały XXIII Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów 2000, s [6] Oczoś K. E., Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów. Cz. 2. Szlifowanie, Mechanik, 2002, 75, 10, s [7] Plichta S., Model powstawania naprężeń własnych w warstwie wierzchniej szlifowanych przedmiotów, Zeszyty Naukowe Wydziału Mechanicznego, 1989, nr 11, s

8 32 K. Nadolny, S. Plichta, J. Plichta [8] Weinert K., Finke M., Innenrund-längsschleifen von futterteilen bohrungen in einem überschliff fertig schleifen, in: Materiały XXIV Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Łopuszna 2001, s [9] 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: dr hab. inż. Tadeusz Zaborowski MODEL OF STRESSES FORMATION IN SURFACE LAYER OF WORKPIECE MACHINED IN SINGLE-PASS INTERNAL CYLINDRICAL GRINDING WITH GRINDING WHEEL WHOSE STRUCTURE IS ZONALLY DIVERSIFIED S u m m a r y This paper presents results of investigations of stresses state in surface layer of workpieces machined in single-pass internal cylindrical grinding process with grinding wheels whose structure is zonally diversified. Conditions of experimental investigations and measurement position for Weissman-Philips method of determining stresses in surface layer of workpieces after grinding was described. On the basis of registered stresses distributions, model of stresses forming in that kind of grinding process was elaborated. Key words: stresses, single-pass grinding, grinding wheels whose structure is zonally diversified