Działalność naukowo-badawcza Katedry Maszyn Roboczych


Prace naukowo-badawcze katedry

Działalność Katedry Maszyn Roboczych jest ukierunkowana głównie na budowę i eksloatacją maszyn roboczych. W związku z tym oprócz podstawowych badań trybologicznych oraz prac konstrukcyjnych, realizowane są prace nad rozwojem określonych technologii maszyn. Głównymi kierunkami działalności naukowej Katedry są:

Precyzyjna obróbka powierzchniowa nagniataniem na zimno i półgorąco:

Części nagniatane znajdują coraz szersze zastosowanie w technice. Nagniataniu poddawane są wałki, tuleje, części płaskie, a także powierzchnie stożkowe, kształtowe, boczne wielowypustów oraz koła zębate. W najbardziej rozwiniętych krajach świata istnieje tendencja do możliwie powszechnego stosowania obróbki plastycznej. Częściom nagniatanym stawiane są wysokie wymagania co do jakości technologicznej, to jest dokładności wymiarowo-kształtowej, stanu powierzchni i stanu stref warstwy wierzchniej. Jedną z możliwości podwyższenia jakości technologicznej wyrobów jest zwiększenie dokładności modelowania i analizy procesu nagniatania. Prace dotyczące procesu nagniatania rozpoczęto w połowie lat siedemdziesiątych badaniami eksperymentalnymi nad różnymi metodami nagniatania oraz podstawowymi studiami nad mechaniką ośrodków ciągłych i metodą elementów skończonych. Etap ten zamyka okres pogłębionych studiów i badań nad nieliniową mechaniką ośrodków ciągłych, mechaniką kontaktu i termodynamiką materiałów niesprężystych, realizowanych podczas stażu naukowego w Institut National de Science Appliques Lyon (Departement Mecanique de Contact) i w Ecole Centrale de Lyon (Departement Mecanique des Solides i Departement de Metallurgie). Efektem tych prac jest monografia habilitacyjna dr inż. Leona Kukiełki (obroniona w 1996 roku - Wydział Budowy Maszyn Politechniki Poznańskiej), dotycząca podstaw doświadczalnych nagniatania z elektrokontaktowym nagrzewaniem powierzchni chropowatych oraz odcinkowo-liniowej teorii tego procesu. Obecnie prowadzone są prace nad zastosowaniem metod wariacyjnych i metody elementów skończonych do modelowania procesu nagniatania tocznego na zimno oraz zastosowania metod numerycznych i maszyn cyfrowych do obliczeń złożonych procesów fizycznych, zachodzących podczas obróbki. Ilościowa ocena przebiegu takich procesów sprowadza się do analizy określonego modelu matematycznego. Model ten formułuje się w ten sposób, aby można było znaleźć efektywne rozwiązania. Proces nagniatania traktowany jest jako tzw. problem brzegowo-początkowy z ruchomymi źródłami i granicami, którego opis matematyczny sprowadza się do układów równań cząstkowych i różniczkowych zwyczajnych uzupełnionych odpowiednimi warunkami jednoznaczności, czyli warunkami geometrycznymi, fizycznymi, brzegowymi i początkowymi. Modelowanie i analiza procesu nagniatania jest problemem interdyscyplinarnym i wymaga określonej wiedzy z zakresu technologii nagniatania, matematyki (rachunek wariacyjny, rachunek tensorowy i macierzowy, metoda różnic skończonych), dynamiki materiałów (w szczególności lepkoplastycznych) oraz dynamiki ośrodków ciągłych, mechaniki kontaktu, metody elementów skończonych, metod numerycznych i wreszcie na etapie końcowym również programowania i obsługi sprzętu informatycznego. Prace te realizowane były w ramach grantu 7 TO7D 01912. Efektem tych prac było między innymi opracowanie odcinkowo-nieliniowej teorii procesu nagniatania. Pozwoliło to na dalsze zwiększenie dokładności modelowania i analizy procesu, a więc i na wzrost dokładności kształtowania warstwy wierzchniej wyrobów nagniatanych. W ramach prac doktorskich realizowanych pod kierunkiem dr hab. inż. Leona Kukiełki opracowano nowe modele konstytutywne ciał odkształcalnych d1a różnych przypadków ich obciążenia termodynamicznego w procesie obróbki. Mgr inż. Marek Łukojko opracował model dla ciała termo-sprężysto-fazowego/termo-lepko-plastyczno-fazowego (skrót: TEFlTvPF). Model ten jest również wykorzystywany przez mgr inż. Marcina Przybylskiego do analizy pól temperatur powstających podczas procesu nagniatania z podgrzewaniem za pomocą prądu elektrycznego. Mgr inż. Paweł Dudek wykorzystuje model ciała sprężysto/termo-lepko-plastyczno-fazowego (skrót: E/TyPF). Model taki jest również wykorzystywany przez mgr inż. Jarosława Kustrę do numerycznej analizy procesu szlifowania bezkłowego przelotowego. Dla procesów realizowanych na zimno lub półgorąco opracowano odpowiednio modele ciała sprężysto/lepkoplastycznego (ENP) i sprężysto/termo-lepko-plastycznego (E/TVP). Dla celów analizy numerycznej tworzy się również bazę danych zawierającychrównania termodynamicznych naprężeń uplastyczniających wybranych gatunków
stali. Te modele, w postaci równań regresji, opracowuje się na podstawie wyników badań eksperymentalnych wykonanych dla próby jednoosiowego rozciągania lub ściskania, dla różnych prędkości odkształcenia i temperatury. Wprowadzono nowe podejście do analizy zagadnień kontaktowych z uwzględnieniem anizotropowych praw tarcia oraz nowe sformułowanie wariacyjne równań ruchu obiektu i ruchu ciepła, wirującego ciała odkształcalnego będącego w kontakcie, dla przypadku pól rozprzężonych i sprzężonych. Zastosowany opis przyrostowy pozwala analizować stany odkształceń, naprężeń i temperatur w różnych fazach realizacji procesu obróbki, przy częściowej tylko znajomości warunków brzegowych. Warunki brzegowe występujące w obszarze styku narzędzia z przedmiotem wyznacza się w tracie analizy numerycznej. Do tego celu wykorzystuje się istniejące systemy programów komputerowych (ABAQUS, ANSYS, FEMAP, ADAMS) oraz programy opra cowane w Katedrze Maszyn Roboczych (TEMPERATURA, DEFORMACJA, SYMUL-NAGN).


Aktualnie trwają prace nad wykorzystaniem opracowanych metodyk do analizy numerycznej następujących procesów obróbki: nagniatania gładkościowego rur cienkościennych, nagniatania tocznego z elektrokontaktowym nagrzewaniem części walcowych, wygniatania gwintów na półgorąco, szlifowania bezkłowego przelotowego oraz do modelowania zachowania się konstrukcji betonowych zbrojonych poddanych nagłym obciążeniom. Ostatni temat jest realizowany w ramach współpracy z Ecole Nationale Superieure de Bourges Francja. Ważnym osiągnięciem zespołu jest opracowanie technologii bezkłowego nagniatania gładkościowego powierzchni zewnętrznej rur cienkościennych ze szwem. Około 9% ogólnej produkcji stali w Polsce przeznacza się na wykonanie rur. Rury te stosuje się do budowy kotłów i chłodnic, jako przewody do cieczy, gazów i ciał stałych oraz będąc bardziej ekonomiczne zastępują coraz bardziej tradycyjne elementy konstrukcyjne przy budowie różnych maszyn, urządzeń produkcyjnych, hal fabrycznych, środków transportu, itp. 20% tych rur tj. od średnicy 18 do 28 mm przeznaczone jest pod pokrycia galwaniczne. Przed obróbką galwaniczną powierzchnie tych rur muszą być poddane obróbce mechanicznej. Obecnie stosowane metody tej obróbki to wielooperacyjne szlifowanie i polerowanie (najczęściej stosuje się linie wyposażone w 11 szlifierek i 4 polerki) charakteryzujące się dużymi kosztami, emisją hałasu dochodzącą do 110 dB i zapyleniem środowiska pracy. Nie zapewniają one otrzymania powierzchni o wymaganej chropowatości Ra<0,32 Pm, nie eliminują występujących rys widocznych z odległości lm i nie eliminują falistości obrabianych rur. Opracowana technologia nagniatania, przy wydajności 2 mb rury/min, pozwala uzyskać powierzchnię lustrzaną Ra<0,1 Pm, a jej pokrycie galwaniczne powoduje wyraźne poprawienie efektu wizualnego. Wdrożenie tej technologii spowoduje oszczędności kosztów wymiernych (robocizna, energia, materiały pomocnicze), gdyż obróbka ta
jest realizowana na jednym stanowisku oraz nastąpi poprawa warunków pracy - całkowite wyeliminowanie zapylenia oraz bardzo duże obniżenie poziomu hałasu - praktycznie pozostał typowy hałas wynikający z pracy mechanizmów nagniatarki. Oryginalność opracowanej technologii polega na tym, że w jednym przejęciu następuje całkowite wyciśnięcie korozji (znajdującej się na powierzchni rury), wyprostowanie rury i wygładzenie powierzchni. W toku realizacji jest konstrukcja głowicy nagniatającej pozwalającej na dwukrotny wzrost wydajności obróbki, przy jednoczesnym wzroście jej trwałości co spowoduje dalsze poprawienie efektywności. Innym ważnym zadaniem badawczym jest dynamiczna analiza procesu nagniatania z uwzględnieniem chropowatości powierzchni realizowane w ramach pracy doktorskiej mgr inż. Pawła Dudka. Praca ta dotyczy nowoczesnego i zupełnie nowego od dotychczas stosowanych podejścia do modelowania i analizy procesu nagniatania. Dotychczas proces nagniatania opisywany był za pomocą równań regresji, najczęściej z pominięciem chropowatości powierzchni pod nagniatanie. Jest to tak zwane podejście fenomenologiczne, wykorzystujące zasadę tzw. czarnej skrzynki. Równania te chociaż otrzymane prawidłowo mają ograniczone zastosowanie do identycznych jak podczas badań warunków obróbki. Również niemożliwe jest uzyskiwanie założonych, w szczególności wysokich wymagań odnośnie kształtowanej warstwy wierzchniej. Niedoskonałości te można wyeliminować zwiększając dokładność modelowania i analizy procesu obróbki. Złożoność zachodzących zjawisk fizycznych oraz geometryczna i fizyczna nieliniowość procesu, przy częściowej znajomości warunków brzegowych wymaga zastosowania adekwatnego opisu przyrostowego. Opisem takim jest uaktualniony opis Lagrange'a, w którym wszystkie poszukiwane wielkości na kroku przyrostowym odnoszone są do konfiguracji znanej, określonej na kroku poprzednim. Dla tego opisu opracowano dynamiczny model procesu nagniatania oraz określono warunki jednoznaczności, przy założeniu, że przedmiot obrabiany wykonany jest z materiału sprężysto-lepkoplastycznego z nieliniowym wzmocnieniem mieszanym. Zbytnia złożoność modelu powoduje, że niemożliwe jest jego rozwiązanie analityczne. Możliwe jest rozwiązanie przybliżone na drodze numerycznej. W tym celu najpierw formułuje się wariacyjne równania ruchu obiektu, a następnie poddaje się je dyskretyzacji za pomocą metody elementów skończonych. Otrzymany układ równań dyskretnych, po aproksymacji jedną ze znanych w mechanice nieliniowej metod, rozwiązuje się iteracyjnie. Uzyskanie odpowiedniego stanu odkształceń trwałych w procesie nagniatania wiąże się z koniecznością wytworzenia dużych nacisków w strefę kontaktu narzędzia z przedmiotem. Co w przypadku małej sztywności postaciowej części obrabianej prowadzi do jej uszkodzenia. Dlatego też ważnym kierunkiem prac prowadzonych w Katedrze jest obróbka nagniataniem na półgorąco w ramach pracy doktorskiej mgr inż. Marcina Przybylskiego (asystent Katedry Inżynierii Produkcji i Wzornictwa). Podgrzanie lokalne przedmiotu za pomocą przepływającego prądu elektrycznego o dużym natężeniu powoduje obniżenie granicy plastyczności materiału obrabianego. W tym przypadku modelowanie i analiza procesu komplikuje się znacznie, gdyż obok omówionych wyżej zjawisk dochodzą efekty cieplne - opisane nieliniowymi równaniami przepływu ciepła Fouriera, z poruszającymi się zewnętrznymi i wewnętrznymi źródłami ciepła. Podobnie jak w przypadku analizy dynamicznej, do sformułowania równań przepływu ciepła wykorzystano rachunek wariacyjny. Otrzymane równanie wariacyjne, skupiające wszystkie równania problemu wraz z warunkami brzegowymi, dyskretyzowano metodą elementów skończonych otrzymując układ równań dyskretnych obiektu, w którym zmiennymi są przyrosty temperatury w punktach węzłowych.Równania te rozwiązuje się iteracyjnie. Nowym kierunkiem prac naukowo-badawczych prowadzonych przez dr inż. Stanisława Walasika w Katedrze Maszyn Roboczych są sposoby i metody kształtowania, na powierzchniach wewnętrznych tulei cylindrowych silników spalinowych specjalnej struktury geometrycznej płaskowierzchołkowej tzw "plateau" z regularnie rozmieszczonymi rysami (kanałkami) smarnymi. Powszechnie wiadomo, że jednym z najważniejszych elementów decydującym o trwałości i w bardzo dużym stopniu wpływającym na wydłużenie okresu użytkowania silnika spalinowego, przy utrzymaniu jego wysokiej sprawności oraz parametrów techniczno - eksploatacyjnych jest odpowiednia odporność tulei cylindrowej na zużycie. Okazuje się, że zwiększenie tej odporności, a tym samym i trwałości można uzyskać poprzez obróbkę mechaniczną powierzchni narażonych na tarcie z optymalną chropowatości i minimalną mikronierównością, Parametry te jeszcze do dziś dla poszczególnych rodzajów obróbki i materiałów nie zostały dokładnie określone. Wynika to, przede wszystkim stąd, że aktualnie ocenę jakości chropowatości a właściwie jej struktury geometrycznej ogranicza się w wymaganiach krajowych do podania tylko jednego z ponad trzydziestu ją charakteryzujących parametrów (Ra). Uniemożliwia to jednoznaczną ocenę a jednocześnie i optymalizację ponieważ wiadomo, że powierzchnie o jednakowej wysokości chropowatości mogą posiadać różne cechy użytkowe. Wiadomo również, że w żadnym przypadku nie można przypisać uniwersalnego kryterium własności struktury geometrycznej powierzchni po gładzeniu tylko jednemu jej parametrowi, lecz należy ustalić pewien ich zespół i określić zakres zmienność w zależności od rodzaju materiału obrabianego, narzędziu i sposobu obróbki. Najkorzystniejsze warunki pracy elementów współpracujących charakteryzują. się minimalną intensywnością zużycia i najmniejszą wartością współczynnika tarcia, zależą przede wszystkim od optymalnej chropowatości powierzchni. W ostateczności prowadzi to do jednoznacznego stwierdzenia, że struktura geometryczna powierzchni ma istotny, a nierzadko decydujący wpływ na proces zużycia, niezawodności i trwałości połączenia ruchowego. Najczęściej stosowanym sposobem obróbki tulei cylindrowych silników spalinowych szczególnie wykańczającej, w trakcie której kształtuje się ostatecznie ich strukturę geometryczną i własności użytkowe jest gładzenie - honowanie. Struktura geometryczna powierzchni uzyskania podczas tradycyjnego gładzenia charakteryzuje się wyjątkowo dużą ilością i o różnej wysokości wierzchołków oraz nierównomiernym ich rozłożeniem. Powoduje to, że powierzchnia styku czyści współpracujących po ich zmontowaniu, a przed dotarciem jest z reguły nawet przy właściwie dobranych parametrach obróbki, kilkakrotnie, a nawet kilkanaście razy mniejsza od tych, które powstaną po ich dotarciu. Wpływa to bezpośrednio na znaczny wzrost nacisków jednostkowych, których wartości przekraczają nawet kilkanaście razy dopuszczalne, podwyższenie temperatury stykających się powierzchni w czasie docierania, drgania, zwiększenie sił oporu powodujących straty energii mechanicznej i przyspiesza zużycie połączenia. Jednakże niezależnie od sposobu i rodzaju przeprowadzonej obróbki wykańczającej oraz jakości uzyskanej struktury geometrycznej powierzchni nie można całkowicie zrezygnować z docierania, można natomiast dzięki stosowaniu doskonalszych procesów technologicznych kształtowania struktury płaskowierzchołkowej z regularnie rozmieszczonymi rysami smarnymi tzw. "plateau", gwarantuje skrócić jego okres do niezbędnego minimum .

Czołowe firmy zachodnie produkujące silniki spalinowe stwierdziły jednoznacznie, że ukształtowanie struktury geometrycznej "plateau" (losowej) w postaci nieregularnych głębokich rys R, struktury podstawowej i małych rys R; powierzchni nośnej sprzyja wyjątkowo szybkiemu dotarciu części współpracujących zapewniając jednocześnie minimalne ich zużycie. O regularności rozmieszczania siatki rys i ich głębokości uzyskanej w toku gładzenia decyduje przede wszystkim odpowiednio ukształtowany profil powierzchni roboczej osełki i stała siła nacisku narzędzia na przedmiot obrabiany w strofie skrawania w pełnym cyklu obróbczym.


Badania kształtowania powierzchni "plateau" z równomiernie rozmieszczonymi rysami struktury podstawowej przeprowadzone zostały w Katedrze Maszyn Roboczych na zmodernizowanej gładzarce (honownicy) firmy THOMSEN przy użyciu specjalnej konstrukcji głowicy osełkowej. Aby zapewnić uzyskanie dokładnego skoku wrzeciona, pokrywającego się ze skokiem linii śrubowej wykonanej na częściach roboczych osełek posuw jego połączono z ruchem obrotowym specjalnym skonstruowanym kinematycznym układem. Wykazały one, iż jest możliwe uzyskanie poprzez gładzenie struktury geometrycznej gładzi tulei cylindrowej o wymaganych własnościach użytkowych i "bardziej regularnej" niż "plateau". Wymaga to jednak wprowadzenia znacznych zmian w konstrukcji narzędzia, sposobie jego łączenia z wrzecionem gładzarki, mocowania przedmiotu - tulei i poprawy dokładności sterowania procesem nad czy prowadzone są dalsze badania. Efektem tych badań była przez Stanisława Walasika obroniona w 1995 roku na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej praca doktorska i uzyskanie patentów na konstrukcję specjalnej głowicy osełkowej oraz proces technologiczny nacinania regularnie rozmieszonych rys smarnych. Obecnie dobiegają końca prace ukierunkowane na opracowanie nowej konstrukcji głowicy osełkowej pod kątem całkowitego wyeliminowanie stożkowego sworznia rozpierającego oprawki z osełkami i zastąpienia jego elementem bezstożkowym. Równocześnie opracowywana jest uniwersalna konstrukcja mechanizmu (specjalnej przekładni) umożliwiającej połączenie ruchu obrotowego wrzeciona z jego ruchem posuwowym gwarantującym stały posuw w pełnym cyklu obróbkowym z możliwością wykorzystanie jego w tradycyjnych gładzarkach. Na nową konstrukcję głowicy osełkowej i mechanizm wiążący ruch obrotowy wrzeciona z posuwowym zostały zgłoszone wnioski patentowe. Poza tym w Katedrze kompletowane są materiały do skryptów pod następującymi roboczymi tytułami: Podstawy regeneracji części, Podstawy gładzenia - honowania, Metody kształtowania WW (warstwy wierzchniej). Kierunkiem prac prowadzonych w Katedrze przez dr. inż. Marka Bohuszewicza jest modelowanie układów hydraulicznych. Dla intensyfikacji i podniesienia efektywności pracy młota hydraulicznego opracowano model matematyczny opisujący jego działanie: ruch bijaka, energię udaru. Równania opisujące układ hydrauliczny uwzględniają wpływ zawartości zmieszanego i rozpuszczonego powietrza w oleju - czynniku roboczym układu. W celu poznania własności układu hydraulicznego zastosowano symulację komputerową. Posłużono się podstawowymi prawami wywodzącymi się z mechaniki płynów i mechaniki ciała sztywnego. Analiza właściwości płynów roboczych i warunków pracy układu hydraulicznego o ruchu postępowym prowadzi do wniosku, że dla dostatecznie dokładnego opisu matematycznego wystarczą odpowiednio przetworzone: zasada zachowania masy w obszarze płynu i II prawo Newtona w obszarze mechanicznej części układu. W oparciu o te zasady opisano model fizyczny układu. Model ten jest wynikiem idealizacji przeprowadzonej na podstawie dokumentacji technicznej, schematu funkcjonalnego i warunków pracy młota. Model fizyczny opisano modelem matematycznym. Równania stanowiące model matematyczny ze względu na nieliniowość są analitycznie nierozwiązywalne. Jedną z dróg prowadzącą do rozwiązania rozważanego problemu jest wykorzystanie programu MATLAB, a w szczególności jego biblioteki SIMULINK. Program ten pozwala prowadzić zintegrowaną z grafiką analizę numeryczną układów ciągłych i dyskretnych, liniowych i nieliniowych. Stworzony w oparciu o model matematyczny i elementy Simulinka graficzny model symulacyjny stanowi ogólny, symboliczny opis analizowanego układu. Opisując elementy modelu symulacyjnego wartościami stanowiącymi dane układu rzeczywistego i wymuszeń, a następnie uruchamiając symulację, otrzymuje się w postaci graficznej odpowiedzi układu na modelowane wymuszenia. Analiza uzyskanych wyników pozwala wykryć i skorygować błędy popełnione podczas modelowania, określić właściwości układu rzeczywistego. Pojawia się możliwość obserwacji wybranych węzłów układu w czasie symulacji oraz możliwość badania reakcji układu na zmiany parametrów i schematu modelu fizycznego. Zweryfikowany doświadczalnie model młota hydraulicznego może być wykorzystany dla celów poznawczych i w konsekwencji dla potrzeb projektowych. Wykorzystanie modelu symulacyjnego zmniejsza liczbę prób na rzeczywistym obiekcie. Ta tematyka wiąże się z realizowaną pracą habilitacyjną. Ponieważ dr inż. M. Bohuszewicz zajmuje się ponadto odpowietrzaniem czynników roboczych układów hydraulicznych, uwzględnia w swoich badaniach wpływ powietrza w czynniku roboczym na jego moduł sprężystości - deformację sprężystą, gęstość, lepkość i zdolności smarujące, które to parametry wpływają na szybkość działania i sztywność układu hydraulicznego, na dokładność pozycjonowania, stabilność, niezawodność. Dla realizacji odpowietrzania czynników roboczych układów hydraulicznych dr inż. M. Bohuszewicz skonstruował urządzenie dla degazacji, wykorzystujące próżnię, siły odśrodkowe oraz rozpylenie oleju podlegającego odpowietrzeniu, tj. stwarzające warunki konieczne i wystarczające dla efektywnego przeprowadzenia procesu degazacji. Urządzenie posiada automatyczne sterowanie. Zostało opatentowane.