WPŁYW SPOSOBU MOCOWANIA I KIERUNKU CHŁODZENIA SPRĘŻONYM POWIETRZEM NA ODKSZTAŁCENIA CIEPLNE PRZEDMIOTU W PROCESIE SZLIFOWANIA PŁASZCZYZN

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 27 RYSZARD WÓJCIK * WPŁYW SPOSOBU MOCOWANIA I KIERUNKU CHŁODZENIA SPRĘŻONYM POWIETRZEM NA ODKSZTAŁCENIA CIEPLNE PRZEDMIOTU W PROCESIE SZLIFOWANIA PŁASZCZYZN W artykule przedstawiono badania wpływu sposobu mocowania próbek. Przeanalizowano wpływ odkształceń cieplnych na rozkład sił skrawania F t w procesie szlifowania wgłębnego powierzchni płaskich oraz wpływ kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem na odkształcenia przedmiotu szlifowanego głównie ściernicami z elektrokorundu szlachetnego. Słowa kluczowe: szlifowanie, chłodzenie sprężonym powietrzem, błędy kształtu 1. WSTĘP W procesie szlifowania istotnym elementem jest dobór właściwego chłodzenia. Ciecz chłodząco-smarująca (CCS) jest doprowadzana przez odpowiednio ukształtowane dysze w pobliże strefy kontaktu ściernicy z przedmiotem obrabianym. Stosowane wydatki cieczy osiągają wartość 6 l/min. Dążenie do redukcji ilości CCS wynika z tego, że tylko niewielka część jej objętości wnika w strefę styku ściernicy z materiałem [1, 3 5, 8]. Wydatek CCS jest jeszcze bardziej ograniczony podczas podawania czynnika dyszami rozpylającymi, służącymi do zminimalizowanego chłodzenia i smarowania. Przez pojęcie zminimalizowanego chłodzenia i smarowania rozumiemy strumień cieczy o wydatku poniżej 5 ml/h. Zaletą tego rozwiązania jest zmniejszenie obciążenia cieplnego oraz wzrost trwałości ściernicy i jakości szlifowanego przedmiotu w porównaniu z klasycznym chłodzeniem. W Instytucie Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn prowadzone są badania szlifowania z udziałem sprężonego powietrza. Bada się jego kierunek i sposób podawania, a także wielkość ciśnienia w celu całkowitej rezygnacji ze stosowania cieczy obróbkowej. * Dr inż. Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej.

2 34 R. Wójcik 2. WARUNKI BADAŃ W badaniach wykorzystywano dwa sposoby mocowania próbek o kształcie prostokątnym (rys. 1a) i trapezowym (rys. 1b). Jako czynnik chłodzący zastosowano sprężone powietrze, podawane z różnych kierunków. Celem badań było uzyskanie optymalnego chłodzenia próbki, pozwalającego uniknąć przypaleń, pęknięć powierzchni i związanych z nimi odkształceń, zwłaszcza dla małych prędkości przedmiotu i dużych głębokości szlifowania. W pierwszej części badań mierzono rozkład siły i analizowano ich przebieg. W badaniach procesu szlifowania do pomiaru siły stycznej wykorzystano siłomierz 9321B, na którym mocowano na przemian uchwyty do próbek płaskich i trapezowych (rys. 1a i b). Sygnał z siłomierza był przesyłany do wzmacniacza 511A, który połączono z kartą Das 162 w komputerze [2]. a) b) Rys. 1. Sposób mocowania próbek płaskich w procesie szlifowania: a) próbka prostokątna, b) próbka trapezowa Fig. 1. The way of fixing samples in the process of grinding: a) rectangular sample, b) trapezoid sample

3 Wpływ sposobu mocowania i kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem Parametry szlifowania oraz materiał Grinding parameters and materials Tablica 1 Ściernica Materiał HRC Ściernica Parametry szlifowania 38A 6K 8 VBE NC1 58 4H 46 25A 8G 12 VBE v w =,1,,3,,5 m/s a e =,2,6 mm v s = 26,5 m/s Badania prowadzono ze ściernicami elektrokorundowymi 38A 6K 8 VBE (38A 6K) oraz 25A 8G 12 VBE (25A 6G), ponieważ powodują one najczęściej naprężenia rozciągające w warstwach wierzchnich, a tym samym zmiany kształtu. Starano się znaleźć optymalny sposób podawania sprężonego powietrza (SP) i metodę tę porównano ze szlifowaniem na sucho (NS). Długość próbek wynosiła 1 12 mm, grubość początkowa 3 mm, szlifowano do 2 mm. W badaniach wykorzystano kilkanaście rodzajów stali, z których do analizy wybrano dwa gatunki różne pod względem składu chemicznego i obróbki cieplnej: 1) stal 4H, temperatura hartowania 85 C, czynnik chłodzący woda, odpuszczanie 32 C, chłodzenie na powietrzu, twardość 46±2 HRC. 2) stal NC1, temperatura hartowania 13 C, czynnik chłodzący olej, odpuszczanie 22 C, chłodzenie na powietrzu, twardość 58±2 HRC. Próbki szlifowano metodą wgłębną na szlifierce SPD-3 w zakresie ogólnie stosowanych parametrów (tabl. 1) z uwzględnieniem prędkości przedmiotu v w =,1 m/s i głębokości a e =,6 mm. Zmiany kształtu (krzywiznę próbki) po szlifowaniu mierzono na mikroskopie warsztatowy. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 2a pokazano częściowe przypalenia stali NC1. Zmienny naddatek w czasie szlifowania powodują zmiany strukturalne w warstwie wierzchniej (rys. 2b). Rozrost ziarna przyczynia się do zmiany kształtu (krzywienie). W przypadku stali 4H wystąpiło zahartowanie wtórne warstwy wierzchniej w procesie szlifowania, na rys. 3 pokazano twardość poszczególnych stref. Zastosowanie sprężonego powietrza zmniejszyło oddziaływania ciepła na warstwę wierzchnią (WW) próbki przy tych samych parametrach szlifowania (rys. 2d). Po szlifowaniu pojawiły się niewielkie przypalenia smugowe (mierzona głębokość przypaleń od powierzchni wynosiła,5 mm, pomiaru dokonano na polerowanym boku próbki o kształcie prostokątnym).

4 36 R. Wójcik a) b) c) d) Rys. 2. Wady i uszkodzenia podczas szlifowania ściernicami z elektrokorundu szlachetnego Al 2 O 3 : a) przypalenie miejscowe, b) wzrost temperatury powodujący wzrost naddatku, c) wykrzywienie próbek, d) próbka szlifowana z udziałem sprężonego powietrza Fig. 2. The defects of the surface integrity during surface grinding with Al 2 O 3 grinding wheels: a) local burning, b) a rise in grinding temperature caused the rise in the machining allowance, c) twisting samples, d) the sample grinded with the participation of compressed air Warstwa wtórnie zahartowana 56 HRC 46 HRC 6 HRC Rys. 3. Twardość poszczególnych obszarów materiału obrabianego uzyskana podczas szlifowania ściernicą 38A 6K stali 4H bez udziału chłodzenia Fig. 3. Dimensions of different hardness zones of the outer layer of the workpiece (4H steel), obtained during surface grinding with 38A 6K grinding wheel without the participation of compressed air cooling, 4H steel Podczas szlifowania próbek płaskich o kształcie trapezowym (rys. 1b) mocowanie było pewne, a siły szlifowania stabilne (rys. 4a). Różnica wartości siły wynosiła 16 N ( N). Poza dwoma przypadkami skrajnymi, kiedy próbka pękła (rys. 4b), próbkę poddano studzeniu. W miejscu pęknięcia uzyskano największe wykrzywienie, na co wskazuje wartość rozkładu siły skrawania F t (rys. 4c). Różnica pomiędzy końcami próbki a miejscem pęknięcia wynosiła,28 mm.

5 Wpływ sposobu mocowania i kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem a) b) Wartość siły skrawania Ft [N] Wartość siły skrawania F t [N] c) d) Wartość siły skrawania F t [N] Wartość siły skrawania F t [N] e) f) Wartość siły skrawania F t [N] Wartość siły skrawania F t [N] Rys. 4. Rozkład sił skrawania F t w procesie szlifowania płaszczyzn ściernicą 38A 6K z udziałem sprężonego powietrza w próbkach: a), b), c) trapezowych, d), e), f) prostokątnych Fig. 4. Tangential cutting force in the process of surface grinding with 38A 6K grinding wheel: a), b) c) trapezoid sample, d), e), f) rectangular sample holder

6 38 R. Wójcik Mocowane próbki prostokątne (rys. 1a) miały większą swobodę odkształcania liniowego spowodowanego wzrostem krzywizny, np. zmianami naddatku szlifierskiego. Wzrost głębokości szlifowania (rys. 4d) na wejściu próbki spowodował odpuszczenie warstwy wierzchniej i wygięcie próbki do dołu, a zmniejszenie naddatku na wyjściu spadek wartości siły, przeciwnie do przypadku z rys. 4f. Wtórne zahartowanie warstwy wierzchniej doprowadziło do wygięcia próbki i wzrostu siły szlifowania do 178 N, a w środku próbki (rys. 4e) do wartości 16 N, różnica wyniosła więc 18 N. Ten sposób mocowania jest mało stabilny, chroni jednak próbki przed pęknięciem na wskroś. W trakcie szlifowania stwierdzono drobne mikropęknięcia warstwy wierzchniej widoczne przy powiększeniu 3. Druga część badań obejmowała szlifowanie w środowisku sprężonego powietrza. Do doprowadzenia sprężonego powietrza do strefy szlifowania zastosowano dysze o średnicy,5 mm, wartość ciśnienia wynosiła,6 MPa. Kierunki strumienia sprężonego powietrza oznaczono na rys. 5: K1 z przodu ściernicy, K2 z boku ściernicy, K3 z tyłu ściernicy pod kątem 45 stopni. v s K3 Ściernica K1 Próbka v w K1 K3 K2 Rys. 5. Kierunki podawania sprężonego powietrza Fig. 5. The supplying directions of compressed air Badania z udziałem sprężonego powietrza wykonano dla obu sposobów mocowania. Na rysunku 6a zaprezentowano ich wyniki dla stali 4H (kształt próbki prostokątny). Największe odkształcenie próbki poza szlifowaniem na sucho

7 Wpływ sposobu mocowania i kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem (NS) uzyskano dla kierunku K1, najmniejsze dla K3. W przypadku stali NC1 najmniejszą wartość wykrzywienia,34 mm uzyskano dla kierunku K2. Dla tej stali wartości krzywizny zmierzone dla kierunków K1 i K3 były porównywalne,42 mm, a dla kierunku K2,37 mm. W przypadku mocowanych próbek trapezowych podczas szlifowania ściernicą 25A 8G wartości odkształcenia były mniejsze. a) b),8 4H-38A 6K,8 NC1-38A 6K Wielkość ugięcia [mm],6,4,2 Wielkość ugięcia [mm],6,4,2 NS K1 K2 K3 Kierunek strumienia NS K1 K2 K3 Kierunek strumienia Rys. 6. Wpływ kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem na odkształcenia cieplne próbki prostokątnej podczas procesu szlifowania wgłębnego płaszczyzn ściernicą 38A 6K, stali: a) 4H, b) NC1 Fig. 6. An influence of compressed air supplying direction on deformation of rectangular shape samples during surface grinding with 38A 6K grinding wheel: a) 4H steel, b) NC1 steel a) b),8 4H-25A 8G,8 NC1-25A 8G Wielkość ugięcia [mm],6,4,2 NS K1 K2 K3 Wielkość ugięcia [mm],6,4,2 NS K1 K2 K3 Kierunek strumienia Kierunek strumienia Rys. 7. Wpływ kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem na odkształcenia cieplne próbki o kształcie trapezowym podczas szlifowania wgłębnego płaszczyzn ściernicą 25A 8G: a) 4H, b) NC1 Fig. 7. An influence of compressed air supplying direction on deformation of trapezoid shape samples during surface grinding with 25A 8G grinding wheel: a) 4H steel, b) NC1 steel

8 4 R. Wójcik 4. WNIOSKI Z badań wstępnych wynika, że sposób chłodzenia warstw wierzchnich sprężonym powietrzem wpływa na zmniejszenie oddziaływania cieplnego ściernicy. Istotne znaczenie ma sposób mocowania. W zależności od kierunku podawania sprężonego powietrza zmniejsza się obciążenie cieplne powierzchni, jednak nie wszystkie kierunki strumienia powietrza w takim samym zakresie pozytywnie wpływają na warstwę wierzchnią, jak się tego spodziewano. Należałoby sprawdzić, jak wpłynęłoby połączenie poszczególnych kierunków wprowadzenia sprężonego powietrza, oraz modyfikację ściernicy w celu ułatwienia wprowadzenie powietrza w obszar skrawania pomiędzy ściernicę a obrabiany przedmiot, np. w zależności od kierunku szlifowania wgłębnego z posuwem poprzecznym powierzchni płaskiej. Konieczne jest opracowanie sposobu odbioru zużytego ścierniwa i urobku materiału szlifowanego. Wymaga to dalszych badań celem rozwiązania tego zagadnienia. LITERATURA [1] Karpiński T., Sieniawski J., Badania efektywności metody chłodzenia strefowego w szlifowaniu płaszczyzn, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 25, vol. 25, nr 2, s [2] Kruszyński B., Wójcik R., Residual Stress in Grinding, Journal of Materials Processing Technology, 22. [3] Oczoś K. E., Charakterystyka trendów rozwojowych szlifowania ściernego, in: Mateiały XXII Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów 2. [4] Oczoś K. E., Doskonalenie strategii chłodzenia i smarowania w procesach obróbkowych, Mechanik, 24, 1, s [5] Oczoś K. E., Doskonalenie technik szlifowania. Cz. 1, Mechanik, 25, 8 9, s [6] Oczoś K. E., Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów. Cz. 2. Szlifowanie, Mechanik, 22, 75, 1. [7] Wójcik R., Utwardzanie powierzchni płaskich w procesie szlifowania, in: XXVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Kraków 23. [8] Wójcik R., Kruszyński B., Szlifowanie powierzchni płaskich z zastosowaniem minimalnego smarowania (minimum quantity lubrcation-mql), in: XXVII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Kraków 23. Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr inż. dr h.c. Kazimierz Wieczorowski

9 Wpływ sposobu mocowania i kierunku chłodzenia sprężonym powietrzem INFLUENCE OF THE WAY OF FIXING AND COOLING DIRECTION WITH COMPRESSED AIR FOR THERMAL DEFORMATION OF THE WORKPIECE IN THE PROCESS OF SURFACE GRINDING S u m m a r y In the article an influence of the way of fixing of the workpiece is described. The analyses of the influence of thermal deformations of the workpiece on the course of tangent grinding force in the surface grinding process were made. The influence of cooling direction with compressed air for thermal deformation of the workpiece in the process of grinding mainly with different types of Al 2 O 3 grinding wheels is also presented. Key words: grinding, cooling compressed air, shape errors

10 42 R. Wójcik