Predstavitev eksperimentalnega dela
35
Slika 4.5: strategija obdelovanja v drugem koraku
4.2.3 Fina obdelava središčne izvrtine (3 – Contour (2D))
Sledi fina obdelava središčne izvrtine in odstranitev dodatka 0,5 mm na steno, ki smo ga pustili v prejšnjem koraku. Prav tako za obdelavo uporabimo ravni rezkar premera 12 mm. Posebnost pri tem koraku obdelave je možnost nastavitve vkopa orodja v material (Lead In/Out).
Nastavitve vhodno - izhodnih parametrov za orodje (Lead In/Out) so vidne na sliki 4.8. Pri tem parametru nastavimo pot kje se orodje vkoplje v material in kje konča z obdelavo. Pot je lepo vidna na sliki 4.6.
Parametri obdelave:
• Podajanje (feed rate) - vf = 1000 mm/min
• Podajanje na zob (FPT – feed per tooth) - fz = 0,125 mm/zob
• Rezalna hitrost pri frezanju (cutting speed - milling) – vc = 0,15 m/min
• Smer vrtenja orodja (Spindle direction) = CW (clockwise) – v urini smeri
Na sliki 4.7 so vidne nastavitve za obdelavo konture. Vidimo da je kot tip konture izbran 2D, kar pomeni, da se orodje pomika le v y-x ravnini (vezano na koordinatni sistem na sliki 4.6).
Predstavitev eksperimentalnega dela
36
Slika 4.6: pot orodja pri tretjem koraku obdelave
Slika 4.7: strategija obdelave 2D konture v tretjem koraku
Predstavitev eksperimentalnega dela
37
Slika 4.8: možnost nastavitev vhodno-izhodnih parametrov za orodje
4.2.4 Groba obdelava robu in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (4 – Contour (2D))
V predzadnjem koraku je sledila groba obdelava konture na zunanjem delu obdelovanca – na robu. Kot omenjeno že prej, smo tudi tukaj za obdelavo uporabili ravni rezkar premera 12mm.
Na sliki 4.9 zopet vidimo kje orodje začne in konča obdelavo, ter po kakšni poti ter kolikokrat se je pomikalo.
Parametri obdelave:
• Podajanje (feed rate) - vf = 1000 mm/min
• Podajanje na zob (FPT – feed per tooth) - fz = 0,125 mm/zob
• Rezalna hitrost pri frezanju (cutting speed - milling) – vc = 0,15 m/min
• Smer vrtenja orodja (Spindle direction) = CW (clockwise) – v urini smeri
Podobno kot v prejšnjih korakih, lahko tudi na sliki 4.10 vidimo strategijo obdelave 2D konture.
Velja omeniti, da smo podobno kot pri koraku 2, tudi tukaj pustili 0,5 mm dodatka na steno, katerega odstranimo z zadnjim, petim prehodom. Kot prej omenjeno nam tudi ta način obdelave omogoča posebne nastavitve, ki so vidne na sliki 4.11. Gre za nastavitve globine rezanja v posameznih prehodih. Pri omenjenem koraku smo nastavili, da je največja dovoljena globina rezanja 2,0 mm, končni prehodi pa 0,3 mm.
Predstavitev eksperimentalnega dela
38
Slika 4.9: pot orodja pri četrtem koraku obdelave
Slika 4.10: strategija obdelave konture v četrtem koraku
Predstavitev eksperimentalnega dela
39
Slika 4.11: možnost nastavitve različnih globin rezanja
4.2.5 Fina obdelava in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (5 – Contour (2D))
V zadnjem koraku je sledila fina obdelava konture na zunanjem delu obdelovanca. Kot v prejšnjih primerih je bil za obdelavo tudi tukaj uporabljen ravni rezkar premera 12mm. Pot orodja, vključno z začetkom in koncem obdelave, je vidna na sliki 4.12. Kot pri koraku 3, lahko tudi pri koraku 5 opazimo, da je končna obdelava in odstranitev 0.5mm materiala, puščenega v četrtem koraku, poteka le z enim prehodom orodja.
Parametri obdelave:
• Podajanje (feed rate) - vf = 1000 mm/min
• Podajanje na zob (FPT – feed per tooth) - fz = 0,125 mm/zob
• Rezalna hitrost pri frezanju (cutting speed - milling) – vc = 0,15 m/min
• Smer vrtenja orodja (Spindle direction) = CW (clockwise) – v urini smeri Strategijo obdelave konture vidimo na sliki 4.13.
Predstavitev eksperimentalnega dela
40
Slika 4.12: pot orodja pri petem koraku obdelave
Slika 4.13: strategija obdelave konture v petem koraku
41
5 Analiza in vrednotenje rezultatov
5.1 Vizualna analiza obdelovanca po zaključeni obdelavi
Kot omenjeno že v prejšnjih poglavjih, smo za vizualno analizo obdelane površine obdelali vsak konec obdelovanca z različnim podajanjem. Na eni strani je bilo podajanje 100%; torej 100 mm/min, na drugi strani pa smo podajanje zmanjšali za 50%, torej je znašalo 50 mm/min.
Na sliki 5.2 je risba obdelovanca z vsemi potrebnimi merami, na sliki 5.1 pa je viden obdelovanec po končani obdelavi na obeh straneh. Na slikah 5.3 in 5.4 pa vidimo obdelano površino po različnih podajalnih hitrostih in sicer na središčni izvrtini in ob straneh.
Slika 5.1: končan obdelovanec
Analiza in vrednotenje rezultatov
42
Slika 5.2: risba obdelovanca z merami
Slika 5.3: Obdelana površina – podajanje 50%
Slika 5.4: Obdelana površina - podajanje 100%
Analiza in vrednotenje rezultatov
43 Po slikah lahko s prostim očesom opazimo očitno razliko med obdelano površino, ko je bilo podajanje na stroju ročno zmanjšano na 50% in med površino, ko smo podajanje pustili na 100% (100 mm/min – kot nastavljeno v programu Mastercam). V naslednjem podpoglavju bom predstavil še podatke, katere je zajel nadzorni sistem in jih podal v kontekst.
5.2 Analiza zajetih podatkov
Zaradi verodostojnosti analize, smo meritev izvajali samo za postopke vrtanja in obdelave središčne izvrtine (grobe in fine). Če bi meritve izvajali še za zunanji del obdelovanca, meritve ne bi bile verodostojne, saj smo predhodno obdelovanec odžagali s tračno žago in nimamo popolnoma enakega ostanka materiala, zato bi meritve skozi celoten cikel odstopale od optimalnih.
V nadaljevanju smo, kot že prej omenjeno, izvedli meritve obremenitve stroja pri 100% in 50%
podajanju. Ker so intervali zajetih meritev veliki, nastane problem pri prikazu vseh podatkov, zato se v nadaljevanju osredotočimo na postopek vrtanja.
5.2.1 Merjenje obremenitev pri postopku vrtanja
Na sliki 5.5 tako vidimo zajem vseh podatkov pri vrtanju pri 100% podajanju, na sliki 5.6 pa zajem podatkov pri 50% podajanju. Tudi tukaj zaradi lažje in bolj podrobne analize interval zajetih meritev skrčimo in se lotimo analize vrtanja ene luknje (druga luknja po vrsti – slika 4.1).
Na sliki 5.5 vidimo obremenitve vseh treh osi stroja pri 100% podajanju; tj. 100 mm/min.
Celoten proces obdelave pri teh parametrih traja 58,584 sekund. Po razmakih med posameznimi meritvami smo izračunali povprečje časovnih razmakov med meritvami, katero znaša 127,7 ms.
Ta razmak je enak pri vseh meritvah.
Na sliki 5.6 vidimo obremenitev vseh treh osi stroja pri 50% podajanju; tj. 50 mm/min. Tu seveda proces traja dlje in sicer 102 sekundi. Trajanje procesa sistem za nadzor zajame in ga poda v obliki časovnega zapisa datuma z uro ter v obliki timestamp (časovni žig). S tema dvema formatoma smo si pomagali pri izračunu trajanja procesa ter trajanju posameznih meritev ter razmakov med njimi.
Pri procesu vrtanja je predvsem relevantno spremljanje obremenitev na osi Z, zato se pri analizi posvetimo sivim črtam na grafu. Opazimo lahko, da meritve močno odstopajo le v območju vrtanja druge luknje, katerim se v nadaljevanju posvetimo. Pri ostalih štirih luknjah so podatki o obremenitvah primerljivi.
Na slikah 5.7 in 5.8 je je vidna razlika pri obremenitvi Z osi. Opazimo lahko, da pri 100%
podajanju obremenitev doseže 65% dovoljene, medtem ko pri 50% podajanju obremenitev Z osi doseže le okoli 36% dovoljene.
Če spremljamo vzorec obremenitve Z osi, vidimo, da je na obeh grafih oblika podobna. Iz podatkov o obremenitvi X in Y osi žal ne moremo razbrati nič relevantnega, kar bi nam pripomoglo pri razumevanju in kasnejši nastavitvi optimalnih obdelovalnih parametrov.
Analiza in vrednotenje rezultatov
44
Slika 5.5: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (vrtanje lukenj)
Analiza in vrednotenje rezultatov
45
Slika 5.6: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (vrtanje lukenj)
Analiza in vrednotenje rezultatov
46
Slika 5.7: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 100% podajanju
Slika 5.8: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 50% podajanju
Analiza in vrednotenje rezultatov
47 5.2.2 Merjenje obremenitev pri postopku frezanja
V naslednjem koraku se posvetimo analizi obremenitev pri izdelavi središčne izvrtine. Da spomnimo: središčna izvrtina se je izdelovala v dveh korakih. Prvi korak je bila groba obdelava.
Tu smo z rezkarjem v večih prehodih odstranjevali odvečni material iz središča navzven – v spirali. Drugi korak je bila fina obdelava, kjer smo z enim prehodom odstranili 0,5 mm dodatka na steni, katerega smo pustili v predhodnem koraku. Ker pri postopku frezanja središčne izvrtine ne prihaja do tako skokovitih obremenitev, kot pri vrtanju, tu spremljamo trend obremenitve skozi trajanje celotnega procesa obdelave.
Na slikah 5.9 in 5.10 sta prikazana grafa obremenitev fine in grobe obdelave pri 100% podajanju – 1000 mm/min. Proces grobe obdelave tako traja 92,85 sekund, proces fine obdelave pa 14,8 sekund.
Na slikah 5.11 in 5.12 pa sta prikazana grafa obremenitev fine in grobe obdelave središčne izvrtine pri 50% podajanju – 500 mm/min. Proces grobe obdelave tako traja 179,066 sekund, proces fine obdelave pa 25,74 sekund.
Če primerjamo obremenitve med grobo obdelavo središčne izvrtine pri 100% podajanju (slika 5.9) ter obremenitve za isto obdelavo pri 50% podajanju (slika 5.11) opazimo, da se obremenitve ne spreminjajo sorazmerno s hitrostjo podajanja. Če pogledamo trendne črte na grafih vidimo, da se pri obeh podajalnih hitrostih obremenitev Z osi giblje okoli 20%, medtem ko sta obremenitvi X in Y osi podobni in sicer okoli 5% dovoljene obremenitve.
Podoben trend opazimo pri fini obdelavi središčne izvrtine. Tako vidimo, da sta zopet obremenitvi X in Y osi v rangu 3-5% ter obremenitev Z osi okoli 20% dovoljene obremenitve.
Velja omeniti naklon trendne črte pri fini obdelavi središčen izvrtine. Ta je različen zaradi časa trajanja obdelave. Pri obdelavi s 100% podajanjem je strmejši, saj je obdelava trajala manj časa in je posledično zajetih vrednosti v rangu 20% manj.
Tako lahko sklenemo, da se je preizkus odvil nasprotno našim pričakovanjem, kjer smo predpostavili, da se bodo obremenitve pri manjšem podajanju občutno zmanjšale napram obremenitvam pri večjem - tj. 100% podajanju.
Analiza in vrednotenje rezultatov
48
Slika 5.9: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine)
Analiza in vrednotenje rezultatov
49
Slika 5.10: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine)
Analiza in vrednotenje rezultatov
50
Slika 5.11: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine)
Analiza in vrednotenje rezultatov
51
Slika 5.12: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine)
Analiza in vrednotenje rezultatov
52
5.3 Evalvacija porabe električne energije
Ker pri analizi podatkov o obremenitvah stroja nismo prišli do posebnih zaključkov, smo raziskavo razširili še na področje porabe električne energije, kjer smo primerjali količino porabljene električne energije pri različnih podajalnih hitrostih. Vzeli smo podatke o procentualni obremenitvi pogonskih motorjev za posamezne osi ter za obremenitev vretena, jih integrirali po času in tako dobili porabo električne energije v kWh.
Tako smo za vsako operacijo naredili graf porabe električne energije v kWh za obremenitev vsake osi ter glavnega vretena. Na koncu smo sešteli vsoto porabljene električne energije za vsako operacijo in ta podatek primerjali s podatki o isti operaciji z drugim podajanjem.
Tako bodo v nadaljevanju za vsako operacijo videni štirje grafi – obremenitev X osi, obremenitev Y osi , obremenitev Z osi ter obremenitev vretena. Na koncu poglavja sledi primerjava podatkov o porabljeni energiji.
5.3.1 Poraba pri vrtanju lukenj (100% podajanje)
Slika 5.13: poraba el. energije Y os - 100% podajanje
Slika 5.14: poraba el. energije X os - 100% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
53
Slika 5.15: poraba el. energije Z os - 100% podajanje
Slika 5.16: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje
• Vsota porabljene električne energije: 0,000426 kWh
Analiza in vrednotenje rezultatov
54
5.3.2 Poraba pri grobi obdelavi središčne izvrtine (100% podajanje)
Slika 5.17: poraba el. energije X os - 100% podajanje
Slika 5.18: poraba el. energije Y os - 100% podajanje
Slika 5.19: poraba el. energije Z os - 100% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
55
Slika 5.20: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje
• Vsota porabljene električne energije: 0,778 kWh
5.3.3 Poraba pri fini obdelavi središčne izvrtine (100% podajanje)
Slika 5.21: : poraba el. energije X os - 100% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
56
Slika 5.22: poraba el. energije Y os - 100% podajanje
Slika 5.23: poraba el. energije Z os - 100% podajanje
Slika 5.24: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje
• Vsota porabljene električne energije: 0,124 kWh
Tako lahko za vse operacije, ki smo jih izvedli s 100% podajanjem naredimo vsoto porabljene električne energije. Tako vsota znaša 0,902 kWh.
Analiza in vrednotenje rezultatov
57 5.3.4 Poraba pri vrtanju lukenj (50% podajanje)
Slika 5.25:: poraba el. energije X os - 50% podajanje
Slika 5.26: poraba el. energije Y os - 50% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
58
Slika 5.27: poraba el. energije Z os - 50% podajanje
Slika 5.28: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje
• Vsota porabljene električne energije: 0,661 kWh
Analiza in vrednotenje rezultatov
59 5.3.5 Poraba pri grobi obdelavi središčne izvrtine (50% podajanje)
Slika 5.29: poraba el. energije X os - 50% podajanje
Slika 5.30: poraba el. energije Y os - 50% podajanje
Slika 5.31: poraba el. energije Z os - 50% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
60
Slika 5.32: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje
• Vsota porabljene električne energije: 1,596 kWh
5.3.6 Poraba pri fini obdelavi središčne izvrtine (50% podajanje)
Slika 5.33: poraba el. energije X os - 50% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
61
Slika 5.34: poraba el. energije Y os - 50% podajanje
Slika 5.35: poraba el. energije Z os - 50% podajanje
Slika 5.36: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje
Analiza in vrednotenje rezultatov
62
• Vsota porabljene električne energije: 0,209 kWh
Tako lahko za vse operacije, ki smo jih izvedli s 50% podajanjem naredimo vsoto porabljene električne energije. Tako vsota znaša 2,466 kWh.
Tako lahko naredimo analizo o porabi električne energije pri istih operacijah, a različnih podajalnih hitrostih. Opazili smo, da pri 50% podajanju porabimo 2,446 kWh električne energije, medtem, ko pri 100% podajanju samo 0,902 kWh, kar je kar 2,7-krat manj.
Če to pretvorimo v denar, upoštevajoč, da cena 1 kWh ure znaša 0,439€ (srednja tarifa), lahko pridemo do rezultata, da imamo stroškov električne energije za izdelavo enega kosa pri 50% podajanju 0,12€, medtem, ko pri 100% podajanju ti stroški znašajo le 0,04€.
63
6 Zaključek
V diplomskem delu smo spremljali vplive podajanja na obremenitve stroja ter na kvaliteto površine. Ker bi merjenje hrapavosti in podrobnejša analiza površin po obdelavi zahtevala še kar nekaj dela in bi presegala dovoljene okvire ene diplomske naloge, smo se osredotočili na analizo zajetih podatkov o obremenitvi stroja.
Tako smo spremljali obremenitve pri obdelovanju orodnega jekla S235JR, kjer smo na enem koncu obdelovanca izvedli obdelavo s 50% podajanjem (500 mm/min), na drugi strani pa s 100% podajanjem (1000 mm/min).
Zaradi zagotavljanja verodostojnih rezultatov, smo analizirali in naredili grafe le za zajete podatke pri vrtanju in obdelavi središčne izvrtine, saj je bila za obdelavo pri robu širina frezanja - ae, premajhna in neenakomerna, kar bi povzročilo vibracije obdelovanca in s tem neprimerne podatke.
Tako smo v poglavju analize vizualno primerjali kvaliteto obdelane površine pri 50% in 100%
podajanju, kjer je imela površina pri 50% podajanju že na oko dosti manjšo hrapavost. V nadaljevanju smo uredili zajete podatke in iz njih tvorili grafe. Tako smo naredili grafe za vrtanje in grobo ter fino obdelavo središčne izvrtine.
Najprej smo analizirali podatke za vrtanje, kjer smo se zaradi lažje analize grafa, podrobnejše lotili le analize vrtanje ene luknje. Pri vrtanju smo se osredotočili na analizo podatkov zajetih na Z osi. Tako smo ugotovili, da je pri vrtanju druge luknje procent dovoljene obremenitve pri 50% podajanju 36%, medtem ko je pri 100% podajanju, 65%. Pri analizi preostalih lukenj so si bili podatki o obremenitvi dosti podobni.
Nato smo spremljali grafe, ki smo jih tvorili z zajemom podatkov pri fini in grobi obdelavi središčne izvrtine. Obdelava središčne izvrtine je potekala v vseh treh oseh, zato smo seveda spremljali obremenitve X, Y in Z osi. Ker je bila ta obdelava daljša, je posledično tudi graf malce manj pregleden, saj je na abscisi zajetih več podatkov. Za lažji pregled smo tu uporabili trendne črte. Očitna je razlika v trajanju posameznih operacij. Prišli smo do zanimivih rezultatov, ki so nasprotovali prvotnim predvidevanjem. Tako smo videli, da se kljub zmanjšanju podajalne hitrosti za 50%, obremenitve ne zmanjšajo tako drastično oz. na nekaterih mestih ostanejo popolnoma enake.
Nadaljevali smo z evalvacijo porabe električne energije. Tu smo se lotili integriranja procentualnih obremenitev posameznih pogonskih motorjev po času. Tako smo naredili grafe porabe električne energije za pogonske motorje na X, Y, Z osi ter na vretenu. Če pri analizi obremenitev nismo prišli do različnih rezultatov za posamezno hitrost podajanja, temu tukaj ni bilo tako. Ko smo na koncu sešteli porabo električne energije za posamezne operacije, smo prišli do zaključka, da je poraba električne energije pri 100% podajanju skoraj za 3 krat manjša napram porabi pri 50% podajanju. To smo ovrednotili tudi stroškovno.
Zaključek
64
Smernice za nadaljnje delo
V nadaljevanju bi se lahko podrobneje posvetili hrapavosti obdelane površine in spremljali ter iskali kompromis med dopustnimi obremenitvami stroja, še dovoljeno hrapavostjo površine ter časom obdelave. Ključnega pomena za naročnika je seveda cena produkta, katera pa je pogojena s časom izdelave kosa. Zato mislim, da bi bilo raziskavo smotrno nadaljevati v tej smeri.
65
Viri in literatura
[1] Janez Kopač: ODREZAVANJE – Teoretične osnove in tehnološki napotki, Littera Picta, Ljubljana 2008, str. 179-183.
[2] Hinko Muren: Odrezavanje in odnašanje, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1995, str.
4-22, 32-38.
[3] Hinko Muren: Tehnika odrezavanja 2. del, Fakulteta za Strojništvo, Ljubljana 1975, str. 92-106.
[4] Pepo Puhar: Tehnologija odrezavanja 2. del, »Strojniški vestnik«, Ljubljana 1966, str.
1-12.
[5] Tadej Marinšek: Vpliv radija rezalnega robu na sile pri frezanju, diplomsko delo, Ljubljana 2020.
[6] Edvin Jankovič: Obstojnost frezal z različnimi načini priprave rezalnega robu pri obdelavi orodnega jekla v mehkem stanju, diplomsko delo, Ljubljana 2016.
[7] Lastnosti materiala obdelovanca, dostopno na:
https://metinvestholding.com/en/products/steel-grades/s235jr, ogled: 21.5.2021.
[8] Franci Čuš: Tehnika odrezavanja, Fakulteta za strojništvo, Maribor 1996, str. 54-59.
[9] Laboratorij za odrezavanje, oprema laboratorija, dostopno: http://lab.fs.uni-lj.si/labod/oprema.html, ogled: 25.5.2021.
[10] Gurumugh Das: Cutting Forces in Drilling Operation: Measurement and Modeling for Medium-Scale Manufacturing Firms, International Journal of Computer Aplications, July 2015.
[11] Omid Yousefian, Joshua A. Tartbutton: Prediction of Cutting Force in 3-axis CNC Milling Machines Based on Voxelization Framework for Digital Manufacturing, Procedia manufaturing, 2015.