MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA

Modelowanie obciążeń ziaren ściernych prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, mgr inż. Filip Szafraniec Politechnika Koszalińska MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA XXXVI NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ, RZESZÓW 18-20.09.2013 00:00:00 --:-- --.--.---- 1 25

CO JEST WAŻNE W OCENIE PROCESU Szlifowanie jest procesem obróbki końcowej i proces ten przesądza o wielu cechach obrabianej powierzchni, decyduje o jakości wyrobu zawierającego elementy kształtowane w procesach precyzyjnego szlifowania. Stochastyczny charakter budowy i cech stereometrycznych powierzchni narzędzi ściernych oraz cechy procesu szlifowania sprawiają, że trudne lub niemożliwe jest określenie chwilowych i lokalnych cech procesu, takich jak liczba kontaktów ziaren ściernych, przekroje warstw skrawanych, objętości wiórów oraz długość kontaktów dla poszczególnych ziaren. Energia i moc szlifowania zależą nie tylko od parametrów procesu i cech narzędzia, ale także od cech rozkładu chwilowych i lokalnych obciążeń ziaren ściernych. Zjawiska zachodzące w strefie szlifowania, są opisywane przez cechy o krótkim czasie występowania (około kilku milisekund) i obejmują obszary o małych powierzchniach lokalnych oddziaływań (o wielkości kilkunastu μm 2 ) oraz występują z wielką częstotliwością (0,3 10 MHz), co sprawia, że są trudne do eksperymentalnego obserwowania. Prognozowanie wyników procesu wymaga jednak oceny tych cech. Dlatego w wielu ośrodkach naukowych próbuje się przybliżyć i opisać zjawiska zachodzące w strefie szlifowania [2,9] poprzez ich modelowanie i symulacje całego procesu szlifowania. 00:00:00 --:-- --.--.---- 2 25

Naturalna i sztuczna inteligencja MODELOWANIE I SYMULACJA WYKORZYSTUJE WIELE METOD ROZWIĄZYWANIA PROBLEMÓW W BUDOWIE I EKSPLOATACJI MASZYN Zastosowania w tworzeniu nowych metod oraz w kontroli procesów Zastosowania w sterowaniu procesami i procesach decyzyjnych Analiza naukowa Probabilistyka Badania operacyjne Logika Systemy ekspertowe Metody matematyczne Metody rozwiązywania Logika rozmyta Sztuczne sieci neuronowe Algorytmy ewolucyjne Chwyty wynalazcze Badania naukowe, pozyskiwanie danych Modelowanie i symulacja Heurystyka Metody twórczego rozwiązywania problemów Metoda map myśli Zastosowania w optymalizacji operacji technologicznych i procesów produkcyjnych Zastosowania w zadaniach konstrukcyjnych Cele Metody prognozowania Zastosowania w zarządzaniu Problemy Wiedza, kreatywność, determinacja, metodyka, umiejętności, narzędzia 00:00:00 --:-- --.--.---- 3 25

SYSTEM MODELOWANIA I SYMULACJI W Politechnice Koszalińskiej na Wydziale Mechanicznym, w Katedrze Mechaniki Precyzyjnej powstał kompleksowy system do modelowania i symulacji procesu szlifowania, w którym uwzględniono wyniki badań procesu mikroszlifowania oraz modelowania i badań zużywania narzędzi ściernych. 00:00:00 --:-- --.--.---- 4 25

SCHEMAT SYSTEMU 00:00:00 --:-- --.--.---- 5 25

OKNO PREZENTACJI WYNIKÓW SYMULACJI W POSTACI FILMU (KANAŁ KATEDRY NA YOU TUBE) 00:00:00 --:-- --.--.---- 6 25

OKNO PREZENTACJI WYNIKÓW SYMULACJI W POSTACI FILMU (KANAŁ KATEDRY NA YOU TUBE) 00:00:00 --:-- --.--.---- 7 25

SYMULACJA PROCESÓW MIKROSZLIFOWANIA OBWODEM ŚCIERNICY Opracowany system do modelowania i symulacji procesów szlifowania umożliwia dobór: ponad 10 parametrów charakteryzujących proces (w tym parametry definiujące cechy procesu tworzenia wypływek oraz parametry opisujące drgania układu obróbkowego), ponad 40 parametrów charakteryzujących narzędzie (w tym parametry definiujące cechy geometryczne ziaren ściernych, parametry opisujące proces kondycjonowania ściernicy, parametry charakteryzujące intensywność procesu zużywania ziaren ściernych), ponad 5 parametrów charakteryzujących rozmiary i cechy powierzchni przedmiotu obrabianego, 26 parametrów charakteryzujących zakres wyprowadzania wyników, 7 parametrów charakteryzujących cechy procesu symulacji, ponad 50 parametrów charakteryzujących sposoby wizualizacji, prezentacji wyników oraz animacji procesu, ponad 5 parametrów charakteryzujących zakres zapisywanych danych i wyników, 00:00:00 --:-- --.--.---- 8 25

ZAKRES WYNIKÓW generowanie powierzchni ziaren ściernych i przeprowadzanie weryfikacji ich cech; generowanie powierzchni czynnej ściernicy i analizy cech stereometrycznych rozmieszczenia wierzchołków; 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 wpływu zakłóceń procesu na realizację i wyniki procesu szlifowania; 00:00:00 --:-- --.--.---- 9 25

ZAKRES WYNIKÓW o o o o 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; ANALIZĘ 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; 00:00:00 --:-- --.--.---- 10 25

Zależności Znając cechy stereometryczne powierzchni ściernicy, cechy stereometryczne powierzchni przedmiotu oraz parametry obróbki można wyznaczyć funkcję prawdopodobieństwa usuwania materiału w strefie szlifowania f(pa z ) oraz uwzględniając aktywność ziaren ściernych, wyznaczyć siły dla poszczególnych ziaren. Składową F z siły szlifowania dla określonych założeń obejmujących zależności F zi = f(a zi ) oraz szerokości przedziału Δy można opisać według zależności 1. (1) F z = σk j=1 n σ j i=1 F zi (y j, gdzie k = L/Δy liczba stref, n j liczba ziaren aktywnych we fragmencie strefy y j o szerokość Δy, i numer ziarna we fragmencie j strefy szlifowanej, j numer strefy szlifowanej. 00:00:00 --:-- --.--.---- 11 25

MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ I SIŁ SZLIFOWANIA Schemat do analizy prawdopodobieństwa usuwania materiału w kolejnych położeniach względnych ściernicy i określonej strefy przedmiotu podczas pierwszego przejścia szlifującego S 1 00:00:00 --:-- --.--.---- 12 25

MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ I SIŁ SZLIFOWANIA Schemat do analizy prawdopodobieństwa usuwania materiału podczas powrotu wyiskrzającego W Prawdopodobieństwo usunięcia materiału w strefie szlifowania dla pierwszego przejścia (linia ciągła) i podczas powrotu wyiskrzającego (linia przerywana) 00:00:00 --:-- --.--.---- 13 25

METODYKA WYZNACZANIA MAKSYMALNEGO PRZEKROJU WARSTWY SKRAWANEJ OKREŚLONYM OSTRZEM 00:00:00 --:-- --.--.---- 14 25

Program badań PROGRAM BADAŃ W środowisku MatLab przeprowadzono symulacje procesów szlifowania obwodem ściernicy dla różnej głębokości szlifowania 20 i 5 µm; Prędkość szlifowania v S wynosiła 35 m/s i prędkość wzdłużna przedmiotu v w wynosiła 3 m/min (0,05 m/s); Symulacje wykonano z wykorzystaniem modeli ściernic z ziarnami o numerze 120; Wartości oczekiwane kątów wierzchołkowych 2ε i promieni zaokrąglenia wierzchołków rҧ modelowych naroży ziaren ściernych statystycznie odpowiadały ziarnom rzeczywistym z elektrokorundu szlachetnego; 00:00:00 --:-- --.--.---- 15 25

Schemat do analizy względnego położenia powierzchni ściernicy i przedmiotu szlifowanego 00:00:00 --:-- --.--.---- 16 25

Kolejne fazy Schemat do analizy zmiany wartości siły F n w strefie obróbki dla przejść roboczych (a) i przejść wyiskrzających (b) 00:00:00 --:-- --.--.---- 17 25

Wyznaczanie sił szlifowania podczas symulacji mikroszlifowania 00:00:00 --:-- --.--.---- 18 25

Sumy przekrojów WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN g=20 mikrometrów Wykres zmienności sumy przekrojów warstw skrawanych ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 20µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych 00:00:00 --:-- --.--.---- 19 25

WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN g=20 mikrometrów Wykres zmienności sumy sił szlifowania ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 20µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S W) 00:00:00 --:-- --.--.---- 20 25

WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN g=5 mikrometrów Wykres zmienności sumy przekrojów warstw skrawanych ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 5µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S>W) 00:00:00 --:-- --.--.---- 21 25

WYNIKI MODELOWANIA OBCIĄŻEŃ ZIAREN g=5 mikrometrów Wykres zmienności sumy sił szlifowania ziarnami aktywnymi w kolejnych przejściach i pp dla numeru ziarna 120 i głębokości szlifowania g = 5µm z uwzględnieniem zużycia ziaren ściernych (S>W) 00:00:00 --:-- --.--.---- 22 25

PODSUMOWANIE Dla głębokości szlifowania 20µm wartości sumy sił szlifowania i sumy przekrojów warstw skrawanych dla przejść szlifujących S są zdecydowanie większe od wartości dla przejść wyiskrzających W zwłaszcza w pierwszej fazie procesu szlifowania, gdy usuwana jest największa objętość powierzchni; Dla głębokości szlifowania 5µm wartości sumy sił szlifowania i sumy przekrojów warstw skrawanych dla przejść szlifujących S są nieznacznie większe od wartości dla przejść wyiskrzających W, ale tylko w pierwszej fazie obróbki. W drugiej i w trzeciej fazie są na tym samym poziomie; Wyniki badań uzyskane w procesie symulacji mogą być wykorzystywane do optymalizacji rzeczywistego procesu szlifowania w celu poprawienia jakości powierzchni lub w celu prognozowania wpływu zmiany wybranego parametru obróbki na topografię powierzchni; Opracowany system umożliwia również w trakcie trwania procesu, monitorowanie i wyznaczenie zmiennych diagnostycznych m.in. lokalnych i chwilowych oraz globalnych parametrów charakteryzujących obciążenia poszczególnych ziaren ściernych, wartości siły (i ich zmiany lokalne oraz zmiany w czasie); 00:00:00 --:-- --.--.---- 23 25

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 00:00:00 --:-- --.--.---- 24 25

UZUPEŁNIENIA 00:00:00 --:-- --.--.---- 25 25