Analiza procesów szlifowania specjalnymi ściernicami o budowie mikroagregatowej

Transkrypt

1 Analiza procesów szlifowania specjalnymi ściernicami o budowie mikroagregatowej Prof. dr hab. inż. KACALAK Wojciech, dr h. c.; dr inż. TANDECKA Katarzyna, dr inż. LIPIŃSKI Dariusz, mgr inż. SZAFRANIEC Filip, (Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska), dr inż. SOCHA Elżbieta (firma ANDRE ABRASIVE ARTICLES Sp. z o.o. Sp. k.) 1. Wstęp Nowe narzędzia ścierne o innowacyjnych, adaptacyjnych strukturach i specjalnych mikroagregatach, pozwalają w porównaniu ze ściernicami konwencjonalnymi na uzyskiwanie wyższej efektywności operacji szlifowania, są nowym rozwiązaniem technologicznym i mogą być stosowane do obróbki stopów metali lekkich. Zapewniają znaczny postęp technologiczny w wyniku wyższego poziomu różnicowania właściwości narzędzi, odpowiednio do rodzaju materiału i cech procesu, pozwalają na ograniczenie w procesach obróbki stopów aluminium, magnezu i tytanu niekorzystnych skutków w postaci zalepień czynnej powierzchni ściernic, zapewniają wyższą trwałość narzędzi i obniżenie energii właściwej obróbki, a także zwiększają stabilność procesów. Opracowane rozwiązania narzędzi ściernych, dla określonych zakresów parametrów charakteryzujących ich strukturę, pozwalają również na podwyższenie efektywności procesów szlifowania innych materiałów, takich jak stal łożyskowa i stopy stali o wysokiej wytrzymałości. Nowe narzędzia ścierne będą przydatne ponadto w wielu innych operacjach szlifowania, które obecnie są uważane za trudne do realizacji, w takich jak szlifowanie materiałów kompozytowych, materiałów o wysokiej plastyczności, materiałów wrażliwych na wysokie temperatury, stopów metali lekkich, nowych materiałów mineralno-żywicznych, tworzyw stosowanych w optyce. 2. Narzędzia ścierne o budowie mikroagregatowej Nowe hybrydowe narzędzia ścierne o budowie mikroagregatowej i podwyższonej porowatości, zapewniają zmniejszenie energii właściwej szlifowania, zwłaszcza w obróbce stopów metali lekkich, eliminują zjawiska zapychania przestrzeni między ziarnami warstwami obrabianego materiału oraz zapewniają możliwość wytwarzania ściernic o charakterystykach precyzyjniej dostosowanych do zadań technologicznych. Rosnące zastosowanie stopów metali lekkich zwiększa zapotrzebowanie na operacje efektywnej obróbki dokładnych elementów, głównie operacji precyzyjnego szlifowania. Materiały te należą do trudnoobrabialnych ze względu na zapełnianie przestrzeni między ziarnami produktami obróbki, wysoką energię właściwą szlifowania i trudności w stabilizowaniu właściwości narzędzia w okresie trwałości, który byłby akceptowalny ze względów ekonomicznych i technologicznych. Towarzyszą temu badania procesów mikroskrawania [And2011, Ika1992, Kac2014/2, Kac2015], energii obróbki [Kac1997, Mar2004, Sim2010] oraz trwałości narzędzi [Bor1990] przyczyniające się do postępu technologicznego w produkcji i eksploatacji narzędzi ściernych [Kac2009, Kac2014/1, Niż2013, Ocz1986, Sim2010]. Klienci oczekują wyrobów wysokiej jakości, zapewniających wydajną obróbkę wysoką jakość powierzchni i warstwy wierzchniej obrabianych elementów, narzędzi

2 bezpiecznych, spełniających wymagania europejskich i światowych norm jakościowych, konkurencyjnych cenowo oraz terminowej realizacji swoich zamówień. Równolegle z postępem w produkcji narzędzi ściernych obserwuje się rozwój branży produkującej materiały ścierne, z których wytwarza się ziarna ścierne. Duże koncerny zajmujące się produkcją materiałów ściernych rywalizują w opracowywaniu nowych rodzajów ziarna ściernego, gdzie doskonała zdolność skrawająca łączy się z dużą efektywnością obróbki. Istotnym wydarzeniem w branży produkcji ziarna ściernego było opracowanie w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku przez firmę 3M nowej generacji ziarna z mikrokrystalicznego elektrokorundu spiekanego o handlowej nazwie Cubitron. Stanowiło to przełom w branży produkcji narzędzi ściernych. W kolejnych latach pojawiły się kolejne modyfikacje mikrokrystalicznego elektrokorundu spiekanego - ziarna posiadające coraz mniejsze cząstki (krystality) umożliwiające zwiększenie efektywności precyzyjnego szlifowania. Aktualne tendencje na rynku narzędzi ściernych wskazują również na dynamiczny wzrost zapotrzebowania na narzędzia o wysokiej wydajności i trwałości, zawierające supertwarde materiały ścierne - diament oraz regularny azotek boru, które charakteryzuje wysoka wydajność obróbki w porównaniu do materiałów konwencjonalnych. Narzędzia tego typu są coraz częściej preferowane w wielu operacjach szlifowania, polerowania jak i obróbki wykończeniowej tzw. materiałów trudnoobrabialnych, ze względu na dłuższy okres spełniania wymagań dotyczących zachowania zdolności skrawnych oraz wymiarów i kształtu narzędzia. Zarówno mikrokrystaliczne elektrokorundy spiekane jak i diament i borazon są jednak surowcami bardzo drogimi, co w znacznym stopniu ogranicza ich stosowanie. Średnia cena elektrokorundowego ziarna ściernego oferowanego przez dostawców europejskich wynosi około 4 zł/kg, mikrokrystalicznego elektrokorundu spiekanego około 90 zł/kg, diamentu $/kg, a regularnego azotku boru 1480 $/kg. Technologia wytwarzania innowacyjnych, hybrydowych narzędzi ściernych do obróbki stopów metali lekkich, wytworzonych w oparciu o konwencjonalne materiały ścierne, jest innowacyjnym, ekonomicznie uzasadnionym rozwiązaniem. a)

3 b) c) Rys. 1. Wizualizacja narzędzi spojonych o budowie mikroagregatowej: a) widok ogólny, b) powierzchnia ściernicy, c) mikroagregat ścierny Mikroelementy ścierne, będące składnikiem narzędzi o budowie hybrydowej mogą również zawierać domieszkę ziaren supertwardych, pozwalających na obróbkę materiałów ekstremalnie trudnoobrabialnych (rys. 1, 2). Takie działanie pozwala na znaczne obniżenie ceny w stosunku do narzędzi zawierających wyłącznie konwencjonalne ziarna ścierne. Rys. 2. Przykład grupy ziaren elektrokorundu specjalnego w mikroagregacie ściernym zawierającym ziarna ścierne o wymiarach średnich 120 µm

4 Rys. 3. Przykład grupy ziaren elektrokorundu specjalnego w mikroagregacie ściernym widoczne płaskie ściany i ostre krawędzie oraz naroża ziaren 3. Badania procesu mikroagregatowej szlifowania z zastosowaniem ściernic o budowie W celu oceny wpływu udziału mikroagregatów na wartości składowych sił i energię właściwą procesu szlifowania przeprowadzono badania tych ściernic. Wraz ze wzrostem udziału mikroagregatów w narzędziu ściernym następuje wzrost wartości składowych sił szlifowania. Wzrost składowych sił szlifowania w przypadku ściernic z mikroagregatami jest skutkiem większej liczby ziaren aktywnych na powierzchni czynnej narzędzia ściernego. Podobna tendencja jest widoczna w przypadku wartości składowej stycznej siły szlifowania. Większa wartość składowej stycznej siły szlifowania dla ściernic z mikroagregatami skutkuje większą energią właściwą szlifowania. W celu oceny wpływu udziału mikroagregatów na topografię powierzchni obrobionej dokonano analizy cech stereometrycznych powierzchni obrobionych (materiał stal łożyskowa o twardości 65 HRC). Szczegółowej analizie poddano powierzchnie obrobione z prędkością posuwu stycznego stołu vft = 25 m/min i zmiennym dosuwem. Analizowano powierzchnie szlifowane ściernicami konwencjonalnymi oraz ściernicami z różnymi zawartościami agregatów ściernych. Pomiaru powierzchni obrobionej dokonywano w trzech losowo wybranych miejscach. W celu zapewnienia powtarzalności dokonywanych analiz zastosowano poniższą metodykę postępowania w zakresie analizy topograficznej (rys. 4, 5).

5 Rys. 4. Schemat metodyki przeprowadzania analizy topograficznej w układzie 3D

6 Rys. 5. Przykładowy wynik analizy topografii obrabianej powierzchni (stal łożyskowa) z zastosowaniem ściernicy zawierającej mikroagregaty ścierne, parametry obróbki: v ft = 25 m/min, dosuw = 0,01mm, v s =35 m/s

7 Wyniki analiz topografii obrobionych powierzchni zestawiono na rysunku 6. Rys. 6. Zestawienie wartości parametru Sa powierzchni obrobionych z zastosowaniem różnych ściernic, dla prędkości przesuwu stycznego vft = 25 m/min i zmiennego dosuwu ae Przeprowadzono badania morfologii mikrowiórów po procesie szlifowania. Zastosowano następujące parametry: dosuw ae=0.02mm, prędkość przesuwu stycznego przedmiotu vft = 25 m/min. Szlifowano próbki na szerokości 9mm. Szlifowaniu poddano próbki w kształcie prostopadłościanu o wymiarach mm, wykonane ze stali łożyskowej ŁH15 (1.3505) ulepszonej do 65HRC. Zdjęcia wykonano z powiększeniem 1400x z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego. Na rysunkach 7 9 przedstawiono obrazy mikrowiórów powstałych w procesie szlifowania ściernicami konwencjonalnymi jak i z zawartością mikroagregatów ściernych.

8 Rys. 7. Obrazy SEM produktów obróbki po procesie szlifowania ściernicami: konwencjonalną (lewa strona) i z udziałem wagowym mikroagregatów 30% (prawa strona) Rys. 8. Obrazy SEM produktów obróbki po procesie szlifowania ściernicami: konwencjonalną (lewa strona) i z udziałem wagowym mikroagregatów 30% (prawa strona)

9 Rys. 9. Obrazy SEM produktów obróbki po procesie szlifowania ściernicami: konwencjonalną (lewa strona) i z udziałem wagowym mikroagregatów 30% (prawa strona) Zaobserwowano, większą regularność wymiarów i form geometrycznych wiórów powstających w wyniku obróbki ściernicami z mikroagregatmi ściernymi, wióry te charakteryzują się mniejszą grubością, często są dłuższe, co wskazuje na stabilny proces mikroskrawania i występują w większej ilości w porównaniu z mikrowiórami powstającymi w wyniku obróbki ściernicami konwencjonalnymi. 4. Podsumowanie Zastosowanie mikroagregatów zwiększa umiarkowanie wartości składowych sił szlifowania oraz przyczynia sią do uzyskania korzystnych parametrów oceny struktury stereometrycznej powierzchni obrobionej. Korzystne warunki pracy ściernic w procesie szlifowania stali łożyskowych uzyskuje się dla parametrów: dosuw do ae=0,02 mm i prędkość przesuwu stycznego stołu powyżej vft = 5 m/min. Prowadzenie obróbki z mniejszymi prędkościami wymaga stosowania małych posuwów obciągacza (około 0,03 mm/obrót) w procesie kształtowania powierzchni czynnej narzędzia ściernego. W cyklu badań eksploatacyjnych uzyskiwano stabilne warunki pracy wszystkich ściernic. Ściernice o wyższej twardości wykazywały mniejsze zużycie promieniowe. Zastosowanie określonego (30%) udziału wagowego mikroagregatów przyczynia się do uzyskania powierzchni obrobionej o korzystniejszych wartościach parametrów stereometrycznych w odniesieniu do ściernic konwencjonalnych. Mikroagregaty zapewniają stabilną pracę ściernicy wzdłuż torów poszczególnych ziaren. Małe ostrza ziaren, o małych kątach wierzchołkowych rozmieszczone na różnych promieniach w danym mikroagregacie dają porównywalne warunki skrawania i podobne kształty mikrowiórów. Natomiast duże ziarna w ściernicach

10 konwencjonalnych wzdłuż śladów skrawania tworzą zróżnicowane wióry, różniące się kształtem i strukturą. Badania wykonano w ramach projektu: Literatura 1. [And2011] Anderson D., Warkentin A., Bauer R., Experimental and numerical investigations of single abrasive-grain cutting, International Journal of Machine Tools & Manufacture 51 (2011), [Bor1990] Borkowski J. A.: Zużycie i trwałość ściernic. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1990, Warszawa. 3. [Ika1992] Ikawa N., Shimada S., Tanaka H.: Minimum Thickness of Cut in Micromachining. Nanotechnology 3, 1992, [Kac1997] Kacalak W.: Teoretyczne podstawy minimalizacji energii właściwej w procesach obróbki ściernej. XX Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej. Poznań 1997, s [Kac2009] Kacalak W., Bałasz B., Królikowski T., Lipiński D.: Kierunki rozwoju mikro- i nanoszlifowania. Współczesne problemy obróbki ściernej, Monografie - Szkoła Naukowa Obróbki Ściernej, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin, 2009, [Kac2014/1] Wojciech Kacalak, Błażej Bałasz, Robert Tomkowski, Dariusz Lipiński, Tomasz Królikowski, Filip Szafraniec, Katarzyna Tandecka, Łukasz Rypina, Problemy naukowe i kierunki rozwoju procesów mikroobróbki ściernej, Mechanik, Zeszyt: 8 9, str /724, [Kac2014/2] Wojciech Kacalak, Katarzyna Tandecka, Dariusz Lipiński, Thomas G. Mathia, Micro and nano - discontinuities of chips formations in diamond foils abrasive finishing process, 2nd International Conference on Abrasive Processes - ICAP 2014, str. 25, Cambridge UK, [Kac2015] Wojciech Kacalak, Katarzyna Tandecka, Łukasz Rypina, Analiza zjawiska nieciągłości tworzenia mikrowiórów w procesie wygładzania foliami ściernymi, Mechanik, Numer 8-9/2015, str , 2015.

11 9. [Mar2004] Marinescu I.,D., Rowe W.,B., Dimitrov B., Inasaki I.: Tribology of Abrasive Machining Processes. William Andrew Publishing, New York, [Niż2013] Niżankowski C.: Influence of the abradant s composition on the selected physical properties in the process of front grinding of surfaces with microcrystalline sintered corundum grinding wheels. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, Volume 69, Issue 1-4, [Ocz1986] Oczoś K., Porzycki J.: Szlifowanie. Podstawy i technika. WNT Warszawa [Sim2010] Sima M., Özel T., Modified material constitutive models for serrated chip formation simulations and experimental validation in machining of titanium alloy Ti 6Al 4V, International Journal of Machine Tools & Manufacture 50 (2010)