Za pravilno razumevanje naj poudarimo, da so na grafih v nadaljevanju izrisane najvišje temperature na površini obdelovanca v odvisnosti od časa. Ne gre za temperature v neki izbrani točki, temveč je program za vsak trenutek, ko so popisane temperature na površini, pregledal podatke in izbral tisto, ki je najvišja. Predvidevamo lahko, da so vse najvišje temperature ob vsakem času na znani lokaciji. Ta lokacija je presek osi vrtanja in spodnje površine obdelovanca. Predvidevanje je upravičeno, saj vemo, da je najvišja temperatura pri vrtanju na konici svedra, ta točka pa leži na osi vrtanja.
Potek najvišjih temperatur na površini pri vseh eksperimentih je prikazan na grafu, ki ga prikazuje slika 3.2.
Slika 3.2: Potek najvišjih temperatur na površini pri vseh eksperimentih
Metodologija raziskave
Iz grafa na sliki 3.2 je razvidnih vseh osem eksperimentov. Razberemo lahko potek najvišjih temperatur pri posameznem eksperimentu v odvisnosti od časa zajemanja podatkov. Hitro lahko opazimo, da so vrhovi krivulj zamaknjeni, nekateri bolj, drugi manj.
Razlog je v tem, da smo s hitro tekočo toplotno kamero v nekaterih primerih prehitro začeli zajemati podatke, zato smo nekaj sekund zajemali začetno temperaturo obdelovanca. Ker nas začetna temperatura ne zanima in so grafi v trenutnem stanju težko primerljivi, moramo nadaljevati z obdelavo krivulj in jih prilagoditi svojim zahtevam.
Slika 3.3 prikazuje graf s poravnanimi vrhovi krivulj. Iz tako urejenega grafa si lažje predstavljamo, kako se najvišje temperature pri posameznem eksperimentu spreminjajo.
Slika 3.3: Potek najvišjih temperatur z vrhom pri 40 ms na površini pri vseh eksperimentih
Zaradi boljše preglednosti smo na sliki 3.4 prikazali povečavo vrhov krivulj in dodali bolj gosto skalo vrednosti temperatur.
Metodologija raziskave
14 Slika 3.4: Potek najvišjih temperatur na površini pri vseh eksperimentih, z vrhom pri 40 ms –
povečava
Prikazali smo vse eksperimente na enem grafu in poudarili najvišje temperature pri vsakem eksperimentu. Zaradi boljše preglednosti in natančnosti rezultatov smo že predhodno zapisali najvišje vrednosti temperatur v preglednico 3.2.
V nadaljevanju se bomo bolj podrobno ukvarjali s skupinami eksperimentov, ki jih je smiselno primerjati.
3.2.2 Najvišje temperature v odvisnosti od rezalne hitrosti
V tem podpoglavju se bomo osredotočili na eksperimente, ki so imeli enako vrtilno frekvenco, količino hlajenja in količino mazanja. Torej smo pri teh eksperimentih spreminjali samo rezalno hitrost. Iz grafa, prikazanega na sliki 3.5, je možno razbrati najvišje temperature pri eksperimentih 1, 2, 3, 4, 6, 7. Vsi ti eksperimenti so imeli enako podajanje 0,1 mm/vrt, količino hladilnega sredstva LCO2 115 g/min in količino mazalnega sredstva MQL 70 ml/h. Rezalna hitrost se je spreminjala od vrednosti 70 m/min do 150 m/min. Iz danih parametrov je razvidno, da bodo najvišje temperature pri teh eksperimentih odstopale. Predvideno naj bi pri višji rezalni hitrosti morali dobiti višje temperature.
Metodologija raziskave
Slika 3.5: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 1, 2, 3, 4, 6, 7
Pri izbranih eksperimentih si najvišje temperature sledijo v naslednjem vrstnem redu (od najvišje proti najnižji):
- eksperiment 6: 284,01 °C - eksperiment 4: 278,60 °C - eksperiment 2: 278,57 °C - eksperiment 7: 277,21 °C - eksperiment 3: 274,92 °C - eksperiment 1: 264,94 °C
Po pregledu podatkov, ki smo jih zajeli s hitro tekočo toplotno kamero, ugotovimo, da si najvišje temperature ne sledijo po vrsti, kot bi predvidevali. Logično bi bilo, da je najvišja temperatura pri eksperimentu z najvišjo rezalno hitrostjo. Po tej analogiji bi si morali rezultati slediti tako, da višja kot je rezalna hitrost, višja je najvišja temperatura. Razlog bi lahko bil v tem, da smo imeli na začetku eksperimenta različno temperaturo orodja in obdelovanca. Ko smo končali z eksperimentom, bi morali počakati, da se orodje in obdelovanec shladita na sobno temperaturo, šele potem pa bi nadaljevali z izvajanjem naslednjega eksperimenta.
Če smo pozorni, lahko na grafu, ki ga prikazuje slika 3.5, opazimo, da na začetku vsakega eksperimenta temperature naraščajo različno hitro. To je mogoče ugotoviti z opazovanjem naklonov krivulj vsakega eksperimenta na začetku vrtanja. Za lažji pregled smo na sliki 3.6 prikazali približan pogled tega dogajanja.
Metodologija raziskave
16 Slika 3.6: Hitrost naraščanja najvišjih temperatur pri eksperimentih 1, 2, 3, 4, 6, 7
Hitrosti naraščanja najvišjih temperatur so očitno povezane z rezalno hitrostjo. Pri eksperimentu, kjer smo vrtali z najvišjo rezalno hitrostjo, je temperatura na začetku naraščala najhitreje. Pri eksperimentu, kjer smo vrtali z najnižjo rezalno hitrostjo, pa je temperatura na začetku naraščala najpočasneje.
Opozoril bi na rumeno krivuljo na grafu, ki pripada eksperimentu 3. Krivulja odstopa od logike, ki sem jo omenil. Glede na njeno ukrivljenost lahko predvidevamo, da smo pri tem eksperimentu naredili veliko napako, ker sta bila material in orodje preveč segreta še od prejšnjega eksperimenta. Možno bi bilo tudi, da je hitro tekoča toplotna kamera narobe izmerila ali zapisala podatke in je tako veliko odstopanje posledica napake opreme. Vendar možnost napake ni zelo verjetna, saj nam proizvajalec toplotne kamere zagotavlja, da napaka meritev ne bi smela odstopati za več kot 2 °C.
3.2.3 Najvišje temperature v odvisnosti od podajanja
Najvišje temperature, odvisne od podajanja, lahko primerjamo pri eksperimentu 4 in eksperimentu 5. Pri teh dveh eksperimentih smo imeli enako rezalno hitrost, uporabili smo enako količino mazalnega in hladilnega sredstva. Pri eksperimentu 4 smo uporabili rezalno hitrost 0,1 mm/vrt, pri eksperimentu 5 pa 0,05 mm/vrt. Primerjava je prikazana na grafu, ki ga prikazuje slika 3.7.
Metodologija raziskave
Slika 3.7: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 4, 5
Kot pričakovano, je vrednost najvišje izmerjene temperature na modri krivulji, ki pripada eksperimentu 4, višja od vrednosti na oranžni krivulji, ki pripada eksperimentu 5. Ponovno lahko opazimo veliko razliko pri hitrosti naraščanja najvišjih temperatur na začetku eksperimenta. Pri eksperimentu z večjim podajanjem izrazito hitreje narašča najvišja temperatura na površini obdelovanca. Ta ugotovitev je bila pričakovana.
3.2.4 Najvišje temperature glede na dovedeno hladilno sredstvo
Najvišje temperature glede na količino dovedenega hladilnega sredstva lahko primerjamo pri eksperimentu 7 in eksperimentu 8. Pri teh dveh eksperimentih smo imeli enako rezalno hitrost, enako podajanje in smo dovajali enako količino mazalnega sredstva. Količina hladilnega sredstva LCO2 je pri eksperimentu 7 znašala 115 g/min, pri eksperimentu 8 pa 250 g/min. Primerjava je prikazana na grafu na sliki 3.8.
Metodologija raziskave
18 Slika 3.8: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 7, 8
Na zgornjem grafu nam pozornost pritegne oranžna krivulja, ki pripada eksperimentu 8. Na njej opazimo dva vrhova. Enega pri času 5 ms in drugega pri času 40 ms. Pojav je videti, kot bi s hitro tekočo kamero dvakrat posneli vrtanje iste izvrtine. To je seveda nemogoče, tako da lahko predvidevamo, da je krivulja nenatančna in da je prvi del krivulje nepovezan z vrtanjem izvrtine; očitno gre za napako.
Glede na to, da smo pri eksperimentu 8 uporabili več kot dvakrat toliko hladilnega sredstva kot pri eksperimentu 7, smo pričakovali, da bo najvišja temperatura pri njem veliko nižja.
Iz grafa, ki ga prikazuje slika 3.8, je mogoče razbrati, da ni bilo tako. Vzrok za tak rezultat je nejasen in ga lahko pojasnimo samo z napako pri meritvi. Očitno bi morali eksperiment 8 ponoviti in verjetno bi bili zaključki v tem primeru drugačni.
3.2.5 Primerjava najvišjih in povprečnih temperatur
V tem podpoglavju bomo pregledali primerjavo najvišjih in povprečnih temperatur na spodnji površini obdelovanca. Iz podatkov smo izrisali modro krivuljo na grafu, ki prikazuje najvišje temperature med eksperimentom 4. Ta krivulja je bila že prikazana na predhodnih grafih. Druga krivulja oranžne barve predstavlja povprečne temperature na manjšem področju spodnje plošče obdelovanca. Območje povprečnih temperatur smo zmanjšali zato, ker nas ne zanima povprečje izmerjenih temperatur okolice med procesom vrtanja, temveč le povprečje toplotno vplivanega območja med vrtanjem. Opisani krivulji sta prikazani na grafu, ki ga prikazuje slika 3.9. Primerjavo smo izvedli zato na
Metodologija raziskave
eksperimentu 4, ker je v tem primeru najlepše vidna primerjava, ki jo izpostavljamo. Tudi pri ostalih eksperimentih smo prišli do podobnih razmerij med krivuljama. Za razlago primerjave najvišjih in povprečnih temperatur zadostuje prikaz enega eksperimenta.
Slika 3.9: Primerjava najvišjih in povprečnih temperatur
Na sliki 3.9 opazimo, da so najvišje temperature veliko višje od povprečnih temperatur na toplotno vplivanem območju. To je bilo v veliki meri predvideno. Kljub temu, da je rezultat pričakovan in nekoliko samoumeven, nam dokazuje pomembno teoretično dejstvo.
Iz rezultata lahko povzamemo, da je temperatura v osi vrtanja najvišja, ko pa se odmikamo od nje, temperatura pada. Večje kot je območje, ki ga jemljemo za povprečje, nižja je krivulja povprečnih temperatur.
3.2.6 Slikovni prikaz spreminjanja temperature na površini obdelovanca
S hitro tekočo toplotno kamero zajemamo temperature na površini obdelovanca. Torej nam zapisuje številske vrednosti temperatur v časovnih intervalih. Na zgoraj prikazanih grafih smo prikazali samo najvišjo vrednost temperatur v posameznem času na površini obdelovanca in te temperature povezali skozi celotni interval zajemanja podatkov. V tem podpoglavju si lahko ogledamo, kakšna je razporeditev temperatur na površini obdelovanca v nekem trenutku merjenja s toplotno kamero. To prikazuje slika 3.9.
Metodologija raziskave
20 Slika 3.10: Temperature na površini obdelovanca
Na sliki 3.9 je lepo vidno področje vrtanja. Na sliki so višje temperature prikazane z belo oziroma svetlejšo barvo, nižje temperature pa so prikazane s črno oziroma temnejšo barvo.
Razlaga temnih in svetlih področij na sliki je precej enostavna. Izrazito bela pega prikazuje izvrtino v trenutku, ko je sveder zaključil z delom in se je umaknil iz rezalne cone. Zato lahko opazimo žarjenje roba izvrtine, ki ima na sliki najsvetlejši odtenek. Izrazito temna pega prikazuje izvrtino, ki je bila že izvrtana in nima povezave s trenutnim eksperimentom.
Vse ostale temne cone na sliki so za našo raziskavo nepomembne in prikazujejo okolico.
Ta okolica je vpenjalo in obdelovanec na katerem ni toplotno vplivanega območja.
Prikazana slika nam pokaže situacijo v določenem trenutku vrtanja. S pomočjo programa si lahko preprosto sestavimo video, ki zaporedoma prikazuje odčitke kamere. Z dobljeno video vsebino lahko vidimo spreminjanje temperature na obdelovancu skozi celoten interval zajemanja podatkov.
4 Rezultati
Pri izdelovanju raziskave smo prišli do več ugotovitev. Zagotovo je najpomembnejši rezultat, ki smo ga pridobili prek eksperimentov in nadaljnje obdelave podatkov, najvišje izmerjene temperature pri posameznem eksperimentu.
Preglednica 4.1: Najvišje temperature pri posameznem eksperimentu Št.
V preglednici 4.1 med seboj primerjamo najvišje temperature pri posameznem eksperimentu in tako lahko v povezavi z vnosom vhodnih podatkov sklepamo na razlike v teh vrednostih. Ko poskušamo razbrati vzroke za različno izmerjene najvišje temperature, lahko ugotovimo, da se spreminjajo glede na obdelovalne parametre. Višja kot je rezalna hitrost, višja naj bi bila najvišja temperatura. Večje kot je podajanje, višja je najvišje izmerjena temperatura. Večje kot je dovajanje hladilnega sredstva, nižja bi morala biti najvišje izmerjena temperatura. Že v prejšnjem poglavju sem razložil, da se rezultat ne sklada z logiko in da bi morali zadnji eksperiment, pri katerem smo to ugotovili, ponoviti.
Rezultat raziskave so prikazani na grafih v podpoglavju Obdelava podatkov. Pri delu s programom smo jih sproti izrisovali in jim dali primerno obliko. Iz njih se da razbrati spreminjanje temperature pri posameznem eksperimentu. Namen grafov je prikaz bistvene
22
5 Diskusija
Ugotovili smo, da rezultati niso povsem skladni s pričakovanji. Predvidevali smo, da bo pri primerjanju eksperimentov glede na rezalno hitrost prišlo do logičnega zaporedja najvišjih temperatur. Pričakovan rezultat naj bi pomenil, da pri višji rezalni hitrosti dobimo višjo najvišjo izmerjeno temperaturo. To se pri primerjanju eksperimentov ni povsem uresničilo.
Za bolj natančno razumevanje neskladja s pričakovanji bi morali vsak eksperiment nekajkrat ponoviti in poiskati povprečje rezultatov.
Smo pa zadovoljni z rezultatom pri primerjanju dveh eksperimentov z različnim podajanjem. Predvidevanje, da bo temperatura hitreje naraščala in bo bolj narasla pri eksperimentu z večjim podajanjem, se je uresničilo.
Primerjali smo tudi eksperimenta z različno količino uporabljenega hladilnega sredstva.
Temperatura je bolj narasla pri eksperimentu z večjim dodajanjem hladilnega sredstva, kar ni v skladu s pričakovanji. Zadnji eksperiment ni natančen in morali bi ga ponoviti ter ponovno izvesti primerjavo.
Na koncu smo na grafu primerjali krivuljo najvišjih temperatur in krivuljo povprečnih temperatur na toplotno vplivanem območju med vrtanjem. Povprečne temperature so nižje od najvišjih prikazanih temperatur. Bile so skladne s pričakovanji. Tako smo uspešno dokazali, da je temperatura najvišja v osi vrtanja, in se niža, ko se oddaljujemo od te osi.
Pri razumevanju spreminjanja temperature na površini obdelovanca smo si pomagali tudi z zaporedno predvajanimi črno-belimi slikami. Grafično so lepo pregledne in zelo primerne za boljši pregled med izdelovanjem zaključnega dela.
6 Zaključki
V zaključku zajamemo glavne ugotovitve.
1) Temperatura se med vrtanjem spreminja v odvisnosti od obdelovalnih parametrov.
2) Višja kot je rezalna hitrost, višja je najvišja temperatura med vrtanjem.
3) Večje kot je podajanje, višja je najvišja temperatura med vrtanjem.
4) Temperatura na spodnji površini obdelovanca med vrtanjem ni enaka po celem preseku, temveč narašča proti osi vrtanja.
Z raziskavami smo dobili bolj celovit pregled nad postopkom vrtanja. Izvedli smo eksperimente s točno določenim orodjem, materialom in parametri. Glede na izmerjene temperature smo primerjali eksperimente in s tem raziskali točno določeno območje vrtanja v kovinski material.
Predlogi za nadaljnje delo
Obstaja veliko možnosti za nadaljnje raziskovanje. Raziskavo bi lahko izboljšali z večkrat ponovljenimi eksperimenti. Nadalje bi se lahko raziskovalo vrtanje v 42CrMo4 z različnimi eksperimenti. Lahko bi raziskovali spreminjanje temperature pri vrtanju z večjim razponom rezalnih hitrosti in podajanj. Tudi spreminjanje temperature pri vrtanju z dodajanjem drugih hladilno-mazalnih sredstev bi lahko preučili. Pravzaprav bi lahko nadaljevali z izbiro drugačnih orodij po premeru in izvedbi.
24
Literatura
[1] H. Muren: Odrezavanje in odnašanje. Ljubljana: Fakulteta za strojništvo, 1995.
[2] S. Postružnik: Metode izračunov rezalnih pogojev za postopke odrezavanja: diplomsko delo. Maribor: Univerza v Mariboru, 2013.
[3] D. O. U. N. Çalık A.: The effect of heat treatment on mechanical properties of 42CrMo4 steel. Isparta: Isparta University of Applied Sciences, 2020.
[4] 42CrMo4 Alloy Steel, Astmsteel, 10. 3. 2020. Dostopno na:
https://www.astmsteel.com/product/42crmo4-alloy-steel/, ogled: 17. 6. 2021.
[5] Sumitomo Cutting Tools, SUMITOMO ELECTRIC HARTMETALL GMBH, 2018.
Dostopno na: https://www.sumitomotool.com/, ogled: 12. 7. 2021.
[6] FLIR A615 Thermal Machine Vision Camera, Teledyne FLIR LLC, 2021. Dostopno na: https://www.flir.com/products/a615/. ogled: 12. 7. 2021.
[7] F. Čuš: Tehnika odrezavanja. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 1996.
[8] F. Čuš: Modeling and optimization of metal cutting. Maribor: University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, 2005.
[9] J. Kopač: ODREZAVANJE; Teoretične osnove in tehnološki napotki. Ljubljana: prof.f.dr.
Janez Kopač, univ.dipl.inž., 2008.