PODSTAWY DOBORU CECH GEOMETRYCZNYCH METODY I PARAMETRÓW SZLIFOWANIA CZOŁEM ŚCIERNICY O HIPERBOLOIDALNEJ POWIERZCHNI CZYNNEJ

Transkrypt

1 Wojciech KACALAK, Filip SZAFRANIEC Politechnika Koszalińska Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Precyzyjnej PODSTAWY DOBORU CECH GEOMETRYCZNYCH METODY I PARAMETRÓW SZLIFOWANIA CZOŁEM ŚCIERNICY O HIPERBOLOIDALNEJ POWIERZCHNI CZYNNEJ Streszczenie Praca zawiera podstawy doboru cech geometrycznych metody i parametrów szlifowania czołem ściernicy o hiperboloidalnej powierzchni czynnej. Opracowano zależności opisujące kształt powierzchni czynnej ściernicy w funkcji parametrów położenia osi ściernicy. W opracowanej metodzie oś ściernicy z założenia nie jest prostopadła do płaszczyzny zawierającej tor przedmiotu i jest odchylona od kierunku prostopadłego o kąty α i β. W publikacji przedstawiono podstawy doboru cech geometrycznych metody w zależności od grubości usuwanej warstwy materiału oraz preferencji technologicznych, dotyczących długości strefy szlifowania i prędkości usuwania naddatku. 1. Wprowadzenie Rozwój mikro- i nanoinżynierii wiąże się z potrzebą wytwarzania mikroelementów i ich precyzyjnej obróbki. Literatura przytoczona w niniejszej pracy opisuje najważniejsze problemy rozwoju obróbki ściernej w aspekcie jej efektywnych zastosowań w operacjach mikroobróbki i zadaniach precyzyjnego wygładzania. Ograniczenia objętości pracy nie pozwalają na odrębne wskazywanie problemów zawartych we wszystkich publikacjach w przytoczonym wykazie. Stosowane dotąd procesy precyzyjnego szlifowania nie są odpowiednie dla operacji mikroi nanoszlifowania [13,17,28,33,35]. W typowych procesach szlifowania głębokość szlifowania jest wielokrotnie większa od parametru St, charakteryzującego wysokość nierówności powierzchni przed obróbką. Odchyłki kształtu i falistość, zwłaszcza dla przedmiotów o małych rozmiarach, są również znacznie mniejsze od stosowanych głębokości szlifowania. Oczekuje się opracowania nowych metod szlifowania, do zastosowań w obszarach typowych dla mikro- i nanoinżynierii. 2. Mikroszlifowanie płaszczyzn czołem ściernicy Dla unikatowej [9,10] metody precyzyjnego szlifowania czołem ściernicy, opracowano innowacyjne odmiany z zastosowaniem hiperboloidalnej powierzchni czynnej i wyznaczono postawy jej stosowania, a zwłaszcza wyznaczono zależności, opisujące kształt powierzchni czynnej ściernicy w funkcji parametrów położenia jej osi. W prezentowanej metodzie obróbki, oś ściernicy, z założenia, nie jest prostopadła do płaszczyzny zawierającej tor przedmiotu i jest odchylona od kierunku prostopadłego o kąty α i β. Najniższa tworząca hiperboloidalnej powierzchni czynnej ściernicy jest prostą wichrowatą względem osi ściernicy i jest równoległa do płaszczyzny zawierającej tor ruchu przedmiotów. Graficzne zestawienie założeń do mikroszlifowania płaszczyzn ściernicą o hiperboloidalnej powierzchni czynnej przedstawiono na rysunkach 1-4. Cechą opisywanej metody jest wielokrotne wydłużenie strefy obróbki w stosunku do szlifowania czołem ściernicy z nakrojem, a w stosunku do szlifowania obwodem ściernicy, nawet kilkudziesięciokrotnie. Dzięki temu można zapewnić małą prędkość usuwania naddatku, dużą równomierność lokalnego obciążenia przedmiotu w strefie szlifowania, krzyżowanie się śladów obróbkowych, postępujące wraz z przemieszczaniem przedmiotu w strefie obróbki i łagodne wychodzenie przedmiotu ze strefy szlifowania. Efektem wymienionych powyżej cech metody jest możliwość, w zależności od kątów α i β, zarówno usuwania dużego naddatku w jednym zabiegu, jak również realizacja operacji mikro i nanoszlifowania i usuwania naddatku o wartości 0,5-10 µm. W opisywanej metodzie, w czasie przemieszczania się przedmiotu wzdłuż strefy szlifowania, nad powierzchnią przedmiotu, przesuwa się kilka do kilkunastu milionów ziaren na każdy milimetr szerokości strefy obróbki. Oznacza to, że naddatek jest usuwany w zależności od udziału ziaren

2 aktywnych, przez ziarna w liczbie do 100 razy większej niż innych metodach szlifowania (dla ustalonych prędkości posuwu wzdłużnego przedmiotu i prędkości obrotowej ściernicy. Rys. 1. Graficzne zestawienie założeń do mikroszlifowania płaszczyzn ściernicą o hiperboloidalnej powierzchni czynnej dla < 0, < 0, = p

3 Rys. 2. Graficzne zestawienie założeń do mikroszlifowania płaszczyzn ściernicą o stożkowej powierzchni czynnej dla < 0, < 0,

4 Rys. 3. Graficzne zestawienie założeń do mikroszlifowania płaszczyzn ściernicą o stożkowej powierzchni czynnej dla < 0, = 0, = 0

5 Rys. 4. Graficzne zestawienie założeń do mikroszlifowania płaszczyzn ściernicą o stożkowej powierzchni czynnej dla < 0, > 0, = 0

6 3. Dobór cech geometrycznych metody mikroszlifowania płaszczyzn W zależności od wymagań technologicznych mogą być stosowane różne odmiany metody, w których występuje zróżnicowanie wartości kątów pochylenia osi oraz odpowiednio zróżnicowane położenie, w którym tworząca hiperboloidalnej powierzchni czynnej jest równoległa do płaszczyzny ruchu posuwowego przedmiotu (rys. 5-7). Rys. 5. Dobór parametrów geometrycznych metody mikroszlifowania płaszczyzn czołem ściernicy dla największej długości strefy szlifowania L = L max Przypadek przedstawiony na rysunku 5 jest najkorzystniejszy ze względu na największą długość strefy szlifowania (98 mm) i najmniejszą wartość średnią prędkości usuwania naddatku (0,125 µm/mm dla amax = 10 µm).

7 Dla poprawnie dobranych wartości kątów α, β i długości strefy szlifowania L, najniższa tworząca w punkcie Okmax jest pozioma, równoległa do przedmiotu i odchyłka płaskości ΔP jest równa zero. Poziome położenie tworzącej można zapewnić dla wybranych kątów α i β oraz najniższego przekroju w punkcie Okmax poprzez odpowiednie kształtowanie czynnej powierzchni ściernicy w układzie obróbkowym. Ewentualne odchyłki wartości Δα i Δβ spowodują jedynie pewną zmianę kąta αn, ale zasada poprawności kształtu powierzchni przedmiotu będzie zachowana. Rys. 6. Dobór parametrów geometrycznych metody mikroszlifowania płaszczyzn czołem ściernicy dla strefy szlifowania o długości L = L max/2 Na rysunku 6 przedstawiono wykresy ilustrujące dobór kątów α i β oraz zakres naddatków możliwych do zeszlifowania, gdy długość strefy obróbki L = Lmax/2.

8 Rys. 7. Dobór parametrów geometrycznych metody mikroszlifowania płaszczyzn czołem ściernicy dla L < L max/2 (przypadek o małej przydatności technologicznej) Przypadek przedstawiony na rysunku 7 charakteryzuje się przydatnością technologiczną w specjalnych zastosowaniach. Długość strefy szlifowania jest mniejsza od połowy wartości maksymalnej, ale korzystne byłoby, aby była tylko nieco mniejsza od Lmax/2. Taka sytuacja może być skutkiem wyboru unikatowej metody, w której w końcowych fazach strefy obróbki wymagane jest występowanie składowej siły szlifowania skierowanej na zewnątrz Pzy. Na rysunku 8 przedstawiono maksymalne wartości naddatku szlifowania amax i odpowiadające im prędkości średnie usuwania obrabianej warstwy materiału w funkcji kąta nachylenia α w płaszczyźnie P1P2OS i długości drogi szlifowania L, a na rysunku 9 powiększono obszar ilustracji dla małych wartości kątów α oraz małych wartości maksymalnego naddatku.

9 Korzystną cechą opisywanej metody jest możliwość uzyskania bardzo małych prędkości wnikania powierzchni ściernicy w obrabianą warstwę dla analizowanych danych i średniej prędkości usuwania naddatku Va = 0,125 µm/mm na jeden obrót ściernicy uzyskuje się zagłębienie około 0,04 mikrometra. Rys. 7. Schemat do wyznaczania kąta nachylenia osi ściernicy α w zależności od wartości naddatku a oraz wyboru długości strefy obróbki L Rys. 8. Schemat do wyznaczania kąta nachylenia osi ściernicy α w zależności od wartości naddatku a oraz wyboru długości strefy obróbki L

10 4. Podsumowanie Przedstawiona metodyka doboru cech geometrycznych i parametrów szlifowania czołem ściernicy o hiperboloidalnej powierzchni czynnej, pozwala na poprawne zastosowanie metody w mikro- i nanoszlifowaniu płaszczyzn w elementach o bardzo małych naddatkach obróbkowych. W ocenie energochłonności procesu szlifowania, gdy określa się stosunek energii obróbki do objętości usuniętego materiału, występuje akceptacja dla nadmiernie dużych naddatków na obróbkę. Energochłonność procesu szlifowania należy odnosić do rozmiaru obrobionej powierzchni. Graniczna dokładność obróbki zależy od najmniejszej grubości warstwy, jaką można usunąć w wyniku elementarnego oddziaływania elementów aktywnych narzędzia (pojedynczych ostrzy, ziaren ściernych lub mikroziaren). Ta najmniejsza grubość zależy od geometrii i cech mikrogeometrii ostrzy i może być szacowana w obróbce ściernej jako zbliżona do 0,1 µm. Stosowanie małej głębokości szlifowania pozwala znacznie zmniejszyć energię procesu, co sprzyja uzyskiwaniu korzystniejszych cech warstwy wierzchniej. Mała głębokość szlifowania to mała gęstość strumieni cieplnych. Krótki czas oddziaływania lokalnego. Małe gradienty temperatury. Stosowanie małych głębokości szlifowania zmniejsza siły, co może być ważne dla obróbki przedmiotów o małych wymiarach i dużych podatnościach. Bibliografia [1] Alting, L., Kimura, F., Hansen, H.N., Bissacco, G., 2003, Micro Engineering, CIRP Annals, 52/2: [2] Bałasz B., Królikowski T.: Advanced Kinematic-Geometrical Model Of Grinding Processes. Industrial Simulation Conference, Delft, Holand pp [3] Bałasz B., Królikowski T.: Modeling and Simulation Method of Precision Grinding Processes. Recent Advances in Mechatronics. Springer pp [4] Bałasz B., Szatkiewicz T., Królikowski T.: Grinding Wheel Topography Modeling with Application of an Elastic Neural Network, ICIC 2007, China, Lecture Notes in Artificial Intelligence vol. 4682, pp , Springer [5] Bałasz B.: Modular System for Simulation of Material Processing. SMI Polish Journal of Environmental Studies, Vol 16, No 4A. pp [6] De Chiffre, L., Kunzmann, H., Peggs, G. N., Lucca, D. A., 2003, Surfaces in Precision Engineering, Microengineering and Nanotechnology, Annals of the CIRP, 52 /2: [7] Gołąbczak M. : Polerowanie struktur półprzewodnikowych na bazie węglika krzemu. XXXIII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź, [8] Gołąbczak A.: Metody kształtowania właściwości użytkowych ściernic. Monografie, Łódź, [9] Kacalak W. i inni: Sposób szlifowania płaskiego, zwłaszcza drobnych elementów ceramicznych oraz urządzenie do szlifowania płaskiego zwłaszcza drobnych elementów ceramicznych. Patent nr [10] Kacalak W. i inni: Sposób i urządzenie do gładkościowej obróbki płaszczyzn przedmiotów drobnych, zwłaszcza elementów ceramicznych pokrytych cienkimi warstwami innych materiałów. Patent nr [11] Kacalak W., Ściegienka, Pluta Z., Śmiałek W., Ziółkowski S.: Sposób i narzędzie do gładkościowej obróbki powierzchni. Patent nr [12] Kacalak W., Kasprzyk M.: Wybrane problemy modelowania stochastycznych procesów zużycia i trwałości ściernic. Zbiór prac, XXIII Naukowa Szkoły Obróbki Ściernej, Rzeszów-Myczkowce, wrzesień 2000, strony [13] Kacalak, W. Królikowski T., Szafraniec F., Kunc R., Remelska H., Metodyka doboru parametrów mikro i nanoszlifowania dla określonych wymagań, dotyczących chropowatości powierzchni, XXXIII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź, 8-10 września [14] Kacalak W., Krzyżyński T., Dziura Z., Ściegienka R., Lewkowicz R.: On Optimization of Automated Process of Fine Grinding Small Ceramic Elements. Annual Scientific Conference GAMM 2000, Goettingen. [15] Kacalak W., Lewkowicz R., Bałasz B., Zawadka W.: Optimierung der Schleifprozesse schwer zerspanbarer Werkstoffe bei niedrigen Temperaturen und im Vakuum. VDI Berichte 1276, Bearbeitung neuer Werkstoffe - 2ND International Conference on Machining of Advanced Materials. VDI Verlag, Düsseldorf, 1996, s

11 [16] Kacalak W., Lewkowicz R., Krzyżyński T., Bałasz B.: Random Components AutoCorrelation and its Influence on Estimation of Grinding Process Models. GAMM Annual Meeting, Metz [17] Kacalak, W. Szafraniec F., Królikowski T., Kunc R., Remelska H., Wybrane problemy maksymalizacji wydajności mikro- i nanoszlifowania dla ograniczeń nałożonych na określone parametry chropowatości powierzchni, XXXIII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź, 8-10 września [18] Kacalak W., Woźniak K.: Wpływ kształtu ziarn ściernych na przebieg i wyniki szlifowania. Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń 1/1980, s [19] Kacalak W.: Modele i procedury symulacji w środowisku MATLAB praca niepublikowana. [20] Kacalak W.: Wprowadzenie do modelowania procesów szlifowania z uwzględnieniem probabilistycznego charakteru topografii powierzchni oraz zużycia ściernicy. Prace XI Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej. Łódź 1988, s [21] Kacalak Wojciech, Lipiński Dariusz: Adaptive system of quality supervising in technological processes, Advances in Manufacturing Science and Technology, Vol. 28, No 2,2004, str [22] Kacalak W., Makuch S., Bałasz B., Cincio R.: The Simulation of Polishing Processes as Basis for Designing New Grinding Tools, Industrial Simulation Conference 2004, Malaga, Hiszpania, str [23] Kacalak W., Majewski M., Automatic recognition and verification of voice commands in natural language given by the operator of the technological device using artificial neural networks, 4th International Conference on Computer Recognition Systems CORES 2005, Rydzyna maj 2005, Series on Advances in Soft Computing, Springer- Verlag Berlin Heidelberg New York 2005, [24] Kacalak W., Makuch S.: Estimation of a geometrical surface structure using a new method of polishing of flexible grinding tool, zone differentiation of the macrogeometry of the active surface of the grinding tool, VII International Congress on Precision Machining, Sandomierz-Kielce 2007, str [25] Kacalak W., Bernat A.: Practical and theoretical aspects of abrasive tool surface reconstruction based on photometric stereo, Pomiary Automatyka Kontrola vol. 53, nr 8/2007, str [26] Kacalak W., Tomkowska A., Tomkowski R.: Metody generowania powierzchni ziaren ściernych do zastosowań w analizie i symulacji procesów szlifowania, Podstawy i technika obróbki ściernej. Monografia Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2007, str [27] Kacalak W., Makuch S.: Analiza topografii powierzchni wygładzanych z zastosowaniem nowej metody polerowania, Podstawy i technika obróbki ściernej. Monografia Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2007, str [28] Kacalak W., Królikowski T.: Modelowanie i analiza procesów mikroskrawania i mikroszlifowania, Współczesne problemy obróbki ściernej, Monografie - Szkoła Naukowa Obróbki Ściernej, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin, 2009, str [29] Kacalak W., Tomkowska A., Tandecka K.: Modelowanie procesu kształtowania powierzchni w procesie mikrowygładzania z zastosowaniem folii ściernych, Współczesne problemy obróbki ściernej, Monografie - Szkoła Naukowa Obróbki Ściernej, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin, 2009, str [30] Ściegienka R., Kacalak W.: Podstawy doboru parametrów i warunków procesu mikrowygładzania powierzchni foliowymi taśmami ściernymi, Współczesne problemy obróbki ściernej, Monografie - Szkoła Naukowa Obróbki Ściernej, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin, 2009, str [31] Kacalak W., Majewski M.: Inteligentny system obustronnej głosowej komunikacji systemu pomiarowego z operatorem dla technologii mobilnych. Pomiary, Automatyka, Kontrola, Vol. 55, nr 4(2009). Wydawnictwo PAK 2009, s [32] Kacalak W., Szafraniec F., Kunc R., Remelska H.: Zastosowanie teorii fraktali do tworzenia i wizualizacji powierzchni o określonej topografii. XXXIII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź, [33] Kacalak W., Królikowski T., Bałasz B.: Analiza przemieszczeń materiału w strefie mikroskrawania.xxxiii Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź, [34] Kacalak W., Tandecka K.: Metodyka oceny topografii folii ściernych do precyzyjnego mikrowygładzania. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Poznań, 2011 (w druku). [35] Lewkowicz R., Kacalak W., Ściegienka R., Bałasz B.: The new methods and heads for precision microfinishing With Application Of Microfinishing Films, 5th International Congress on Precision Machining, Stara Lesna, Slowacja 2009, s [36] Lipiński D., Kacalak W.; Assessment of the Accuracy of the Process of Ceramics Grinding with the Use Fuzzy Interference, Springer, Lecture Notes in Computer Science 4432, 2008, s

12 [37] Liu, X., DeVor, R.E., Kapoor, S.G., Ehmann, K.F.,2004,The Mechanics of Machining at the Microscale: Assessment of the Current State of the Science, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 126/4: [38] Makuch S., Kacalak W.: Estimation of a geometrical structure surface in the polishing process of flexible grinding tools with zone differentiation flexibility of a grinding tool, VII International Conference Mechatronics 2007, Recent Advances in Mechatronics, str [39] Marciniak M.: Proces szlifowania w ujęciu fenomenologicznym. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [40] Masuzawa, T., 2000, State of the Art of Micromachining, CIRP Annals, 49/2: [41] Oczoś K., Porzycki J.: Szlifowanie. Podstawy i technika. WNT Warszawa [42] Schmidt, J., Tritschler, H., Spath, D., Elsner, J., Huntrup, V., 2002, Requirements of an Industrially Applicable Microcutting Process for Steel Micro-Structures, Microsystem Technologies, 8/6: [43] Shimada, S., Ikawa, N., Tanaka, H., Uchikoshi, J., 1994, Structure of Micromachined Surface Simulated by Molecular Dynamics Analysis, CIRP Annals, 43/1: [44] Vogler, M.P., DeVor, R.E., Kapoor, S.G., 2004, On the Modeling and Analysis of Machining Performance in Micro-Endmilling, Part I: Surface Generation, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 126/4: [45] Zhang, B., Liu, X., Brown, C. A., Bergstrom, T. S., 2002, Microgrinding of Nanostructured Material Coatings, Annals of the CIRP, 51 /1: