PL B1. POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA, Rzeszów, PL BUP 02/16

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B23Q 11/10 ( ) B24B 55/02 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób i układ chłodzenia procesu szlifowania (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 02/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/16 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA, Rzeszów, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ROBERT BABIARZ, Rzeszów, PL ŁUKASZ ŻYŁKA, Rzeszów, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Henryk Pisiński

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ chłodzenia procesu szlifowania, znajdujący zastosowanie, zwłaszcza do maszyn szlifierskich. Ogólny stan techniki znany jest z literatury naukowo-technicznej, na przykład z publikacji: [1] BRINKSMEIER E., HEINZEL C., WITTMANN M., Friction, cooling and lubrication in grinding. Annals of the CIRP, 48(1999)2, pp [2] DHAR N. R., HOSSAIN M., KAMRUZZAMAN M., MQL applications in grinding of 16MnCr5 steel: a comparison with wet and dry grinding. Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering, ICME05-AM-33, [3] KARPIŃSKI T., SIENIAWSKI J., Ecological methods of cooling in grinding processes. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2(2002)1 2, pp [4] TAWAKOLI T., HADAD M., SADEGHI M. H., DANESHI A., SADEGHI B., Minimum quantity lubrication in grinding, effects of abrasive and coolant-lubricant types. Journal of Cleaner Production, 19(2011)17 18, pp [5] SILVA L. R. et al, Analysis of surface integrity for minimum quantity lubricant-mql in grinding. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(2007)2, pp [6] DHAR N. R., HOSSAIN M., KAMRUZZAMAN M., MQL applications in grinding of 16MnCr5 steel: a comparison with wet and dry grinding. Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering, ICME05-AM-33, [7] NADOLNY K KAPŁONEK W., WOJTEWICZ M SIENICKI W., The assessment of sulfurization influence on cutting ability of the grinding wheels in internal cylindrical grinding of Titanium Grade 2. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 20(2013)2, [8] WÓJCIK R., Nowe media i sposoby ich doprowadzania do strefy szlifowania. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 28(2008)4, s Szlifowanie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych takich jak na przykład stopy niklu jest procesem wysokoenergetycznym. Większość energii w procesie usuwania materiału obrabianego jest zamieniana w ciepło, którego większość, to jest około 70%, jest przekazywana do wióra, jednak około 20% energii jest przetwarzane w ciepło w miejscu styku wióra z narzędziem, a reszta to energia cieplna pochłonięta przez przedmiot obrabiany i płyn chłodząco-smarujący, przetworzona w ciepło w miejscu styku przedmiotu obrabianego z narzędziem. Wysokie temperatury w strefie obróbki są przyczyną przyspieszonego zużywania się narzędzi ściernych oraz powstawania uszkodzeń szlifierskich, takich jak przypalenia materiału obrabianego, zmian jego struktury krystalicznej, zmniejszenia wytrzymałości zmęczeniowej, powstania rys, zniekształceń oraz błędów kształtu powierzchni obrobionej. W celu obniżenia temperatury w strefie szlifowania, a tym samym polepszenia właściwości skrawnych narzędzi, stosuje się płyny chłodząco-smarujące. Są to najczęściej różnego rodzaju emulsje otrzymywane przez zmieszanie olejów z wodą. Ich rola w procesie szlifowania polega przede wszystkim na chłodzeniu ściernicy oraz przedmiotu obrabianego, a także na smarowaniu strefy kontaktu ściernicy z materiałem obrabianym. Dodatkowo płyny chłodząco-smarujące oczyszczają strefę obróbki z produktów szlifowania oraz stanowią zabezpieczenie antykorozyjne. Jednak zastosowanie płynu chłodząco-smarującego nie zawsze prowadzi do uzyskania właściwych efektów, ponieważ istotny jest również sposób jego doprowadzenia do strefy styku ściernicy z przedmiotem obrabianym. Bardzo ważnym czynnikiem jest konieczność zwiększenia ilości płynu chłodząco-smarującego trafiającego bezpośrednio do strefy szlifowania, co najłatwiej uzyskać zwiększając ciśnienie robocze. Najczęściej stosowanym sposobem podawania płynu chłodząco-smarującego jest tak zwany sposób zalewowy, polegający na kierowaniu strugi płynu chłodząco-smarującego, pod niewielkim ciśnieniem, ale z dużym wydatkiem, w pobliże strefy szlifowania. W przypadku szlifowania z posuwem pełzającym (ang. CFG Creep Feed Grinding) charakteryzującym się stosowaniem relatywnie dużych wartości dosuwu szlifowania oraz ściernic tak zwanych wielkooporowych o otwartej strukturze, sposób zalewowy nie zapewnia równomiernego podawania płynu chłodząco-smarującego, którego skuteczność zmniejsza się wraz ze zwiększającą się głębokością skrawania. Ponadto tylko niewielka część płynu trafia do strefy obróbki, co powoduje, że stopień jego wykorzystania jest niewielki. Taki sposób podawania płynu chłodząco-smarującego jest łatwy w realizacji i z tego względu powszechnie stosowany. Również spadki ciśnienia występujące w insta-

3 PL B1 3 lacji podającej płyn chłodząco-smarujący są z uwagi na wymagane ciśnienia i przepływy niewielkie nie powodując znaczących zmian w efektywności chłodzenia. Inaczej jest w przypadku stosowania chłodzenia wysokociśnieniowego, kiedy to poszczególne elementy instalacji chłodzącej takie jak filtry, przewody doprowadzające płyn chłodząco-smarujący, czy też elementy sterujące przepływem, takie jak rozdzielacze, mogą w sposób istotny wpływać na efektywność chłodzenia. W procesie szlifowania istotnym elementem jest dobór właściwego sposobu podawania płynu chłodząco-smarującego, który jest doprowadzany przez odpowiednio ukształtowane dysze w pobliże strefy kontaktu ściernicy z przedmiotem obrabianym. Najbardziej znaczącym elementem przygotowania płynu chłodząco-smarującego jest filtracja, która wpływa na jego skuteczność w procesach szlifowania. Wynika to nie tylko z usuwania znajdujących się w płynie chłodząco-smarującym wiórów, ale również cząstek ściernych oderwanych ze ściernicy zarówno w procesie szlifowania, jak i obciągania ściernicy. Filtracja ma największe znaczenie dla ściernic z metalowym spoiwem galwanicznym, które, jako nieporowate, wymagają stosowania płynów chłodząco-smarujących o najwyższym stopniu czystości. W okresie eksploatacji płynu chłodząco-smarującego zmianie ulegają również jego parametry fizyko-chemiczne. Przy stosowaniu emulsji na bazie wody wielkość zawieszonych w niej kropelek oleju utrzymuje się po odpowiednim zmieszaniu na poziomie 3 5 m. Z upływem czasu kropelki oleju łączą się i wzrasta zanieczyszczenie emulsji. W najlepszych emulsjach wielkość kropelek oleju może wzrosnąć do poziomu 5 8 m. Sprawia to, że bibuły lub ekrany filtracyjne, które są stosowane do filtrowania w tym obszarze wymiarowym, mogą zatrzymywać kropelki oleju. Powoduje to zmiany lepkości płynu chłodząco-smarującego, a w efekcie zmiany wartości jego przepływu. Sposób chłodzenia procesu szlifowania, z użyciem dyszy, kierującej strumień płynu chłodząco- -smarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego obrotową ściernicą oraz z użyciem pompy napędzanej silnikiem elektrycznym i podającej płyn chłodząco-smarujący do dyszy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosuje się dyszę z wydzieloną wejściową komorą, do której podaje się pompą napędzaną silnikiem elektrycznym płyn chłodząco-smarujący, przy czym w tej komorze ciśnienie płynu chłodząco-smarującego stabilizuje się na zadanym poziomie. Korzystnie stabilizację ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze dyszy prowadzi się w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym mierzy się ciśnienie w komorze i porównuje się z nastawą zadanej wartości ciśnienia, a porównanie prowadzi się w regulowanym falowniku zasilającym silnik elektryczny pompy podającej płyn chłodząco-smarujący do tej komory, przy czym przy stabilizacji ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze dyszy stosuje się regulację proporcjonalno-całkująco-różniczkującą (PID) oraz kontroluje się podciśnienie w przewodzie ssawnym pompy. Układ chłodzenia procesu szlifowania, zawierający dyszę kierującą strumień płynu chłodzącosmarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego obrotową ściernicą oraz pompę napędzaną silnikiem elektrycznym i podającą płyn chłodząco-smarujący do dyszy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dysza posiada wydzieloną wejściową komorę połączoną z wyjściem pompy płynu chłodząco-smarującego, napędzanej silnikiem elektrycznym, przy czym komora jest połączona z wejściem obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w tej komorze. Korzystnie stabilizator ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze dyszy zawiera regulowany falownik zasilający silnik elektryczny pompy, zaś obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego tego stabilizatora obejmuje manometr pomiarowy, z wejściem połączonym z komorą i wyjściem połączonym z wejściem pomiarowym falownika, przy czym falownik stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco- -smarującego w komorze dyszy jest wyposażony w nastawiak żądanej wartości ciśnienia w tej komorze oraz sumator sygnałów z nastawiaka i manometru pomiarowego, a ponadto zawiera regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID). Dalsze korzyści w postaci poprawy bezpieczeństwa pracy uzyskuje się, jeśli układ zawiera manometr podciśnieniowy, połączony na wejściu z przewodem ssącym pompy i na wyjściu z wejściem kontrolnym falownika. Do optymalizacji systemu chłodzenia, to jest zmniejszenia cieplnych obciążeń przedmiotu, potrzebna jest przede wszystkim stabilizacja, w okresie trwałości płynu chłodząco-smarującego, warunków temperaturowych występujących bezpośrednio w strefie styku roboczego ściernicy z przedmiotem obrabianym, dzięki czemu jest możliwe efektywne zapobieganie uszkodzeniom warstwy wierzchniej podczas szlifowania przedmiotu obrabianego, jak też łatwe kształtowanie wydajności chłodzenia.

4 4 PL B1 Dzięki wynalazkowi są zapewnione stabilne i powtarzalne warunki chłodzenia poprzez zastosowanie układu stabilizującego prędkość wypływu płynu chłodząco-smarującego, przez co uzyskuje się stabilne warunki obróbki niezależnie od zmian lepkości wywołanych zmianami temperatury oraz zawartością zanieczyszczeń, zmian oporu hydraulicznego wywołanego zmianami przekroju przewodów doprowadzających oraz zmian wysokości słupa płynu chłodząco-smarującego w zbiorniku płynu chłodząco-smarującego. Istotą rozwiązania jest zastosowanie sprzężenia zwrotnego pomiędzy wejściową komorą z manometrem pomiarowym w dyszy a pompą płynu chłodząco-smarującego, napędzaną z falownika, co pozwala na stabilizację parametrów strumienia płynu chłodząco-smarującego. W rozwiązaniu tym stabilizacja, istotnej z punktu widzenia technologii procesu, prędkości wypływu płynu chłodzącegosmarującego jest uzyskiwana poprzez stabilizację wartości ciśnienia. Dysza spełnia jednocześnie rolę kryzy pomiarowej. Podstawową cechą wyróżniającą układ chłodzenia według wynalazku jest możliwość swobodnego kształtowania charakterystyk wypływu strumienia płynu chłodząco-smarującego z dyszy. Przedmiot wynalazku jest bliżej wyjaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ stabilizacji parametrów wypływu płynu chłodząco-smarującego w procesie szlifowania. Sposób chłodzenia procesu szlifowania, według wynalazku w przykładzie wykonania, dotyczy procesu z użyciem dyszy 1, kierującej strumień 2 płynu chłodząco-smarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego 3 obrotową ściernicą 4 oraz z użyciem pompy 5 napędzanej silnikiem elektrycznym 6 i podającej płyn chłodząco-smarujący do dyszy 1. W sposobie stosuje się dyszę 1 z wydzieloną wejściową komorą 7, do której podaje się pompą 5 napędzaną silnikiem elektrycznym 6 płyn chłodząco-smarujący, przy czym w tej komorze 7 ciśnienie płynu chłodząco-smarującego stabilizuje się na zadanym poziomie. Stabilizację ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze 7 dyszy 1 prowadzi się w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym mierzy się ciśnienie w komorze 7 i porównuje się z nastawą zadanej wartości ciśnienia, a porównanie prowadzi się w regulowanym falowniku 8 zasilającym silnik elektryczny 6 pompy 5 podającej płyn chłodząco-smarujący do tej komory 7. Przy stabilizacji ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze 7 dyszy 1 stosuje się regulację proporcjonalno-całkująco-różniczkującą (PID) oraz kontroluje się podciśnienie w przewodzie ssawnym 9 pompy 5. Układ chłodzenia procesu szlifowania, według wynalazku w przykładzie wykonania, zawiera dyszę 1 kierującą strumień 2 płynu chłodząco-smarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego 3 obrotową ściernicą 4 oraz pompę napędzaną silnikiem elektrycznym 6 i podającą płyn chłodząco- -smarujący do tej dyszy 1. Dysza 1 posiada wydzieloną wejściową komorę 7 połączoną z wyjściem pompy 5 płynu chłodząco-smarującego, napędzanej silnikiem elektrycznym 6, przy czym komora 7 jest połączona z wejściem obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w tej komorze 7. Stabilizator ciśnienia zawiera regulowany falownik 8 zasilający silnik elektryczny pompy 5, zaś obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego tego stabilizatora obejmuje manometr pomiarowy 10, z wejściem połączonym z komorą 7 i wyjściem połączonym z wejściem pomiarowym falownika 8, przy czym falownik 8 stabilizatora ciśnienia jest wyposażony w nastawiak 11 żądanej wartości ciśnienia w tej komorze 7 oraz sumator 12 sygnałów z nastawiaka 11 i manometru pomiarowego 10, a ponadto zawiera regulator 13 proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID). Układ zawiera także manometr podciśnieniowy 14, połączony na wejściu z przewodem ssawnym 9 pompy 5 i na wyjściu z wejściem kontrolnym falownika 8. Ponadto układ w przykładzie wykonania zawiera znane elementy w postaci pojemnika odpływowego 15 umieszczonego pod przedmiotem obrabianym 3 i zbiornika 16 dla płynu chłodząco-smarującego, które są połączone przewodami ssawnymi 9 poprzez filtry 17 z pompą 5 podającą płyn chłodząco-smarujący do dyszy 1, przy czym układ jest zaopatrzony także w znany zawór odcinający 18. Silnik elektryczny 6 pompy 5 płynu chłodząco-smarującego jest napędzany przetwornicą częstotliwości w postaci falownika 8, co w połączeniu z manometrem pomiarowym 10 pozwala na stab i- lizację ciśnienia w komorze 7 zasilającej dyszę 1. Z tego względu zmiany oporu hydraulicznego pomiędzy wyjściem pompy 5 i wejściem komory 7 dyszy 1, spowodowane, na przykład stopniowym zatykaniem się filtra 17 umieszczonego na przewodzie ssawnym pompy 5, czy też wynikające ze zmiennych oporów hydraulicznych na przewodach doprowadzających płyn chłodząco-smarujący do

5 PL B1 5 dyszy 1, mogą być automatycznie kompensowane. Z tego względu zastosowany falownik 8 jest wyposażony w rozbudowane nastawy z zakresu przetwarzania sygnałów analogowych z czujników zewnętrznych oraz posiada wbudowany regulator 13 do regulacji proporcjonalno-całkująco-różniczkującej (PID). Manometr podciśnieniowy 10 stanowi zabezpieczenie pompy 5 płynu chłodząco-smarującego i w przypadku nadmiernego oporu hydraulicznego na filtrze 17 w przewodzie ssawnym 9 na wejściu pompy 5, na przykład przy zatkaniu tego filtra 17, powoduje zatrzymanie silnika elektrycznego 6 pompy 5. Wynalazek znajduje zastosowanie w procesie szlifowania, zwłaszcza z posuwem pełzającym. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób chłodzenia procesu szlifowania, z użyciem dyszy, kierującej strumień płynu chłodząco-smarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego obrotową ściernicą oraz z użyciem pompy napędzanej silnikiem elektrycznym i podającej płyn chłodząco-smarujący do dyszy, znamienny tym, że stosuje się dyszę (1) z wydzieloną wejściową komorą (7), do której podaje się pompą (5) napędzaną silnikiem elektrycznym (6) płyn chłodząco-smarujący, przy czym w tej komorze (7) ciśnienie płynu chłodząco-smarującego stabilizuje się na zadanym poziomie. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stabilizację ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) prowadzi się w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym mierzy się ciśnienie w komorze (7) i porównuje się z nastawą zadanej wartości ciśnienia, a porównanie prowadzi się w regulowanym falowniku (8) zasilającym silnik elektryczny (6) pompy (5) podającej płyn chłodząco-smarujący do tej komory (7). 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przy stabilizacji ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) stosuje się regulację proporcjonalno-całkująco-różniczkującą (PID). 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że przy stabilizacji ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) kontroluje się podciśnienie w przewodzie ssawnym (9) pompy (5). 5. Układ chłodzenia procesu szlifowania, zawierający dyszę kierującą strumień płynu chłodząco-smarującego do strefy szlifowania przedmiotu obrabianego obrotową ściernicą oraz pompę napędzaną silnikiem elektrycznym i podającą płyn chłodząco-smarujący do tej dyszy, znamienny tym, że dysza (1) posiada wydzieloną wejściową komorę (7) połączoną z wyjściem pompy (5) płynu chłodząco-smarującego, napędzanej silnikiem elektrycznym (6), przy czym komora (7) jest połączona z wejściem obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w tej komorze (7). 6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że stabilizator ciśnienia płynu chłodząco- -smarującego w komorze (7) dyszy (1) zawiera regulowany falownik (8) zasilający silnik elektryczny (6) pompy (5), zaś obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego tego stabilizatora obejmuje manometr pomiarowy (10), z wejściem połączonym z komorą (7) i wyjściem połączonym z wejściem pomiarowym falownika (8). 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że falownik (8) stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) jest wyposażony w nastawiak (11) żądanej wartości ciśnienia w tej komorze (7). 8. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że falownik (8) stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) jest wyposażony w sumator (12) sygnałów z nastawiaka (11) i manometru pomiarowego (10). 9. Układ według zastrz. 6 albo 7, albo 8, znamienny tym, że falownik (8) stabilizatora ciśnienia płynu chłodząco-smarującego w komorze (7) dyszy (1) zawiera regulator (13) proporcjonalno- -całkująco-różniczkujący (PID). 10. Układ według zastrz. 6 albo 7, albo 8, albo 9, znamienny tym, że zawiera manometr podciśnieniowy (14), połączony na wejściu z przewodem ssawnym (9) pompy i na wyjściu z wejściem kontrolnym falownika (8).

6 6 PL B1 Rysunek Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)