MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA

Transkrypt

1 MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA Wojciech KACALAK 1, Filip SZAFRANIEC Streszczenie: W artykule przedstawiono metodykę oraz wyniki modelowania obciążeń ziaren aktywnych i sił w procesie szlifowania. Ponadto przedstawiono strukturę aplikacji kompleksowego systemu do modelowania i symulacji procesu szlifowania. Wyniki badań uzyskane w procesie symulacji mogą być wykorzystywane do optymalizacji rzeczywistego procesu szlifowania w celu poprawienia jakości powierzchni lub w celu prognozowania zmiany wybranego parametru na topografię powierzchni. Słowa kluczowe: szlifowanie, siły szlifowania, modelowanie, symulacja Summary: This paper presents the methodology and results of modeling loads active grains and forces in the grinding process. In addition, the application shows the structure of a complex system modeling and simulation of the grinding process. The results obtained in the simulation can be used to optimize the actual grinding process in order to improve the surface quality or to predict the changes of the selected parameter onto the topography of the surface. Key words: grinding, grinding forces, modeling, simulation, 1. WSTĘP Szlifowanie jest ważnym procesem w precyzyjnym i ultra-precyzyjnym kształtowaniu powierzchni. Stochastyczny charakter budowy i cech stereometrycznych powierzchni narzędzi ściernych oraz cechy procesu szlifowania sprawiają, że trudne lub niemożliwe jest określenie chwilowych i lokalnych cech procesu, takich jak liczba kontaktów ziaren ściernych, przekroje warstw skrawanych, objętości wiórów oraz długość kontaktów dla poszczególnych ziaren. Energia i moc szlifowania zależą nie tylko od parametrów procesu i cech narzędzia, ale także od cech rozkładu chwilowych i lokalnych obciążeń ziaren ściernych [3]. Zjawiska zachodzące w strefie szlifowania, są opisywane przez cechy o krótkim czasie występowania (około kilku milisekund) i obejmują obszary o małych powierzchniach lokalnych oddziaływań (o wielkości kilkunastu µm 2 ) oraz występują z wielką częstotliwością (0,3 10MHz), co sprawia, że są trudne do eksperymentalnego obserwowania. Prognozowanie wyników procesu wymaga jednak oceny tych cech. Dlatego w wielu ośrodkach naukowych próbuje się przybliżyć i opisać zjawiska zachodzące w strefie szlifowania [2,9] poprzez ich modelowanie i symulacje całego procesu szlifowania [1,5 6,11]. 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, ul. Racławicka 15 17, Koszalin, wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl

2 2. SYMULACJA PROCESÓW MIKROSZLIFOWANIA OBWODEM ŚCIERNICY W Politechnice Koszalińskiej na Wydziale Mechanicznym w Katedrze Mechaniki Precyzyjnej powstał kompleksowy system do modelowania i symulacji procesu szlifowania obwodem ściernicy [5], w którym uwzględniono wyniki badań procesu mikroszlifowania [8], oraz modelowania i badań zużywania narzędzi ściernych [10]. Parametry zakresu wyprowadzanych wyników Główny skrypt aplikacji procesu symulacji główna instancja środowiska obliczeniowego Parametry procesu Parametry wejściowe Cechy modeli obliczeniowych Charakterystyka ściernicy Charakterystyka modeli ziaren ściernych Charakterystyka przedmiotu Obliczenia pomocnicze Powierzchnia narzędzia Strefa obróbki Współczynniki do modelowania procesu tworzenia wypływek Inicjalizacja macierzy Powierzchnia początkowa przedmiotu Inicjalizacja obiektów do tworzenia animacji Kompleksowe moduły do weryfikacji wyników symulacji procesu obróbki Wyniki pośrednie Zapis wybranych stref przedmiotu Zapis stanu całej powierzchni Analiza cech statystycznych rozmieszczenia wierzchołków ziaren Analiza czynnej powierzchni ściernicy Zapis przekrojów warstw skrawanych Zapis sił szlifowania Wyznaczanie i zapisywanie geometrii wiórów Główna pętla procesu symulacji Proces formowana wypływek Powierzchnia przedmiotu z wypływkami Powierzchnia przedmiotu Operacja minimum Nowa powierzchnia przedmiotu Obliczanie przekrojów warstw skrawanych Obliczanie sił szlifowania Powierzchnia oddziaływania ściernicy Wyznaczenie toru ziarna Pobranie pasma ziaren ściernych Proces zużywania się ziaren ściernych Wyznaczenie zakłóceń toru ziaren Wyświetlenie parametrów wejściowych i wartości obliczonych Przerwanie procesu symulacji Instancje środowiska obliczeniowego do generowania pasm ziaren ściernych Film z procesu obróbki Instancja środowiska obliczeniowego do rejestracji animacji procesu Zapisywanie wyników Zamykanie pod instancji Koniec procesu symulacji Rys. 1. Schemat struktury aplikacji do symulacji procesów obróbki w środowisku MatLab

3 Rezultaty symulacji procesu szlifowania z wykorzystaniem wymienionego systemu autorzy udostępniają w formie gotowych wyników w specjalnym kanale informacyjnym (Katedry Mechaniki Precyzyjnej) w systemie multimedialnym YouTube ( Możliwe jest również wykonanie symulacji procesu dla podanych parametrów i warunków interesujących określone zespoły badawcze. Na rysunku 1 przedstawiono schemat założonej struktury aplikacji do symulacji procesu szlifowania obwodem ściernicy opracowanej w środowisku MatLab. Opracowany system do modelowania i symulacji procesów szlifowania obwodem ściernicy umożliwia: - dobór ponad 10 parametrów charakteryzujących proces (w tym parametry definiujące cechy procesu tworzenia wypływek oraz parametry opisujące drgania układu obróbkowego), ponad 40 parametrów charakteryzujących narzędzie (w tym parametry definiujące cechy geometryczne ziaren ściernych, parametry opisujące proces kondycjonowania ściernicy, parametry charakteryzujące intensywność procesu zużywania ziaren ściernych), ponad 5 parametrów charakteryzujących rozmiary i cechy powierzchni przedmiotu obrabianego, 26 parametrów charakteryzujących zakres wyprowadzania wyników, 7 parametrów charakteryzujących cechy procesu symulacji, ponad 50 parametrów charakteryzujących sposoby wizualizacji, prezentacji wyników oraz animacji procesu, ponad 5 parametrów charakteryzujących zakres zapisywanych danych i wyników, - generowanie powierzchni ziaren ściernych i przeprowadzanie weryfikacji ich cech [7], - generowanie powierzchni czynnej ściernicy i analizy cech stereometrycznych rozmieszczenia wierzchołków, - wyznaczenie lokalnych (również w mikrostrefach) i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu (lokalnych w różnych miejscach strefy szlifowania, chwilowych w kolejnych momentach procesu, w ustalonych przedziałach czasu), - wyznaczenie zmian stereometrii obrabianej powierzchni i topografii powierzchni ściernicy dla zbiorów parametrów procesu i warunków wykraczających poza obecne lub standardowe zastosowania, - wyznaczenie lokalnych i chwilowych oraz globalnych parametrów charakteryzujących obciążenie poszczególnych ziaren, wykonaną pracę (i jej zmiany lokalne oraz zmiany w czasie), rozkład strumieni energii, - wyznaczenie wpływu cech narzędzi oraz parametrów i warunków obróbki (w tym również wyizolowanych zmian) na wartości lokalnych i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu, - wyznaczenie wpływu zakłóceń procesu na realizację i wyniki procesu szlifowania,

4 - analizę procesów z nowymi typami narzędzi o strukturze zmiennej strefowo, z ziarnami agregatowymi i hybrydowymi, o strefowo i kierunkowo zmiennych właściwościach, narzędzi o zmiennej podatności, narzędzi o odmiennych cechach statystycznych dotyczących kształtu i rozmieszczenia ziaren na powierzchni narzędzia, - wyznaczenie licznych zbiorów danych dla analizy cech stereometrycznych, oceny przydatności nowych parametrów oceny i klasyfikacji oraz opracowania założeń do korzystnych modyfikacji narzędzi oraz doboru parametrów i warunków obróbki. Wyniki procesu symulacji mogą być wykorzystywane do optymalizacji rzeczywistego procesu szlifowania w celu poprawy jakości powierzchni lub w celu prognozowania zmiany wybranego parametru obróbki na topografię powierzchni. 3. MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH 3.1. MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ I SIŁ SZLIFOWANIA Znając cechy stereometryczne powierzchni ściernicy, cechy stereometryczne powierzchni przedmiotu oraz parametry obróbki można wyznaczyć funkcję prawdopodobieństwa usuwania materiału w strefie szlifowania f(pa z ) (rys. 2) oraz uwzględniając aktywność ziaren ściernych, wyznaczyć siły dla poszczególnych ziaren. Rys. 3. Schemat do analizy prawdopodobieństwa usuwania materiału w kolejnych położeniach względnych ściernicy i określonej strefy przedmiotu podczas pierwszego przejścia szlifującego S

5 Składową F z siły szlifowania dla określonych założeń obejmujących zależności F zi = f(a zi ) oraz szerokości przedziału y można opisać według zależności 1., (1) gdzie k = L/ y liczba stref (rys. 4), n j liczba ziaren aktywnych we fragmencie strefy y j o szerokość y, i numer ziarna we fragmencie j strefy szlifowanej, j numer strefy szlifowanej. Rys. 3. Schemat do analizy prawdopodobieństwa usuwania materiału podczas powrotu wyiskrzającego W Rys. 4. Prawdopodobieństwo usunięcia materiału w strefie szlifowania dla pierwszego przejścia (linia ciągła) i podczas powrotu wyiskrzającego (linia przerywana) Dla kolejnych przejść nad daną strefą przedmiotu, w wyniku posuwu poprzecznego (w szlifowaniu płaszczyzn) tok analiz wynikających ze schematów na rysunkach 2 i 3 oraz 4 pozostaje podobny METODYKA WYZNACZANIA MAKSYMALNEGO PRZEKROJU WARSTWY SKRAWANEJ OKREŚLONYM OSTRZEM W zaprezentowanym systemie symulacji procesu szlifowania obwodem ściernicy możliwe jest rejestrowanie położeń ziaren aktywnych w trójwymiarowym układzie kartezjańskim. Znając położenie ziarna aktywnego można wyznaczyć rzędne powierzchni przed i po wykonaniu przez ostrze operacji skrawania. Rzędne tych

6 powierzchni niezbędne są do wyznaczenia maksymalnego przekroju warstwy skrawanej przez ziarno aktywne. Metodykę wyznaczania maksymalnego przekroju warstwy skrawanej (rys. 5) można opisać w następujących punktach: - wyodrębnianie fragmentów rzędnych powierzchni opisujących warstwę wierzchnią przed skrawaniem P a i po skrawaniu P b z powierzchni warstwy skrawanej W s (wióra), - wyznaczenie różnicy R między rzędnymi powierzchni P a i P b i zrzutowanie powstałej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do ruchu głównego narzędzia ściernego, rzut stanowi maksymalny przekrój warstwy skrawanej a z, - wyznaczenie parametrów geometrycznych maksymalnego przekroju warstwy skrawanej: pole przekroju (a z ), szerokość (b z ) i wysokość (h z ) przekroju. Rys. 5. Schemat do wyznaczania maksymalnego przekroju warstwy skrawanej 4. WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN ŚCIERNYCH 4.1 PROGRAM BADAŃ W środowisku MatLab przeprowadzono dwie symulacje procesów szlifowania obwodem ściernicy dla różnej głębokości szlifowania 20 i 5 µm. Dla obu symulacji prędkość szlifowania v c wynosiła 35 m/s i prędkość wzdłużna przedmiotu v w wynosiła 3 m/min (0,05 m/s)

7 położenie przedmiotu względem ściernicy ściernica ściernica ściernica S 1 W 1 S n W n kierunek ruchu przedmiotu szerokość posuwu poprzecznego Rys. 6. Schemat do analizy względnego położenia powierzchni ściernicy i przedmiotu szlifowanego kierunek posuwu wzdłużnego przedmiotu ściernica a) b) ściernica przedmiot przedmiot kierunek posuwu porzecznego przedmiotu S1 W 1 S 2 W 2 S 3 W3 S4 W 4 Rys. 7. Schemat do analizy zmiany wartości siły w strefie obróbki dla przejść roboczych (a) i przejść wyiskrzających (b)

8 Symulacje wykonano z wykorzystaniem modeli ściernic z ziarnami o numerze 120. Wartości oczekiwane kątów wierzchołkowych i promieni zaokrąglenia wierzchołków modelowych naroży ziaren ściernych statystycznie odpowiadały ziarnom rzeczywistym z elektrokorundu szlachetnego [7]. Na rysunku 6 przedstawiono schemat do analizy numeru przejścia i pp powierzchni ściernicy nad przedmiotem szlifowanym oraz rodzaju położenia powierzchni przedmiotu względem ściernicy. Przyjęto że ściernica wykonuje pracę w dwóch kierunkach dla jednego posuwu poprzecznego (przejście szlifujące S, powrót ściernicy przejście wyiskrzające W). Dodatkowo na rysunku 7 przedstawiono schemat do analizy zmiany wartości siły w strefie obróbki dla przejść roboczych i przejść wyiskrzających w kolejnych przejściach i pp powierzchni ściernicy nad przedmiotem szlifowanym. Dla każdej z symulacji rejestrowano wartości przekrojów warstw skrawnych i sił w strefie obróbki. Na rysunku 8 przedstawiono wizualizację zapisu wartości siły normalnej szlifowania w strefie obróbki podczas procesu symulacji. Rys. 8. Rejestracja sił szlifowania podczas symulacji mikroszlifowania 4.2. WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN ŚCIERNYCH Na rysunkach 9, 11, przedstawiono wykresy zmienności sumy przekrojów warstw skrawanych ziarnami aktywnymi, a na rysunkach 10, 12, zestawiono wykresy zmienności sumy sił szlifowania ziarnami aktywnymi

9 Rys. 9. Wykres zmienności sumy przekrojów warstw skrawanych ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 20µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S W) Rys. 10. Wykres zmienności sumy sił szlifowania ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 20µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S W)

10 Rys. 11. Wykres zmienności sumy przekrojów warstw skrawanych ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 5µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S>W) Rys. 12. Wykres zmienności sumy sił szlifowania ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 5µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S>W)

11 Dla głębokości szlifowania 20µm wartości sumy sił szlifowania i sumy przekrojów warstw skrawanych dla przejść szlifujących S są zdecydowanie większe od wartości dla przejść wyiskrzających W zwłaszcza w pierwszej fazie procesu szlifowania, gdy usuwana jest największa objętość powierzchni. Dla głębokości szlifowania 5µm wartości sumy sił szlifowania i sumy przekrojów warstw skrawanych dla przejść szlifujących S są nieznacznie większe od wartości dla przejść wyiskrzających W ale tylko w pierwszej fazie obróbki. W drugiej i w trzeciej fazie są na tym samym poziomie. 5. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono metodykę oraz wyniki modelowania obciążeń ziaren aktywnych i sił w procesie szlifowania. Ponadto przedstawiono strukturę aplikacji do kompleksowego systemu do modelowania i symulacji procesu szlifowania. Wyniki badań uzyskane w procesie symulacji mogą być wykorzystywane do optymalizacji rzeczywistego procesu szlifowania w celu poprawienia jakości powierzchni lub w celu prognozowania wpływu zmiany wybranego parametru obróbki na topografię powierzchni. Opracowany system umożliwia również w trakcie trwania procesu, monitorowanie i wyznaczenie zmiennych diagnostycznych m.in. lokalnych i chwilowych oraz globalnych parametrów charakteryzujących obciążenia poszczególnych ziaren ściernych, wartości siły (i ich zmiany lokalne oraz zmiany w czasie). LITERATURA [1] DARAFON A., WARKENTIN A., BAUER R., 3D metal removal simulation to determine uncut chip thickness, contact length, and surface finish in grinding. W: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 66, 2013, [2] HOLTERMANN R., SCHUMANNM S., MENZEL A., BIERMANN D., Modelling, simulation and experimental investigation of chip formation in internal traverse grinding W: Production Engineering Research and Development, vol. 7, 2013, [3] KACALAK W., Teoretyczne podstawy minimalizacji energii właściwej w procesach obróbki ściernej W: Materiały XX Jubileuszowej Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, Poznań, 1997, s [4] KACALAK W., KASPRZYK M., KRZYŻYŃSKI T., On Modelling of Stochastic Processes of Abrasive Wear and Durability of Grinding Wheel W: International Conference GAMM 2002, Augsburg, Niemcy, [5] KACALAK W., SZAFRANIEC F., Kompleksowy system do modelowania i symulacji procesu szlifowania v. 12, Katedra Mechaniki Precyzyjnej. Politechnika Koszalińska [6] KACALAK W., SZAFRANIEC F., KUNC R., Wyniki modelowania i symulacji mikroszlifowania płaszczyzn z zastosowaniem ściernic o stożkowej lub hiperboloidalnej powierzchni czynnej. W: Współczesne problemy [monografie], Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji. Politechnika Gdańska 2011, [7] KACALAK W., SZAFRANIEC F., TOMKOWSKI R., Metodyka modelowania powierzchni ziaren określonych materiałów ściernych. w: Innovative Manufacturing Technology 2, Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, 2012,

12 [8] KACALAK W., i zespół, Nowe metody i narzędzia do mikro- i nanoszlifowania oraz nanowygładzania materiałów stosowanych w mechatronice i nanoinżynierii. W: Raport końcowy z realizacji projektu badawczego własnego nr N N [9] KRÓLIKOWSKI T., BAŁASZ B., Ocena i modelowanie składowych sił mikroszlifowania pojedynczym ziarnem. W: Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 55, nr 4, 2009, [10] LIPIŃSKI D., KACALAK W., TOMKOWSKI R., Methodology of Evaluation of Abrasive Tool Wear with the Use of Laser Scanning Microscopy. W: SCANNING 9999:1-11, [11] YANLONG CAO, JIAYAN GUAN, BO LI, XIAOLONG CHEN, JIANGXIN YANG, CHUNBIAO GAN, Modeling and simulation of grinding surface topography considering wheel vibration. W: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 66, 2013,