WY T Y C ZN E D O N A P I S A N I A A R T Y K U Ł U XXXIII NAUKOWA SZKOŁA OBRÓBKI ŚCIERNEJ Łódź, 8-10 września 2010 r. METODYKA DOBORU PARAMETRÓW MIKRO I NANOSZLIFOWANIA DLA OKREŚLONYCH WYMAGAŃ, DOTYCZĄCYCH CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI Wojciech Kacalak *), Tomasz Królikowski **), Filip Szafraniec ***), Radosław Kunc ****), Hanna Remelska *****) STRESZCZENIE: W publikacji przedstawiono wyniki badań symulacyjnych oraz metodykę doboru prędkości posuwu wzdłużnego i poprzecznego dla różnych grubości usuwanej warstwy materiału w procesach mikro- i nanoszlifowania. Zwrócono również uwagę na możliwe błędy w doborze parametrów, których skutkiem może być niepełna obróbka powierzchni. 1. WSTĘP W procesach mikro- i nanoszlifowania (rys. 1.) liczba ziaren aktywnych, w stosunku do wszystkich ziaren na czynnej powierzchni ściernicy, jest znacznie mniejsza niż w procesach zwykłego szlifowania [4-6]. Doskonalenie metod kształtowania czynnej powierzchni ściernicy może przyczynić się do zwiększenia udziału ziaren aktywnych, ale nadal, zwłaszcza dla głębokości obróbki mniejszej od kilku mikrometrów, udział ten może być mniejszy od kilku procent. Wynikają z tego określone problemy, dotyczące optymalizacji parametrów, w celu zapewnienia wymaganej chropowatości powierzchni oraz uzyskania akceptowalnej powierzchniowej wydajności obróbki [7-10]. Opracowana metodyka doboru prędkości posuwu wzdłużnego i poprzecznego dla różnych głębokości obróbki w procesach mikro- i nanoszlifowania została zilustrowana z wykorzystaniem wyników badań symulacyjnych [16-22]. Wcześniej system modelowania i symulacji (rys. 2-4) został sprawdzony przez porównanie z wynikami eksperymentów. Wysoka zgodność tych wyników, w zakresie cech stereometrycznych generowanych ziaren ściernych (rys. 5.), jak również powierzchni czynnej narzędzi oraz to-
pografii powierzchni obrabianej potwierdziły wysoką przydatność naukową i aplikacyjną opracowanego systemu [16, 22]. Topografia obrabianych powierzchni zawsze interesowała inżynierów, badaczy, a także użytkowników. Cechy stereometryczne powierzchni są szczególnie ważne w przypadku najwyższych wymagań, dotyczących dokładności obróbki, a zwłaszcza w operacjach mikro- i nanoszlifowania [14, 15]. Od dawna znany jest ogólny wpływ cech powierzchni na walory użytkowe przedmiotów. Pod koniec XX wieku nastąpił niezwykły postęp w metodach pomiaru i przetwarzania danych, charakteryzujących stereometrię powierzchni. Wzrost wymagań dotyczących właściwości elementów, a także minimalizacja zużycia materiałów, masy elementów i ich rozmiarów, wzrost obciążalności i wytrzymałości, a także rozwój technologii wytwarzania, spowodowały opracowanie wielu metod pomiaru i bardzo licznego zbioru parametrów oceny cech stereometrycznych powierzchni. Autorzy wyznaczyli, dla badanych procesów kształtowania obrabianych powierzchni, wiele zbiorów parametrów, przeznaczonych do oceny właściwości stereometrycznych powierzchni w określonych zastosowaniach. W niniejszej publikacji z ograniczono się, ze względu na zakres pracy, do analiz z zastosowaniem najprostszych i łatwych do interpretacji parametrów [8-13]. 2. TECHNICZNE I EKONOMICZNE OGRANICZENIA DOKŁADNOŚCI OBRÓBKI Dokładność obróbki, osiągana w określonych procesach, wynika z wielu ograniczeń i jest znacznie niższa od dokładności, jakie można byłoby uzyskać z zastosowaniem danej metody kształtowania powierzchni przedmiotu, gdyby pominąć ograniczenia ekonomiczne i produkcyjne. Do niektórych ograniczeń, mających wpływ na dokładność wytwarzanych elementów można zaliczyć: 1. Ograniczenia wynikające z wymagań funkcjonalnych, eksploatacyjnych, dotyczących niezawodności i preferencji odbiorców. 2. Ograniczenia wynikające z akceptowalnej ceny produktu. 3. Ograniczenia techniczne, które wpływają na dobór wymagań dotyczących uzyskiwanej dokładności, a przez to na dobór urządzeń technologicznych, narzędzi, parametrów obróbki, metod nadzorowania i kontroli. 4. Ograniczenia ekonomiczne i organizacyjne, odnoszone do wytwarzania danego elementu lub danej operacji. 5. Ograniczenia wynikające z cech operacji wytwarzania półwyrobów i operacji poprzedzających obróbkę końcową. 6. Ograniczenia wynikające z cech wybranej metody kształtowania powierzchni przedmiotu, takich jak nieciągły charakter procesów usuwania
materiału (obróbka ograniczoną liczbą ostrzy, z ograniczoną liczbą przemieszczeń kształtujących ostrza), niedokładność kinematyczna metody, niedokładność geometryczna, nieciągłość procesów oddzielania fragmentów materiału obrabianego, losowość i zmienność stanów procesu. 7. Ograniczenia wynikające z cech urządzeń technologicznych, narzędzi i przedmiotów. 8. Ograniczenia wynikające ze zgodności ze standardami, zasadami wymienialności elementów oraz normalizacją cech. Na niedokładność obróbki, zwłaszcza w procesach mikro- i nanoszlifowania, ma wpływ nie tylko energochłonność procesów i moc obróbki, ale także koncentracja lokalna energii, kształt i położenie strefy obróbki. Ocena dokładności obróbki oraz nierówności powierzchni, jakie byłyby do uzyskania w określonej metodzie wytwarzania, gdyby pominąć wszystkie ograniczenia ekonomiczne, techniczne i organizacyjne, nie jest łatwa. Można jednak podać dość prostą zasadę - graniczna dokładność obróbki i chropowatość powierzchni zależy od najmniejszej grubości warstwy, jaką można usunąć w wyniku elementarnego oddziaływania elementów aktywnych narzędzia (pojedynczych ostrzy, ziaren ściernych lub mikroziaren). Jest to szczególnie zauważalne w procesach mikro i nanoszlifowania. Ta najmniejsza grubość może być szacowana w obróbce ściernej jako zbliżona do 0,05 mikrometra (dla pojedynczych ziaren).w obróbce erozyjnej granice dokładności kształtowania powierzchni można szacować na 0,01 mikrometra, czyli 10 nm, co jest już bliskie obróbce z dokładnością do kilkudziesięciu atomów. 3. MODELOWANIE I SYMULACJA PROCESÓW MIKRO- I NANOSZLIFOWANIA Do głównych celów przeprowadzonych symulacji można zaliczyć m. in.: 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. Analizę procesów z nowymi typami narzędzi o strukturze zmiennej strefowo, ziarnami agregatowymi i hybrydowymi, o strefowo i kierunkowo zmiennych właściwościach, narzędzi o zmiennej podatności, narzędzi o odmiennych cechach statystycznych dot. kształtu i rozmieszczenia ziaren na powierzchni narzędzia.
Rys. 1. Obszar nanoobróbki ściernej Rys. 2. Modelowanie elementarnych procesów mikroskrawania [19]
Rys. 3. Schemat procesu symulacji i obliczeń Rys. 4. Wizualizacja strefy kontaktu ostrza i materiału obrabianego
Rys. 5. Pasmo ziaren ściernych i zbiór dziesięciu pasm ziaren ściernych Na rysunku 5 przedstawiono pasmo losowo rozmieszczonych ziaren ściernych oraz zbiór ziaren ściernych na czynnej powierzchni ściernicy wygenerowanych za pomocą metody [16].
Rys. 6. Pierwsze ślady pracy ziaren dla g=0,5 m Na rysunku 6 przedstawiono pierwsze ślady kontaktów ziaren z obrabianą powierzchnią dla głębokości obróbki ściernej 0,5 m. W modelowaniu zastosowano płaską początkową powierzchnię przedmiotu dla lepszego zobrazowania kształtu śladów oraz powstałych wypływek. Opracowanie procedur symulacji procesu szlifowania umożliwia modelowanie kształtowania powierzchni o określonej strukturze stereometrycznej poprzez wczytanie obrazu powierzchni początkowej lub jej wygenerowanie dla przyjętych założeń o cechach tej powierzchni.
Rys. 7. Fragment powierzchni działania ściernicy Rysunek 7 przedstawia fragment powierzchni działania określonego pasma ziaren ściernicy. Przeprowadzenie pełnej symulacji obróbki powierzchni przedmiotu o powierzchni 3000 x 3000 µm z posuwem poprzecznym około 300 µm, dla prędkości posuwu wzdłużnego równej 0,05 m/s oraz prędkości obwodowej sciernicy 30 m/s, wymaga, aby nad powierzchnią przeszło ponad 600000 pasm ziaren, co w przypadku, gdy liczba ziaren w paśmie jest równa 100 daje ponad 6 milionów ziaren, z czego ok. miliona kontaktuje się z obrabianym przedmiotem. Rysunek 8 przedstawia obraz powierzchni przedmiotu podczas kształtowania jej struktury stereometrycznej, w fazie, gdy ściernica jeszcze nie przemieściła się całą szerokością tworzącej, nad obrabianą powierzchnią. 4. METODYKA DOBORU PARAMETRÓW MIKROSZLIFOWANIA Analizując problemy doboru parametrów procesu mikroszlifowania, uwzględniono relacje między parametrami chropowatości powierzchni po obróbce, udziałem objętościowym usuniętego materiału w stosunku do nominalnej objętości usuwanej warstwy oraz parametrami obróbki: głębokością szlifowania g, prędkością posuwu przedmiotu v p oraz ilością przejść poprzecznych i pp.
Rys. 8. Kształtowanie struktury stereometrycznej obrabianej powierzchni podczas mikroszlifowania dla prędkości posuwu wzdłużnego 0,05 m/s Rys. 9. Zależność parametru St od parametru Sa dla v p =0,05 m/s Na rysunkach o numerach 10-12 zilustrowano postępowanie decyzyjne, dotyczące wyboru parametrów obróbki dla zadanych głębokości szlifowania oraz pa-
rametrów chropowatości powierzchni Sa i St i różnych prędkości posuwu wzdłużnego. Rys. 10. Metodyka określania liczby wymaganych przejść w procesie mikroszlifowania płaszczyzn, dla określonych wymagań, dotyczących wartości parametrów chropowatości powierzchni Sa i St oraz ustalonej głębokości oraz v p= 0,05 m/s
Rys. 11. Metodyka określania liczby wymaganych przejść w procesie mikroszlifowania płaszczyzn, dla określonych wymagań, dotyczących wartości parametrów chropowatości powierzchni Sa i St oraz ustalonej głębokości oraz v p=0,1 m/s
Rys. 12. Metodyka określania liczby wymaganych przejść w procesie mikroszlifowania płaszczyzn, dla określonych wymagań, dotyczących wartości parametrów chropowatości powierzchni Sa i St oraz ustalonej głębokości oraz v p =0,2 m/s Na rysunku 12, ilustrującym podobny problem decyzyjny, ale dla większej wielkości prędkości posuwu wzdłużnego, można zauważyć, że wymagana jest zdecydowanie większa liczba przejść poprzecznych, zwłaszcza, gdy nakładamy ograniczenia na wartości parametru St, a nie na wartość parametru Sa. 5. PODSUMOWANIE W procesach mikroszlifowania, dla głębokości obróbki od 0,2 do 1,4 µm, zaobserwowano niedostateczne usuwanie szlifowanej warstwy, zwłaszcza w przypadku nadmiernego rozproszenia promieni działania wierzchołków ziaren na czynnej powierzchni narzędzia. Problem można rozwiązać poprzez zmniejszenie rozproszenia położenia wierzchołków ziaren w kierunku przesuwów wzdłużnych, lub ze stratą dla wydajności, poprzez zwiększenie liczby przesuwów poprzecznych. Ograniczenia nakładane na wartość parametru St są uzasadnione, zwłaszcza w warunkach mikroszlifowania, bowiem pozwalają zapewniać wymaganą maksymalną wysokość nierówności. Niekiedy znaczne nawet zmiany wartości parametru St nie przekładają się na zauważalne zmiany parametru Sa. Duża prędkość szlifowania pozwala zwiększyć prędkość usuwania warstw skrawanych, co korzystnie wpływa na aktywność ziaren ściernych, ale wymaga to wówczas zwiększenia przejść poprzecznych. Wnioski powyższe zostały sformułowane na podstawie modelowania i symulacji procesów mikro- i nanoszlifowania. Wcześniej zostały doświadczalnie
sprawdzone założenia i wyniki modelowania ziaren, i powierzchni ściernic, a także procesu kształtowania obrabianej powierzchni. Wyniki te mogą być podstawą do planowania badań eksperymentalnych i realizacji procesów obróbki. 6. LITERATURA Prace publikowane [1] Ikawa, N., Shimada, S., Tanaka, H., 1992, Minimum Thickness of Cut in Micromachining, Nanotechnology, 3/1:6-9. [2] Egashira, K., Mizutani, K., 2002, Micro-Drilling of Monocrystalline Silicon Using a Cutting Tool, Precision Engineering, 26/3:263-268. [3] Fang, F.Z., Chen, L.J., 2000, Ultra-Precision Cutting for ZKN7 Glass, CIRP Annals, 49/1:17-20. [4] Kacalak W., Kasprzyk M., Krzyżyński T.: Selected Problems of Stochastic Processes Modeling of Abrasive Wear and Durability of Grinding Wheel. Proc. Third International Conference on Metal Cutting and High Speed Machining Metz, France (2001) Vol. II, pp. 173-176. [5] Kacalak W., Kasprzyk M., Krzyżyński T., Lewkowicz, Ściegienka: Selected Problems of Micro-Smoothing in Extra Low Temperatures. Proc. Third International Conference on Metal Cutting and High Speed Machining Metz, France (2001) Vol. II, pp. 185-188. [6] Kacalak W., Kasprzyk M., Krzyżyński T., Lewkowicz, Ściegienka: Methods and Characteristics of Micro-Cutting and Micro-Smoothing Processes in a Vacuum. Proc. Third International Conference on Metal Cutting and High Speed Machining Metz, France (2001) Vol. II, pp. 189-192. [7] Kacalak W., Krzyżyński T., Lipiński D., M. Lenartowicz: On Applications of Hybrid Systems to Deformation Compensation in Processes of Fine Machining. Intelligent Engineering Systems Through Artifical Neural Networks, Volume 12, New York 2002, pp. 919-925. [8] Lipiński D., Kacalak W., Krzyżyński T.: On the Hybryd System of Complex Diagnosis of Machining Processes. Intelligent Engineering Systems Through Artifical Neural Networks, Volume 12, New York 2002, pp. 951-957. [9] Kacalak Wojciech, Lipiński Dariusz: Adaptive system of quality supervising in technological processes, Advances in Manufacturing Science and Technology, Vol. 28, No 2,2004, str. 7-16. [10] 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. 61-65. [11] Majewski M., Kacalak W., Selected problems of automatic evaluation of commands given by the operator using artificial neural networks, International Journal of Information Technology Vol. 11 No. 5, 2005, p. 302-311. [12] Lipiński D., Kacalak W.: Assessment of the Accuracy of the Process of Ceramics Grinding with the Use Fuzzy Interference, Adaptive and Natural Computing Algorithms, 8th International Conference, ICANNAGA 2007, Part II, LNCS 4432, str. 596-603. [13] 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. 375-380.
[14] Shimada, S., Ikawa, N., Tanaka, H., Uchikoshi, J., 1994, Structure of Micromachined Surface Simulated by Molecular Dynamics Analysis, CIRP Annals, 43/1:51-54. [15] Cheng, K., Luo, X., Ward, R., Holt, R., 2003, Modeling and Simulation of the Tool Wear in Nanometric Cutting, Wear, 255/7-12:1427-1432. Wykorzystano opracowane modele i procedury symulacji (pakiety obliczeniowe, prace niepublikowane) [16] Kacalak W.: Modele i procedury symulacji w środowisku MATLAB. [17] Kacalak W.: Analiza probabilistyczna procesów zużycia i trwałości ściernic. [18] Bałasz B.: Procedury symulacji w środowisku Microsoft.NET [19] Królikowski T.: Modelowanie procesów mikroskrawania w systemie ANSYS. [20] Kasprzyk M.: Probabilistyczne modele trwałości i zużycia ściernic z ziarnami z elektrokorundu szlachetnego (praca doktorska). [21] Makuch S.: Analiza procesów wygładzania elastycznymi narzędziami ściernymi o podatności zróżnicowanej lokalnie (praca doktorska). [22] Kacalak W., Szafraniec Filip, Kunc Radosław, Remelska Hanna: Metoda generowania ziaren ściernych i tworzenia topografii czynnej powierzchni ściernicy. MICRO- AND NANOGRINDING METHODOLOGY OF THE SELECTION OF PARAMETERS FOR SPECIFIED REQUIREMENTS CONCERNING IN ROUGHNESS OF THE SURFACE ABSTRACT: The results of simulating investigations and the methodology of the selection of velocity of feed and cross feed, for the various depths of the removed layer of the material, in micro- and nanogrinding processes were introduced in this paper. Also possible mistakes in the selection of the grinding parameters were taken under consideration, which might cause incomplete surface treatment. *) prof. dr hab. inż. Wojciech KACALAK, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, wojciech.kacalak@tu.koszalin.pl **) dr inż. Tomasz KRÓLIKOWSKI, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl ***) mgr inż. Filip SZAFRANIEC, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, szafraniecfilip@gmail.com ****) mgr inż. Radosław KUNC, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, radek531@gmail.com *****) mgr inż. Hanna REMELSKA Katedra Mechaniki Precyzyjnej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, hanula10@wp.pl