Transfer inovácií 14/2009
2009
POSOUZENÍ VNITŘNĚ-PROCESOVÝCH JEVŮ V OPTIMALIZACI KLASICKÝCH KOVOOBRÁBĚCÍCH PROCESŮ ASSESSMENT OF IN-PROCESS PHENOMENA IN OPTIMISING CLASSICAL METAL MACHINING PROCESSES Abstract Ing. Jaroslav Kovalčík Katedra obrábění a montáže fakulta strojní, TU v Liberci Studentská 2, 461 17 Liberec E-mail:
[email protected] Dr. Jaromír Audy Edith Cowan University School of Enterprise and Technology Faculty of Regional Professional Studies South West Campus Bunbury Australia 6230 E-mail:
[email protected] Abstrakt V tomto článku jsou vyšetřované různé vnitřně-procesové jevy a možnost jejich využití pro posouzení řezné účinnosti klasických kovoobráběcích procesů. Tyto studie jsou výsledkem vzájemné spolupráce dvou akademiků / výzkumníků, jmenovitě Ing. Kovalčíka z Čech a Dr. Audyho z Austrálie. Struktura a zaměření tohoto článku byly zpracovány tak, aby bylo možné analyzovat různé experimentální a teoretické přístupy v současnosti známé a používané pro posouzení řezné efektivnosti v třískovém obrábění vzhledem na vnitřně-procesové jevy a podívat se na výsledky z hlediska přetrvávajících výhod a nevýhod. Ing. Kovalčík prezentuje několik hlavních metod pro experimentálně založené druhy analýz podpořené různými typy - experimentálně ověřenými – opravnými koeficienty. Na druhé straně, další část článku zpracovaná Dr. Audym pojednává o výhodách použití vlastního silověvýkonového modelu. Tento model je podporovaný počítačem, v němž je rozsáhlá databáze tvořená základními řeznými veličinami (získanými z klasických ortogonálních testů) a jejich použití v prediktivních řezných modelech pro kvantitativní předpovědi sil a výkonu. Tento model je zpracovaný pro použití jakéhokoliv tvaru nástroje, za různých řezných podmínek a povrchového povlakování, a to bez potřeby použití opravných koeficientů. Speciální zaměření je na síly a výkon při klasických soustružnických operacích. Klíčová slova Vnitřně-procesové jevy, optimalizace, experimenty, počítačové modelování, řezné síly a řezný výkon, kovoobráběcí procesy
114
In this paper the diverse in-process phenomena and their availability for monitoring efficiency of metal machining processes were investigated. The study is a result of integrated cooperation by two academics/ researchers, namely Kovalcik from Czech Republic and Audy from Australia. This paper was set up to analyze different experimental and theoretical approaches known to be used for assessing of metal machining process performance with respect to in-process phenomena, and to looks at the results with respect to perceived advantages and disadvantages. Kovalcik presents some key features for experimental type approaches supported by different type of – experimentally verified corrective factors. In contrast, Audy discusses the advantages of using proprietary force and power computer assisted model equipped with a database of basic cutting quantities (established from classical orthogonal tests) and their use in predictive cutting models for quantitative force and power predictions, for any type of cutting tool design, machining conditions and tool surface coatings, without a need to use any corrections. The special focus is on forces and power in classical turning operations. Key words In-process phenomena, optimization, experiments, computer assisted modelling, cutting forces and cutting power, metal machining processes 1. Úvod Třískové obrábění bylo [1-3] a doposud stále ještě je [4] nejčastěji používanou průmyslovou metodou na výrobu polotovarů a taktéž hotových výrobků. Zároveň představuje zdroj nejvyšších výrobních nákladů odrážejících se v ceně výrobku [1, 3]. Výrobci se tedy zaměřují na snížení výrobních nákladů, což se projevuje většími zisky a zároveň se tím zvyšuje schopnost úspěšně konkurovat výrobcům z jiných firem [1, 2]. Tyto snahy o úsporu (vylepšení ekonomických měřítek, jako je počet vyrobených kusů za jednotku času nebo cena za vyrobený kus) často souvisí s pokusy o snížení výrobního času, což se často provádí přes nárůst technologických veličin, jako jsou řezná rychlost, posuv a hloubka řezu [3, 4]. Nežádoucím výsledkem je nárůst řezných teplot, což negativně ovlivňuje životnost nástrojů, respektive zvyšuje jejich opotřebení [1, 3], které má vliv na vibrace a
Transfer inovácií 14/2009 změnu geometrie nástroje. To se pak odrazí v kvalitě výrobku (v drsnosti, povrchové kvalitě řezu, geometrických nepřesnostech), [3]. Ve snaze zabránit nástrojovému opotřebení z důvodu tepla koncentrovaného na čele nástroje v kontaktu s třískou, přišli výzkumníci a výrobci na trh s keramickými a karbidovými vyměnitelnými břitovými destičkami a povlaky (CVD – pro karbidy a keramiku, PVD pro rychlořezné nástroje), [1, 3]. Část výzkumu za poslední desetiletí byla zaměřená na vnitřně-procesové jevy související s procesem řezání – odrážející kvalitu nástroje a taktéž obrobku [1-4]. Tyto snahy souvisely se dvěma hlavními cíly. Prvním cílem bylo vytvořit plně automatizovanou kontrolu řízení řezného procesu přes měřené vnitřně-procesové jevy a druhým cílem bylo vytvořit způsob monitorování účinnosti řezného procesu přes analýzu vnitřněprocesových jevů. Analýza různých literárních zdrojů zpracovaných a vyhodnocených Dr. Audym [5] ukázala, že existuje pět hlavních metod (elektrická, optická, radioaktivní, holografická a pneumatická), které mohou být pravděpodobně použité a „vhodné“ pro měření stavu řezného procesu přes sledování nástrojového opotřebení. Přehled publikací v této oblasti však ukázal, že výsledky publikované světovými výzkumníky a jejich názor na možnosti praktického použití těchto metod pro nepřímé sledování jevů souvisejících s nástrojovým opotřebením (řezné síly, řezný výkon, teplota nástroje a vibrace – mechanické i zvukové), dále i pro kontrolu a řízení řezných procesů, jsou značně odlišné.
2009 Dr. Audy použil srovnávací metodu na analýzu těchto výzkumně zaměřených literárních údajů, viz zdroj [5], a zjistil, že řezné síly a jejich amplitudy vznikající na řezném nástroji během procesu řezání, vzhledem k jiné porovnávané veličině, jsou pravdě-podobně nejvhodnější jako kritické faktory v matematickém řídícím modelu pro použití na kontrolu a řízení řezného procesu. Dr. Audy rovněž poukázal na to, že elektrická metoda, s nejvyšším ohledem na jiné porovnávací metody, bude pravděpodobně nejlepší pro řízení a kontrolu řezného procesu pomocí nepřímého sledování opotřebení řezného nástroje v reálném čase řezání. Některé tyto záležitosti jsou posouzené v následujících částech tohoto článku. Druhá část byla zpracovaná Ing. Kovalčíkem z České republiky. Pojednává o možnosti určení řezných sil přes teoretické výpočty pomocí vzorců a opravných koeficientů získaných z klasických experimentálních testů. Třetí část byla zpracovaná Dr. Audym z Austrálie a pojednává o možnosti optimalizace řezných nástrojů (z hlediska geometrie a povlaků) přes počítačové simulace a předpovědi řezných sil a výkonů při procesu řezání kovů bez použití opravných koeficientů. Tato metoda je založena na teorii řezání [6] vytvořené profesorem Armaregem z Melbornu, se kterým Dr. Audy spolupracoval během posledních pěti let. 2. Řezné síly a výkon při soustružení (empiricko-teoretická metoda založená na klasických konvenčních experimentech) Obr. 1 byl převzatý ze zdroje [7] a ukazuje několik různých způsobů používaných pro stanovení řezných sil, a to jak výpočtem, tak měřením.
Obr. 1 Způsoby stanovení řezných sil FC - měřením a výpočtem, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7].
115
Transfer inovácií 14/2009 Následující ukázka, zpracovaná Ing. Kovalčíkem, ukazuje způsob, jakým je možné počítat řezné síly přes teoretické výpočty a opravné koeficienty získané přes klasické experimantální řezné testy. Experimentální údaje: • • • •
vyměnitelná břitová destička ze slinutých karbidů, podélné soustružení šedé litiny legované 42 2425, řezné podmínky: f = 0.2 mm/ot ; aP = 1 mm ; vC = 285, 350 a 435 m/min, Výchozí geometrie nástroje: α = 5°, β = 90°, γ = -5°, λ = -5°, χ = 90°.
2009
Kτ = 1 −
γ 0 − γ SK 66.7
kde: γ0 ...výchozí úhel čela je pro šedou litinu 2°; γSK …skutečný úhel čela, dle zadání -5° Tab. 1 Hodnoty měrného řezného odporu pro různé materiály [7].
Volba metody stanovení řezných sil: Pro stanovení řezných sil byla zvolena metoda výpočtem z měrného řezného odporu dle Kienzleho vztahu (viz Obr. 1). Na obrázku 1 je však znázorněn vzorec bez použití opravných koeficientů, se kterýma je dále počítáno (viz vztah 1).
FC = p.S..Kτ .KV .K N .K O
(1) kde: p [Pa] je měrný řezný odpor; S [m2] je plocha řezu nebo též průřez třísky (=f.a) vzhledem na posuv, f [mm/ot], a hloubky řezu, a; včetne Kτ , KV , KN , KO které reprezentují opravné koeficienty získané z klasických experimentálních testů V následujícím texte je dále použito měrný řezný odpor, než síla. Zde je výpočet měrného řezného odporu „ks“ (v texte dole „p“), volen již z tabulky pro danný materiál a exponent Kienzleho vztahu „m“ (v texte dole je to „u“). Postup při výpočtu řezných sil z měrného řezného odporu: Dle vzorce pro výpočet řezné síly (viz vztah 1) je patrné, že v první řadě potřebujeme znát plochu odřezávané třísky S, danou součinem tloušťky třísky (tj. a) a šířkou třísky (tj. b). Na základě geometrie soustružnického nože vypočteme tloušťku třísky a, šířku třísky b (viz vztahy 2 a 3) . a = f . sin(χ ) = 0.2. sin(90°) ≈ 0.2mm (2)
Do vztahu 4 bylo dosazeno a následně byl tento opravný koeficient vypočítán, Kτ = 0.895. Dále bylo nutné stanovit opravný koeficient pro použité řezné rychlosti, tj. KV , který byl stanoven dle obrázku 2. Použití tohoto obrázku na stanovení opravného koeficientu KV je možné jen pro obráběný materiál z oceli, oceli na odlitky nebo šedé litiny. U jiných obráběných materialů platí zcela odlišné závislosti KV = f (vC).
aP 1 = ≈ 1mm sin(χ ) sin(90°) (3) Z tab. 1 zvolíme “měrný řezný odpor”, značený p, a to dle obráběného materialu (šedá litina 42 2425) a vypočtené hodnoty tloušťky třísky (viz vztah 2, a = 0.2 mm). Odečtená hodnota měrného řezného odporu odpovídá hodnotě p = 1760 MPa. b=
Pro výpočet řezné síly FC dle vzorce 1, je nutno dále stanovit opravné koeficienty Kτ , KV , KN , KO . Opravný koeficient Kτ lze podle zdroje [7] stanovit dle vztahu 4.
116
Obr. 2 Grafická závislost opravného koeficientu KV na řezné rychlosti vC pro obrobky z oceli, oceli na odlitky nebo šedé litiny, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7].
Transfer inovácií 14/2009
2009
Z obr.2 je patrné, že při vyšších řezných rychlostech je pouze nepatrná změna opravného koeficientu KV s postupnou změnou řezných rychlostí. Pro řezné rychlosti dle zadání byly z obrázku 2 odečteny opravné koeficienty KV v rozsahu KV = 0.91 až 0.94 (viz tab. 2). Tab.2 Opravné koeficienty KV odečtené pro použité řezné rychlosti. vc [m.min-1]
KV
285.46 348.26 434.53
0.94 0.93 0.91
Hodnota opravného koeficientu pro nástrojový material (tj. KN) je, dle zdroje [7], pro použitou vyměnitelnou destičku ze slinutého karbidu (dle zadání), KN = 1. Opravný koeficient zahrnující vliv opotřebení řezného nástroje (tj. KO) má dle závěrů ve zdroji [7] hodnoty opravného koeficientu KO v rozmezí KO = 1.3 až 1.5, proto byla volena průměrná hodnota KO = 1.4. Předchozími výpočty byly získány veškeré veličiny potřebné pro dosazení do vztahu 1 pro výpočet řezných sil. Následně byly vypočteny řezné síly pro všechny použité řezné rychlosti (viz Tab. 3). Tab. 3 Vypočtené řezné síly FC pro použité řezné rychlosti dle zadání. vc [m/min] 285.46 348.26 434.53
Fc [N] 414.59 410.18 401.36
2
2
FC + Ff + FP
V našem případě se jedná o podélné soustružení, tudíž bude síla ve směru přísuvu FP nulová. Posuvová síla Ff je nejméně významná a má nejmenší vliv na velikost výsledné řezné síly F. Z našeho zadání a dle zdroje [15] byl zvolen poměr mezi řeznými silami FC : Fp : Ff = 1 : 0 : 0.3. Tabulka 4 uvádí výsledné řezné síly pro jednotlivé řezné rychlosti dle zadání. Tab. 4 Tabulka sil a výkonu při procesu obrábění při použitých řezných rychlostech dle zadání. vc Fc [N] Ff [N] P F [N] [m/min] [kW] 285.46 414.59 138.20 1.97 437.02 348.26 410.18 136.73 2.38 432.37 434.53 401.36 133.79 2.91 423.07 3. Řezné síly a výkon při soustružení (teoreticky založená metoda na mechanice řezného procesu a databázi základních ortogonálně založených řezných veličin)
Na obr. 3 je znázorněn rozklad sil při procesu obrábění. Z obrázku je patrné, že výsledná řezná posuvovou, Ff, přísuvovou, Fp, a především silou řeznou, FC. Výsledná složka při procesu obrábění je dána vztahem 5.síla, F, při procesu obrábění je dána silou F =
Při soustružení nástrojem s úhlem nastavení χ = 45° je poměr mezi těmito silami FC : Fp : Ff = 10 : 4 : 2.5. Tento poměr se však výrazně mění s velikostí posuvu f, úhlem χ, poloměrem zaoblení špičky nože r, hloubkou řezu aP a mechanickými vlastnostmi materiál obrobku. Posuvová síla Ff se zvětšuje s rostoucím úhlem χ, úhlem řezu δ, velikostí otupení břitu a naopak se zmenšuje s růstem tloušťky třísky. Největší význam z hlediska energetických vztahů má řezná síla FC (tečná složka) a společně s řeznou rychlostí vC určuje efektivní (užitečný výkon) řezání (viz vztah 6). Při rotačním hlavním pohybu určuje velikost kroutícího momentu [15]. Pef = FC .vC (6)
2
(5)
Obr.3 Rozklad sil na břitu soustružnického nože během řezného procesu - Ff, Fp, FC, výsledná řezná síla F, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7].
Následující obrázky a vzorce byly převzaté ze zdroje [8], Audy (2002), a souvisí s výzkumem a prací dělanou pod vedením profesora Armarega z Melbornské Univerzity v Austrálii. Obr.4 ukazuje schematický nákres klasického ortogonálního procesu, (a), a balanci sil v deformační geometrii řezného procesu během tvoření souvislé třísky, (b).
(a)
117
Transfer inovácií 14/2009
(b) Obr. 4 Ortogonální řezný process (a) a geometrická balance sil pro deformační geometrii řezného procesu a souvislé třísky, převzaté ze zdroje Audy 2002, [8], podle zdroje [6].
2009
Závislost mezi silovými komponentami a základními řeznými veličinami, z obrázku 4 (a), je popsána vztahy 7 a 8, [6, 8].
FP =
τ .b.t. cos .(β − γ n ) sin φ . cos .(φ + β − γ n )
Obr.5 Nákres zobrazující geometrii pracovního obrobku pro ortogonální řezné testy (a) a související experimentální zařazení (b-c); podle zdroje Audy 2002, [8]. Bereme-li do úvahy modifikovanou mechaniku řezné analýzy empirické (měřené), mohou být řezné síly FPt a FQt vyjádřené vzorci 10 a 11 [6, 8].
FPt = FP + FPe =
τ .b.t. cos .(β − γ n ) (7) + FPe sin φ . cos .(φ + β − γ n )
FQ =
τ .b.t. sin (β − γ n ) sin φ . cos (φ + β − γ n )
FQt = FQ + FQe =
τ .b.t. sin(β − γ n ) +(8) FQe sin φ . cos(φ + β − γ n )
Minimální energie řezání je daná vztahem 9.
φ=
π
1 − .(β − γ n ) 4 2
Obr. 5 ukazuje návod na provedení ortogonálních testů v laboratorních podmínkách a měření řezných sil s tím souvisejících.
Řezný výkon je výsledkem řezných sil, viz vztah 12.
(9)
P = FPt . VW
Vezmeme-li do úvahy Armagedův výzkum [6, 9], pak průměrné hodnoty úhlu tření β a koeficientu tření μ, ze sil – třecí FFR a normálové FNR – na čele nástroje, jsou dané vztahem 13.
tan β = μ =
FFR FNR
Následně můžeme spočítat třecí - FFR a normálovou - FNR sílu dle vztahů 14 a 15 a dosadit do vztahu 13 pro výpočet koeficientu tření μ.
FFR = FP . sin γ n + FQ . cos γ n = ( FPt − FPe ). sin γ n + ( FQt − FQe ). cos γ n
FNR = FP . cos γ n − FQ . sin γ n = ( FPt − FPe ). cos γ n − ( FQt − FQe ). sin γ n Na obrázku 6 je znázorněn postup pro ortogonální řezné testy.
118
Transfer inovácií 14/2009
2009
Dr. Audym pro obrábění oceli typu Bisally 360 a taktéž pro obrábění nerazavějící oceli. Poznámka: γn – úhel čela nástroje, b – šířka řezu, Vw – řezná rychlost Experimentální verifikace této metody byly publikované v současnosti v různých článcích, proto nejsou uvedené v tomto článku, ale mohou být nalezeny ve zdroji Audy (2008a), [10], který poukazuje na to, jak vytvořit databázi podle ortogonálních testů popsaných v tomto článku; dále ve článcích Audy (2008b-c, 2007a), [11-13], které ukazují jak použít databázi v souvislosti s mechanikou řezného procesu a vzorcemi pro výpočet řezných sil a výkonu při řezání pro vrtáky různé geometrie a nástrojového povlakování. Nakonec, článek Audy (2007b) ukazuje model v programu Excel pro účely jednoduchého výzkumu a výuky na středních nebo odborných školách.
Obr. 6 Zařízení pro ortogonální testy, pracovní obrobek (a), a fotky experimentálního zařízení, podle zdroje Audy (2002), [8].
Diskuze a závěry Hlavní závěry této studie jsou zesumarizované následovně: Přehled literárních zdrojů ukázal, že řezné síly a výkon jsou v současnosti populární měřící veličiny pro analýzu účinnosti řezání v klasických kovoobráběcích procesů jako je soustružení, frézování, vrtání děr, protahování a protlačování, včetně řezání závitů. Analýza provedena Ing. Kovalčíkem z Čech se zaměřovala na klasické empirické testy a s tím související vzorce pro výpočet řezných sil a výkonu. Tento přísup si vyžadoval použít opravné koeficienty, které musí být známé a určené z experimentálních testů. Je nutné podotknout, že pro každý druh jiné řezné klasické operace (změnu řezných podmínek a nástrojového povlakování, včetně geometrie) je potřeba udělat nové experimentální testy a určit nové experimentální konstanty pro výpočet řezných sil a výkonu při řezání. To je ovšem dosti nepraktické, časově i finančně náročné a je tomu možné předejít, když se použije mechanika řezného procesu, databáze základních řezných veličin a geometrické sladění vztahů pro příslušnou geometrii nástroje.
Hloubka řezu – posuv – [mm/ot] b Vw γn {stupne] mm 0.025 0.0375 0.05 0.0625 0.075 0.0875 m/min -60, -30, 0 4.23 a 12.5 3 Povlakované a nepovlakované (rychlořezné ocelové) nástroje -60, -30, Tabulka 0 30 Pouze povlakované nástroje 3 4 znázorňuje řezné údaje pro experimenální zkoušky. Tyto zkoušky byly ověřené Hloubka řezu – posuv – [mm/ot] b Vw γn deg. mm 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 m/min 10, 20, 30 4.23 a12.5 3 Povlakované a nepovlakované (rychlořezné ocelové) nástroje 10, 20, 30 30 Pouze povlakované nástroje 3
0.1
0.2
119
Transfer inovácií 14/2009 Výsledky Dr. Audyho, založené na metodě analýzy řezného procesu profesora Armagedova, ukázaly, že jeden druh společné databáze z ortogonálních řezných testů v propojení s počítačovým modelem pro geometricky různé řezné nástroje umožní přesný výpočet sil a výkonu pro různé klasické řezné procesy. Literární zdroje 1. Smith G. T.: Advanced Machining, Handbook of Cutting Technology, IFS Publication, U.K., 1989. 2. Degarmo E.P., Black J.T., Kohser R.A.: Materials and Processes in Manufacturing, USA: Wiley and Sons 2003. 3. Audy J.: Assessment of Metal Machining Process Parameters and the Development of Adaptive Control, PhD Thesis, The University of South Australia, June 1996. 4. Vasilko K., Marcinčin J. N., and Havrila M.: Výrobné Inžinierstvo, TU Košice, PrešovSlovakia 2003. 5. Audy, J. (2009), Analýza rezného procesu a parametrov z hľadiska optimalizácie, automatizácie, modelovania a adaptívneho riadenia; Analysis of a Conventional Metal Machining Process Parameters from the Optimization, Automation, Modelling and Adaptive Control Point of View, Manufacturing Engineering, accepted for 4(VIII). 6. Armarego E.J.A.: Material Removal Process, An Intermediate Course, Manufacturing Science Group, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, The University of Melbourne, 1998, also 1994. 7. Gazda, J. (1993). Teorie Obrábění – řezné síly při obrábění. Liberec, 1993. 8. Audy, J.: The Influence of Hard Coatings on the Performance of Twist Drills, The MEng Thesis in Science by Research, The University of Melbourne. (2002). 9. Armarego, E.J.A. (1982). Economic of Machining Criteria, Constraints and Selection of Optimum Cutting Conditions, Proc. of the UNESCO-CIRP., Seminar on Manufacturing Technology, Singapore, p. 86-100. 10. Audy J.: A Study of Dry Machining Performance of the TiN, Ti(Al,N) and Ti(C,N) Coatings and a Type M35 HSS Tool Substrate Material Assessed through Basic Cutting Quantities Generated When Orthogonal Turning a Bisalloy 360 Grade Steel Work-Piece Material, Journal of Engineering, Annals of Engineering Hunedoara, Vol. VI, p. 59-69, (2008)
120
2009 11. Audy, J.: Optimization of Drill Point Geometries through Computer Assisted Modelling and Experimental Thrust, Torque and Power in Drilling, Manufacturing Engineering, Vol. 2, No. VII, 2008, pp. 8-11. 2008. 12. Audy, J.: A Study of Computer-Assisted Analysis of Effects of Drill Geometry and Surface Coatings on Forces and Power in Drilling, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 204, 1-3, pp. 130-138, 2008. 13. Audy, J.: A Study of the Effect of Coatings on the Drill Life, Manufacturing Engineering (Journal), Výrobné Inžinierstvo, No. 1, Vol. VI, Technical University – Košice, Slovakia, January 2007. 14. Audy, J.: Using Excel Software in Technical Education Focused on Modelling and Analysis of Drill Point Cutting Geometry of General Purpose Twist Drills, Educational Journal “Informatika v Skole” (Information in High Education), Vol. 32, Published by Ústav Informacií a Prognóz Školstva v Bratislave (Institute of Information and Prognosis in Education in Bratislava), Slovakia, November 2007, pp. 20 – 28, http://www.uips.sk/rs/index.html 15. Přikryl, Z. Teorie Obrábění. SNTL – Nakladatelství Technické Literatury. Praha, 1982.
