5. METODA OCENY W£ASNOCI OBRABIAREK
6.6. PROGRAM BADAÑ, MIERZONE PARAMETRY I METODA ANALIZY WYNIKÓW
Program badañ obejmowa³ przeprowadzenie prób toczenia wzd³u¿nego próbek wal-cowych (tabela 6.1), które umo¿liwia³y realizacjê procesu obróbki w siedmiu, przyjê-tych jako elementarne, polach obróbki tokarki (rys. 6.13b). Do skrawania stosowano nó¿ sk³adany z p³ytk¹ z wêglików spiekanych S20 o k¹cie przystawienia κ = 45° i pa-rametry obróbki podane w tabeli 6.2. Wszystkie próby skrawaniowe przeprowadzono w stanie termicznie ustalonym obrabiarki, po pó³godzinnej pracy na biegu ja³owym, z nominaln¹ prêdkoci¹ obrotow¹ wrzeciona zgodn¹ z wartoci¹ podan¹ dla ka¿dej prób-ki w tabeli 6.2. Ze wzglêdu na przyjête wymiary próbek (L/D <3) nie by³o konieczne stosowania podparcia k³em konika. Ka¿d¹ próbê toczenia wykonywano z u¿yciem no-wej krawêdzi skrawaj¹cej stosowanej p³ytki, a wiêc w identycznych stanach odnosz¹-cych siê do promienia zaokr¹glenia wierzcho³ka no¿a i stanu stêpienia krawêdzi skrawa-j¹cej.
Badania tokarki maj¹ce na celu wyznaczenie wskaników oceny przeprowadzono wed³ug schematu przedstawionego na rysunku 6.14. Przed badaniami ka¿da próbka walcowa by³a wstêpnie zgrubnie obrabiana, w celu usuniêcia niewspó³osiowoci zwi¹-zanej z zamocowaniem w uchwycie tokarskim. Nastêpnie wykonywano kilka stopni po-wierzchni walcowej, które umo¿liwia³y obróbkê tej próbki z ró¿nymi naddatkami (rys. 6.15) [126]. Pierwszy stopieñ mia³ bardzo ma³y naddatek i s³u¿y³ do wykonania bazy do pomiaru odchy³ek wymiarowych [140]. Procedura pomiaru sztywnoci uk³adu obra-biarka przedmiot obrabiany narzêdzie polega³a: na obróbce stopniowanej próbki w jednym przejciu no¿a, czemu towarzyszy³y ró¿ne wartoci si³y skrawania (zwi¹zane ze skrawaniem ró¿nych naddatków materia³u) i na n-krotnym pomiarze odchy³ek wy-miarów Di dla ka¿dego i-tego naddatku (rys. 6.15). Odchy³ki ∆Dis odnoszono do bazy pomiarowej, któr¹ stanowi³a powierzchnia walcowa, toczona z minimaln¹ g³êbokoci¹, ap = 0,05 mm (zale¿noæ 6.1).
Rys. 6.14. Schemat przeprowadzania badañ tokarki podczas wyznaczania wskaników oceny Fig. 6.14. The lathe testing procedure chart in the determination of evaluation indexes
105
∑
= − = ∆ n j i s i D D n d 1 0 1 (6.1) Do wyznaczania odchy³ek wymiaru zastosowano dwie metody pomiarowe. W pierw-szej z nich, realizowanej bezporednio po próbie skrawaniowej, na przedmiocie zamo-cowanym w uchwycie tokarki, okrelano ró¿nicê miêdzy redni¹ wartoci¹ bicia po-przecznego przedmiotu obrabianego w analizowanym przekroju i w przekroju bazy pomiarowej. W trakcie wykonywania kilku pe³nych obrotów wrzeciona, dotykowy czuj-nik zegarowy o dzia³ce elementarnej 1 µm, zamocowany na imaku narzêdziowym, mie-rzy³ wzglêdne przemieszczenia miêdzy zespo³em narzêdziowym a obracaj¹c¹ siê prób-k¹. Czujnik mia³ niezmienne promieniowe po³o¿enie w stosunku do badanej próbki, w zwi¹zku z czym zmiany mierzonych przemieszczeñ wynika³y g³ównie ze zmian re-dnicy tej próbki, jakie powsta³y w wyniku obróbki. W drugiej, dok³adniejszej meto-dzie, realizowanej poza obrabiark¹ na okr¹g³ociomierzu, wyznaczano ró¿nicê miê-dzy rednimi wartociami bicia poprzecznego w odpowiednich przekrojach poprzecz-nych. Obie metody porównano pod k¹tem oceny przydatnoci do pomiarów prostego czujnika dotykowego, który jest zazwyczaj dostêpny w zak³adach obrabiarkowych, w odró¿nieniu od drogiego okr¹g³ociomierza. Zastosowanie czujnika dotykowego w tego typu pomiarach znacznie uproci³oby je.Uzyskane wyniki umo¿liwia³y wyznaczenie skutków odkszta³ceñ statycznych tokarki w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych (obci¹¿enia uk³adu konstrukcyjnego
pro-0 D
a
a
p0 piz
f
x
D
i 06.6. Program badañ, mierzone parametry i metoda analizy wyników
Rys. 6.15. Sposób obróbki i pomiar odchy³ek rednicy podczas wyznaczania charakterystyki statycznej tokarki
Fig. 6.15. Method of machining and measurement of diameter deviations during determination of the static characteristic of the lathe
miarowych, gdy¿ ze wzglêdu na ma³e si³y skrawania wystêpuj¹ce podczas obróbki wy-kañczaj¹cej (dla ap = 0,5 mm), towarzysz¹ce im odchy³ki wymiarowe mia³y równie¿ niewielkie wartoci, czêsto tylko w niewielkim stopniu przekraczaj¹ce granicê rozdziel-czoci przyrz¹dów pomiarowych. Podczas pomiarów odchy³ek wymiarowych przedmio-tu zamocowanego w uchwycie trójszczêkowym korzystano z uk³adu kinematycznego tokarki, stosuj¹c najmniejsz¹ prêdkoæ obrotow¹ wrzeciona n = 18 obr/min. St¹d koñ-cówka pomiarowa czujnika przemieszcza³a siê stale w tym samym po³o¿eniu w sto-sunku do bruzdy, powsta³ej po przejciu wierzcho³ka no¿a. Do aproksymacji krzywej potêgowej zastosowano aparat matematyczny pakietu programów STATISTCA 5.0.
b p s a a d = ∆ (6.2)
gdzie: a, b wspó³czynniki aproksymowanej krzywej potêgowej.
Obróbka takiego samego wa³ka stopniowanego s³u¿y³a równie¿ do przeprowadze-nia badañ dodatkowych polegaj¹cych na wyznaczeniu sk³adowych si³y skrawaprzeprowadze-nia. Pod-kreliæ nale¿y, ¿e pomiaru tych si³ nie przeprowadzano podczas obróbki próbek s³u¿¹-cych do oceny dok³adnoci tokarki. Wynika³o to z faktu, ¿e zainstalowany trójsk³ado-wy si³omierz tokarski zmienia strukturê obrabiarki (zastêpuje imak narzêdziotrójsk³ado-wy) i w ten sposób móg³by wp³ywaæ na odchy³ki wymiarowe przedmiotu obrabianego. Sk³adowe si³y skrawania wyznaczano jako wartoci skuteczne sygna³ów si³, odpowiadaj¹cych skrawaniu z ustalonym naddatkiem. Wyznaczone wartoci si³y skrawania Fcwraz z g³ê-bokociami ap odpowiadaj¹cymi i-temu naddatkowi umo¿liwia³y aproksymowanie za-le¿noci (6.3), która obrazuje sztywnoæ uk³adu obrabiarkauchwytprzedmiot obra-bianynarzêdzie w warunkach roboczych.
d c p cF
a = (6.3)
gdzie: c, d wspó³czynniki aproksymowanej krzywej potêgowej.
Pomiar si³ skrawania s³u¿y³ dwóm zamys³om. Mia³ on dostarczyæ danych dotycz¹-cych wartoci poszczególnych sk³adowych si³y skrawania i wzajemnych ich stosunków, jakie wystêpuj¹ podczas obróbki wykañczaj¹cej. Dane takie s¹ potrzebne do wszelkie-go rodzaju analiz obliczeniowych i do zapewnienia porównywalnych warunków ob-ci¹¿enia uk³adu konstrukcyjnego tokarki. Drugi cel wykorzystania wyników zak³ada³ mo¿liwoæ wyznaczenia, przez ekstrapolacjê, g³êbokoci skrawania ap, jaka odpowia-da³aby okrelonej sile skrawaniaFc (pod warunkiem zachowania takiego samego po-suwu i prêdkoci skrawania). W ten sposób mo¿na by, rozwa¿aj¹c teoretycznie, dla si³y skrawania Fcmax, odpowiadaj¹cej wykorzystaniu pe³nej mocy lub maksymalnego
mo-107 mentu skrawania na wrzecionie tokarki Mc, wyznaczyæ ekwiwalentn¹ g³êbokoæ skra-wania i odpowiadaj¹ce jej maksymalne odchy³ki wymiarowe ∆ds
max (z zale¿noci (6.2)) dla ka¿dego z reprezentatywnych pól elementarnych. Ekwiwalentne ca³kowite odchy³-ki rednicy ∆D, odpowiadaj¹ce odchy³kom∆ds
max (por. zale¿noæ (5.4)), nie powinny przekroczyæ wartoci dopuszczalnych odchy³ek dla wymiarów nietolerowanych wed³ug [194]. Po ich wykorzystaniu do wyznaczenia odpowiednich wskaników oceny w³a-snoci statycznych (por. rozdz. 5), wartoci graniczne tych wskaników nie powinny przekroczyæ liczby odpowiadaj¹cej klasie dok³adnoci wymiarów nietolerowanych zwi¹zanej z analizowan¹ tokark¹, czyli 12. Wyznaczone w ten sposób wskaniki glo-balny lub odbiorczy mog³yby byæ odniesione do maksymalnych, potencjalnych obci¹-¿eñ statycznych tej tokarki.
Po wykonaniu pomiarów, zwi¹zanych z wyznaczaniem charakterystyki statycznej obrabiarki, powierzchnia próbki by³a przygotowywana do dalszych badañ przez ponow-ne toczenie wzd³u¿ponow-ne, z ma³ym naddatkiem, w celu usuniêcia warstwy materia³u o nie-równej gruboci, jaka pozosta³a z obróbki stopniowanego wa³ka.
Obróbkê ka¿dej z próbek przeprowadzano z parametrami skrawania podanymi w tabeli 6.2, przy czym rzeczywiste prêdkoci skrawania wynosi³y oko³o 200 m/min. Skra-wanie realizowano bez udzia³u p³ynów obróbkowych, gdy¿ ich stosoSkra-wanie jest ograni-czane wobec coraz bardziej restrykcyjnych przepisów o ochronie rodowiska [23]. Po skoñczonej obróbce mierzono bicie promieniowe walcowych powierzchni obrobionych przedmiotów. Nastêpnie zdejmowano próbkê z uchwytu i przeprowadzano pomiary fa-listoci, chropowatoci, okr¹g³oci oraz bicia poprzecznego tych powierzchni. Parametry falistoci wyznaczano, mierz¹c profile na obwodzie próbek, w kierunku równoleg³ym do ladów obróbki (rys. 6.16). Chropowatoæ okrelano na podstawie profilogramów, wyznaczanych na powierzchni próbki, wzd³u¿ jej osi (rys. 6.16). Parametry okr¹g³oci i bicia poprzecznego mierzono w p³aszczynie przekroju poprzecznego, prostopad³ej do osi próbki. Wszystkie odchy³ki wyznaczano w trzech p³aszczyznach pomiarowych. Zestaw parametrów falistoci, okr¹g³oci, bicia poprzecznego i chropowatoci wyzna-czano, z u¿yciem oprogramowania bêd¹cego integralnym elementem ka¿dego z przy-rz¹dów pomiarowych.
Do analizy wykorzystywano tylko wybrane parametry chropowatoci, b³êdów kszta³-tu i z³o¿onych b³êdów kszta³kszta³-tu i po³o¿enia: maksymaln¹ wysokoæ chropowatoci Rt, maksymaln¹ wysokoæ falistoci Wt, odchy³kê okr¹g³oci wzglêdem rodka okrêgu redniego ∆Zq [198, 199]) i odchy³kê bicia promieniowego ca³kowitego ∆Btr (rys. 6.17). Za miarodajne wartoci odchy³ek ∆dc, zwi¹zanych z chropowatoci¹ po-wierzchni, przyjmowano wartoci rednie arytmetyczne (z trzech pomiarów, wykona-nych w ró¿wykona-nych p³aszczyznach obrobionej próbki) podwojowykona-nych wartoci parametrów Rt (zale¿noæ (6.4)). W odniesieniu do odchy³ek kszta³tu ∆dk, wywo³anych b³êdami ge-ometrycznymi i drganiami obrabiarki, przyjmowano rednie arytmetyczne podwojonych wartoci parametrów Wt (zale¿noæ (6.5)). Do ustalenia wartoci odchy³ek ∆dc i ∆dk
przyjmowano dlatego podwojone wartoci parametrów Rt lub Wt, gdy¿ powierzchnie walcowe stykaj¹ siê ze wspó³pracuj¹cymi elementami z dwóch stron. Zastosowany
kierunek pomiaru falistoci kierunek pomiaru chropowatoci Rys. 6.16. Schemat pogl¹dowy kierunku przesuwu g³owicy w pomiarze
chropowatoci i falistoci przedmiotów próbnych
Fig. 6.16.Pictorial diagram of the stylus shift direction during measurements of the test pieces roughness and waviness
rz¹d pomiarowy umo¿liwia³ wyznaczenie parametrów Rt lub Wt, dlatego stosowano je zamiast polskich odpowiedników Rm lub Wz. Parametry ∆Zq i ∆Btr analizowano w ce-lach pogl¹dowych.
∑
= = ∆ 3 1 . 3 2 i i t c R d (6.4)∑
= = ∆ 3 1 . 3 2 i i t k W d (6.5)Wartoci wszystkich globalnych wskaników oceny wyznaczano jako redni¹ wa-¿on¹ odpowiednich wskaników lokalnych (por. zale¿noci (5.1), (5.3)(5.6), (5.9)) okre-lonych w polach elementarnych przyjêtych za reprezentatywne (por. rys.6.13b)). Za wspó³czynniki wag w ka¿dym z tych pól przyjêto wyznaczone obliczeniowo prawdo-podobieñstwa wyst¹pienia si³y skrawania. Do tego celu wykorzystano bazê danych przedmiotów obrabianych na tokarkach, z której wybrano tylko te przedmioty, które spe³nia³y warunki gabarytowe i technologiczne narzuconych zadañ obróbkowych. Do wyznaczania wspó³czynników wag wykorzystano oprogramowanie wykonane w pra-cach [65, 69, 131].
Wartoci odbiorczych wskaników oceny wyznaczano w jednym punkcie przyjêtej do analizy przestrzeni roboczej. Dla analizowanego zbioru przedmiotów by³a to re-dnica toczenia Ø87 mm w odleg³oci 47 mm od szczêk uchwytu, które to wspó³rzêdne
109
odpowiada³y maksimum wyznaczonego rozk³adu czêstoci wystêpowania skrawania w ca³ej, analizowanej przestrzeni roboczej. Maksimum to okrelano analitycznie, na podstawie aproksymacji wspomnianego rozk³adu dwuwymiarowym rozk³adem beta [7, 65, 69].
W obowi¹zuj¹cych obecnie warunkach badañ odbiorczych tokarek du¿¹ wagê przy-wi¹zuje siê pomiarowi odchy³ek bicia promieniowego wrzeciona, które w przypadku tych maszyn s¹ jednym z najwa¿niejszych wskaników ich dok³adnoci geometrycz-nej oraz wyznaczaniu odchy³ek okr¹g³oci przedmiotu obrobionego, decyduj¹cych z kolei o ocenie dok³adnoci jego wykonania podczas badañ prac¹. Obie te odchy³ki przyjmowane s¹ a priori, w odniesieniu do uniwersalnych tokarek precyzyjnych (dla jednego zakresu rednic) lub pozosta³ych (dla dwóch zakresów rednic), w okrelonym miejscu pomiaru (przy powierzchni czo³owej wrzeciona lub na koñcu bazy ustalaj¹cej przedmiotu) [201]. W metodach badañ odbiorczych tokarek jest wiêc stosowana jedna wartoæ dopuszczalnej odchy³ki (bicia promieniowego lub okr¹g³oci), niezale¿nie od
odfiltrowany profil chropowatoci odfiltrowany profil falistoci
linia wg³êbieñ profilu linia wg³êbieñ profilu
5 x l (odcinek elementarny) l (odcinek pomiarowy)
linia wzniesieñ profilu linia wzniesieñ profilu
RJ W J M okr¹g redni profil okr¹g³oci rodek okrêgu redniego maksymalne wzniesienie profilu maksymalne wg³êbienie profilu Zq ∆ najbli¿ej po³o¿ony punkt profilu profil okr¹g³oci najbardziej oddalony punkt profilu o odniesienia (
wrzeciona tokarki)okr¹g³ociomierza, BJH
∆
Rys. 6.17. Definicje analizowanych parametrów: maksymalnej wysokoci chropowatoci Rt i falistoci Wt, odchy³ek okr¹g³oci wzglêdem rodka okrêgu redniego ∆Zq
i bicia promieniowego ca³kowitego ∆Btr
Fig. 6.17. Definitions of the analyzed parameters: maximal peak to valley height of the roughness profile Rt, and total waviness depth Wt, deviations of roundness relative to the least squares
reference circle ∆Zq and deviations of the total radial runout ∆Btr 6.6. Program badañ, mierzone parametry i metoda analizy wyników
suniêcia osi obrotu (niedok³adnoci ³o¿yskowania). W prezentowanej pracy mierzono bicie przedmiotu obrobionego zamocowanego w uchwycie trójszczêkowym (rys. 6.18), wiêc wczeniej wykonana operacja toczenia zmniejsza³a efekt bicia poprzecznego tego uchwytu. Tolerancja bicia poprzecznego zawiera b³êdy kszta³tu powierzchni obrotowej,
Rys. 6.18. Schemat pomiaru bicia poprzecznego przedmiotu zamocowanego w uchwycie tokarki Fig. 6.18. Measurement diagram of the radial runout of a workpiece clamped in the lathes chuck
przesuniêcia osi, nierównoleg³oci osi tej powierzchni w stosunku do osi obrotu (b³ê-dy po³o¿enia) oraz ruchy osi obrotu (jeli powierzchnie ³o¿ysk lub otworów nie s¹ do-k³adnie ko³owe) [187]. Nale¿y zwróciæ uwagê na to, ¿e sprawdzanie bicia wrzeciona przez pomiar przedmiotu, po przeprowadzeniu wstêpnej obróbki uwzglêdnia tylko nie-dok³adnoci ³o¿ysk wrzeciona i nie daje informacji o nie-dok³adnoci kszta³tu otworu sto¿-kowego lub sto¿kowej zewnêtrznej powierzchni ustalaj¹cej. Tego typu pomiar nie za-wiera wiêc pe³nej informacji o niedok³adnoci geometrycznej obrabiarki. Niedok³ad-noci te nie odzwierciedlaj¹ siê na przedmiocie obrobionym w jednym zamocowaniu, ale mog¹ zwiêkszyæ b³êdy po³o¿enia w przypadku dodatkowych zamocowañ. Odchy³-ka bicia promieniowego ca³kowitego dotyczy ca³ej powierzchni obrobionej i obejmuje odchy³kê walcowoci i wspó³osiowoci [51], mo¿e wiêc byæ interesuj¹cym wskani-kiem b³êdów z³o¿onych kszta³tu i po³o¿enia, ale metody pomiarowe w jej przypadku wymagaj¹ dopracowania.
Pomiar okr¹g³oci przedmiotu obrabianego przeprowadza siê po próbach prac¹. Odchy³ka okr¹g³oci jest wiêc wskanikiem zachowania siê tokarki w warunkach
eks-111 ploatacyjnych. Odzwierciedla ona wp³yw b³êdów geometrycznych i drgañ (w³asnoci dynamicznych) tej obrabiarki. W przypadku oceny przedmiotów walcowych wydaje siê byæ bardziej miarodajna ni¿ wysokoæ falistoci wyznaczana tylko na pewnym ogra-niczonym odcinku pomiarowym na obwodzie przedmiotu. Dotychczas, w wiêkszoci przypadków, dok³adnoæ powierzchni walcowych oceniano na podstawie odchy³ek za-rysu okr¹g³oci, odniesionych do jednego przekroju poprzecznego sprawdzanego przedmiotu lub do odchy³ek zarysu walcowoci w kilku wybranych przekrojach po-przecznych [2]. W praktyce przemys³owej ocena walcowoci dokonywana by³a na pod-stawie trzech szczególnych jej przypadków: bary³kowoci, siod³owoci i sto¿kowato-ci [2]. Wspó³czesny proces technologiczny wymaga sta³ej kontroli powierzchni wal-cowych, ocenianych na podstawie odpowiednich parametrów, które odnosz¹ siê równie¿ do ca³ej powierzchni walcowej. Stosowaæ miêdzy innymi mo¿na metodê pomiaru za-rysu wzglêdem linii rubowej o odpowiednio dobranych parametrach [2]. W niniejszej pracy okr¹g³oæ oceniana by³a w trzech przekrojach dla ka¿dej powierzchni, która by³a obrabiana ze sta³ymi parametrami skrawania.
Parametry stosowane do promieniowej oceny okr¹g³oci nie s¹ wystarczaj¹ce do oznaczenia funkcjonalnych w³asnoci przedmiotów obrobionych [26], dlatego w pracy nie wykorzystano ich w procedurze oceny. Brak jest pojedynczego parametru, który umo¿liwia dok³adny opis profilu okr¹g³oci. Informacje, które mo¿na uzyskaæ na pod-stawie profilu okr¹g³oci mo¿na podzieliæ na dwa rodzaje parametrów, z których pierw-szy jest odnoszony do amplitudy fali nierównoci, a drugi do d³ugoci fali [26, 111]. W przedstawionej pracy charakterystyki tego profilu oceniano ilociowo, z u¿yciem odchy³ki okr¹g³oci wzglêdem rodka okrêgu redniego ∆Zq, b¹d jakociowo, bior¹c pod uwagê liczbê fal nierównoci na obrót [198], zawartych na obwodzie przedmiotu. Ocenia siê, ¿e minimalna liczba harmonicznych amplitudowego spektrum profilu okr¹-g³oci potrzebnych do scharakteryzowania toczonej powierzchni wynosi 10 [26].