UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Analiza temperature pri vrtanju s hitro tekočo toplotno kamero
Edi Oblak
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Analiza temperature pri vrtanju s hitro tekočo toplotno kamero
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
Edi Oblak
Mentor: prof. dr. Franci Pušavec, univ. dipl. inž.
Somentor: prof. dr. Iztok Golobič, univ. dipl. inž.
Zahvala
Najprej bi se rad zahvalil prof. dr. Franciju Pušavcu za mentorstvo in za to, da mi je omogočil izdelovanje zaključne naloge na temo odrezavanja materialov. S svojim zgledom me je vodil do zaključka študija. Zahvala gre tudi somentorju prof. dr. Iztoku Golobiču za pomoč pri izvajanju meritev.
Poleg tega bi se rad zahvalil tudi mag. Luki Sterletu, ki mi je pomagal pri zbiranju podatkov med izdelovanjem zaključnega dela. Posebna zahvala gre vsem članom Laboratorija za odrezavanje na Fakulteti za Strojništvo, ki s svojim delom omogočajo razvoj laboratorija in s tem odpirajo možnosti študentom za raziskovalna in eksperimentalna dela na področju odrezavanja materialov.
Na koncu bi se rad zahvalil svoji družini za podporo pri študiju, predvsem pa zato, ker verjamejo, da mi lahko v življenju uspe karkoli.
vi
Izvleček
UDK 621.952:536.5:621.564(043.2) Tek. štev.: UNI/1559
Analiza temperature pri vrtanju s hitro tekočo toplotno kamero
Edi Oblak
Ključne besede: vrtanje temperatura rezalna hitrost hladilno sredstvo obdelava podatkov
Raziskovali smo vpliv obdelovalnih parametrov na spreminjanje temperature na površini obdelovanca pri postopku vrtanja. Zanimalo nas je, kako zelo rezalna hitrost, podajanje in količina hladilnega sredstva vplivajo na potek temperature med procesom. Za namen raziskave smo postavili merilno mesto, ki nam je med vrtanjem beležilo temperature na spodnji površini obdelovanca. Zajete podatke smo računalniško obdelali in jih prikazali v obliki grafov. Ugotovili smo, da obdelovalni parametri vplivajo na potek temperature. Na prikazanih grafih je mogoče jasno razbrati naraščanje temperature pri posameznem eksperimentu. Krivulje potekov temperatur smo primerjali med seboj in ugotavljali, zakaj je prišlo do razlik med eksperimenti. Ugotovili smo, da pri višji rezalni hitrosti temperatura hitreje narašča in doseže večjo končno vrednost. Podobno je pri podajalni hitrosti.
viii
Abstract
UDC 621.952:536.5:621.564(043.2) No.: UNI/1559
Temperature analysis during drilling with fast running thermal camera Edi Oblak
Key words: drilling temperature cutting speed cooling liquid data processing
In this paper, the influence of machining parameters on the change of temperature on the workpiece surface during the drilling process was investigated. The aim was to find out to what extent the cutting speed, the feed and the amount of refrigerant affect the temperature flow during the process. For the purpose of the research, a measuring point was set up to capture the temperature on the lower surface of the workpiece during drilling. The captured data were computer processed and presented in the form of graphs. It was found that machining parameters affect the temperature flow. The graphs clearly show an increase in temperature at each experiment. Temperature flow curves were compared with each other and it was discussed why differences between the experiments occurred. It was found that at higher cutting speeds, the temperature rises faster and reaches a higher final value. In the case of feed rate, the influence is similar.
Kazalo
Kazalo slik ... xi
Kazalo preglednic ... xii
Seznam uporabljenih simbolov ... xiii
Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 1
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Opis postopka vrtanja ... 3
2.2 Hlajenje in mazanje ... 5
2.3 Obdelovanec - 42CrMo4 ... 6
2.4 Orodje ... 6
2.5 Hitro tekoča toplotna kamera ... 7
2.6 Toplota pri odrezavanju ... 7
3 Metodologija raziskave ... 9
3.1 Eksperimentalni del ... 10
3.1.1 Parametri pri eksperimentih ... 10
3.1.2 Vnos podatkov pri eksperimentih ... 11
3.2 Obdelava podatkov ... 11
3.2.1 Najvišje temperature pri posameznem eksperimentu ... 11
3.2.2 Najvišje temperature v odvisnosti od rezalne hitrosti ... 14
3.2.3 Najvišje temperature v odvisnosti od podajanja ... 16
3.2.4 Najvišje temperature glede na dovedeno hladilno sredstvo ... 17
3.2.5 Primerjava najvišjih in povprečnih temperatur ... 18
3.2.6 Slikovni prikaz spreminjanja temperature na površini obdelovanca ... 19
4 Rezultati ... 21
x
5 Diskusija ... 22
6 Zaključki ... 23
Literatura ... 24
Kazalo slik
Slika 2.1: Vijačni sveder [1] ... 4
Slika 2.2: Vpliv hlajenja na temperaturo orodja [1] ... 5
Slika 2.3: Sveder Sumitomo SDM 0400 U3 HAK [5] ... 6
Slika 2.4: Hitro tekoča toplotna kamera [6] ... 7
Slika 2.5: Porazdelitev toplote pri odrezavanju v odvisnosti od rezalne hitrosti [9] ... 8
Slika 3.1: Merilno mesto ... 9
Slika 3.2: Potek najvišjih temperatur na površini pri vseh eksperimentih ... 12
Slika 3.3: Potek najvišjih temperatur z vrhom pri 40 ms na površini pri vseh eksperimentih ... 13
Slika 3.4: Potek najvišjih temperatur na površini pri vseh eksperimentih, z vrhom pri 40 ms – povečava ... 14
Slika 3.5: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 1, 2, 3, 4, 6, 7 ... 15
Slika 3.6: Hitrost naraščanja najvišjih temperatur pri eksperimentih 1, 2, 3, 4, 6, 7 ... 16
Slika 3.7: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 4, 5 ... 17
Slika 3.8: Potek najvišjih temperatur na površini pri eksperimentih 7, 8 ... 18
Slika 3.9: Primerjava najvišjih in povprečnih temperatur ... 19
Slika 3.10: Temperature na površini obdelovanca ... 20
xii
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: 42CrMo4 kemična sestava [4] ... 6
Preglednica 3.1: Tabela parametrov pri eksperimentih ... 10
Preglednica 3.2: Najvišje temperature in časi do pojava najvišje temperature ... 12
Preglednica 4.1: Najvišje temperature pri posameznem eksperimentu ... 21
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
n s-1 vrtilna frekvenca
vc mm s-1 rezalna hitrost
d mm premer orodja
f mm/vrt. podajanje
P Pa, bar tlak
V m2 volumen
xiv
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
SIST Slovenski inštitut za standardizacijo
42CrMo4 Jeklo za poboljšanje
MQL Oljna megla
LCO2 Kapljevit ogljikov dioksid
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Vrtanje je pogosto uporabljana tehnologija za izdelovanje izvrtin. Zaradi pogostosti uporabe želimo to področje čim bolje raziskati. Z različnimi eksperimenti primerjamo želimo dobljene rezultate, ki se lahko nanašajo na časovno obstojnost orodja, hitrost izdelave, kvaliteto izdelane izvrtine in stroške pri izdelavi. Ti parametri so med seboj tesno povezani in vplivajo drug na drugega. Pri raziskovanju tega področja želimo ugotoviti optimalne parametre, ki bodo omogočili učinkovito dolgotrajno obstojnost orodja, čim krajše čase obdelave, čim boljšo kvaliteto izvrtine in čim nižje stroške izdelave. Z vsemi naštetimi parametri je povezana zelo pomembna veličina, ki vpliva na optimizacijo procesa. Ta veličina je temperatura.
Temperatura ima izjemen vpliv pri vseh postopkih obdelave materialov z definirano rezalno geometrijo. Vpliva na orodje in pri previsokih temperaturah se mu lahko življenjska doba močno skrajša ali pa ga v skrajnih primerih celo uniči. Prav tako temperatura vpliva na obdelovanec, saj iz kontakta pri vrtanju s pomočjo prevoda toplote potuje po materialu. Najbolj kritična je površina izvrtine na obdelovancu, saj je ta izpostavljena najvišji temperaturi.
V tej zaključni nalogi smo opazovali temperaturo pri vrtanju skozi kovinski material.
Pomembno je poudariti, da smo to opazovali pri različnih obdelovalnih parametrih. S tem smo omogočili bolj celovito razumevanju področja, ki je sicer že opisano v mnogih knjigah. Pomembna je tudi bolj podrobna raziskava vrtanja, saj tako pridobimo rezultate za dejanske primere uporabljenega materiala, orodja in obdelovalnih parametrov. Raziskava je lahko uporabna za vse, ki uporabljajo opisani postopek. Iz tega gradiva lahko povzamemo ugotovitve in jih apliciramo na praktične primere v industriji.
1.2 Cilji
Uvod
2 in količino hladilnega sredstva. Izbrali smo osem različnih vhodnih podatkov, pri katerih so nas zanimali rezultati.
Pred preizkusom smo robotu določili parametre, nato je robot izvajal operacijo vrtanja, hitro tekoča toplotna kamera pa je odčitavala temperaturo na spodnji površini obdelovanca.
Rezultati testa so se zapisovali v podatkovne matrike, sledila je obdelava s pomočjo programske opreme in prikaz v obliki razumljivih grafov.
Pozorni smo morali biti na napake pri odčitavanju temperatur med eksperimenti. V primeru nenatančnega dela bi lahko rezultati odstopali od dejanskih vrednosti in raziskava bi izgubila svoj pomen.
V nadaljevanju so predstavljene teoretične osnove, ki so potrebne za razumevanje obravnavane tematike. Sledi predstavitev eksperimentalnega dela za bolj nazorno predstavo o opravljenih preizkusih. Osrednji del zaključne naloge temelji na obdelavi podatkov, ki smo jih zajeli s hitro tekočo toplotno kamero. Za osrednjim delom sledi predstavitev rezultatov, ki so cilj raziskave. Iz njih želimo razbrati parametre vrtanja, ki naj bi bili najbolj učinkoviti. Glede na različne parametre vrtanja pričakujemo različno visoke temperature pri vrtanju. Predvidevamo, da bodo temperature višje pri višji vrtalni hitrosti in pri večjem podajanju orodja. Iz eksperimentov je pomembno razbrati dejanske številske vrednosti temperature. Največ se bomo ukvarjali z najvišjo odčitano temperaturo na površini obdelovanca in te temperature pri različnih eksperimentih tudi primerjali med seboj.
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Opis postopka vrtanja
Vrtanje spada med obdelovalne postopke z definirano rezalno geometrijo in je večrezilni postopek odrezavanja. Ljudje ga uporabljamo praktično že od prazgodovine. Postopek se vse bolj razvija in je vse bolj izpopolnjen. To je posledica vse boljših orodij in vedno boljšega razumevanje procesa. Z dobrimi orodji in razumevanjem tega, kar se dogaja med postopkom vrtanja, lahko optimiziramo proces in tako izdelujemo izvrtine cenovno ugodneje, hitreje in predvsem tudi bolj kvalitetno.
V delu Murna [1] je opisano poglavje o izbiri delovnih pogojev pri obdelavi izvrtin.
Navaja, da moramo pri obdelavi izvrtin izbrati samo rezalno hitrost in podajanje. V večini strojev za obdelavo izvrtin ni mogoče nastavljati rezalne hitrosti, zato moramo vpisati vrtilno frekvenco, ki jo izračunamo po enačbi (2.1). Rezultat je vrtilna frekvenca v [s-1]. Pri večini strojev se vrtilna frekvenca vpisuje v enotah [min-1], zato moramo biti pozorni, da ne uporabimo napačnih enot.
𝒏 = 𝒗𝒄 𝒅 𝝅
(2.1)
Pri izbiri pravilnih delovnih pogojev se je smiselno ravnati po literaturi, ki nam navaja pravilne parametre pri vrtanju. V našem primeru smo obdelovali jeklo za poboljšanje 42CrMo4 (označeno po SIST EN 10027-1). To je pomembno zato, ker so parametri v največji meri odvisni od lastnosti materiala obdelovanca.
Večinoma je vrtanje večrezilni postopek. V našem primeru smo uporabili običajen sveder s spiralo in dvema reziloma. Vrtanje s takim orodjem je najbolj razširjeno in takemu postopku rečemo navadno vrtanje. Pri navadnem vrtanju uporabljamo vijačne svedre, ki imajo dve popolnoma simetrični glavni rezili. Zaradi tega se oblika odrezkov med vrtanjem ne spreminja. Upoštevati moramo pravilo, da globina izvrtine ne presega osem premerov svedra, ker je potem odstranjevaje odrezkov kljub vijačni obliki utorov na orodju zelo oteženo [1].
Teoretične osnove in pregled literature
4 so simetrično porazdeljene okrog osi orodja. Pri vrtanju v polno z dvoreznim vijačnim svedrom je vsako rezilo sestavljeno iz glavnega rezalnega roba in polovice prečnega rezalnega roba. Na sliki 2.1 lahko vidimo različne izvedbe vijačnih svedrov. Na njej so označeni tudi pomembnejši elementi vijačnega svedra (a – prosta ploskev, b – glavni rezalni rob, c – cepilna ploskev, d – fazni rezalni rob, e – utor, f – fazna ploskev, g – jedro, h – hrbtna ploskev, p – prečni rezalni rob, α – prosti kot, β – kot klina, γ – cepilni kot, φ – kot pri vrhu svedra, ω – kot vijačnice, ψ – kot prečnega rezalnega robu [1]) .
Slika 2.1: Vijačni sveder [1]
Pri vrtanju vse delo opravljata glavna rezalna robova. Prečni rezalni rob je pomemben zato, da orodje ne razpade na dva dela. Vijačna oblika svedra omogoča odvajanje odrezkov iz izvrtine. Pri večini svedrov imajo utori takšno obliko, da sta oba glavna rezalna robova ravna.
Ko obravnavamo tehnologijo vrtanja, moramo biti pozorni na naslednje posebnosti [2]:
- rezalna hitrost se manjša proti sredini svedra, kjer je enaka nič, - trenje ob robu izvrtine v vodilni fazi,
- povečana obraba na priostrenem robu rezila, - otežen odvod odrezkov
- neugodna toplotna porazdelitev na območju rezanja
Lahko opazimo, in to je razvidno tudi iz druge literature, da ima toplota pomembno vlogo pri vrtanju. Vemo, da vpliva na orodje in obdelovanec, na hitrost obdelave in kvaliteto izvrtine. Temperatura se povečuje proti centru orodja in tam bomo tudi mi dobili najvišjo temperaturo pri vrtanju. Teoretično bi morala biti temperatura najvišja v trenutku, ko s svedrom prodremo skozi material.
Teoretične osnove in pregled literature
2.2 Hlajenje in mazanje
Pri vseh nekonvencionalnih postopkih odrezovanja uporabljamo različna hladilno-mazalna sredstva. S hlajenjem in mazanjem želimo podaljšati časovno obstojnost orodja in izboljšati kakovost površine.
Kako učinkovito je hlajenje, lahko razberemo iz slike 2.2. Na grafu, ki ga prikazuje slika, je prikazana odvisnost temperature orodja od rezalne hitrosti brez hlajenja (1) in s hlajenjem (2) .
Slika 2.2: Vpliv hlajenja na temperaturo orodja [1]
Opazimo lahko, da je temperatura orodja pri enaki rezalni hitrosti pomembno manjša na krivulji, ki prikazuje primer s hlajenjem orodja, obratno kot pri tistem, kjer orodje ni bilo hlajeno. Druga ugotovitev pa je, da za doseganje enako nizke temperature orodja pri hlajenju lahko material obdelujemo z veliko večjo rezalno hitrostjo. Iz tega sledi, da je uporaba hladilnih sredstev zelo ekonomična, saj z njimi lahko dosežemo hitrejši proces odrezovanja. Če bi proces odrezovanja želeli pospešiti brez hladilnega sredstva, bi temperatura orodja zelo hitro narasla na kritično vrednost in orodje bi uničili. Obstojnost orodja je namreč odvisna od temperature. Z zmanjševanjem temperature se vedno poveča obstojnost orodja [1].
Z mazanjem skušamo zmanjšati trenje in obrabo na površini orodja in s tem porabo moči.
Prav tako mazanje preprečuje nastanek nalepkov na cepilni ploskvi, s tem pa se izboljša kakovost površine in natančnost obdelave.
Pri dovajanju hladilno-mazalnih sredstev je potrebno znanje o tem, na katera mesta jih moramo dovajati. Najbolj kritični mesti za hlajenje sta rezalni rob in cepilna ploskev. Pri pravilnem dovajanju hladilno-mazalnih sredstev lahko podaljšamo življenjsko dobo orodja.
Poleg tega je priporočljivo uporabljati namenske svedre, ki omogočajo dovajanje skozi orodje.
Pri naših eksperimentih smo uporabljali hlajenje z oljno meglo (MQL) in kapljevitim
Teoretične osnove in pregled literature
6 s takim načinom hlajenja rečemo tudi kriogeno odrezavanje. Pri tem dovajamo kapljeviti plin v bližino rezalnega roba, kjer ekspandira in se zato močno ohlaja.
2.3 Obdelovanec - 42CrMo4
42CrMo4 je nizko legirano jeklo, ki je široko uporabljeno v različnih aplikacijah zaradi visoke trdnosti in žilavosti [3]. Pogosto ga uporabljamo po kaljenju. S tem material pridobi želeno trdnost in trdoto, ki nam zelo koristita v mnogih inženirskih aplikacijah. Poleg tega je material dobro odporen na utrujanje in ima dobro udarno žilavost pri nizkih temperaturah. Izpostaviti velja še eno dobro lastnost; da krhkost materiala ni tako zelo očitna. V preglednici 2.1 lahko vidimo njegovo kemično sestavo.
Preglednica 2.1: 42CrMo4 kemična sestava [4]
C Mn Si P S Cr Mo
0,38–0,45 0,60–0,90 0,40 max 0,035 max 0,035 max 0,90–1,20 0,15–0,30 Pri izvajanju poizkusov smo uporabili zgoraj opisan material v obliki 10 mm debele ploščice, ki smo jo nepremično vpeli na obdelovalno mizo.
2.4 Orodje
Uporabili smo sveder proizvajalca Sumitomo, z oznako SDM 0400 U3 HAK. Iz oznake lahko razberemo prvi del SDM, ki pomeni (ang. Sumi-Drill M). Oznaka 0400 nam pove, da je premer svedra 4 mm, oznaka U3 pa pomeni, da lahko vrtamo debelino obdelovanca do treh premerov svedra. Torej lahko s svedrom, ki smo ga uporabili, vrtamo obdelovance debeline do 12 mm. Zadnja oznaka HAK nam pove, da ima sveder kanale za dovajanje hladilne tekočine na rezalni rob [5]. Izvedba SDM ima omenjene kanale večje od ostalih izvedb svedrov, kar omogoča boljše dovajanje hladilno-mazalnih sredstev.
Slika 2.3: Sveder Sumitomo SDM 0400 U3 HAK [5]
Teoretične osnove in pregled literature
2.5 Hitro tekoča toplotna kamera
Za odčitavanje temperature smo uporabili hitro tekočo toplotno kamero podjetja Flir, serije A600. Videz kamere je prikazan na sliki 2.3. Kamera je lahka za upravljanje, cenovno ugodna in kompaktna. Z njo v celoti upravlja računalnik. Za naše raziskovalno delo zaznava podatke dovolj natančno. Kamera lahko odčita temperaturne spremembe od 50 mK naprej. Zaznava lahko temperaturo predmetov od -20 °C do 2000 °C. Glede na običajne temperature pri vrtanju smo lahko prepričani, da je njen temperaturni razpon dovolj velik za našo raziskavo. Smiselno je omeniti še natančnost odčitavanja. Po podatkih proizvajalca naj njen merilni pogrešek ne bi presegal 2 % odčitane vrednosti temperature [6]. Specifikacije uporabljene hitro tekoče toplotne kamere pomenijo, da je vsekakor dovolj zmogljiva za odčitavanje temperatur pri vrtanju v kovinski material. Poleg tega lahko iz podatkov, ki jih zajame kamera, s pomočjo programske opreme izdelamo sliko.
Na tej sliki je prikazana temperatura na površini obdelovanca. Tako lažje razumemo porazdelitev temperature pri vrtanju.
Slika 2.4: Hitro tekoča toplotna kamera [6]
2.6 Toplota pri odrezavanju
Pri odrezavanju se delo pretvarja tudi v toploto. V delu F. Čuša je navedeno, da toplota nastaja zaradi [7]:
- notranjega trenja, ki nastaja zaradi preoblikovalnega dela in dela za odvajanje pri nakrčenju in odstrigu odrezka v strižni coni,
- zunanjega trenja, zaradi drsenja odrezka po cepilni ploskvi in rezalnega roba po delovni
Teoretične osnove in pregled literature
8 Določanje temperatur pri odrezavanju je zelo zahtevno, ker se nekaj toplote odvaja v orodje, nekaj v odrezek in nekaj v obdelovanec [8]. V knjigi Modeling and Optimization of Metal Cutting je bolj podrobno opisana analitična analiza temperatur pri odrezavanju. V njej si je mogoče ogledati tudi numerični model, pri katerem so izvajali podobno analizo temperatur na orodju, kot je opisana v tej zaključni nalogi. Uporabili so toplotno kamero za določanje realnih temperatur pri struženju.
V učbeniku avtorja J. Kopača je posebno poglavje, v katerem so opisane toplotne razmere pri odrezavanju. Na sliki 2.3 je predstavljena porazdelitev toplote pri odrezavanju v odvisnosti od rezalne hitrosti [9].
Slika 2.5: Porazdelitev toplote pri odrezavanju v odvisnosti od rezalne hitrosti [9]
Na zgornjem grafu lahko opazimo, da pri višji rezalni hitrosti več toplote prehaja v odrezek. To je pomembno zato, da dobimo občutek o tem, da se dejansko večina toplote ne zadržuje na orodju ali v obdelovancu, temveč jo prevzame odrezek. Segrevanje odrezka običajno ne povzroča posebnih težav in je lahko celo koristno, saj zmanjšuje rezalne sile.
Tudi segrevanje obdelovanca ni problematično, saj ta običajno ne dosega posebno visokih temperatur. Veliko nevarnost pa predstavlja segrevanje orodja [9].
3 Metodologija raziskave
Pri raziskovanju danega problema smo postavili merilno mesto, vidno na sliki 3.1, sestavljeno iz obdelovanca, vpenjala za obdelovanec, orodja za vrtanje, robotske roke in hitro tekoče toplotne kamere (povezane z računalnikom). Na sliki ni hitro tekoče toplotne kamere, ker je vstavljena v vpenjalo pod obdelovanec.
Slika 3.1: Merilno mesto
Vsa uporabljena oprema se nahaja v Laboratoriju za odrezavanje na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Predhodno nisem razdelal robotske roke, saj za našo raziskavo nima
Metodologija raziskave
10 Pri postavitvi merilnega mesta je bilo treba trdno vpeti obdelovanec. To je eno lažjih opravil. Nadalje je bilo treba vpeti orodje v robotsko roko in pripraviti program za gibanje robotske roke. Glede na to, da so se pri eksperimentih spreminjala podajanja in vrtilne frekvence, je bilo treba za vsak eksperiment vnesti pravilne parametre. Pozorni smo bili tudi na pravilno vpetje orodja v robotsko glavo. Pri delu z robotom in na splošno pri odrezavanju je zelo pomembno upoštevati varnostne ukrepe. V primeru nepravilnega vpetja obdelovanca ali orodja lahko pride do večje materialne škode ali celo do fizičnih poškodb upravljavca stroja. Pri postavitvi merilnega mesta je bilo treba pravilno nastaviti hitro tekočo toplotno kamero in jo povezati z računalnikom. Le na ta način lahko zagotovimo pravilno zajemanje podatkov.
3.1 Eksperimentalni del
Eksperimenti so bili v celoti izvedeni na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani, v Laboratoriju za odrezavanje. Opravili so jih člani omenjenega laboratorija v sodelovanju s somentorjem te zaključne naloge. V nadaljevanju si bomo ogledali parametre, ki smo jih nastavljali pri različnih eksperimentih. Zatem sledi obdelava podatkov in prikaz rezultatov.
3.1.1 Parametri pri eksperimentih
Zaključna naloga temelji na primerjavi temperatur pri različnih parametrih vrtanja. Vplivne parametre smo spreminjali in so zapisani v preglednici 3.1.
Preglednica 3.1: Tabela parametrov pri eksperimentih
Test Vc
[m/min] f [mm/vrt] LCO2 [g/min] MQL [ml/h]
1 70 0,1 115 70
2 80 0,1 115 70
3 90 0,1 115 70
4 100 0,1 115 70
5 100 0,05 115 70
6 125 0,1 115 70
7 150 0,1 115 70
8 150 0,1 250 70
V tabeli parametrov pri eksperimentih lahko vidimo, da je največji poudarek na spreminjanju rezalne hitrosti pri različnih eksperimentih. Razlaga izbranih parametrov je povsem jasna, saj rezalna hitrost zelo vpliva na čas izdelave izvrtine, po drugi strani pa zelo vpliva na temperaturo med samim procesom. Naša naloga je ugotoviti, kako zelo rezalna hitrost vpliva na temperaturo. Poleg spreminjanja rezalne hitrosti pa opazimo, da
Metodologija raziskave
smo v enem primeru spremenili podajanje in v še enem primeru povečali količino hladilnega sredstva LCO2.
3.1.2 Zajem podatkov pri eksperimentih
Opisali smo že merilno mesto in podrobno razložili njegove komponente. Pri eksperimentalnem delu smo ponavljali postopek vrtanja v obdelovanec. Spreminjali smo samo dane parametre, ki so zapisani v preglednici 3.1. Na začetku vsakega eksperimenta smo pravilno vpeli obdelovanec in na robotski roki nastavili parametre vrtanja. Pred pričetkom eksperimenta smo vklopili toplotno kamero. Med eksperimentom je robotska roka vrtala, hitro tekoča toplotna kamera pa je zbirala podatke. S površine obdelovanca je merila temperature in jih zapisovala v podatkovno matriko, in sicer za vsak eksperiment posebej. Toplotna kamera pa je merila temperaturo na spodnjem delu obdelovanca.
Pozorni smo bili na pravilno delovanje celotnega sistema. Opazovali smo eksperimente in preverjali, ali je dotok hladilnega in mazalnega sredstva zagotovljen nemoteno.
Po končanem eksperimentalnem delu smo imeli zajete podatke za osem eksperimentov.
Podatki so se shranjevali v Matlabovo podatkovno mapo. Ta mapa sama po sebi brez nadaljnjega urejanja podatkov praktično ne bi bila koristna, saj je pregled toliko podatkov v obliki matrike zelo nepregleden.
3.2 Obdelava podatkov
Podatke smo obdelali v programskem okolju Matlab (različica: R2020b). Program je namenjen obdelovanju velike količine podatkov in zelo primeren za strojniške aplikacije. Z njim lahko izvajamo matematične operacije, izrisujemo grafe, slike in uporabljamo mnogo ostalih funkcij, ki nam jih ponuja. Za uporabo omenjenega programa mora uporabnik poznati osnovno sintakso programskega jezika, s katerim se programira v Matlabu.
3.2.1 Najvišje temperature pri posameznem eksperimentu
Zagotovo je najpomembnejši podatek, ki smo ga pridobili pri posameznem eksperimentu, najvišja temperatura. Najvišja temperatura nastopi v trenutku, ko sveder predre obdelovanec in sicer na konici svedra. Če je ta temperatura previsoka, se orodje poškoduje.
V preglednici 3.2 so zapisane najvišje temperature pri posameznem eksperimentu. Poleg temperatur so zapisani časi od začetka merjenja temperature pa do trenutka najvišje temperature. Časi so pripisani zato, da natančno vemo, v katerem trenutku je nastopila najvišja temperatura. Prav tako smo čase preračunali zato, ker smo jih potrebovali pri
Metodologija raziskave
12 preračunali čase in kasneje z njihovo pomočjo grafe obrezali tako, da so najvišje temperature nastopile ob istem času.
Preglednica 3.2: Najvišje temperature in časi do pojava najvišje temperature Št.
eksperimenta
Najvišja temperatura [°C]
Čas do najvišje temperature [ms]
1 264,94 93
2 278,57 82
3 274,92 74
4 278,60 53
5 276,20 569
6 284,01 47
7 277,21 290
8 301,57 369
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.
eksperimenta
Najvišja temperatura [°C]
1 264,94
2 278,57
3 274,92
4 278,60
5 276,20
6 284,01
7 277,21
8 301,57
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.
