Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της διεργασίας σκλήρυνσης δια λειάνσεως

Abstract

The machining of precision steel parts is a procedure that usually requires two types of processes: Grinding and hardening. In current industrial conditions, the two types of processes are performed in separate production stages and in separate setups. The socalled grind-hardening process combines the two processes in one, thus eliminating the need for separate setups and the related costs. In grind-hardening, the heat dissipated in the cutting area during grinding is used at the same time for the heat treatment of the workpiece. This thesis describes a modeling approach for the grind-hardening process. Analytical and numerical modeling techniques have been employed, in order to enhance the understanding of the grind-hardening mechanism and to extract a working model for the process. Some of the parameters considered are the grinding wheel type, the workpiece material, the cutting speed, the workpiece speed and the depth of cut. The model calculates the hardness penetration depth expected for a given set of process parameters. The output of the suggested model is compared against experimental data in order to estimate its accuracy and to determine any weak points. The experimental data are taken from a cylindrical grind-hardening process. The main conclusion of the thesis is that the grind-hardening process is possible and can be used for the surface hardening of steel parts. Maximum surface hardness can be achieved when sufficient quenching rate is present, which is usually the case in grind-hardening. The hardness penetration depth achieved can reach values higher than 1mm, when the proper values are selected for the parameters of the grind-hardening process.

Το αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η µελέτη, ο πειραµατισµός και η προτυποποίηση µιας νέας παραγωγικής διεργασίας που ονοµάζεται Σκλήρυνση δια Λειάνσεως. Στη διατριβή αυτή, αφού γίνει µια σύντοµη περιγραφή της διεργασίας, των εφαρµογών και των προβληµάτων που παρουσιάζονται κατά τη χρήση της, θα περιγραφεί η πειραµατική διαδικασία, η µελέτη των πειραµατικών αποτελεσµάτων καθώς και µια θεωρητική προσέγγιση του µηχανισµού που λαµβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της διεργασίας. 1.1 Το πρόβληµα Είναι γνωστό πως για την παραγωγή µεταλλικών εξαρτηµάτων υψηλής ακρίβειας και ποιότητας, δύο παραγωγικές διεργασίες είναι απολύτως απαραίτητες: Η σκλήρυνση και η λείανση. Η σκλήρυνση είναι απαραίτητη ώστε το εξάρτηµα να έχει υψηλή αντοχή σε κόπωση και για να µπορεί να διατηρεί την ποιότητα επιφανείας του όταν συνεργάζεται µε άλλα εξαρτήµατα. Η λείανση είναι απαραίτητη για την επίτευξη της απαιτούµενης ακρίβειας στο σχήµα και τις διαστάσεις, καθώς και της απαιτούµενης επιφανειακής ποιότητας του εξαρτήµατος. Έτσι, η τυπική σειρά διεργασιών στις οποίες υπόκειται ένα τέτοιο εξάρτηµα φαίνονται σχηµατικά στο Σχ. 1.1: Εισαγωγή Κεφάλαιο 1ο 14 Σχ. 1.1: Φάσεις επεξεργασίας µεταλλικού εξαρτήµατος µε συµβατικό τρόπο Στο βιοµηχανικό περιβάλλον, οι τρεις αυτές διαφορετικές φάσεις συνήθως λαµβάνουν χώρα σε ξεχωριστά τµήµατα ενός παραγωγικού συστήµατος, λόγω των διαφορετικών εγκαταστάσεων και εξοπλισµού που χρειάζονται για την πραγµατοποίηση της κάθε φάσης. Έτσι, συνήθης πρακτική είναι η µεταφορά των εξαρτηµάτων από τµήµα σε τµήµα ακολουθώντας τη σειρά των τριών φάσεων της κατασκευής των εξαρτηµάτων. Η πρακτική αυτή όµως δηµιουργεί σηµαντικό φόρτο εργασίας σχετικά µε τη διαχείριση των εξαρτηµάτων. Έτσι, οι διαδικασίες διαχείρισης των εξαρτηµάτων µέσα σε ένα παραγωγικό σύστηµα αποτελούν ένα σηµαντικό τµήµα του κόστους παραγωγής, καθώς οι διαδικασίες αυτές είναι κατ’ αρχήν χρονοβόρες, αλλά και απαιτούν εξοπλισµό, ανθρωποώρες και έλεγχο. Ιδιαίτερα, διεργασίες όπως οι θερµικές κατεργασίες οι οποίες έχουν συνήθως σκοπό την επιφανειακή σκλήρυνση του εξαρτήµατος, έχουν σηµαντικό κόστος από πλευράς διαχείρισης των εξαρτηµάτων (µεταφορά εξαρτηµάτων από και προς τους κλιβάνους, τοποθέτηση των εξαρτηµάτων σε ειδικές διατάξεις ώστε να εισαχθούν στο κλίβανο) καθώς επίσης και από πλευράς χρόνου (διεργασίες σκλήρυνσης σε κλίβανο έχουν συνήθως συνολική διάρκεια της τάξης των µερικών ωρών). Όσον αφορά στις διεργασίες αφαίρεσης υλικού, η ανάγκη µετακίνησης των εξαρτηµάτων αυξάνει τις διαδικασίες πρόσδεσης και αφαίρεσής τους από τις εργαλειοµηχανές, πράγµα που κοστίζει σε παραγωγικό χρόνο, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για εξαρτήµατα ακριβείας που απαιτούν ειδικές διαδικασίες πρόσδεσης. Έτσι τα προϊόντα επιβαρύνονται µε σηµαντικό κόστος διαδικασιών, µερικές από τις οποίες είναι και µη παραγωγικές, όπως είναι οι διαδικασίες διαχείρισης. Ένας ακόµη επιβαρυντικός παράγοντας για τις διαδικασίες αυτές είναι και οι σηµαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν από αυτές. Εκτός από το περιβαλλοντικό φορτίο που δηµιουργούν οι δευτερεύουσες δραστηριότητες που σχετίζονται µε τη διαχείριση των εξαρτηµάτων µέσα στο παραγωγικό σύστηµα, οι Τέλος Αρχή Ξεχόνδρισµα Θερµική Κατεργασία Λείανση, Φινίρισµα Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή 15 ίδιες οι διεργασίες σκλήρυνσης είναι πολλές φορές ιδιαίτερα επιβαρυντικές για το περιβάλλον. ∆ιεργασίες όπως η βύθιση των εξαρτηµάτων σε µπάνιο τηγµένων αλάτων και ο καθαρισµός των εξαρτηµάτων µε χηµικά δηµιουργούν σηµαντικές εκποµπές ρύπων κατά τη διάρκεια της διεργασίας (ατµοί, υγρά απόβλητα) όσο και στο τέλος της (διαχείριση και διάθεση των αποβλήτων). Έτσι δηµιουργείται σηµαντική περιβαλλοντική επιβάρυνση, αλλά και κίνδυνοι για την υγεία των εργαζοµένων που ασχολούνται µε τις διαδικασίες αυτές. 1.2 Η προτεινόµενη διεργασία - λύση Με στόχο τη δραστική µείωση του κόστους και του χρόνου επεξεργασίας των εξαρτηµάτων, τη γενικότερη εξοικονόµηση χρόνου αλλά και τη βελτίωση της περιβαλλοντικής εικόνας των διεργασιών παραγωγής µεταλλικών εξαρτηµάτων, προτείνεται η εφαρµογή µιας σύνθετης διεργασίας λείανσης που ονοµάζεται Σκλήρυνση δια Λειάνσεως. Κατά την εφαρµογή της διεργασίας αυτής, το επεξεργαζόµενο εξάρτηµα υπόκειται σε επιφανειακή σκλήρυνση ταυτόχρονα µε τη λείανση, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για ξεχωριστό στάδιο θερµικής κατεργασίας, καθώς και για όλες τις σχετικές εργασίες διαχείρισης. Σχ. 1.2: Φάσεις επεξεργασίας µεταλλικού εξαρτήµατος µε χρήση της διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως. Συγκρίνοντας την αλυσίδα των φάσεων κατεργασίας ενός τυπικού µεταλλικού εξαρτήµατος που φαίνονται στα Σχ. 1.1 και 1.2, είναι προφανές ότι το όφελος από τη χρήση της διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως είναι σηµαντικό. Όλες οι Τέλος Αρχή Ξεχόνδρισµα Σκλήρυνση δια Λειάνσεως, Φινίρισµα Εισαγωγή Κεφάλαιο 1ο 16 σχετικές µε τη διεργασία της θερµικής κατεργασίας διαδικασίες διαχείρισης εξαλείφονται µαζί µε την ίδια τη διεργασία, µειώνοντας έτσι σηµαντικά το κόστος και τον χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση της παραγωγικής διαδικασίας. Είναι επίσης ευνόητο ότι εξαλείφονται όλες οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν τόσο από τις εργασίες διαχείρισης των εξαρτηµάτων, όσο και από τις διεργασίες σκλήρυνσης αυτές καθαυτές. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό, και ταυτόχρονα το σηµείο καινοτοµίας της διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως που επιτρέπει την ταυτόχρονη λείανση και θερµική κατεργασία του εξαρτήµατος, είναι η εκµετάλλευση της θερµότητας που παράγεται στην περιοχή αφαίρεσης υλικού κατά τη λείανση για τη θερµική κατεργασίας του εξαρτήµατος. Με τη διεργασία αυτή είναι δυνατή η επιφανειακή σκλήρυνση όλων των υλικών που επιδέχονται θερµική κατεργασία ενώ µπορεί να εφαρµοστεί τόσο σε µεγάλες επιφάνειες όσο και σηµειακά πάνω σε προεπιλεχθέντα σηµεία πάνω στο επεξεργαζόµενο εξάρτηµα. 1.3 Σύντοµη περιγραφή της προτεινόµενης διεργασίας Η διεργασία της Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως οµοιάζει κατ’ αρχήν µε τη συνήθη διεργασία της λείανσης. Η διεργασία πραγµατοποιείται σε µια επιφανειακή ή κυλινδρική λειαντική µηχανή, η οποία όµως θα πρέπει να έχει αυξηµένη στιβαρότητα, λόγω των υψηλών δυνάµεων κοπής που εµφανίζονται κατά τη διεργασία. Ο λειαντικός τροχός αφαιρεί υλικό από το επεξεργαζόµενο εξάρτηµα, έχοντας όµως τις παραµέτρους της διεργασίας ρυθµισµένες έτσι ώστε να δηµιουργείται η απαιτούµενη θερµότητα στην περιοχή κοπής (Σχ. 1.3). Καθώς ο τροχός αφαιρεί υλικό, η θερµότητα που παράγεται στην περιοχή της κοπής δηµιουργεί τοπική θερµική κατεργασία στο εξάρτηµα, αφήνοντας πίσω της µια ζώνη συγκεκριµένου πλάτους µε αυξηµένη σκληρότητα, σε σχέση µε τη σκληρότητα που είχε το εξάρτηµα προ της επεξεργασίας. Η εικόνα που παρουσιάζει η διεργασία στην πραγµατικότητα εµφανίζεται στο Σχ. 1.4: Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή 17 Σχ. 1.3: ∆ιάταξη διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως. Σχ. 1.4: Σκλήρυνση δια Λειάνσεως. Q Λειαντικός Τροχός Εξάρτηµα vc vw ae Ζώνη σκλήρυνσης Εισαγωγή Κεφάλαιο 1ο 18 1.4 Ερευνητική συνεισφορά της εργασίας Είναι φανερό πως η εισαγωγή της διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως στη βιοµηχανική πρακτική εξαρτάται από τη δυνατότητα της διεργασίας να επιτύχει το επιθυµητό αποτέλεσµα, αλλά κυρίως από τη δυνατότητα να ελέγχεται το αποτέλεσµα της διεργασίας, δηλαδή η επιφανειακή σκληρότητα και το βάθος της σκλήρυνσης που επιτυγχάνεται. Αυτό που χρειάζεται δηλαδή είναι η γνώση σχετικά µε το πώς επηρεάζουν τη σκληρότητα και το βάθος σκλήρυνσης οι παράµετροι της διεργασίας, όπως η ταχύτητα κοπής, η πρόωση, το βάθος κοπής, οι ιδιότητες του υλικού και ο τύπος του λειαντικού τροχού. Αυτή η γνώση είναι αναγκαία ώστε να µπορεί να προγραµµατίζεται η εργασία και να µπορεί να προβλεφθεί το αποτέλεσµά της πριν πραγµατοποιηθεί. Μόνο έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί η διεργασία σε µια ποικιλία πραγµατικών εφαρµογών και να αποδώσει τα οφέλη της. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας είναι η σε βάθος µελέτη της διεργασίας Σκλήρυνσης δια Λειάνσεως. Για το σκοπό αυτό πραγµατοποιήθηκε θεωρητική και πειραµατική προσέγγιση της διεργασίας. Η θεωρητική προσέγγιση, για λόγους καλύτερης κατανόησης και ανάλυσης, έγινε ξεχωριστά για τα διάφορα φαινόµενα που λαµβάνουν χώρα κατά τη διεργασία. Τα φαινόµενα αυτά είναι η δηµιουργία της θερµότητας, η µετάδοση της θερµότητας στα σώµατα που συµµετέχουν στη διεργασία (τροχός, υλικό, απόβλητα), η διάδοση της θερµότητας στο υλικό και τέλος οι µεταλλουργικές µετατροπές που οδηγούν στην αύξηση της σκληρότητας.