• Nie Znaleziono Wyników

PROGRAM BADAÑ, MIERZONE PARAMETRY I METODA ANALIZY WYNIKÓW

5. METODA OCENY W£ASNOŒCI 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 prêdkoœci¹ obrotow¹ wrzeciona zgodn¹ z wartoœci¹ 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 wskaŸników oceny przeprowadzono wed³ug schematu przedstawionego na rysunku 6.14. Przed badaniami ka¿da próbka walcowa by³a wstêpnie zgrubnie obrabiana, w celu usuniêcia niewspó³osiowoœci 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 sztywnoœci uk³adu obra-biarka – przedmiot obrabiany – narzêdzie polega³a: na obróbce stopniowanej próbki w jednym przejœciu no¿a, czemu towarzyszy³y ró¿ne wartoœci 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 g³êbokoœci¹, ap = 0,05 mm (zale¿noœæ 6.1).

Rys. 6.14. Schemat przeprowadzania badañ tokarki podczas wyznaczania wskaŸników 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 bezpoœrednio po próbie skrawaniowej, na przedmiocie zamo-cowanym w uchwycie tokarki, okreœlano ró¿nicê miêdzy œredni¹ wartoœci¹ 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 œre-dnicy tej próbki, jakie powsta³y w wyniku obróbki. W drugiej, dok³adniejszej meto-dzie, realizowanej poza obrabiark¹ – na okr¹g³oœciomierzu, wyznaczano ró¿nicê miê-dzy œrednimi wartoœciami bicia poprzecznego w odpowiednich przekrojach poprzecz-nych. Obie metody porównano pod k¹tem oceny przydatnoœci do pomiarów prostego czujnika dotykowego, który jest zazwyczaj dostêpny w zak³adach obrabiarkowych, w odró¿nieniu od drogiego okr¹g³oœciomierza. Zastosowanie czujnika dotykowego w tego typu pomiarach znacznie uproœci³oby je.

Uzyskane wyniki umo¿liwia³y wyznaczenie skutków odkszta³ceñ statycznych tokarki w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych (obci¹¿enia uk³adu konstrukcyjnego

pro-0 D

a

a

p0 pi

z

f

x

D

i 0

6.6. Program badañ, mierzone parametry i metoda analizy wyników

Rys. 6.15. Sposób obróbki i pomiar odchy³ek œrednicy 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 wartoœci, czêsto tylko w niewielkim stopniu przekraczaj¹ce granicê rozdziel-czoœci przyrz¹dów pomiarowych. Podczas pomiarów odchy³ek wymiarowych przedmio-tu zamocowanego w uchwycie trójszczêkowym korzystano z uk³adu kinematycznego tokarki, stosuj¹c najmniejsz¹ prêdkoœæ 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 przejœciu 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-kreœliæ nale¿y, ¿e pomiaru tych si³ nie przeprowadzano podczas obróbki próbek s³u¿¹-cych do oceny dok³adnoœci 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 wartoœci skuteczne sygna³ów si³, odpowiadaj¹cych skrawaniu z ustalonym naddatkiem. Wyznaczone wartoœci si³y skrawania Fcwraz z g³ê-bokoœciami ap odpowiadaj¹cymi i-temu naddatkowi umo¿liwia³y aproksymowanie za-le¿noœci (6.3), która obrazuje sztywnoœæ uk³adu obrabiarka–uchwyt–przedmiot obra-biany–narzêdzie 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 wartoœci 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¿liwoœæ wyznaczenia, przez ekstrapolacjê, g³êbokoœci skrawania ap, jaka odpowia-da³aby okreœlonej sile skrawaniaFc (pod warunkiem zachowania takiego samego po-suwu i prêdkoœci 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 g³êbokoœæ skra-wania i odpowiadaj¹ce jej maksymalne odchy³ki wymiarowe ∆ds

max (z zale¿noœci (6.2)) dla ka¿dego z reprezentatywnych pól elementarnych. Ekwiwalentne ca³kowite odchy³-ki œrednicy ∆D, odpowiadaj¹ce odchy³kom∆ds

max (por. zale¿noœæ (5.4)), nie powinny przekroczyæ wartoœci dopuszczalnych odchy³ek dla wymiarów nietolerowanych wed³ug [194]. Po ich wykorzystaniu do wyznaczenia odpowiednich wskaŸników oceny w³a-snoœci statycznych (por. rozdz. 5), wartoœci graniczne tych wskaŸników nie powinny przekroczyæ liczby odpowiadaj¹cej klasie dok³adnoœci wymiarów nietolerowanych zwi¹zanej z analizowan¹ tokark¹, czyli 12. Wyznaczone w ten sposób wskaŸniki 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 gruboœci, jaka pozosta³a z obróbki stopniowanego wa³ka.

Obróbkê ka¿dej z próbek przeprowadzano z parametrami skrawania podanymi w tabeli 6.2, przy czym rzeczywiste prêdkoœci 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 œrodowiska [23]. Po skoñczonej obróbce mierzono bicie promieniowe walcowych powierzchni obrobionych przedmiotów. Nastêpnie zdejmowano próbkê z uchwytu i przeprowadzano pomiary fa-listoœci, chropowatoœci, okr¹g³oœci oraz bicia poprzecznego tych powierzchni. Parametry falistoœci wyznaczano, mierz¹c profile na obwodzie próbek, w kierunku równoleg³ym do œladów obróbki (rys. 6.16). Chropowatoœæ okreœlano na podstawie profilogramów, wyznaczanych na powierzchni próbki, wzd³u¿ jej osi (rys. 6.16). Parametry okr¹g³oœci i bicia poprzecznego mierzono w p³aszczyŸnie przekroju poprzecznego, prostopad³ej do osi próbki. Wszystkie odchy³ki wyznaczano w trzech p³aszczyznach pomiarowych. Zestaw parametrów falistoœci, okr¹g³oœci, bicia poprzecznego i chropowatoœci wyzna-czano, z u¿yciem oprogramowania bêd¹cego integralnym elementem ka¿dego z przy-rz¹dów pomiarowych.

Do analizy wykorzystywano tylko wybrane parametry chropowatoœci, b³êdów kszta³-tu i z³o¿onych b³êdów kszta³kszta³-tu i po³o¿enia: maksymaln¹ wysokoœæ chropowatoœci – Rt, maksymaln¹ wysokoœæ falistoœci – Wt, odchy³kê okr¹g³oœci wzglêdem œrodka okrêgu œredniego – ∆Zq [198, 199]) i odchy³kê bicia promieniowego ca³kowitego – ∆Btr (rys. 6.17). Za miarodajne wartoœci odchy³ek ∆dc, zwi¹zanych z chropowatoœci¹ po-wierzchni, przyjmowano wartoœci œrednie arytmetyczne (z trzech pomiarów, wykona-nych w ró¿wykona-nych p³aszczyznach obrobionej próbki) podwojowykona-nych wartoœci parametrów Rt (zale¿noœæ (6.4)). W odniesieniu do odchy³ek kszta³tu ∆dk, wywo³anych b³êdami ge-ometrycznymi i drganiami obrabiarki, przyjmowano œrednie arytmetyczne podwojonych wartoœci parametrów Wt (zale¿noœæ (6.5)). Do ustalenia wartoœci odchy³ek ∆dc i ∆dk

przyjmowano dlatego podwojone wartoœci parametrów Rt lub Wt, gdy¿ powierzchnie walcowe stykaj¹ siê ze wspó³pracuj¹cymi elementami z dwóch stron. Zastosowany

kierunek pomiaru falistoœci kierunek pomiaru chropowatoœci Rys. 6.16. Schemat pogl¹dowy kierunku przesuwu g³owicy w pomiarze

chropowatoœci i falistoœci 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)

Wartoœci wszystkich globalnych wskaŸników oceny wyznaczano jako œredni¹ wa-¿on¹ odpowiednich wskaŸników lokalnych (por. zale¿noœci (5.1), (5.3)–(5.6), (5.9)) okre-œlonych 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].

Wartoœci odbiorczych wskaŸników oceny wyznaczano w jednym punkcie przyjêtej do analizy przestrzeni roboczej. Dla analizowanego zbioru przedmiotów by³a to œre-dnica toczenia Ø87 mm w odleg³oœci 47 mm od szczêk uchwytu, które to wspó³rzêdne

109

odpowiada³y maksimum wyznaczonego rozk³adu czêstoœci wystêpowania skrawania w ca³ej, analizowanej przestrzeni roboczej. Maksimum to okreœlano 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 wskaŸników ich dok³adnoœci geometrycz-nej oraz wyznaczaniu odchy³ek okr¹g³oœci przedmiotu obrobionego, decyduj¹cych z kolei o ocenie dok³adnoœci jego wykonania podczas badañ prac¹. Obie te odchy³ki przyjmowane s¹ a priori, w odniesieniu do uniwersalnych tokarek precyzyjnych (dla jednego zakresu œrednic) lub pozosta³ych (dla dwóch zakresów œrednic), w okreœlonym miejscu pomiaru (przy powierzchni czo³owej wrzeciona lub na koñcu bazy ustalaj¹cej przedmiotu) [201]. W metodach badañ odbiorczych tokarek jest wiêc stosowana jedna wartoœæ dopuszczalnej odchy³ki (bicia promieniowego lub okr¹g³oœci), niezale¿nie od

odfiltrowany profil chropowatoœci odfiltrowany profil falistoœci

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 œredni profil okr¹g³oœci œrodek okrêgu œredniego maksymalne wzniesienie profilu maksymalne wg³êbienie profilu Zq najbli¿ej po³o¿ony punkt profilu profil okr¹g³oœci najbardziej oddalony punkt profilu oœ odniesienia (

wrzeciona tokarki)okr¹g³oœciomierza, BJH

Rys. 6.17. Definicje analizowanych parametrów: maksymalnej wysokoœci chropowatoœci Rt i falistoœci Wt, odchy³ek okr¹g³oœci wzglêdem œrodka okrêgu œredniego – ∆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 (niedok³adnoœci ³o¿yskowania). W prezentowanej pracy mierzono bicie przedmiotu obrobionego zamocowanego w uchwycie trójszczêkowym (rys. 6.18), wiêc wczeœniej 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 lathe’s chuck

przesuniêcia osi, nierównoleg³oœci osi tej powierzchni w stosunku do osi obrotu (b³ê-dy po³o¿enia) oraz ruchy osi obrotu (jeœli 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-dok³adnoœci ³o¿ysk wrzeciona i nie daje informacji o nie-dok³adnoœci kszta³tu otworu sto¿-kowego lub sto¿kowej zewnêtrznej powierzchni ustalaj¹cej. Tego typu pomiar nie za-wiera wiêc pe³nej informacji o niedok³adnoœci geometrycznej obrabiarki. Niedok³ad-noœci 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 walcowoœci i wspó³osiowoœci [51], mo¿e wiêc byæ interesuj¹cym wskaŸni-kiem b³êdów z³o¿onych kszta³tu i po³o¿enia, ale metody pomiarowe w jej przypadku wymagaj¹ dopracowania.

Pomiar okr¹g³oœci przedmiotu obrabianego przeprowadza siê po próbach prac¹. Odchy³ka okr¹g³oœci jest wiêc wskaŸnikiem zachowania siê tokarki w warunkach

eks-111 ploatacyjnych. Odzwierciedla ona wp³yw b³êdów geometrycznych i drgañ (w³asnoœci dynamicznych) tej obrabiarki. W przypadku oceny przedmiotów walcowych wydaje siê byæ bardziej miarodajna ni¿ wysokoœæ falistoœci wyznaczana tylko na pewnym ogra-niczonym odcinku pomiarowym na obwodzie przedmiotu. Dotychczas, w wiêkszoœci przypadków, dok³adnoœæ powierzchni walcowych oceniano na podstawie odchy³ek za-rysu okr¹g³oœci, odniesionych do jednego przekroju poprzecznego sprawdzanego przedmiotu lub do odchy³ek zarysu walcowoœci w kilku wybranych przekrojach po-przecznych [2]. W praktyce przemys³owej ocena walcowoœci dokonywana by³a na pod-stawie trzech szczególnych jej przypadków: bary³kowoœci, siod³owoœci i sto¿kowato-œci [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 œrubowej o odpowiednio dobranych parametrach [2]. W niniejszej pracy okr¹g³oœæ oceniana by³a w trzech przekrojach dla ka¿dej powierzchni, która by³a obrabiana ze sta³ymi parametrami skrawania.

Parametry stosowane do promieniowej oceny okr¹g³oœci nie s¹ wystarczaj¹ce do oznaczenia funkcjonalnych w³asnoœci przedmiotów obrobionych [26], dlatego w pracy nie wykorzystano ich w procedurze oceny. Brak jest pojedynczego parametru, który umo¿liwia dok³adny opis profilu okr¹g³oœci. Informacje, które mo¿na uzyskaæ na pod-stawie profilu okr¹g³oœci mo¿na podzieliæ na dwa rodzaje parametrów, z których pierw-szy jest odnoszony do amplitudy fali nierównoœci, a drugi do d³ugoœci fali [26, 111]. W przedstawionej pracy charakterystyki tego profilu oceniano iloœciowo, z u¿yciem odchy³ki okr¹g³oœci wzglêdem œrodka okrêgu œredniego ∆Zq, b¹dŸ jakoœciowo, bior¹c pod uwagê liczbê fal nierównoœci na obrót [198], zawartych na obwodzie przedmiotu. Ocenia siê, ¿e minimalna liczba harmonicznych amplitudowego spektrum profilu okr¹-g³oœci potrzebnych do scharakteryzowania toczonej powierzchni wynosi 10 [26].

6.7. PRZYRZ¥DY, UK£ADY POMIAROWE