Efekty stosowania modyfikowanych rolek dociskowych o zmiennej lokalnie podatności w procesach mikrowygładzania foliami ściernymi

Transkrypt

1 200 MECHANIK NR 9/2014 Efekty stosowania modyfikowanych rolek dociskowych o zmiennej lokalnie podatności w procesach mikrowygładzania foliami ściernymi The effects of the use of modified contact rolls with locally variable susceptibility for superfinishing process WOJCIECH KACALAK KATARZYNA TANDECKA ŁUKASZ RYPINA W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych cech strefy obróbkowej dla konwencjonalnych i modyfikowanych rolek dociskowych w zależności od siły docisku i strzałki ugięcia w procesie mikrowygładzania powierzchni walcowych foliami ściernymi. Wyznaczono naprężenia w warstwie elastomeru rolek dociskowych. Wykonano prototypy badanych rolek oraz przeprowadzono badania procesu mikrowygładzania folią ścierną z ziarnem elektrokorundowym o nominalnej wielkości 15 µm. Obrobiono stalowe wałki ulepszane cieplnie, o twardości 60 HRC z zastosowaniem konwencjonalnej i modyfikowanej rolki dociskowej. Oceniono jakość powierzchni po mikrowygładzaniu i określono efekty modyfikacji rolek do wygładzania. SŁOWA KLUCZOWE: folia ścierna, mikrowygładzanie, rolki dociskowe, strefa obróbki The article presents the results of experimental investigations and simulation. Machining zone was studied for conventional and modified contact rolls. Was determined the stresses in elastomer layer, the contact rolls. Invoked on prototypes test rolls. The surface was finished with abrasive film with a nominal size of 15 microns and new rolls. Steel rollers with hardness of 60 HRC were finished. Quality finished surface has been examined. The advantages of modifying the rolls are listed in the paper. KEYWORDS: microfinishing film, superfinishing, contact roll, machining zone Prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak (wociech.kacalak@tu.koszalin.pl), Mgr inż. Katarzyna Tandecka (katarzyna.tandecka@tu.koszalin.pl), Mgr inż. Łukasz Rypina (lukasz.rypina@tu.koszalin.pl) Wstęp Mikrowygładzanie powierzchni z zastosowaniem folii ściernych zapewnia bardzo dobre wyniki jakości obrobionych powierzchni, spełniających rosnące wymagania w zakresie dokładności i właściwości elementów [3]. Proces wygładzania realizowany jest wielozabiegowo. Po każdym zabiegu zmienia się narzędzie na kolejną folię ścierną o coraz mniejszej nominalnej wielkości ziaren nasypu ściernego. Folia ścierna przewijana jest z rolki podającej na rolkę zwijającą folię ścierną, wyprowadzoną ze strefy obróbkowej, charakteryzującą się upakowanymi mikrowiórami w przestrzeniach między ziarnami [1, 8, 10]. Charakterystyczną cechą procesu jest to, że narzędzie używane jest jednokrotnie [4, 5, 6, 7]. Z tego wynika znaczenie doboru właściwych parametrów obróbki, takich jak: prędkość przesuwu folii (średnio razy mniejszej od prędkości przedmiotu obrabianego), prędkości obrotowej przedmiotu obrabianego, prędkości posuwu, częstości ruchu oscylacyjnego narzędzia, siły normalnej dociskającej folię ścierną do powierzchni obrabianej oraz szerokości strefy kontaktu 2a (rys. 1) [2, 9]. Szerokość strefy kontaktu bezpośrednio zależy od zadanej siły docisku, twardości elastomeru i jego ukształtowania na powierzchni metalowego rdzenia rolki dociskowej. Właściwe dobranie parametrów wygładzania foliami ściernymi wymaga znajomości kompleksowych charakterystyk, zarówno głowicy, którą montuje się na konwencjonalnych obrabiarkach, jak i stosowanych rolek dociskowych. Standardowo w procesie wygładzania foliami ściernymi stosuje się rolki dociskowe składające się z metalowego rdzenia z nawulkanizowanym elastomerem o pełnym przekroju poprzecznym w kształcie prostokąta (rys. 2), jedynym czynnikiem zmiennym jest twardość elastomeru, zwykle stosuje się rolki o twardości zawierającej się w przedziale

2 MECHANIK NR 9/ o Sh A. W pracy zaproponowano nowe, niestosowane dotąd w procesie wygładzania foliami ściernymi, ukształtowanie elastomeru oraz zbadano jego wpływ na jakość obrobionej powierzchni. (rys.6). Zaobserwowano, że dla docisku z siłą 140 N, wartość strzałki ugięcia f modyfikowanej rolki dociskowej jest o 54% większa w stosunku do wartości strzałki ugięcia konwencjonalnej rolki dociskowej, która wynosi 0,95 mm, co powoduje mniejszą szerokość strefy obróbkowej w rolce konwencjonalnej. Rys. 2. Model trójwymiarowy i rysunek techniczny prototypu rolki dociskowej o konwencjonalnym ukształtowaniu elastomeru oraz obraz z procesu wygładzania z zastosowaniem prototypu rolki dociskowej Rys. 1. Układ obróbkowy do dogładzania powierzchni, gdzie: f o ruch oscylacyjny narzędzia, v p kierune k ruchu obrotowego przedmiotu, v pos kierunek ruchu posuwowego, v t kierunek przesuwu folii ściernej, 2a szerokość strefy obróbki Charakterystyka rolek dociskowych Rys. 3. Model trójwymiarowy i rysunek techniczny prototypu rolki dociskowej o modyfikowanym ukształtowaniu elastomeru oraz obraz z procesu wygładzania z zastosowaniem prototypu rolki dociskowej Opracowano wiele rozwiązań konstrukcyjnych rolek dociskowych, które zostały objęte postępowaniem patentowym. W niniejszej pracy przedstawiono tylko jedno z rozwiązań ze względu na ograniczenie objętości publikacji. Badano dwa prototypy rolek dociskowych, pierwszy z nich o klasycznym ukształtowaniu elastomeru (rys.2), drugi natomiast z symetrycznymi bocznymi podcięciami w przekroju poprzecznym w warstwie elastomeru (rys.3). W prototypach zastosowano ten sam rodzaj elastomeru o twardości 80 o Sh A. Integralną częścią badań prototypów rolek dociskowych, było określenie ich podatności oraz pola powierzchni strefy kontaktu z powierzchnią płaską w funkcji siły docisku. W tym celu zbudowano stanowisko badawcze (rys.4). Do badań wykorzystano głowicę GW1 do mikrowygładzania zewnętrznych powierzchni walcowych oraz zaprojektowano transparentną powierzchnię docisku, co umożliwiało określenie pola powierzchni kontaktu rolki z powierzchnią płaską. Docisk rolki do powierzchni obrabianej w głowicy GW-1 realizowany jest pneumatycznie. Transparentny element dociskowy zamontowano na piezoelektrycznym siłomierzu 9257B firmy KISTLER (rys.5), który połączono z wielokanałowym wzmacniaczem sygnału 5070A firmy KI- STLER, komputerem PC wyposażonym w kartę pomiarową 2855A4 KISTLER. Po zamontowaniu czujnika przemieszczeń, wyznaczono zależność strzałki ugięcia badanych prototypów rolek dociskowych w funkcji siły normalnej Rys. 4. Stanowisko badawcze prototypów rolek dociskowych

3 202 MECHANIK NR 9/2014 stwierdzić, że zastosowany model materiałowy jest właściwy dla dalszych badań symulacyjnych. Rys. 7. Obraz strefy kontaktu po symulacji i eksperymencie dla wartości strzałki ugięcia f rolki dociskowej 1,1 mm Rys. 5. Stanowisko badawcze prototypów rolek dociskowych Rys. 6. Strzałka ugięcia rolek dociskowych w funkcji siły docisku Modelowanie naprężeń i przemieszczeń materiału w rolkach dociskowych z wykorzystaniem środowiska Ansys Workbench Symulacja z wykorzystaniem elementów skończonych procesu docisku rolki do obrabianego wałka pozwoliła przeanalizować wartości odkształceń i naprężeń, które powstają w warstwie elastomeru rolki dociskowej. Wyniki badań pozwalają na dobór parametrów docisku rolki do obrabianego materiału. Wielkościami wejściowymi do symulacji były : Wartość strzałki ugięcia f [mm], Stałe materiałowe. Wielkościami wyjściowymi były: Przemieszczenia materiału rolki, Naprężenia zastępcze Hubera-Misesa. Zastosowany konstytutywny model materiałowy odnosi się do drugiego tensora naprężeń Pioli-Kirchhoffa. W analizie zastosowano równanie Blatz i Ko, które opisuje hipersprężysty model gumy. W celu poprawności prowadzonych analiz dokonano walidacji modelu materiałowego. Zamodelowano zjawisko docisku konwencjonalnej rolki dociskowej do powierzchni płaskiej oraz przeprowadzono eksperyment na stanowisku badawczym zaprezentowanym na rysunku 4 i 5, w którym wykorzystano system wizyjny do akwizycji danych, co było możliwe dzięki transparentnemu wizjerowi, do którego dociskano rolkę dociskową. Zbadano szerokość strefy kontaktu w funkcji strzałki ugięcia i porównano z wynikami uzyskanymi w symulacji (rys. 7, 8). Obliczono zgodność wyników w każdym punkcie pomiarowym, wyznaczając ją na ogólnym poziomie 99,57 %, co pozwala Rys. 8. Szerokość strefy kontaktu w funkcji strzałki ugięcia w procesie walidacji modelu materiałowego zastosowanego w symulacji Ansys Badania symulacyjne modyfikowanej i konwencjonalnej rolki dociskowej przeprowadzono z wykorzystaniem środowiska Ansys Workbench. Lista badanych zjawisk obejmowała procesy i zjawiska powstawania odkształceń sprężysto-plastycznych w materiale na skutek siły stycznej wymuszonej przemieszczeniem rolki. Lista założeń zawierała między innymi założenia dotyczące kształtu rolki dociskowej oraz jednorodności w całej objętości wałka stalowego, będącego przedmiotem obrotowym. W procesie budowy modelu wykonano następujące kroki: utworzono model geometryczny układu rolka dociskowa obrabiany wałek, określono metody obliczeń oraz skalę dyskretyzacji, zdefiniowano materiały użyte w symulacji, modele wytrzymałościowe, dobrano rodzaj kontaktu pomiędzy narzędziem, a obrabianym materiałem, zdefiniowano parametry warunków brzegowych. Modele geometryczne układu rolka - wałek został przygotowany w środowisku programu Inventor. Obiekty zamodelowano jako modele bryłowe 3D. Symulację przeprowadzono dla strzałki ugięcia o watościach od 0,2 2 mm. Wartości odkształceń i naprężeń wyznaczono i zestawiono na rysunkach 9, 10, 11, 12. Maksymalne naprężenia w elastomerze modyfikowanej rolce dociskowej, przy działaniu siły normalnej o wartości 195 N wynoszą 0,043 MPa.

4 MECHANIK NR 9/ Rys. 9. Przemieszczenia warstwy elastomeru modyfikowanej rolki dociskowej dla kolejnych wartości jej strzałki ugięcia wynoszącej od 0,2 2 mm i siły docisku rolki do przedmiotu obrabianego od N Rys. 10. Naprężenia zastępcze Hubera-Misesa w warstwie elastomeru modyfikowanej rolki dociskowej dla kolejnych wartości jej strzałki ugięcia wynoszącej od 0,2 2 mm i siły docisku rolki do przedmiotu obrabianego od N

5 204 MECHANIK NR 9/2014 Rys. 11. Przemieszczenia warstwy elastomeru konwencjonalnej rolki dociskowej dla kolejnych wartości jej strzałki ugięcia wynoszącej od 0,2 2 mm i siły docisku rolki do przedmiotu obrabianego od N Rys. 12. Naprężenia zastępcze Hubera-Misesa w warstwie elastomeru konwencjonalnej rolki dociskowej dla kolejnych wartości jej strzałki ugięcia wynoszącej od 0,2 2 mm i siły docisku rolki do przedmiotu obrabianego od N

6 MECHANIK NR 9/ Proces wygładzania foliami ściernymi z zastosowanymi prototypowymi rolkami dociskowymi Do badań procesu wygładzania użyto głowicy GW-1 (rys.4). Głowica GW-1, przystosowana jest do zamontowania na tokarce uniwersalnej w gnieździe imaka nożowego. Umożliwia zamienne stosowanie taśm o szerokości 1/2,1 lub 2. Prędkość przesuwu taśmy wynosi vf =0 90 (max 500) mm/min, częstotliwość oscylacji f= /min, amplituda oscylacji A=2,5 mm [11]. Zakres sił docisku rolki wynosi Fn=10 90 (max 200) N i zrealizowany był siłownikiem pneumatycznym zasilanym z sieci o ciśnieniu 0,6 MPa. Przedmiotem obrabianym był stalowy wałek (60 HRC)(rys. 2, 3). Obróbkę realizowano przez 160 sekund z prędkością przesuwu przedmiotu 35 m/min, z zastosowanymi rolkami dociskowymi o twardości elastomeru 80 o Sh A, prędkość przesuwu taśmy wynosiła 160 mm/min, siła docisku wyniosła 60 N. Pomiary topografii powierzchni, z wykorzystaniem systemu pomiarowego TalySurf CCI 6000, przeprowadzono co 8 sekund, czyli co dwa przejścia narzędzia nad całą powierzchnią przedmiotu obrabianego. Pomiaru powierzchni po wygładzaniu dokonywano w trzech miejscach rozmieszczonych co 120 o na obwodzie próbki, otrzymane wyniki analiz uśredniono. Wyniki analiz powierzchni obrabianych przedstawiono na rysunkach Rys. 15. Maksymalna wysokość wgłębienia powierzchni wygładzanych folią ścierną typu 15IMFF o nominalnej wielkości elektrokorundowego ziarna 15 µm z zastosowaniem konwencjonalnej (kolor niebieski) i modyfikowanej (kolor czerwony) rolki dociskowej Rys. 13. Średnia arytmetyczna wysokość powierzchni wygładzanych folią ścierną typu 15IMFF o nominalnej wielkości elektrokorundowego ziarna 15 µm zastosowaniem konwencjonalnej (kolor niebieski) i modyfikowanej (kolor czerwony) rolki dociskowej Rys. 16. Maksymalna wysokość piku powierzchni wygładzanych folią ścierną typu 15IMFF o nominalnej wielkości elektrokorundowego ziarna 15 µm zastosowaniem konwencjonalnej (kolor niebieski) i modyfikowanej (kolor czerwony) rolki dociskowej Rys. 14. Całkowita wysokość powierzchni wygładzanych folią ścierną typu 15IMFF o nominalnej wielkości elektrokorundowego ziarna 15 µm zastosowaniem konwencjonalnej (kolor niebieski) i modyfikowanej (kolor czerwony) rolki dociskowej Rys. 17. Stosunek maksymalnej wysokości piku i wgłębienia powierzchni wygładzanych folią ścierną typu 15IMFF o nominalnej wielkości elektrokorundowego ziarna 15 µm zastosowaniem konwencjonalnej (kolor niebieski) i modyfikowanej (kolor czerwony) rolki dociskowej

7 206 MECHANIK NR 9/2014 Podsumowanie Przeprowadzono proces mikrowygładzania folią ścierną z zastosowaniem dwóch rolek dociskowych, pierwszą z nich była konwencjonalna rolka dociskowa, drugą była rolka o modyfikowanym ukształtowaniu warstwy elastomeru. Zbadano kształt i szerokość strefy kontaktu rolek z przedmiotem obrabianym, a także naprężenia występujące w warstwie elastomeru. Po analizie wybranych parametrów struktury geometrycznej powierzchni po procesie mikrowygładzania folią ścierną, w takich samych warunkach, stwierdzono, że lepsze właściwości powierzchni otrzymuje się po zastosowaniu rolki dociskowej o modyfikowanym kształcie. Rolka ta wyraźnie szybciej usuwa piki na obrabianej powierzchni w porównaniu do procesu wygładzania z zastosowaną konwencjonalną rolką ścierną (rys. 16). Wynik ten uzyskano mimo tego, iż początkowa wysokość nierówności przedmiotu przed wygładzaniem z zastosowaniem głowicy z rolką modyfikowaną, była nieco większa od wysokości nierówności powierzchni początkowej wygładzanej z zastosowaniem głowicy z rolką konwencjonalną. Badania zrealizowano w ramach projektu pt. Innowacyjne, hybrydowe narzędzia ścierne do obróbki stopów metali lekkich, realizowanego w ramach programu Innotech w ścieżce programowej IN-TECH, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, umowa nr INNO- TECH-K3/IN3/43/229135/NCBR/14 LITERATURA 1. Biegerelle M., Guillemot G., Khawaja Z., El Mansori M., Antoni J., Relevance of Wavelet Shape Selection in a complex signal. Mechanical Systems and Signal Processing, 41, 14-33, Jourani A., Hagege B., Bouvier S., Bigerelle M., Zahouani H., Influence of abrasive grain geometry on friction coefficient and wear rate in belt finishing. Tribology International, 59, 30-37, Kacalak W., Szafraniec F., Tomkowski R., Lipiński D., Łukianowicz Cz., Metodyka oceny zdolności klasyfikacyjnej parametrów charakteryzujących cechy stereometryczne nierówności powierzchni. Pomiary Automatyka Kontrola, 57/5, , Kacalak W., Tandecka K., Analiza wpływu cech stereometrycznych i rozmieszczenia wierzchołków ziaren folii ściernej na ukształtowanie nierówności obrabianej powierzchni. Mechanik, 8-9, CD, Kacalak W., Tandecka K., Basics of the superfinishing results prognostication by the diamond lapping films. Journal of Machine Engineering, 12/4, 49-62, Kacalak W., Tandecka K., Effect of superfinishing metods kinematic features on the machined surface. Journal of Machine Engineering, 12/4, 35-48, Kacalak W., Tandecka K., Ocena potencjału technologicznego diamentowych folii ściernych z wykorzystaniem informacji o topografii powierzchni czynnej. Pomiary Automatyka Kontrola, 58/06, , Khellouki A., Rech J., Zahouani H., Micro-scale investigation on belt finishing cutting mechanisms by scratch tests. Wear, 308, 17-28, Khellouki A., Rech J., Zahouani H., The effect of abrasive grain's wear and contact conditions on surface texture in belt finishing. Wear, 263, 1-6, 81-87, Khellouki A., Rech J., Zhaouani H., The effect of lubrication conditions on belt finishing. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 50, , Lewkowicz R., Kacalak W., Ściegienka R., Charkiewicz L., Bokiej S., Kasprzyk M., Głowica nowej konstrukcji do mikrowygładzania powierzchni zewnętrznych foliowymi taśmami ściernymi i wybrane efekty jej stosowania. Współczesne problemy obróbki ściernej, ISSN , ,2009