PRELIMINARY ESTIMATION OF SOME LAPPING PARAMETERS INFLUENCE ON TEMPERATURE RISE OF THE SINGLE DISC LAPPING MACHINE EXECUTORY SYSTEM COMPONENTS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No PRELIMINARY ESTIMATION OF SOME LAPPING PARAMETERS INFLUENCE ON TEMPERATURE RISE OF THE SINGLE DISC LAPPING MACHINE EECUTORY SYSTEM COMPONENTS Justyna Molenda Gdynia Maritime University Faculty of Marine Engineering Morska Street 81-87, Gdynia, Poland tel.: , fax justynamolenda@wp.pl Adam Barylski Gdask University of Technology Faculty of Mechanical Engineering Narutowicza G. Street11/12, Gdask tel.: abarylsk@pg.gda.pl Abstract The paper presents the results of preliminary researches of lapping machine executory system components temperature rise. Temperature rise is caused by lapping grains activities in working gap. Due to lapping process nature, during considering that problem, whole executory system should be taken account, not only the workpiece. The influence of lapping parameters, like time, velocity and pressure, on executory system elements temperature rise was investigated. The goal was to confirm the correlation between those parameters. The measurements were made during steel sample working, with single disc lapping machine ABRALAP 380. For machining the abrasive slurry on the basis of aluminium oxide 95A number F600/9 was used. It was supplied periodically and manually. The temperature was measured by way of infrared camera V-20 II series produced by VIGO System S.A. Conducted experiments confirmed correlation between basic lapping parameters and executory system temperature rise. Thanks to that, after next measurements, it will be possible to formulate equation which will be describing those correlations. It make easier automation of workpiece dimensions control still on lapping machine. Apart from that, in refer to attached bibliography, the temperature rise models were presented. Keywords: one side lapping, thermal imaging measurements, lapping parameters, lapping machine executory system, executory system temperature, temperature rise model WSTPNA OCENA WPYWU NIEKTÓRYCH PARAMETRÓW DOCIERANIA NA WZROST TEMPERATURY ELEMENTÓW UKADU WYKONAWCZEGO DOCIERARKI JEDNOTARCZOWEJ Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki bada rozpoznawczych procesu docierania w aspekcie wzrostu temperatury elementów ukadu wykonawczego docierarki. Temperatura ronie na skutek pracy mikroziaren ciernych w szczelinie roboczej. Charakter procesu sprawia, e zagadnienie to naley rozpatrywa w caym ukadzie wykonawczym obrabiarki, a nie tylko w zakresie samego przedmiotu obrabianego. Temperatur mierzono zdalnie, wykorzystujc kamer termograficzn serii V-20 II firmy VIGO System S.A. Obróbk prowadzono na docierarce ABRALAP 380, przeznaczonej do obróbki pojedynczych powierzchni paskich. Wykonane badania obejmoway ocen wpywu podstawowych parametrów procesu, jak czas, prdko, naciski i twardo materiau obrabianego na wzrost temperatury elementów ukadu wykonawczego. Ich celem byo

2 J. Molenda, A. Barylski potwierdzenie istnienia wspózalenoci pomidzy tymi parametrami. Prowadzone byy w trakcie docierania próbki stalowej oraz próbek z ceramiki technicznej. Do obróbki uyto cierniwa na bazie elektrokorudu zwykego o numerze F600/9, które dawkowano rcznie (okresowo). Wykonane badania potwierdziy jednoznacznie wspózaleno pomidzy podstawowymi parametrami obróbki a wzrostem temperatury. Dziki temu, po przeprowadzeniu dalszych prób, moliwe bdzie ilociowe ujcie tych zalenoci, co w kolejnych etapach umoliwi automatyzacj procesu kontroli wymiarowej przedmiotów obrobionych jeszcze na obrabiarce. Sowa kluczowe: docieranie jednotarczowe, pomiary termowizyjne, parametry docierania, temperatura elementów ukadu, model wzrostu temperatury 1. Wprowadzenie Docieranie powierzchni paskich moe by prowadzone w ukadzie jedno- lub dwutarczowym. Ukad dwutarczowy stosuje si do obróbki powierzchni pasko-równolegych. Do docierania pojedynczych powierzchni paskich stosuje si docierarki jednotarczowe. Podstawowy ukad wykonawczy docierarki jednotarczowej przedstawiono na Rys. 1. Skada si on z trzech piercieni prowadzcych (1), które poruszaj si po czynnej powierzchni docieraka (2) pod wpywem dziaania si tarcia, z prdkoci zalen od prdkoci tarczy i warunków tarcia w strefie styku przedmiot obrabiany i piercie prowadzcy - narzdzie. W piercieniach (1) znajduj si separatory z umieszczonymi w nich przedmiotami obrabianymi. 2 1 Fig. 1. Executory system of single disc lapping machine ABRALAP 380: 1- truing rings, 2-lapping tool Rys. 1. Ukad wykonawczy jednotarczowej docierarki piercieniowej ABRALAP 380: 1-piercienie prowadzce, 2-docierak W przestrze robocz, znajdujc si pomidzy powierzchni docieraka a powierzchni przedmiotu docieranego, wprowadza si medium cierne (cierniwo z nonikiem). W wyniku zoonych ruchów tarczy docierajcej i przedmiotu ziarna cierne wykonuj ruchy toczne, lizgowe lub osadzaj si w docieraku, co powoduje ubytek materiau z powierzchni obrabianej. Mikroziarna mog powodowa jej odksztacenie plastyczne i umocnienie, a w nastpstwie tego odrywanie czstek materiau lub mikroskrawanie [1, 2, 3, 4]. Praca mikroziaren w szczelinie roboczej, poza usuwaniem naddatku, powoduje równie wygenerowanie pewnej iloci ciepa, które wywouje wzrost temperatury obrabianego elementu. Wzrost ten nie jest na tyle duy by spowodowa zmiany strukturalne w materiale, a charakter procesu sprawia, e nie ma w nim równie napre cieplnych. Std w literaturze zagadnienie wzrostu temperatury w procesie docierania mechanicznego podejmowane jest bardzo rzadko. 2. Model matematyczny Rozumowanie przedstawione w tej czci pracy zaczerpnito z literatury. W pracy [1] autorzy, posugujc si m.in. prawami mechaniki i wymiany ciepa, sformuowali równania opisujce redni i maksymalny wzrost temperatury w kontakcie pojedynczego ziarna z powierzchni obrabian. W tym celu przyjli oni pewne uproszczenia: 340

3 Preliminary Estimation of Some Lapping Parameters Influence on Temperature Rise of the Single Disc 1. Nie uwzgldniali szczegóowo mechanizmu usuwania naddatku z powierzchni obrabianej. W rozwaaniach zaoyli, e pojedyncze ziarno dziaa na przedmiot obrabiany jak ostry stokowy wgbnik o kcie wierzchokowym 2. Mikroziarno P Przedmiot obrabiany 2 v Fig. 2. Mechanical model of the contact between an abrasive particle and the workpiece Rys. 2. Model kontaktu roboczego mikroziarna ciernego i powierzchni obrabianej Przyjli te, e przenoszenie obcienia przez mikroziarno na obrabian powierzchni przypomina quasi-statyczne wcicie twardego wgbnika w póprzestrze. 2. Kade ziarno aktywne potraktowali jak poruszajce si ródo ciepa. Gdy pozostaje ono w kontakcie z powierzchni obrabian, na skutek dziaania siy tarcia i prdkoci wzgldnej, wygenerowana zostaje pewna ilo ciepa, która powoduje wzrost temperatury. Maksymaln warto T osiga on w kontakcie z powierzchni obrabian najwikszego ziarna znajdujcego si w szczelinie roboczej. Jego warto mona wyznaczy z zalenoci: 1,22vH ptg( ) 1 T, (1) (1 H / ) 3,66 p H d s p (0,6575 Pe ) 8 gdzie: - wspóczynnik tarcia, v - prdko docierania, H p - twardo materiau przedmiotu obrabianego, 2 - kt wierzchokowy wgbnika, - maksymalny wymiar charakterystyczny mikroziarna, - wysoko szczeliny roboczej, H d - twardo materiau docieraka, p - wspóczynnik przewodzenia ciepa materiau obrabianego, P e - liczba Pecklet a, s - wspóczynnik przewodzenia ciepa materiau ciernego. Warto rednia wzrostu temperatury T r wyznaczona zostaa jako rednia waona wartoci wzrostów temperatury dla kontaktów roboczych wszystkich ziaren znajdujcych si w strefie obróbki. Okrela j zaleno: T r T( x) dx ( x) dx 1,22Rv p H p P ( x) dx (0,6575 P ) e ( x) dx, (2) gdzie: R - cz strumienia ciepa, która przepywa do obrabianego przedmiotu, P - sia dziaajca na pojedyncze ziarno, 341

4 J. Molenda, A. Barylski x - wymiar charakterystyczny mikroziarna, (x) - funkcja gstoci prawdopodobiestwa opisujca rozkad wielkosci charakterystycznych ziaren ciernych. W pracy [7] rozwinito przedstawiony model i rozpatrywano równie oddziaywanie mikroziarna z docierakiem. Po przeanalizowaniu rozumowania badaczy i sformuowanych przez nich równa mona wnioskowa, e najwikszy wpyw na ilo wydzielanego w trakcie docierania ciepa maj: - naciski (sia tarcia), - zastosowane prdkoci w ukadzie kinematycznym (prdko wzgldna), - geometria zastosowanego mikroziarna, - twardo materiau obrabianego i docieraka. Potwierdzaj to przeprowadzone przez autorów rozpoznawcze badania wasne. Obejmoway one wstpn ocen wpywu poszczególnych parametrów na warto wzrostu temperatury w ukadzie wykonawczym obrabiarki. Poniewa w procesie docierania wzrost temperatury dotyczy nie tylko przedmiotu obrabianego, ale wszystkich elementów ukadu wykonawczego obrabiarki, najkorzystniej jest bada temperatur w caym ukadzie. 3. Stanowisko badawcze i warunki prób W celu prowadzenia bada wzrostu temperatury w procesie docierania skompletowano stanowisko badawcze pokazane na Rys. 3. Jego podstawowe elementy to: - jednotarczowa docierarka piercieniowa ABRALAP 380, przeznaczona do obróbki powierzchni paskich, - kamera termograficzna serii V-20 II (firmy VIGO System S.A), zamocowana na statywie, - komputer PC z oprogramowaniem THERM V Fig. 3. Measurement equipment: 1-lapping machine, 2-infrared camera Rys. 3. Stanowisko badawcze do pomiaru temperatury elementów ukadu wykonawczego docierarki: 1-stó docierarki, 2-kamera termograficzna Kamera umoliwia pomiar w dwóch przedziaach temperatur: i ,50 C, z rozdzielczoci 0,05C. Wyposaona jest w detektor jednoelementowy, co powoduje konieczno skanowania nawrotnego, wiersz po wierszu. Rozdzielczo obrazu wynosi 240x240 punktów. Czas skanowania jest zatem stosunkowo dugi i wynosi minimum 10 s, przez co moliwy jest jedynie pomiar temperatury obiektów statycznych lub zjawisk wolnozmiennych. Kamera moe wspópracowa z komputerem dowolnego typu. Komunikuje si z nim poprzez specjalne oprogramowanie. Dla komputera klasy PC jest to program THERM V-20. Umoliwia on 342

5 Preliminary Estimation of Some Lapping Parameters Influence on Temperature Rise of the Single Disc oprócz rejestracji i przegldania danych pomiarowych, take ich zaawansowan obróbk, drukowanie map rozkadu temperatury, przygotowanie wykresów oraz generowanie raportów z przeprowadzonych pomiarów [3, 5, 6]. Obrabiarka ABRALAP 380 to docierarka jednotarczowa o podstawowym ukadzie wykonawczym, opisanym w punkcie 1. W trakcie bada wyposaono j w paski, rowkowany, eliwny docierak oraz w trzy piercienie prowadzce, z których wykorzystywano jeden. Wbudowany czasomierz umoliwia ustawienie czasu obróbki z dokadnoci do 1 sekundy, a ukad kinematyczny zapewnia bezporedni regulacj szybkoci obrotowej docieraka w zakresie do 56,5 obr/min. Jest ona wyposaona równie w czterokanaowy obrotomierz zbudowany z optycznych czujników odbiciowych SCOO 1002P i programowalnego tachometru 7760 firmy Trumeter, który umoliwia odczyt wartoci szybkoci obrotowej piercieni i tarczy. 4. Warunki i wyniki prób Próby wykonywano w trakcie docierania przedmiotów, wykonanych ze stali mikkiej, normalizowanej, o rednicy 119,8 mm. Do obróbki uyto cierniwa na bazie elektrokorudu zwykego o numerze F600/9, które dawkowano rcznie (okresowo). Przedmioty docierano cyklami po 20 min. Po kadym cyklu, po zdjciu odwaników i przekadek, dokonywano pomiaru temperatury ukadu. Pomidzy tymi pomiarami dokonywano pomiarów pomocniczych w 10 minucie docierania, nie przerywajc obróbki. Badano wpyw czasu, prdkoci, nacisków i twardoci materiau obrabianego na wartoci przyrostu temperatury w ukadzie wykonawczym docierarki. Program obsugujcy kamer pozwala na analiz temperatury minimalnej, redniej i maksymalnej w punktach obszaru skanowania kamery. W celu zmniejszenia bdu, rozwaano wartoci przyrostu temperatury, a nie jej warto bezwzgldn. Za warto pocztkow przyjmowano w tym celu temperatur redni w obszarze skanowania, zmierzon przed rozpoczciem obróbki, w czasie t = 0 min. Wyniki tych pomiarów przedstawiaj ponisze wykresy. Na Rys. 4 przedstawiono krzywe obrazujce zmiany temperatury minimalnej, redniej i maksymalnej w trakcie docierania. Wykonano je dla obróbki próbki stalowej, prowadzonej przy prdkoci równej 0,77 m/s (warto dla punktu rodkowego przedmiotu obrabianego), stosujc obcienie si równ 32,76 N, co odpowiada naciskom równym 2,91 kpa. Zmiany temperatury redniej i maksymalnej maj ten sam charakter, inaczej przebiega krzywa temperatury minimalnej. Przyczyn tego zjawiska jest zakres skanowania kamery, obejmujcy równie obszar poza docierark. Wykresy wykazuj zmienno temperatury w czasie, czego nie uwzgldniaj modele Tmin Tr T 60 [T 0 C] t [min] Fig. 4. Graph of temperature changes in time (minimal, imal, optimal values) Rys. 4. Wykres zmian temperatury (wartoci minimalnych, rednich i maksymalnych) w czasie (p = 2,91 kpa, v = 0,77 m/s) 343

6 J. Molenda, A. Barylski Dokonano równie pomiarów zmiany temperatury elementów ukadu w zalenoci od prdkoci docierania. Ich wynik ilustruje Rys. 5. Pomiarów dokonano dla trzech prdkoci docierania (rednia prdko punktu rodkowego przedmiotu obrabianego): 0,51; 0,64 i 0,77 m/s, obciajc próbk, podobnie jak poprzednio si równ 32,76 N, co odpowiada naciskom równym 2,91 kpa. Mona zauway oczekiwany wzrost wartoci temperatur ze wzrostem prdkoci. Przebieg krzywych dla rónych prdkoci jest podobny. T-T ot [ 0 C] v=0,77 m/s vr=0,64m/s vmin=0,51 m/s t [min] Fig. 5. Dependence of lapping machine executory system elements temperature rise on lapping velocity Rys. 5. Zaleno temperatury elementów ukadu wykonawczego obrabiarki od prdkoci docierania Wpyw zastosowanych nacisków docierania na temperatur elementów badano w trakcie docierania przedmiotu opisanego powyej, z prdkoci 0,77 m/s, dla trzech wartoci nacisków: 2,91; 2,87 i 2,85 kpa. Tak, jak dla wpywu prdkoci przebieg krzywych jest podobny i zgodnie z oczekiwaniami wykazano proporcjonaln zaleno temperatury od nacisku. Zalenoci te przedstawiono w postaci wykresów na Rys. 6. T-T ot [ o C] p=2,91 kpa pr=2,87 kpa pmin=2,85 kpa t [min] 5. Wnioski Fig. 6. Dependence of lapping machine executory system elements temperature rise on lapping pressure Rys. 6. Zaleno temperatury elementów ukadu wykonawczego obrabiarki od nacisków docierania Przeprowadzone badania rozpoznawcze jednoznacznie potwierdzaj suszno przyjtego przez badaczy toku rozumowania, przedstawionego w punkcie 2. Wykazay, e najwikszy wpyw na temperatur w ukadzie wykonawczym maj naciski i prdko docierania oraz, e temperatura zmienia si w czasie, czego aden z przytoczonych modeli nie uwzgldnia. W swoich analizach 344

7 Preliminary Estimation of Some Lapping Parameters Influence on Temperature Rise of the Single Disc badacze nie uwzgldniaj równie wpywu samej docierarki, podczas gdy w próbach wykazano, e przedmiot, którego obróbk rozpoczyna si na pracujcej docierarce, szybko przyjmuje temperatur elementów jej ukadu wykonawczego. Przeprowadzenie dalszych bada, umoliwi ilociowe ujcie tych zalenoci, co w kolejnych etapach pozwoli na automatyzacj procesu kontroli wymiarowej przedmiotów obrobionych jeszcze na obrabiarce. Obecnie te wyniki byyby obarczone bdem, poniewa ciaa stae pod wpywem ciepa powikszaj swoje wymiary liniowe. Zwaywszy na wartoci ubytków podczas docierania nawet niewielka zmiana wymiarów ma due znaczenie. Dlatego istnieje konieczno poznania tych zalenoci, co da moliwo prognozowania wartoci zmian wymiarów. References [1] Bulsara, V. H., Ahn, Y., Chandrasekar, S., Farris, T. N., Polishing and lapping temperatures, Journal of Tribology, Vol. 119, [2] Barylski, A., Molenda, J., Sposób docierania elementów cienkociennych na docierarce jednotarczowej z piercieniowym ukadem wykonawczym, Materiay Seminarium Naukowo- Technicznego,,Technicon, Gdask [3] Barylski, A., Molenda, J., Badania wstpne wpywu czasu i prdkoci docierania na temperatur elementów ukadu wykonawczego docierarki jednotarczowej, I Naukowa Szkoa Obróbki ciernej, s , Gdask-Jurata [4] Spur, G., Engel, H., Tool engagement and surface formation in lapping of brittle materials, Int. J. Japan Soc. Prec. Eng., Vol. 33, No. 3, [5] Kamera termograficzna V-20 II, Instrukcja obsugi, VIGO System S. A. [6] Rzeczkowski, M., Bezkontaktowe pomiary temperatury. Kamera termograficzna-20, PAK, Nr 4, [7] Horng, J. H., Jeng, Y. R., Chen, C. L., A model for temperature rise of polishing process considering effects of polishing pad and abrasive, Transictions of ASME, Vol. 126,

8