Wybrane problemy modelowania i symulacji procesów wygładzania powierzchni

Transkrypt

1 Błażej Bałasz, Wojciech Kacalak, Tomasz Królikowski, Tomasz Szatkiewicz Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Gorzowie Wielkopolskim, Instytut Techniczny; Politechnika Koszalińska, Katedra Mechaniki Precyzyjnej Wybrane problemy modelowania i symulacji procesów wygładzania powierzchni 1. Wprowadzenie Analizując obszary (rys. 1) dokładności uzyskiwanych z zastosowaniem różnych metod obróbki w długim okresie, można zauważyć, iż w zakresie obróbki precyzyjnej następuje integracja docierania, obróbki z zastosowaniem folii ściernych i precyzyjnego szlifowania. Dokładność tych metod obróbki osiąga poziom kilkunastu nanometrów. Procesy rozwoju teorii i technologii wytwarzania wzajemnie się przenikają. Nowe teorie, skłaniają do ich weryfikacji, początkowo laboratoryjnej, a następnie produkcyjnej. Nowe zastosowania tworzą z kolei pole do nowych, doskonalszych opisów zjawisk zachodzących w procesach technologicznych. Rys. 1 Obszary różnych metod obróbki i osiągane dokładności Opracowanie nowych materiałów narzędziowych i technologii ich wytwarzania jest zazwyczaj początkiem znaczącego postępu w zwiększaniu efektywności procesów. W tym 1

2 okresie powstają podstawy do technologii nowych narzędzi, następnie (często również niezależnie) podstawy nowych metod obróbki, dalej podstawy konstrukcji nowych urządzeń technologicznych i metod sterowania procesami obróbki. Po tym rozpoczyna się długi okres doskonalenia i optymalizacji technologii narzędzi i procesów obróbki. Później następują pierwsze zastosowania produkcyjne i stopniowe rozpowszechnienie nowych technologii. Ponowne przechodzenie do wyższego poziomu technologii następuje po opracowaniu nowych materiałów i narzędzi lub nowych metod obróbki. Rys. 2. Rozwój technologii wytwarzania na przykładzie obróbki ściernej We wszystkich metodach wytwarzania do zmiany wymiarów przedmiotu, stanu geometrycznego powierzchni, właściwości powierzchni lub właściwości przedmiotu, konieczne jest wydatkowanie energii, przy czym energia właściwa obróbki jest tym większa, im wyższe są wymagane dokładności obróbki, im mniejsze są naddatki na obróbkę oraz im mniejsza jest objętość elementarnych fragmentów usuwanego materiału. Energia właściwa w procesach obróbki ściernej i erozyjnej wynosi zazwyczaj od J/mm 3. W procesach mikroszlifowania (dla głębokości mniejszych od jednego mikrometra) należy dążyć do ograniczenia energii odniesionej do jednostki obrobionej powierzchni do poziomu 1 J/mm 2. W typowych procesach szlifowania energia odniesiona do jednostki powierzchni jest razy większa, z powodu dużej głębokości szlifowania. Stosowanie głębokości szlifowania wielokrotnie większych od wysokości nierówności powierzchni po obróbce 2

3 poprzedzającej nie jest uzasadnione i pozostaje w sprzeczności z obecnym i przyszłym poziomem osiąganych dokładności obróbki (rys. 3). Skutkiem wysokiej energochłonności procesów wytwarzania są znaczne siły oraz zjawiska termiczne, powodujące odkształcenia przedmiotu, narzędzia i systemu obróbkowego. Na niedokładność wytwarzania ma wpływ nie tylko energochłonność procesów i moc obróbki, ale także koncentracja lokalna energii, kształt i położenie strefy obróbki. W procesach mikroskrawania, zwłaszcza w obróbce bardzo dokładnej, wiele zjawisk i czynników nabiera znaczenia decydującego o wynikach procesu. Są nimi: nieciągłość procesu tworzenia mikrowiórów (w mikro- i submikroskali), cieplne i mechaniczne odkształcenia narzędzi i materiału obrabianego, w strefach otaczających ziarna, zagłębione w powierzchnię przedmiotu, a zwłaszcza liniowe i kątowe przemieszczenia ziaren ściernych pod wpływem oporów skrawania i wreszcie losowość samego procesu mikroskrawania, tym wyższa, im mniejsze są średnie przekroje warstw skrawanych poszczególnymi ostrzami. Rys. 3. Obszar nanoobróbki ściernej Obserwacja zjawisk w strefie kontaktu folii ściernej z materiałem obrabianym jest utrudniona ze względu na niewielkie wymiary stosowanych ziaren, ograniczony dostęp do strefy obróbki oraz bardzo małe wysokości nierówności obrabianej powierzchni. Powyższe ograniczenia sprawiają, że badanie wielkości charakteryzujących chwilowe warunki mikrowygładzania, ostrzami znajdującymi się w strefie obróbki jest utrudnione. Możliwe jest jedynie wnioskowanie o tych cechach na podstawie wielkości pośrednich, takich 3

4 jak siła obróbki, zmiany chropowatości w czasie lub parametry mikrowiórów i cechy stereometryczne nasypu ściernego folii po obróbce. We wszystkich sposobach obróbki ziarna ścierne w strefie styku z przedmiotem przemieszczają się stycznie do obrabianej powierzchni, a ich zagłębienie w materiał jest zmienne wzdłuż toru skrawania. Zmienność zagłębienia jest skutkiem wielu czynników. Do najważniejszych można zaliczyć: zmienność zagłębienia nominalnego, która zależy od kinematycznych cech metody oraz ukształtowania przedmiotu, nierówności powierzchni przedmiotu w strefie obróbki, podatność lokalną materiału obrabianego i narzędzi, odchyłki kształtu narzędzia, fluktuacje prędkości przedmiotu względem narzędzia, tworzenie wypływek i wypiętrzeń materiału w wyniku oddziaływań ostrzy poprzedzających, drgania narzędzia i ziaren ściernych, znaczne lokalne zróżnicowanie (w strefie oddziaływania ziarna) przyrostów temperatur, zwłaszcza podczas obróbki z bardzo dużymi prędkościami materiałów o małej przewodności cieplnej, zmienność właściwości materiału obrabianego w mikroobjętościach porównywanych z objętościami warstw skrawanych, makro- i mikronieciągłość procesu tworzenia wiórów 2. Modelowanie procesów kształtowania topografii powierzchni w procesach obróbki ściernej W celu opracowania systemu oceny topografii powierzchni, zwłaszcza o bardzo małej chropowatości, wykorzystano modelowanie i symulację procesu tworzenia struktury stereometrycznej powierzchni w procesach precyzyjnej obróbki ściernej. Autorzy opracowali wiele modeli i procedur symulacji procesu szlifowania dla różnych środowisk obliczeniowych. Ogólny schemat procedur symulacji przedstawia rysunek poniżej (rys. 4). W opracowanej metodzie symulacji procesu szlifowania, po-wierzchnia ściernicy opisana jest modelem matematycznym, z użyciem macierzy liczb rzeczywistych, której rozmiar odpowiada długości i wysokości powierzchni ściernicy. Model powierzchni powstaje w wyniku losowego rozmieszczenia w obrębie macierzy elementarnych probabilistycznych 4

5 modeli powierzchni ziaren ściernych, generowanych dla zadanych cech geometrycznych ziaren, odpowiadających cechom ziaren z danego materiału ściernego. Rys. 4. Schemat systemu modelowania i symulacji procesu kształtowania powierzchni w procesach obróbki ściernej Generowanie powierzchni ziaren może następować z wykorzystaniem różnych metod - jako proces: addytywnego i multiplikatywnego kumulowania funkcji opisu kształtu, jej zakłóceń, zużycia, mikrogeometrii; odrywania od modelowanego ziarna fragmentów w różnych miejscach i dobieranej wielkości; osadzania i rozpraszania osadzanych cząstek według pewnej procedury doboru lokalnych intensywności tych procedur; rozciągania elastycznej sieci do punktów charakterystycznych, generowanych; z wykorzystaniem generatora kształtu ziaren danego typu; automatycznego wyboru powierzchni ziarna z licznego zbioru ziaren wcześniej zapisanych w bazie (rzeczywistych lub statystycznie z nimi zgodnych), z dokonywaniem modyfikacji poprawnych w zakresie zgodności statystycznej; metodami hybrydowymi. 5

6 Możliwe jest modelowanie topografii powierzchni ściernic, o różnych cechach geometrycznych, takich jak: zadana koncentracja ziaren ściernych, zadane rozkłady wysokości wierzchołków ziaren, występowanie określonych form nieciągłości czynnej powierzchni ściernicy, różne cechy ukształtowania powierzchni tworzonej przez spoiwo. Dla każdego utworzonego modelu topografii powierzchni ściernicy, znane jest położenie i cechy geometryczne każdego ziarna na jej powierzchni, dzięki czemu podczas symulacji procesu możliwe staje się analizowanie kontaktów poszczególnych ziaren w strefie szlifowania. Pozwala to uzyskiwać informacje na temat obciążenia ziaren w strefie szlifowania, chwilowych i średnich parametrów geometrycznych każdego kontaktu (szerokość, zagłębienie ziarna, długość drogi kontaktu), wyznaczenie chwilowych sił szlifowania oraz wpływu poszczególnych cech geometrycznych topografii powierzchni ściernicy na przebieg i efekty procesu. Symulacja procesu szlifowania jest realizowana z uwzględnieniem różnych kinematyk procesu szlifowania. Podczas trwania procesu następuje modelowanie kontaktu kolejnych fragmentów powierzchni ściernicy z przekrojami przedmiotu obrabianego. Początkową (przed obróbką) topografię kolejnych zarysów przedmiotu obrabianego uzyskuje się w wyniku pomiarów profilometrycznych powierzchni rzeczywistych lub poprzez generowanie powierzchni o cechach zgodnych z powierzchniami rzeczywistymi. Cele modelowania i symulacji były następujące: Wyznaczenie lokalnych (również w mikrostrefach) i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu (lokalnych w różnych miejscach strefy szlifowania, chwilowych w kolejnych momentach procesu, w ustalonych przedziałach czasu). Wyznaczenie zmian stereometrii obrabianej powierzchni i topografii powierzchni ściernicy dla zbiorów parametrów procesu i warunków wykraczających poza obecne lub standardowe zastosowania. Wyznaczenie lokalnych i chwilowych oraz globalnych parametrów charakteryzujących obciążenie poszczególnych ziaren, wykonaną pracę (i jej zmiany lokalne oraz zmiany w czasie), rozkład strumieni energii. Wyznaczenie wpływu cech narzędzi oraz parametrów i warunków obróbki (w tym również wyizolowanych zmian) na wartości lokalnych i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu. 6

7 Wyznaczenie wpływu zakłóceń procesu na realizację i wyniki procesu szlifowania. Analiza procesów z nowymi typami narzędzi o strukturze zmiennej strefowo, z ziarnami agregatowymi i hybrydowymi, o strefowo i kierunkowo zmiennych właściwościach, narzędzi o zmiennej podatności, narzędzi o odmiennych cechach statystycznych dotyczących kształtu i rozmieszczenia ziaren na powierzchni narzędzia. Wyznaczenie licznych zbiorów danych dla analizy cech stereometrycznych, oceny przydatności nowych parametrów oceny i klasyfikacji oraz opracowania założeń do korzystnych modyfikacji narzędzi oraz doboru parametrów i warunków obróbki. Rys. 5. Schemat symulacji procesu mikrowygładzania (jedna z metod) Opracowano w środowisku Matlab zaawansowane pakiety obliczeniowe do modelowania i symulacji procesów, opisane i zamieszczone w zbiorach aplikacji dołączonych do wyników projektu. Bardzo duża liczba zmiennych wejściowych oraz możliwość wyboru zakresu wyprowadzanych wyników, wraz z otwartym środowiskiem uruchomieniowym, możliwości dostosowywania aplikacji do potrzeb użytkowników, powodują, iż pełne wykorzystanie możliwości obliczeniowych wymaga dobrego przygotowania i szkolenia użytkowników. 7

8 Rys. 6. Modelowanie cech stereometrycznych powierzchni czynnej narzędzia 3. Algorytmy symulacji Symulacja procesu szlifowania jest realizowana z uwzględnieniem kinematyki procesu czołowego szlifowania powierzchni swobodnych. Podczas procesu następuje modelowanie kontaktu kolejnych fragmentów powierzchni ściernicy z przekrojami przedmiotu obrabianego. Początkową (przed obróbką) topografię kolejnych zarysów przedmiotu obrabianego uzyskuje się w wyniku pomiarów profilometrycznych powierzchni rzeczywistych i jest to jeden z parametrów wejściowych do procesu symulacji. Założenia i schematy metody symulacji przedstawia rysunek 7. Proces modelowania i symulacji odbywa się w kilku etapach: generowanie powierzchni ziaren ściernych (rys. 8), generowanie topografii powierzchni ściernicy (rys. 9), etap obliczeń symulacyjnych kontaktu ziarna z przedmiotem obrabianym (rys. 10). 8

9 Rys. 7. Etapy modelowania i symulacji 9

10 10 Rys. 8. Algorytm generowania modelu powierzchni ziarna

11 Rys. 9. Algorytm generowania modelu powierzchni ściernicy 11

12 12 Rys. 10. Algorytm obliczeń realizacji skrawania materiału ziarnem ściernym

13 4. Obszary zastosowań systemu symulacji Opracowanie modelu i przeprowadzenie symulacji procesu, pozwala wyznaczać wzajemne relacje między parametrami wejściowymi i wyjściowymi. Stąd też model, będący opisem zjawisk rzeczywistych, łączy przyczyny i skutki w formie zapytań i odpowiedzi mających postać zależności matematycznych lub bazy wiedzy o określonej strukturze. Może on również przyjmować formę zbioru reguł do wnioskowania rozmytego lub ustalone wartości wag sztucznej sieci neuronowej. Zwykle model stanowi podstawę przewidywania efektu końcowego procesu. Zaś zastosowanie go w formie symulacji wychodzi naprzeciw wyższym wymogom, takim jak wzrost produktywności, czy jakości produkcji. Konkludując powyższe można powiedzieć, że symulacja procesu szlifowania to modelowanie jego przebiegu jak i wyników, również w takich zakresach warunków i parametrów, które eksperymentalnie nie są osiągalne. Zadania i efekty modelowania i symulacji zilustrowano poniżej: Wyznaczenie lokalnych (również w mikrostrefach) i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu (lokalnych w różnych miejscach strefy szlifowania, chwilowych w kolejnych momentach procesu, w ustalonych przedziałach czasu) (rys. 13). Wyznaczenie zmian stereometrii obrabianej powierzchni i topografii powierzchni ściernicy dla zbiorów parametrów procesu i warunków wykraczających poza obecne lub standardowe zastosowania (rys. 12). Wyznaczenie lokalnych i chwilowych oraz globalnych parametrów charakteryzujących obciążenie poszczególnych ziaren, wykonaną pracę (i jej zmiany lokalne oraz zmiany w czasie), rozkład strumieni energii (rys. 11). Wyznaczenie wpływu cech narzędzi oraz parametrów i warunków obróbki (w tym również wyizolowanych zmian) na wartości lokalnych i chwilowych wartości parametrów charakteryzujących kształtowanie powierzchni obrabianego przedmiotu. Wyznaczenie wpływu zakłóceń procesu na realizację i wyniki procesu szlifowania. Analiza procesów z nowymi typami narzędzi o strukturze zmiennej strefowo, z ziarnami agregatowymi i hybrydowymi, o strefowo i kierunkowo zmiennych właściwościach, narzędzi o zmiennej podatności, narzędzi o odmiennych cechach statystycznych dotyczących kształtu i rozmieszczenia ziaren na powierzchni narzędzia 13

14 Rys. 11. Moduł analiz danych symulacyjnych (przebiegi zmienności sił i energii w strefie szlifowania) Rys. 12. Moduł do analiz topografii powierzchni przed i po badaniach symulacyjnych 14

15 Rys. 13. Moduł do analiz chwilowych wartości charakteryzujących proces szlifowania Rys. 14. Wyniki symulacji procesu szlifowania - początkowa faza kształtowania obrabianej powierzchni 15

16 Rys. 14. Wyniki symulacji procesu szlifowania powierzchnia po kilku przejściach narzędzia Bibliografia 1. Bałasz B.: Modular System for Simulation of Material Processing. SMI Polish Journal of Environmental Studies, Vol 16, No 4A. pp Bałasz B., Królikowski T.: Advanced Kinematic-Geometrical Model Of Grinding Processes. Industrial Simulation Conference, Delft, Holand pp Bałasz B., Królikowski T. Optimization of the grinding process energy with application of simulation system. SMI Polish Journal of Environmental Studies. Vol. 18, No 3, 2009, s Bałasz B., Królikowski T.: Modeling and Simulation Method of Precision Grinding Processes. Recent Advances in Mechatronics. Springer pp Nadolny K., Bałasz B.: Modelowanie i symulacja procesu jednoprzejściowego szlifowania walcowych powierzchni wewnętrznych. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Vol. 26 nr 2, 2006, s Tomkowska A., Bałasz B.: Pomiary i modelowanie stereometrii ziaren ściernych. PAK vol. 55, nr 04/2009 s