METODYKA OCENY TOPOGRAFII FOLII ŚCIERNYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM ROZMIESZCZENIA ZIAREN ŚCIERNYCH

Transkrypt

1 XXXIII NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ Łódź, -1 września 1 r. METODYKA OCENY TOPOGRAFII FOLII ŚCIERNYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM ROZMIESZCZENIA ZIAREN ŚCIERNYCH Wojciech Kacalak *), Katarzyna Tandecka **) STRESZCZENIE: Przedmiotem badań są folie typu IMFF firmy 3M o różnej wielkości nominalnej ziaren ściernych. Do analizy topografii powierzchni narzędzi wykorzystano mikroskop skaningowy oraz system pomiarowy Talysurf CCI firmy Taylor Hobson. Analizowano rozmieszczenie wierzchołków aktywnych ziaren ściernych za pomocą dekompozycji powierzchni na komórki Voronoi oraz zastosowano analizę motywów. Poddano analizie odległości między ziarnami, pola powierzchni otoczenia ziaren, wysokości wierzchołków ziaren ściernych i ich objętości. 1. WSTĘP Proces obróbki powierzchni foliowymi taśmami ściernymi cechuje się jednokrotnym wykorzystaniem powierzchni czynnej folii, co oznacza, iż ziarna aktywne przez pewien czas, zależny od prędkości przesuwu folii, pozostają w strefie obróbki i już ponownie nie biorą udziału w kształtowaniu obrabianej powierzchni [1]. Należy zwrócić uwagę, iż nie wszystkie ziarna ścierne na powierzchni biorą udział w kształtowaniu obrabianego przedmiotu, choć udział ziaren aktywnych jest większy, niż w przypadku obróbki z użyciem narzędzi o małej podatności. Celem pracy jest określenie wniosków, dotyczących zwiększenia aktywności ziaren ściernych, które może nastąpić poprzez modyfikacje cech folii ściernych i właściwości układów docisku taśmy do obrabianej powierzchni. Określenie prawdopodobieństwa kontaktu ziaren folii i wierzchołków obrabianej powierzchni jest ważne dla wyznaczenia potencjału obróbkowego folii i doboru prędkości jej posuwu. Kolejnymi istotnymi

2 cechami folii są parametry charakteryzujące objętości i ukształtowanie otoczenia ziaren, ponieważ decydują one w głównej mierze o gromadzeniu się produktów procesu wygładzania oraz ich wynoszenia ze strefy obróbkowej []. W pracy przedstawiono analizy powierzchni folii ściernych typu IMFF na podstawie zdjęć z mikroskopu skaningowego (analizy D) [3] oraz analizy 3D uzyskanie dzięki systemowi pomiarowemu Talysurf CCI firmy Taylor Hobson.. PROGRAM BADAŃ.1. Analizy topografii powierzchni na podstawie obrazów D Pomiary struktury geometrycznej powierzchni folii ściernych typu IMFF 3A, 15A i 9A uzyskano z zastosowaniem mikroskopu skaningowego, w efekcie otrzymano obrazy D folii 15A, 9A o powiększeniu x1 i 3A x3. W pierwszej fazie badań zliczono ziarna ścierne oraz wyznaczono ich wierzchołki. Przeprowadzono następnie dekompozycje powierzchni narzędzia z wykorzystaniem komórek Voronoi w celu wyznaczenia odległości między ziarnami ściernymi metodą najbliższych sąsiadów (rys.1), których centralnymi punktami są wierzchołki ziaren (rys. ). Rys. 1. Schemat do wyznaczania odległości między ziarnami ściernymi metodą najbliższych sąsiadów z wykorzystaniem dekompozycji powierzchni na komórki Voronoi

3 a) b) c) Rys.. Zdjęcia z mikroskopu skaningowego folii ściernych typu IMFF, z naniesioną dekompozycją powierzchni komórkami Voronoi, a) 9A, b) 15A, c) 3A 1 Rozkład= 5*1*normal(x; 9,1; 1,3) a) Odległość między ziarnami [mikrometry ]

4 1 Rozkład = 5*1*normal(x; 13,57;,3) b) Odległości między ziarnami ścierny mi [mikrometry ] 1 Rozkład = 5*5*normal(x; 7,773; 1,95) 1 1 c) Odległość między ziarnami [mikrometry] Rys. 3. Histogramy odległości między ziarnami ściernymi folii IMFF wyznaczonych metodą najbliższych sąsiadów a) 9A, b) 15A c) 3A Odległość dzielącą pojedyncze ziarno od najbliższych sąsiadów wyznaczono jako średnią arytmetyczną wszystkich odległości (rys. 1). W kolejnym kroku wyznaczono rozkłady odległości pomiędzy aktywnymi wierzchołkami ziaren ściernych (rys. 3).

5 Pole powierzchni elementarnej komórki Voronoi zastosowano jako parametr wyznaczający bezpośrednie otoczenie ziarna ściernego. Rozkłady pól powierzchni komórek Voronoi (rys. ) zostały wyznaczone dla każdego aktywnego ziarna ściernego badanych folii. Uzyskane obrazy D poddano następnie binaryzacji (rys. 5) w celu wyznaczenia powierzchni natarcia ostrzy, którymi w tym przypadku są ziarna ścierne. Białe obszary zidentyfikowano jako ziarna ścierne, natomiast czerń wyznacza przestrzenie między ziarnami (rys. 5). Kolejnym krokiem było wyznaczenie pól powierzchni natarcia ostrzy. Wyniki przedstawiono w postaci histogramów (rys. ) oraz dopasowano rozkład normalny, który dość dobrze opisuje procesy osadzania ziaren na powierzchni folii ściernej. Ostatnim etapem badań nad obrazami folii ściernych D jest wyznaczenie wartości współczynnika aktywności powierzchni ziarna U o (rys. 7) jako stosunku pola powierzchni komórki Voronoi P v do pola P z powierzchni najwyższej płaskiej ściany ziarna (nazywanej dalej powierzchnią aktywną ziarna): U o =P v /P z. 35 rozkład = 1*1*normal(x; 7,333; 1,595) a) Pole powierzchni komórek Voronoi [mikrometr ]

6 1 Rozkład = *5*normal(x; 33,993; 99,939) b) c) pole powierzchni komórek Voronoi [mikrometr ] Rozkład = 5*1*normal(x; 9,7; 119,13) Pole powierzchni komórki Voronoi [mikrometry ] Rys.. Histogramy pól powierzchni komórek Voronoi zastosowanych jako dekompozycja powierzchni folii ściernej typu IMFF: a) 9A, b) 15A, c) 3A

7 a) b) c) Rys. 5 Obrazy z mikroskopu skaningowego folii ściernych IMFF przed i po binaryzacji a) 9A, b) 15A, c) 3A pole powierzchni aktywnej ziarna = 3*15,9*lognorm(x; 3,175;,9) a) b) ,1 5,59 1, 5,57 7, 7,55 13, 11,53 13, 19,51 15, pole powierzchni aktywnej ziarna [mikrometr ] pole powierzchni aktywnej ziarna = 9*1*lognorm(x; 3,93;,519) pole powierzchni aktywnej ziarna [mikrometru ] Rys.. Histogramy pól powierzchni aktywnych ziaren folii ściernych IMFF a) 9A, b) 15A

8 a) Liczba obsserwacji Rozkład = 3*,77*normal(x; 3,171; 1,),5 1,779,15,3 3,91,19,1 5,51,171 P V /P Z Rozkład = **normal(x; 1,7555; 3,35) 1 1 b) P V /P Z Rys. 7. Histogramy współczynnika aktywności powierzchni U o, wyrażonego jako stosunek pola powierzchni komórki Voronoi i pola powierzchni aktywnej ziarna dla folii ściernych IMFF a) 9A, b) 15A.1. Badania topografii powierzchni na podstawie analiz 3D Pomiar struktury powierzchni folii ściernej IMFF 3A (rys. ) uzyskano dzięki systemowi pomiarowemu Talysurf CCI firmy Taylor Hobson. W celu wyznaczenia wierzchołków aktywnych ziaren została przeprowadzona analiza motywów (rys. 9) (aplikacja TalyMap), których

9 krawędzie wyznaczono poprzez punkty krytyczne dolin otaczających dane ziarno. Rys. Powierzchnia folii ściernej IMFF 3A Rys. 9. Dekompozycja powierzchni folii z wykorzystaniem analizy motywów, poprzez białe kwadraciki zostały oznaczone aktywne wierzchołki ziaren ściernych

10 Następnie została wprowadzona płaszczyzna cięcia powierzchni w celu odseparowania ziaren aktywnych od przestrzeni otoczenia ziaren (rys. 1). Rys. 1. Aktywne ziarna na powierzchni folii ściernej IMFF 3A Na podstawie analizy powierzchni folii ściernej, uzyskano wysokości wierzchołków aktywnych ziaren ściernych (rys. 1), co nie było możliwe w przypadku badań z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego. Rozkład = 1*5*normal(x; 13,913; 5,171) Wysokość wierzchołków ziaren aktywnych [mikrometry] Rys. 1. Histogram wysokości wierzchołków aktywnych ziaren folii IMFF 3A

11 Następnie wyznaczono pola powierzchni motywów (rys. 9), co posłużyło do wyznaczenia współczynnika charakteryzującego kształt motywu zawierającego aktywne ziarno W o, wyznaczanego jako stosunek wysokości wierzchołka ziarna H do pierwiastka z pola powierzchni motywu P m (rys. 1): W o =H/ P m. Ostatnim etapem badań było wyznaczenie objętości (rys. 13) ziaren aktywnych (rys. 1), usytuowanych ponad powierzchnią spoiwa. Rozkład = 1*5*lognorm(x; 7,7;,91) Pole powierzchni motywów [mikrometry ] Rys. 11 Histogram pól powierzchni motywów jako dekompozycji powierzchni folii ściernej IMFF 3A Wo = 1*,1*normal(x;,1;,15) -,1,,1,,3,,5,,7,,9 Wo Rys. 1 Histogram współczynników W o kształtu motywów zawierających aktywne ziarna folii IMFF 3A

12 Rozkład = 15**lognorm(x; 5,9; 1,95) Objętość [mikrometr 3 ] Rys. 13 Histogram objętości ziaren aktywnych usytuowanych ponad powierzchnię spoiwa (rys. 1) folii ściernej IMFF 3A. PODSUMOWANIE Folie ścierne typu IMFF o ziarnistości mniejszej lub równej 15 mikrometrów są bardzo trudne w pomiarach topografii powierzchni 3D z wykorzystaniem systemu pomiarowego Talysurf CCI firmy Taylor Hobson, najpewniejszą metodą jest analiza obrazów D. Można zauważyć, iż średnie odległości między ziarnami w stosunku do nominalnej wielkości ziarna są zbliżone dla folii IMFF 9A oraz 15A. W przypadku narzędzia IMFF 3A wartość średniej odległości między ziarnami wynosi prawie dwukrotność nominalnej wielkości ziarna. Stąd wniosek, że przestrzenie między ziarnami rosną, wraz ze wzrostem ziarnistości nominalnej folii ściernej, w związku z czym produkty obróbki będą usuwane skuteczniej. Publikacja współfinansowana jest przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa Poddziałanie.. Programu Operacyjnego Kapitał

13 Ludzki 7-13 w ramach projektu "Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności w regionie". 3. LITERATURA [1] KACALAK W. LEWKOWICZ R. ŚCIEGIENKA R., Mikrowygładzanie zewnętrznych powierzchni walcowych foliowymi taśmami ściernymi o małych szerokościach. XXII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej. Gdańsk []PAWLUS P., Topografia powierzchni. Pomiar, analiza, oddziaływanie. Oficyna wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 5. [3] TANDECKA K., Badanie powierzchni czynnej folii ściernych z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego. Materiały IV Konferencji Studentów i Młodych Pracowników Nauki Wydziału Mechanicznego Str Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej. Koszalin 7. [] PSZCZOŁOWSKI W. ROSIENKIEWICZ P., Obróbka Ścierna narzędziami nasypowymi. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa. Warszawa [5] OCZOŚ K. PORZYCKI J., Szlifowanie podstawy i technika. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 19 THE METHODOLOGY OF VALUATION TOPOGRAPHY GRINDING BELTS WITH SPECIAL REGARD OF THE DISTRIBUTION ABRASIVE GRAINS ABSTRACT: The belts of type IMFF of firm 3M about the various nominal size of abrasive grains are the object of investigations. Scanning microscope and system measuring CCI Talysurf of the Taylor Hobson firm were used to the analysis of the surface topography. Examined the distribution of the tops of active abrasive grains with help of the decomposition of the surface on cells Voronoi and applications the analysis of motives. The distances were subjected the analysis between grains, the field of the surface of the surroundings of grains, the height of the tops of abrasive grains and their volume.

14 *) prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, ul. Racławicka 15-17, 75- Koszalin **) mgr inż. Katarzyna Tandecka, Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, ul. Racławicka 15-17, 75- Koszalin