Justyna Molenda Akademia Morska w Gdyni WPROWADZENIE DO BADAŃ WZROSTU TEMPERATURY ELEMENTÓW UKŁADU WYKONAWCZEGO DOCIERARKI PODCZAS JEDNOSTRONNEGO DOCIERANIA POWIERZCHNI PŁASKICH Artykuł stanowi wstęp do badań zagadnienia wzrostu temperatury elementów układu wykonawczego docierarki jednotarczowej. Docieranie, jako jeden ze sposobów obróbki bardzo dokładnej, jest szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, zwłaszcza precyzyjnego. Polega ono na obróbce luźnym ścierniwem, której efekty determinuje znaczna liczba czynników, przez co bardzo trudny jest opis teoretyczny procesu. Dobór parametrów obróbki dla nieobrabianych dotąd materiałów odbywa się empirycznie, dlatego decydującą rolę odgrywa doświadczenie i umiejętności operatora obrabiarki lub technologa. W artykule przedstawiono proces jednotarczowego docierania powierzchni płaskich, jego model systemowy oraz wyniki analizy czynnikowej. WPROWADZENIE Wraz ze wzrostem wymagań obróbkowych stawianych elementom maszyn i narzędzi w zakresie dokładności wymiarowo-kształtowej zwiększa się znaczenie i obszar zastosowań obróbki bardzo dokładnej. Jednym ze sposobów takiej obróbki jest docieranie, szczególnie rozwijane w przypadku powierzchni płaskich. Pozwala ono na uzyskanie, przy stosunkowo prostych środkach produkcji, małej chropowatości powierzchni (R a = 0,16 0,01 μm), wysokiej dokładności kształtu i wymiaru (6 1 klasy dokładności) oraz szczelności przylegania współpracujących powierzchni, wynikającej z uzyskanej płaskości. Struktura stereometryczna powierzchni po docieraniu jest bardzo korzystna w połączeniach ruchowych elementów ze względu na zdolność utrzymywania warstwy smaru, natomiast w połączeniach stałych ze względu na dużą nośność. W stosunku do docierania nie można w zasadzie mówić o jakichkolwiek ograniczeniach w obróbce materiałów. Docierane są zarówno materiały miękkie, jak grafit, tradycyjnie już stale i żeliwa oraz obecnie bardzo często materiały ceramiczne [1, 3, 6].
78 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010 1. MECHANIZM USUWANIA NADDATKU W PROCESIE DOCIERANIA Docieranie elementów płaskich wykonuje się na docierarkach jedno- lub dwutarczowych, przy czym układy dwutarczowe stosuje się do obróbki powierzchni płaskorównoległych. Podstawowy układ wykonawczy docierarki jednotarczowej przedstawiono na rysunku 1. Składa się on z trzech pierścieni prowadzących (1), które poruszają się po czynnej powierzchni docieraka (2) pod wpływem sił tarcia, z prędkością zależną od prędkości tarczy i warunków tarcia w strefie styku przedmiot obrabiany narzędzie. W pierścieniach znajdują się separatory z umieszczonymi w nich przedmiotami obrabianymi [1, 2, 7]. 3 4 5 2 1 Rys. 1. Układ wykonawczy jednotarczowej docierarki pierścieniowej ABRALAP 380: 1 pierścienie prowadzące, 2 docierak, 3 dozownik zawiesiny ściernej, 4 rolka prowadząca, 5 czujniki odbiciowe SCOO 1002P obrotomierza W przestrzeń roboczą, znajdującą się pomiędzy powierzchnią docieraka a powierzchnią przedmiotu docieranego, wprowadza się medium ścierne (ziarna ścierne z nośnikiem). W wyniku złożonych ruchów tarczy docierającej (D) i przedmiotu (PO) ziarna ścierne wykonują ruchy toczne, ślizgowe lub osadzają się w docieraku. Można założyć, że w dowolnym momencie docierania na sumę mikroziaren ściernych składają się (rys. 2): 1 mikroziarna wgniecione w powierzchnię docieraka, powodujące mikroskrawanie i odkształcenie (sprężyste lub plastyczne) materiału obrabianego, 2 mikroziarna toczące się, powodujące mikroskrawanie lub odkształcenie materiału obrabianego i docieraka, 3 mikroziarna osadzone w docieraku, nieoddziałujące na przedmiot obrabiany, 4 mikroziarna wgniecione w powierzchnię docieraną, powodujące mikroskrawanie lub odkształcenie materiału docieraka, 5 mikroziarna bierne, nieoddziałujące na docierak i przedmiot, 6 mikroziarna wgniecione w powierzchnię obrabianą, nieoddziałujące na docierak.
J. Molenda, Wprowadzenie do badań wzrostu temperatury 79 p = PP FF PO v p V p 1 2 1 4 5 3 4 5 6 D v d V d Rys. 2. Położenie mikroziaren ściernych w strefie obróbki podczas docierania; PO przedmiot obrabiany, D docierak, 1 6 mikroziarna ścierne, v p prędkość przedmiotu obrabianego, v d prędkość docieraka, p nacisk jednostkowy [1] W procesie docierania ubytek materiału przedmiotu obrabianego następuje na skutek oddziaływania na niego mikroziaren wbitych w docierak (nr 1 na rys. 2) i mikroziaren toczących się między powierzchnią docieraka i przedmiotu obrabianego (nr 2 na rys. 2). W każdym z tych dwu przypadków obróbka odbywa się w inny sposób. W pierwszym przeważa mikroskrawanie, w drugim głównym mechanizmem jest odkształcenie plastyczne, w wyniku którego następuje umocnienie materiału i w kolejnym kroku odrywanie cząstek materiału docieranego [1, 8]. Taka praca mikroziaren powoduje również wygenerowanie pewnej ilości ciepła, które wywołuje wzrost temperatury elementów układu wykonawczego obrabiarki. Głównym problemem jest nierównomierne nagrzewanie narzędzia. Stan czynnej powierzchni docieraka jest bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na dokładność powierzchni obrobionej. Wzrost temperatury podczas ciągłej pracy docierarki w warunkach przemysłowych powoduje zniekształcenie tarczy i w konsekwencji utratę jej płaskości [6]. W celu zapewnienia stałej temperatury pracy tarczy producenci proponują obrabiarki z docierakami chłodzonymi wodą. Konstrukcję takiego docieraka, produkowanego przez firmę Peter Wolters, pokazano na rysunku 3. Takie rozwiązanie problemu możliwe jest w nowych docierarkach. W wielu jednak już użytkowanych maszynach nie można go zastosować. W celu znalezienia dla nich alternatywnego rozwiązania podjęto badania zagadnienia. Zgodnie z teorią trybologii oraz po analizie modeli zaproponowanych w pracach [3, 4] można postawić tezę, że temperaturę procesu docierania można kontrolować poprzez zmianę podstawowych parametrów obróbki, m.in. prędkości docierania, nacisków jednostkowych, wymiaru mikroziaren ściernych.
80 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010 Rys. 3. Konstrukcja docieraka z wbudowanym systemem chłodzenia wodą [9] 2. SYSTEMOWY MODEL PROCESU DOCIERANIA W procesie docierania efekt obróbkowy determinowany jest przez wiele czynników. Ich zdefiniowanie ułatwi przedstawiony na rysunku 4 systemowy model procesu docierania powierzchni płaskich. OTOCZENIE p v PO R 1 R 2 R 3 R 7 R 8 MS y 1 WEJŚCIE {x} t K s D R 4 R 8 R5 R 7 R R 3 2 R 1 R 4 R 5 NS y j y w y z WYJŚCIE {y} Rys. 4. Systemowy model procesu docierania powierzchni płaskich [1] Model ten jest charakteryzowany przez następujące składniki (rys. 4): struktury modelu: elementy: przedmiot obrabiany PO, mikroziarna ścierne MS, nośniki stałe i ciekłe mikroziaren NS, docierak (tarcza docierająca) D, właściwości elementów systemu {W}: indywidualne i zespołowe,
J. Molenda, Wprowadzenie do badań wzrostu temperatury 81 relacje {R} pomiędzy elementami: odkształcenie sprężyste R 1, odkształcenie plastyczne R 2, mikroskrawanie R 3, utlenianie R 4, chemisorpcja R 5, korozja R 6, penetracja mikroziaren ściernych na powierzchni i w warstwę wierzchnią R 7, kruche pękanie R 8 i inne; oddziaływań zewnętrznych: wejście {x}: nominalny powierzchniowy nacisk jednostkowy p, średnia prędkość docierania v, czas docierania t, koncentracja mikroziaren ściernych K s i inne, wyjście {y}: ubytek materiału przedmiotu (wydajność docierania) y 1, wyróżniki jakości technologicznej powierzchni przedmiotu docieranego; charakterystyk funkcjonalnych systemu: zależności opisujące transformację wielkości (oddziaływań) wejściowych {x} na wyjściowe {y}: {y} = f{x, W, R}. W docieraniu mechanicznym, przy braku w strefie obróbki nośników aktywnych chemicznie, oprócz wnikania mikroziaren w powierzchnię docieraną i docierak dominują relacje R 1, R 2 i R 3 [1]. 3. ANALIZA CZYNNIKOWA PROCESU DOCIERANIA Zgodnie z zaleceniami zawartymi w pracy [5] wielkości, które mają wpływ na temperaturę elementów układu wykonawczego obrabiarki, podzielono na: czynniki badane (niezależne), czynniki wynikowe (zależne), czynniki stałe, czynniki zakłócające. Czynniki badane rozpatrywanego zagadnienia określono następującymi parametrami: prędkość docierania, czas docierania, nacisk jednostkowy, wymiar mikroziarna, twardość materiału obrabianego, obciążenie obrabiarki, czas pracy docierarki. Czynniki wynikowe scharakteryzowano jako: przyrost temperatury w układzie wykonawczym, ubytek docieranego materiału. Czynniki stałe to: rodzaj materiału ściernego (jego właściwości), rodzaj nośnika mikroziaren ściernych (jego właściwości), rozkład wymiarów charakterystycznych mikroziaren ściernych, kształt mikroziaren, sposób dawkowania ścierniwa,
82 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010 skład ścierniwa, sposób zbrojenia powierzchni czynnej docieraka, rodzaj materiału docieraka (jego właściwości), budowa docieraka (sposób rowkowania, chłodzenia), geometria docieraka, rodzaj i gatunek materiału obrabianego, geometria obrabianych przedmiotów, stan powierzchni przed docieraniem, rodzaj obrabiarki, układu wykonawczego, odmiana docierania, mechanizm usuwania naddatku. Czynniki zakłócające, do których zalicza się: koncentrację mikroziaren, liczbę mikroziaren aktywnych, rozkład obciążenia, stan zużycia czynnej powierzchni docieraka, zmienność prędkości docierania, nierównomierność rozprowadzania mikroziaren ściernych w szczelinie roboczej, zmiany mikrogeometrii powierzchni próbek i tarczy docierającej. WNIOSKI Analiza oferty producentów docierarek wykazała, że problem nierównomiernego odkształcania narzędzia w efekcie jego nagrzewania rozwiązują oni, wprowadzając do konstrukcji tarczy system chłodzenia. Komplikuje to konstrukcję obrabiarki i podnosi koszty jej eksploatacji. Poza tym problem istnieje nadal w obrabiarkach już użytkowanych. Dla nich należy zaproponować inny sposób kontroli temperatury docieraka podczas pracy, tak aby ograniczyć jego odkształcanie cieplne i zapewnić możliwie dużą płaskość. W tym celu podjęto badania procesu docierania jednotarczowego w aspekcie wzrostu temperatury w układzie wykonawczym obrabiarki. LITERATURA 1. Barylski A., Podstawy docierania jednotarczowego powierzchni płaskich, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Mechanika, nr 67, Gdańsk 1992. 2. Barylski A., Molenda J., Badania wstępne wpływu czasu i prędkości docierania na temperaturę elementów układu wykonawczego docierarki jednotarczowej, XXIX Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Gdańsk-Jurata 2006.
J. Molenda, Wprowadzenie do badań wzrostu temperatury 83 3. Bulsara V.H., Ahn Y., Chandrasekar S., Farris T.N., Polishing and lapping temperatures, Journal of Tribology, 1997, vol. 119. 4. Horng J.H., Jeng Y.R., Chen C.L., A model for temperature rise of polishing process considering effects of polishing pad and abrasive, Transactions of ASME, 2004, vol. 126. 5. Kukiełka L., Podstawy badań inżynierskich, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002. 6. Marinescu I. D., Uhlman E., Doi T. K., Handbook of lapping and polishing, CRC Press, 2007. 7. Molenda J., Dudzik K., Wykorzystanie metody pomiarów termowizyjnych w diagnostyce procesu docierania, XXVIII Sympozjum Siłowni Okrętowych SYMSO, Gdynia 2007. 8. Spur G., Engel H., Tool engagement and surface formation in lapping of brittle materials, Int. J. Japan Soc. Prec. Eng., 1999, vol. 33, no. 3. 9. www.peter-wolters.com INTRODUCTION OF SINGLE SIDE LAPPING PROCESS RESEARCH IN RANGE OF LAPPING MACHINE EXECUTORY SYSTEM COMPONENTS TEMPERATURE RISE Summary The paper is an introduction to one-disc lapping machine executory system components temperature rise research. Lapping is one of the precision finishing processes and it is used in many different industries, especially in precision engineering industries. This is a method with loose abrasive grains which results are influenced by numerous factors. This causes the lack of a systematic understanding of the process, finetuning or developing processes for a new product has always been an empirical process with success dependent upon the skill of the machine operator or engineer.