METODYKA MODELOWANIA POWIERZCHNI CZYNNEJ NARZĘDZI ŚCIERNYCH prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak, mgr inż. Filip Szafraniec, dr inż. Dariusz Lipiński PROBABILISTYCZNA ANALIZA AKTYWNOŚCI ZIAREN NA CZYNNEJ POWIERZCHNI ŚCIERNICY

Założenia do modelowania procesu zużywania się ściernic procesy wykruszeń spowodowane przekroczeniem wytrzymałości doraźnej ziarna oraz wykruszenia spowodowane przekroczeniem odporności na obciążenie sumaryczne występują równolegle, ziarna o dłuższym czasie pracy charakteryzują się większym starciem, co powoduje wzrost obciążenia, proces wykruszeń wskutek przekroczenia wytrzymałości doraźnej zależy od rozkładu granicznej wytrzymałości ziaren i rozkładu obciążenia ziarna zmiennego w czasie pracy ziarna, zależność intensywności zużycia ściernic w pierwszym etapie procesu szlifowania od stanu powierzchni czynnej, osłabia się z upływem pracy ściernicy,

Założenia do modelowania procesu zużywania się ściernic zmienna intensywność zużycia wytrzymałościowego zależy od charakterystyki narzędzia ściernego, w szczególności od zastosowanego materiału ściernego i spoiwa, a także ich udziału w objętości ściernicy, dla ściernic o mniejszej twardości przeważa proces wykruszeń całych ziaren ściernych, natomiast w przypadku większej twardości narzędzia dominują mikrowykruszenia powierzchni ziarna lub postępujące ścieranie powierzchni ziarna, wykruszenia ziaren aktywnych powodują zmniejszanie sumarycznej powierzchnia starcia wszystkich ziaren aktywnych, liczba ziaren wykruszonych w danej chwili jest wartością zmienną w czasie,

Założenia 3 w warunkach pracy ściernicy z ograniczonym samoostrzeniem średni czas oczekiwania na wykruszenie w grupie ziaren o ustalonym czasie pracy może zależeć od sumarycznego czasu pracy ziarna ściernego, stała intensywność wykruszeń może być opisywana rozkładem wykładniczym trwałości ziaren, malejąca intensywność wykruszeń może być opisywana logarytmo-normalnym rozkładem trwałości ziaren, rosnąca intensywność wykruszeń może być opisywana normalnym jednostronnie obciętym rozkładem trwałości ziaren lub rozkładem Weibulla i gamma.

Wnioski z analiz i badań trwałości ściernic wykruszenia ziarna powoduje zmniejszenie sumarycznej powierzchni starcia w uśrednieniu proporcjonalnie do czasu aktywności ziarna wykruszonego, w warunkach pracy z intensywnym samoostrzeniem prawdopodobieństwo wykruszenia ziarna nie zależy od czasu jego pracy, w warunkach pracy ściernicy z ograniczonym samoostrzeniem średni czas oczekiwania na wykruszenie zależy od sumarycznego czasu pracy ziarna ściernego, rozkład czasu pracy ziaren aktywnych jest zmienny z upływem czasu szlifowania.

Wnioski z analiz i badań trwałości ściernic w początkowym okresie pracy, po zabiegu kształtowania powierzchni czynnej, intensywność zużycia ściernicy wyraźnie zależy od topografii tej powierzchni, intensywność wykruszania ziaren w pierwszym etapie procesu szlifowania maleje z upływem pracy ściernicy, szczególnie w przypadku zastosowania obciągania zgrubnego, dynamika zmian intensywności zużycia wytrzymałościowego zależy od charakterystyki narzędzia ściernego, w szczególności od zastosowanego materiału ściernego i spoiwa, a także ich udziału w objętości ściernicy,

Wnioski 3 w procesie szlifowania z zastosowaniem ściernic o niskiej twardości przeważa proces wykruszeń całych ziaren ściernych, w przypadku większej twardości narzędzia większe znaczenie uzyskują procesy mikrowykruszania fragmentów ziaren lub narastające zużywanie ścierne wierzchołków ziaren,

Modelowanie obciążeń i wykruszeń

Probabilistyczne modele Probabilistyczne modele obciążenia ziaren ściernych Analiza obciążeń ziarna z uwzględnieniem rozkładu obciążeń i wykruszeń ziaren Analiza prawdopodobieństwa wykruszenia ziarna w zależności od jego wieku k= ta

Rozkład czasu pracy ziaren aktywnych Prognozowany rozkład liczby ziaren w kolejnych chwilach n=0,1,2,...

Symulacja procesu szlifowania obwodem ściernicy 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 µm2) oraz występują z wielką częstotliwością (0,3–10MHz), co sprawia, że są trudne do eksperymentalnego obserwowania W Katedrze Mechaniki Precyzyjnej powstał kompleksowy system do symulacji procesu szlifowania Wyniki symulacji procesu szlifowania w formie animacji (również wykres sił w czasie procesu) http://www.youtube.com/user/PrecisionMechanics

Symulacja – parametry wejściowe Kompleksowy system symulacji procesu szlifowania System do modelowania i symulacji procesów szlifowania obwodem ściernicy 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 10 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;

Zadania kompleksowego systemu symulacji procesu szlifowania Symulacja – zadania Zadania kompleksowego systemu symulacji procesu szlifowania 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;

Kompleksowy system symulacji procesu szlifowania Symulacja - wyniki Kompleksowy system symulacji procesu szlifowania 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;

Schemat struktury aplikacji do symulacji procesu szlifowania zaimplementowanego w środowisku MATLAB

Aktywność ziaren – schemat objaśniający Schemat do analizy aktywności ziaren ściernych w strefach na powierzchni ściernicy odpowiadających szerokości posuwu poprzecznego. Mapa aktywności ziaren ściernych w pierwszej strefie ściernicy.

Kolejne strefy - aktywność Mapa aktywności ziaren ściernych w strefie ściernicy nr 3 Mapa aktywności ziaren ściernych w strefie ściernicy nr 5

Kolejne strefy - aktywność Mapa aktywności ziaren ściernych w strefie ściernicy nr 7 Mapa aktywności ziaren ściernych w strefie ściernicy nr 9

Przekroje warstw skrawanych jednym ziarnem Średnie wartości przekrojów warstw skrawanych jednym ziarnem Az dla określonych stref ściernicy o szerokości posuwu poprzecznego w kolejnych jej położeniach względem przedmiotu

Wartości sił Średnie wartości sił skrawania jednym ziarnem Fz dla określonych stref ściernicy o szerokości posuwu poprzecznego w kolejnych jej położeniach względem przedmiotu

Aktywność ziaren Udział ziaren aktywnych dla określonych stref ściernicy o szerokości posuwu poprzecznego w kolejnych jej położeniach względem przedmiotu

Liczba przewyższeń określonego poziomu siły na ziarno Liczba przewyższeń poziomu obciążeń 2,5 N przypadających na jedno ziarno ścierne w jednostce czasu w pierwszej strefie ściernicy * K*10n - zależnie od skali czasu i intensywności zużywania się sciernicy

Wnioski Wnioski Średnie wartości przekrojów warstw skrawanych poszczególnymi ostrzami z upływem czasu (numer kolejnego przesuwu) maleją w strefach początkowych i rosną w strefach dalszych, co wynika ze zwiększania się strefy, w której następuje usuwanie materiału, a nie tylko zmniejszanie wysokości nierówności. Zmniejszanie liczby aktywnych ziaren w kolejnych strefach ściernicy jest tym mniejsze, im większa jest prędkość posuwu przedmiotu vft oraz im większe jest rozproszenie położenia wierzchołków ziaren. Zależność całkowitej siły szlifowania od udziału ziaren aktywnych nie jest monotoniczna. W początkowych strefach ściernicy (licznych od aktywnej krawędzi) mogą występować niemonotoniczne zmiany aktywności wywołane zmianami stanu powierzchni czynnej, które jednak nie powodują zmiany całkowitej siły szlifowania. Wynika to z faktu, że obserwowane stosunkowo małe zmniejszanie aktywności powodują wzrost siły na jedno ziarno.

Podsumowanie Podsumowanie Przedstawiono założenia do modelowania zużycia i trwałości narzędzi ściernych oraz probabilistyczne podstawy do modelowania wykruszeń i obciążeń ziaren ściernych, Opisano zależności rozkładu czasu pracy ziaren aktywnych oraz przedstawiono zależności do wyznaczania sumarycznej powierzchni starcia i zużycia objętościowego narzędzi ściernych, Zaprezentowano analizy aktywności ziaren ściernych w strefach na powierzchni ściernicy odpowiadających szerokości posuwu poprzecznego. Do ich wyznaczenia wykorzystano kompleksowy system do symulacji procesu szlifowania płaszczyzn obwodem ściernicy z posuwem poprzecznym, Podstawie danych z symulacji komputerowej opracowano opisy zmiany udziału ziaren aktywnych nw, średniej wartości przekrojów warstw skrawanych Az oraz sił skrawania Fz jednym ziarnem dla określonych stref ściernicy w kolejnych jej położeniach względem przedmiotu szlifowanego.

Dziękuję za uwagę DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

UZUPEŁNIENIA