UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Vpliv kriogenih temperatur na učinkovitost obdelave z abrazivnim vodnim curkom
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Žiga Tomažič
Ljubljana, september 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Vpliv kriogenih temperatur na učinkovitost obdelave z abrazivnim vodnim curkom
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Žiga Tomažič
Mentor: prof. dr. Joško Valentinčič, univ. dipl. inž.
Somentor: doc. dr. Andrej Lebar, univ. dipl. inž. fiz.
Ljubljana, september 2021
v
Zahvala
Za uspešno zaključeno in izdelano diplomsko nalogo se najprej zahvaljujem svojemu mentorju Jošku Valentinčiču, ki me je pri delu usmerjal in mi pomagal do zaključka.
Zahvaljujem se tudi vsem ostalim asistentom in članom ekipe Laboratorija za alternativne tehnologije, posebno Marku Jermanu, ki mi je s svojim znanjem pomagal pri razvoju in izvajanju eksperimentalnega dela naloge, ter Pavlu Drešarju, ki mi je predal ogromno praktičnega znanja iz delavnice laboratorija in z mano izvajal eksperimente za raziskavo.
Zahvaliti se moram tudi članom Laboratorija za odrezavanje ter Laboratorija za meritve v procesnem strojništvu Fakultete za strojništvo za pomoč pri pripravi in tehtanju preizkušancev. Nazadnje se posebno zahvaljujem vsem svojim družinskim članom in prijateljem, ki so me med izdelavo diplomskega dela podpirali in mi stali ob strani.
vi
vii
viii
ix
Izvleček
UDK 621.9.04:536.483(043.2) Tek. štev.: VS I/929
Vpliv kriogenih temperatur na učinkovitost obdelave z abrazivnim vodnim curkom
Žiga Tomažič
Ključne besede: abrazivni vodni curek rezanje
graviranje
kriogena obdelava tekoči dušik
učinkovitost procesa
Dandanes se v proizvodnji veliko vlaga v razvoj in optimizacijo obdelovalnih postopkov za zagotavljanje večje produktivnosti, nižjih stroškov obdelave, boljše natančnosti in kvalitete izdelkov. Raziskovalci so že razvili klasične obdelovalne postopke s kriogenim ohlajanjem, podobno lahko optimiziramo proces obdelave z abrazivnim vodnim curkom (AVC).
Opazovali smo vpliv podhlajevanja obdelovancev iz nerjavnega jekla X5CrNi18-10 ter aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7 na njuno obdelovalnost. Vzorce smo ohlajali v tekočem dušiku na temperaturo -198 °C in nanje izdelali gravuro z AVC, dobljene rezultate pa smo primerjali z eksperimenti z vzorci pri sobni temperaturi. Spremljali smo spreminjanje temperature med ohlajanjem in graviranjem. Spreminjanje učinkovitosti procesa smo vrednotili glede na količino erodiranega materiala, ki smo jo izračunali kot razliko v masi vzorca pred in po obdelavi, ter glede na doseženo globino gravure.
x
xi
Abstract
UDC 621.9.04:536.483(043.2) No.: VS I/929
Influence of cryogenic temperatures on efficiency of abrasive water jet machining
Žiga Tomažič
Key words: abrasive water jet cutting
engraving
cryogenic machinig liquid nitrogen proccess efficiency
Recently, significant investment has been made in the development and optimization of the machining processes to ensure higher productivity, lower processing costs, high precision, and quality of products. Researchers have already developed classic processes that employ cryogenic cooling, which can similarly optimize the process of machining with abrasive water jet (AWJ). We observed how supercooling impacted the stainless steel X5CrNi18-10 and aluminium alloy AlMg4.5Mn0.7 workpieces. The samples were cooled by liquid nitrogen to -198 °C and engraved with AWJ. The results were compared with the experiments with samples conducted at room temperature. We monitored the change in temperature during cooling and engraving. The change in the efficiency of the process was evaluated according to both the quantity of the eroded material, which was calculated as the difference in the mass of the sample before and after the processing, and the depth of the engraving.
xii
xiii
Kazalo
Kazalo slik ... xv
Kazalo preglednic ... xvii
Seznam uporabljenih simbolov ... xix
Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 1
1.3 Struktura dela ... 1
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Teorija obdelave z AVC ... 3
2.1.1 Oprema za obdelavo z AVC ... 4
2.1.2 Parametri rezanja z AVC ... 5
2.2 Kriogeno podprta obdelava ... 7
2.2.1 Hlajenje obdelovalnih procesov ... 8
2.2.2 Kriogeno hlajenje ... 9
2.3 Kriogeno podprta obdelava z AVC ... 10
3 Metodologija raziskave ... 13
3.1 Materiali in vzorci ... 13
3.2 Metode in postopki ... 16
3.2.1 Uporabljeni stroji, pripomočki, orodja ... 16
3.2.2 Preizkuševališče ... 17
3.2.3 Obdelovalni parametri procesa in empirični model rezanja z AVC ... 21
3.2.4 Postopki izvajanja eksperimentov ... 22
3.2.5 Problemi pri izvajanju eksperimentov ... 24
4 Rezultati ... 27
4.1 Tehtanje vzorcev ... 32
4.2 Merjenje globine gravur ... 35
xiv
5 Diskusija ... 39
6 Zaključki ... 41
Literatura ... 43
xv
Kazalo slik
Slika 2.1 Injekcijski in suspenzijski tip rezalne glave [2]. ... 4
Slika 2.2 Tlak v: a) neposredno gnani batni črpalki, b) posredno gnani črpalki z ojačevalnikom [2] 4 Slika 2.3 Stroj za obdelavo z AVC OMAX [2] ... 5
Slika 2.4 Tipične oblike abrazivnih delcev [3]... 5
Slika 2.5 Vpliv odmika šobe na obliko in globino reza [3] ... 6
Slika 2.6 Nagib rezalne glave: a) v smeri rezanja, b) v nasprotno smer rezanja [3] ... 6
Slika 2.7 Vpliv lastnosti materiala na proces erozije: a) pri duktilnem materialu, b) pri krhkem materialu [3] ... 7
Slika 2.8 Značilnosti obdelave z AVC oz. kriteriji kvalitete reza [2] ... 7
Slika 2.9 Mesta, kjer se generira največ toplote pri odrezavanju [5] ... 8
Slika 2.10 Delitev hladilno-mazalnih tekočin ... 8
Slika 2.11 Kriogeno hlajenje pri procesu rezkanja [7] ... 9
Slika 2.12 Razlika v procesu priprave ledenih abrazivnih delcev: a) v rezalni glavi, b) v ločeni posodi [9] ... 11
Slika 2.13 Podhlajen obdelovanec po rezanju, prekrit z ledom [10] ... 11
Slika 3.1 Trapezne kladice za primerjalne teste učinkovitosti rezanja z AVC [1] ... 14
Slika 3.2 Dimenzije izdelanih vzorcev za izvajanje eksperimentov ... 15
Slika 3.3 Preizkušanec iz nerjavnega jekla s pripravljenimi luknjicami za termopare in že izvedeno eno gravuro. ... 16
Slika 3.4 Tehtanje vzorcev pred obdelavo na tehtnici v laboratoriju LMPS ... 17
Slika 3.5 Banjica za izvajanje eksperimentov ... 18
Slika 3.6 Obdelovanec na levem in desnem robu pritrjen na dno banjice s kladicami in maticami 19 Slika 3.7 Držali za termopare in ploščica za pritrditev (v sredini) ... 20
Slika 3.8 Ohišje za merilno kartico; levo postavitev kartice, desno zaprto vodoodporno ohišje ... 20
Slika 3.9 Postavitev eksperimenta pred obdelavo ... 22
Slika 3.10 Ohlajanje preizkušanca s tekočim dušikom ... 23
Slika 3.11 Zakasnitev začetka rezanja zaradi zamrznjene fokusirne šobe, obkrožena rdeče ... 24
Slika 3.12 Razlika v globini gravure, izdelane s počeno šobo (rdeče obkroženo) in izpravno šobo (modro obkroženo) na prerezu preizkušanca ... 24
Slika 4.1 Postavitev termoparov pri izvajanju eksperimenta ... 28
Slika 4.2 Primerjava temperatur na termoparu 2A pri graviranju nerjavnega jekla X5CrNi18-10 .. 29
Slika 4.3 Primerjava temperatur na termoparu 2A pri graviranju aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7 ... 29
Slika 4.4 Meritve temperature vzorca iz aluminijeve zlitine pri sobni temperaturi ... 30
Slika 4.5 Meritve temperature vzorca iz nerjavnega jekla pri sobni temperaturi. ... 31
Slika 4.6 Meritve temperature vzorca iz nerjavnega jekla pri podhlajevanju na kriogene temperature ... 31
Slika 4.7 Meritve temperature vzorca iz aluminijeve zlitine pri podhlajevanju na kriogene temperature ... 32
xvi
Slika 4.8 Primerjava mase erodiranega materiala med eksperimenti na toplih vzorcih (na sobni temperaturi T) in hladnih (na kriogeni temperaturi T) vzorcih iz materiala X5CrNi18-10 ... 34 Slika 4.9 Primerjava mase erodiranega materiala med eksperimenti na toplih vzorcih (na sobni
temperaturi T) in hladnih (na kriogeni temperaturi T) vzorcih iz materiala AlMg4,5Mn0,7 ... 35 Slika 4.10 Pogled prereza obdelovanca iz nerjavnega jekla X5CrNi18-10 ... 36 Slika 4.11 Pogled prereza obdelovanca iz aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7 ... 36 Slika 4.12 Primerjava doseženih globin pri eksperimentih na vzorcih pri sobni (topli) temperaturi in
kriogeno podhlajenimi vzorci iz materiala AlMg4,5Mn0,7 ... 37 Slika 4.13 Primerjava doseženih globin med eksperimenti na toplih vzorcih (na sobni temperaturi)
in hladnimi (kriogeno podhlajenimi) vzorci iz materiala X5CrNi18-10 ... 37
xvii
Kazalo preglednic
Preglednica 3.1 Fizikalne lastnosti materialov, ki smo jih uporabili v raziskavi ... 13 Preglednica 3.2 Kemijska sestava opazovanih materialov ... 14 Preglednica 3.3: Izbrani obdelovalni parametri ... 21 Preglednica 4.1 Globine gravur, mase vzorcev pred in po obdelavi ter izračunana masa erodiranega materiala za X5CrNi18-10... 33 Preglednica 4.2 Globine gravur, mase vzorcev pred in po obdelavi ter izračunana masa erodiranega
materiala za AlMg4,5Mn0,7. ... 33 Preglednica 4.3 Izračunana povprečja mase erodiranega materiala in standardna deviacija dobljenih rezultatov ... 34 Preglednica 4.4 Izračunana povprečja doseženih globin gravur ter standardna deviacija dobljenih
rezultatov ... 36
xviii
xix
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
Cz / konstanta
d mm premer šobe
E N/mm2 modul elastičnosti
h mm globina gravure
m g masa
ma g/s masni pretok abraziva
p Pa, bar tlak črpalke
Q / kvaliteta reza
R Ω · mm2 /m električna prevodnost
T °C temperatura
v mm/min hitrost
λ W/m·K toplotna prevodnost
ρ g/mm3 gostota
Indeksi
0 vodna šoba
c rezalni
EM erodiran material
f fokusirna šoba
kon končni
zač začetni
xx
xxi
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
AVC abrazivni vodni curek
CNC računalniško krmiljenje strojev
CO2 ogljikov dioksid
EN evropski standard
HMT hladilno-mazalna tekočina
LAT Laboratorij za alternativne tehnologije LCO2 tekoči ogljikov dioksid
LMPS Laboratorij za meritve v procesnem strojništvu
LN2 tekoči dušik
MQL hlajenje z minimalno količino hladilno mazalne tekočine
MS programska oprema Microsoft
scCO2 super kritični ogljikov dioksid
xxii
1
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Od proizvodnje se v današnjih časih pričakuje vse večjo produktivnost, nižje stroške izdelave, boljšo natančnost in kvaliteto izdelkov ter čim manjši negativni vpliv na okolje.
Zato želimo izboljšati obdelovalne postopke, da bodo bolj učinkoviti in bodo izpolnjevali zgoraj omenjene zahteve. Raziskovalci so predvsem na področju struženja in frezanja že razvili nekaj pristopov k optimizaciji procesov, kot so: MQL – hlajenje z minimalno količino hladilno-mazalne tekočine, visokotlačno hlajenje ter hlajenje s kriogenimi mediji. Na podoben način je mogoče izboljšati proces obdelave z abrazivnim vodnim curkom (AVC), kjer material obdelujemo s pomočjo erozije abrazivnih delcev. V dosedanjih raziskavah se je izkazalo, da podhladitev materiala do kriogenih temperatur privede do večje učinkovitosti rezanja z AVC ter boljše kakovosti izdelka.
1.2 Cilji
Cilj tega diplomskega dela je bolje spoznati učinke podhladitve obdelovanca na proces rezanja z AVC ter dobljene rezultate primerjati z že izvedenimi raziskavami in predstaviti nove ugotovitve. Zanimajo nas predvsem težje obdelovalni materiali, ki izkazujejo drugačne lastnosti pri kriogenih temperaturah. Predvidevamo, da bomo s pomočjo podhladitve materialov izboljšali njihovo obdelovalnost, skrajšali čase obdelave ter dosegli boljšo kvaliteto končnih izdelkov.
1.3 Struktura dela
V teoretičnem delu diplomske naloge je podrobneje predstavljeno ozadje postopka rezanja z AVC, ozadje kriogene obdelave ter teorija kriogene obdelave z AVC. Poglavje Metodologija raziskave zajema opis eksperimentalnega dela naloge, uporabljene opreme ter preizkušenih materialov. Predstavljena je naša izvedba eksperimentov, problemi pri izvedbi le-teh ter njihove rešitve. Dobljeni rezultati so predstavljeni, primerjani z rezultati drugih raziskav, diskutirani glede njihove ustreznosti ter povezani s teoretičnim znanjem.
Uvod
2
3
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Teorija obdelave z AVC
Nekonvencionalni postopki obdelave so se uveljavili v proizvodnji za obdelavo trših materialov in izdelavo zahtevnejših oblik, z namenom zagotavljanja boljše natančnosti obdelave, krajših obdelovalnih časov in zmanjševanja odpada [1]. Za razliko od konvencionalnih postopkov, kjer se obdelava vrši predvsem z mehanskimi procesi med orodjem in obdelovancem, se pri nekonvencionalnih procesih material odnaša predvsem s fizikalno-kemičnimi in toplotnimi procesi. V skupino nekonvencionalnih postopkov spada tudi postopek rezanja z AVC.
Človek izkorišča vodno energijo že zelo dolgo, od pridobivanja mehanske in električne energije, do koristnega orodja za gašenje požarov, čiščenje in preoblikovanje ter rezanje.
Predstavlja relativno dostopen vir energije, ki ima ob spreminjanju tlaka vode in pretoka vode neskončne možnosti uporabe, zato se je uveljavil tudi v industriji. Pod visokim tlakom (1500 – 2500 bar) je lahko energija vodnega curka uporabljena za rezanje nekaterih mehkejših materialov, izdelkov v živilski industriji in v medicinske namene. Za obdelavo trših in debelejših materialov pa je vodnemu curku potrebno dodati abrazivne delce v obliki peska. Mehanizem obdelave z abrazivnim vodnim curkom tako temelji na procesu erozije trdih delcev. Erozija je način obrabe materiala zaradi konstantnega udarjanja abrazivnih delcev vanj, zaradi česar pride do odnašanja osnovnega materiala. Abrazivni delci se gibljejo v vodnem curku z visoko hitrostjo in ob udarcu ob obdelovanec na njem ustvarijo poškodbe oz. kraterje. Velikost nastalih kraterjev je odvisna od: hitrosti abrazivnih zrn, vpadnega kota zrn, vrste materiala in vrste abraziva [2].
Poznamo dva tipa formiranja abrazivnega vodnega curka, ki se razlikujeta v obliki rezalne glave ter v načinu mešanja vode in abraziva, razlike so predstavljene na sliki 2.1:
a) suspenzijski AVC – predhodno zmešana zmes vode in abraziva (suspenzija), ki je pod visokim tlakom potisnjena skozi diamantno šobo, problem je mašenje šobe pri zaustavitvi curka;
b) injekcijski AVC – voda je pod visokim tlakom privedena v mešalno komoro, kjer se ji primešata abrazivni material in zrak, preko pospeševalne šobe je AVC doveden do materiala z visoko hitrostjo in pod visokim tlakom.
Teoretične osnove in pregled literature
4
Slika 2.1 Injekcijski in suspenzijski tip rezalne glave [2].
2.1.1 Oprema za obdelavo z AVC
Osrednji del stroja za obdelavo z abrazivnim vodnim curkom in z injekcijsko glavo je visokotlačna črpalka, ki vodo iz vodovodnega omrežja pod visokim tlakom dovede do rezalne glave. Uporabljata se dve vrsti visokotlačnih črpalk: neposredno gnana in posredno gnana z ojačevalnikom. Pri neposredno gnani batni črpalki se več batov pomika glede na rotacijo ročične gredi, pogon oz. rotacijo gredi zagotavlja elektromotor. V enem obratu motorja oz. enem ciklusu se zgodi več zaporednih hodov batov, ki se med seboj pokrivajo in s tem zagotavljajo konstanten visoki tlak z zelo majhnim nihanjem. Slika 2.2 pod a) prikazuje proizvajanje visokega tlaka pri batni črpalki, kjer graf modre, rdeče ali zelene barve predstavlja delovanje posameznega bata, črna barva pa skupni tlak črpalke brez nihanja. Posredno gnana črpalka proizvaja visok vodni tlak s pomočjo ojačevalca z dvojnim hodom, gnanega s pomočjo oljne črpalke. Ker se hoda ojačevalca ne pokrivata in med njima pride do padca tlaka, je v sistemu akumulator, ki zmanjša padec tlaka med hodoma. Slika 2.2 pod b) prikazuje tlak v posredno gnani črpalki. S črno barvo je na grafu označen tlak po delovanju akumulatorja [2].
Slika 2.2 Tlak v: a) neposredno gnani batni črpalki, b) posredno gnani črpalki z ojačevalnikom [2]
Teoretične osnove in pregled literature
5 V glavi se preko vodne šobe vodni curek stanjša in še pospeši in vstopi v mešalno komoro.
V komoro poleg abraziva preko gravitacijskega ali pnevmatskega dovoda vstopa tudi zrak, oba elementa se zmešata z vodnim curkom in pospešita skozi pospeševalno šobo. Curek ima na izhodu 3 faze: voda, abraziv in zrak. Slika 2.3 prikazuje zgradbo stroja za obdelavo z abrazivnim vodnim curkom.
Slika 2.3 Stroj za obdelavo z AVC OMAX [2]
2.1.2 Parametri rezanja z AVC
Parametre procesa obdelave z AVC v osnovi razdelimo v tri skupine: vhodni parametri, parametri procesa in izhodni parametri. Na vhodu nam obliko in energijo AVC definirajo:
a) geometrija rezalne glave – premer vodne šobe, premer fokusirne šobe, dolžina fokusirne šobe, oblika mešalne komore;
b) procesni parametri AVC – tlak vode, pretok vode, pretok abraziva; od teh parametrov je odvisna kinetična energija vodnega curka in posledično zmogljivost procesa;
c) abraziv – vrsta, oblika zrn, zrnatost; višja kot je trdota obdelovanca, bolj trd abraziv je potreben; večja zrna abraziva doprinesejo k manjši globini penetracije zaradi nižje frekvence udarcev abrazivnih delcev v obdelovanec; tipične oblike abraziva so prikazane na sliki 2.4 [2].
Slika 2.4 Tipične oblike abrazivnih delcev [3]
Teoretične osnove in pregled literature
6
K vhodnim parametrom spadajo tudi podatki o kinematiki procesa: podajalna hitrost, usmerjenost curka, odmik fokusirne šobe od obdelovanca in naklon rezalne glave glede na obdelovanca [3]. Vpliv odmika šobe na rez prikazuje slika 2.5, princip naklona rezalne glave pa je prikazan na sliki 2.6.
Slika 2.5 Vpliv odmika šobe na obliko in globino reza [3]
Slika 2.6 Nagib rezalne glave: a) v smeri rezanja, b) v nasprotno smer rezanja [3]
Drugi vhodni podatki procesa se nanašajo na debelino samega obdelovanca, material obdelovanca in njegove lastnosti, strukturo ter njegovo obdelovalnost. Vpliv duktilnosti materiala na proces erozije je prikazan na sliki 2.7.
Na razmere med samim rezanjem na rezalni fronti vplivajo procesni parametri.
Izhod rezanja z AVC definira učinkovitost rezanja oz. globina reza ter kvaliteta rezanja, ki se ocenjuje glede na hrapavost površine reza, profil površine, valovitost površine, zaostajanje brazd in koničnost reza – te značilnosti izdelka so prikazane na sliki 2.8 [2].
Teoretične osnove in pregled literature
7 Slika 2.7 Vpliv lastnosti materiala na proces erozije: a) pri duktilnem materialu, b) pri krhkem
materialu [3]
Slika 2.8 Značilnosti obdelave z AVC oz. kriteriji kvalitete reza [2]
2.2 Kriogeno podprta obdelava
Pojem kriogeno podprte obdelave je v proizvodnji že dalj časa uveljavljen in dobro poznan.
V naslednjih poglavjih je predstavljeno teoretično ozadje kriogeno podprte obdelave in razlogi za izbiro omenjenega postopka.
Teoretične osnove in pregled literature
8
2.2.1 Hlajenje obdelovalnih procesov
Pri obdelovalnih procesih se zaradi trenja in deformacij materiala kot stranski produkt izloča toplota, ki pospešuje obrabo orodja in mu zmanjšuje življenjsko dobo, kar posledično negativno vpliva na doseganje želenih dimenzij in kvalitete izdelka. Pri procesih odrezavanja materiala se največ toplote generira na treh mestih, kot prikazuje slika 2.9: (i) na mestu plastične deformacije materiala, (ii) na mestu trenja med odrezkom in orodjem ter (iii) na mestu trenja med orodjem in obdelovancem [5].
Da bi preprečili poškodbe orodja zaradi visokih temperatur in zagotovili ustreznost izdelkov, pri konvencionalnih procesih v obdelovalno cono dovajamo hladilno-mazalne tekočine (HMT), ki znižujejo temperaturo obdelovanca in orodja in zmanjšujejo trenje med njima.
Slika 2.10 prikazuje osnovno delitev hladilno-mazalnih tekočin.
Slika 2.9 Mesta, kjer se generira največ toplote pri odrezavanju [5]
Slika 2.10 Delitev hladilno-mazalnih tekočin
Teoretične osnove in pregled literature
9 Rezalna olja so olja na mineralni ali rastlinski bazi in imajo v obdelovalnem procesu predvsem mazalni učinek, zato so primerna za aplikacije, kjer se pojavlja visok tlak med obdelovancem in orodjem. Vodne mešanice poleg mazanja zagotavljajo boljše hlajenje procesa, zato se primarno uporabljajo pri procesih z višjimi obdelovalnimi hitrostmi in manjšimi obremenitvami orodja. Za doseganje boljše penetracije med orodjem in obdelovancem pa se uporablja plinske HMT, kamor spada tudi kriogeno podprta obdelava [6].
Veliko slabost konvencionalnih HMT predstavlja nevarnost za okolje ob razgradnji ter negativen vpliv na zdravje operaterja, kar je pomemben razlog za razvoj alternativnih okolju in zdravju prijaznih načinov hlajenja.
2.2.2 Kriogeno hlajenje
Kriogeno hlajenje je postopek, kjer v obdelovalni proces dovajamo medij pod zelo nizkimi temperaturami (pod –150 °C). V proizvodnji se v ta namen večinoma uporabljata tekoči dušik N2 ali tekoči ogljikov dioksid CO2. Dušik predstavlja večino (78 %) volumna zraka v atmosferi, je brezbarven, brez okusa in vonja in ni strupen. Temperatura tališča N2 je pri – 209,9 °C, temperatura vrelišča pri –198,8 °C. Te karakteristike definirajo tekoči dušik kot odličen hladilni medij, ki učinkovito hladi obdelovalni proces in spreminja določene značilnosti obdelovalnega materiala [4].
Uporaba kriogenega hlajenja namesto konvencionalnega ima tudi druge praktične prednosti, kot so: čisti končni izdelki, vzdrževanje LN2 ni potrebno, ni potrebno čiščenje odrezkov iz HMT, reciklaža ni potrebna, saj se N2 razgradi v atmosfero brez kakršnihkoli škodljivih učinkov [6]. Na sliki 2.11 je prikazano kriogeno hlajenje pri procesu rezkanja, kjer lahko vidimo zelo čisto obdelovalno mizo brez ostankov HMT, saj tekoči dušik hitro izhlapi.
Kriogen medij se dovaja direktno v rezalno cono s pomočjo komprimiranega zraka, kjer hladi orodje in obdelovanec.
Slika 2.11 Kriogeno hlajenje pri procesu rezkanja [7]
Teoretične osnove in pregled literature
10
Kot že omenjeno, ima kriogeno hlajenje zaradi nizkih temperatur medija in plinaste oblike zelo dobro hladilno sposobnost, saj lahko prodre v manjše prostore ter med orodje in obdelovanec in tako deluje na vse tri cone generiranja toplote v procesu. Nizke temperature medija vplivajo tudi na mikrostrukturo obdelovanca in tako lahko spremenijo obdelovalne lastnosti materiala. Dokazano je, da izpostavljanje materiala kriogenim temperaturam vpliva na njegovo kristalno strukturo in posledično na lastnosti materiala. Povečata se trdota in natezna trdnost materiala, udarna trdnost in žilavost pa se zmanjšata. Omenjene spremembe imajo velik pomen pri obdelavi t. i. težjeobdelovalnih duktilnih materialov. Zmanjšana duktilnost materiala pomeni manj plastičnih deformacij pri obdelavi, odrezek postane lomljiv, zmanjša se trenje med orodjem in obdelovancem ter med orodjem in odrezkom.
Posledično lahko zagotovimo boljšo kvaliteto površine, daljšo življenjsko dobo orodja in višje obdelovalne hitrosti oz. večjo produktivnost procesa.
Kot alternativo tekočemu dušiku lahko za hlajenje procesa uporabimo ogljikov dioksid (CO2). Avtorji študije [11] so pri brušenju visoko legiranega jekla 300M opazovali učinek hlajenja procesa s CO2. Superkritični CO2, to je ogljikov dioksid v tekoči obliki pri temperaturi 31,2 °C in tlaku nad 73,8 bar, so v proces brušenja dovajali samostojno ali skupaj s kapljicami vode in olja. Ugotovili so, da so pri hlajenju procesa s superkritičnim CO2
dosegli boljšo hrapavost izdelka in manjšo plastično deformacijo ter večjo trdoto površine obdelovanca.
2.3 Kriogeno podprta obdelava z AVC
Proces obdelave z AVC ima pred konvencionalnimi postopki prednost, da je sposoben obdelave trših materialov ob manjši generaciji toplote in boljši integriteti površine.
Znanstveniki so v preteklosti v raziskavah [1], [9] in [10] sistem kriogenega hlajenja že vpeljali v proces obdelave z AVC z namenom izboljšanja produktivnosti, globine reza, hitrosti odnašanja materiala in končne integritete površine. Ugotovili so, da spremembe materiala zaradi kriogenih temperatur pozitivno vplivajo na učinkovitost AVC.
Materialu se pri kriogenih temperaturah poveča trdota in zmanjša udarna žilavost, kar pomeni nastanek večjih kraterjev in razpok v materialu ob udarcu abrazivnega delca v material in manj odrivanja materiala ter posledično boljši izkoristek energije AVC, kot je prikazano na sliki 2.7.
Raziskovalci so v študiji [9] preizkušali verzijo obdelave z AVC, kjer klasični abrazivni material nadomesti ledeni abraziv, proizveden s pomočjo kriogenega plina. Ledeni delci lahko nastanejo v rezalni glavi z dovajanjem kriogenega plina, ki v mešalni komori zamrzne del vodnih kapljic. Drugi način izdelave ledenega abraziva je v ločeni posodi z mešanjem kriogenega plina in kapljic vode ter dovajanjem zamrznjenih delcev v rezalno glavo. Razlika med obema načinoma je prikazana na sliki 2.12. Prednost obdelave z ledenim abrazivom je, da obdelovanec ne ostane kontaminiran z abrazivnim materialom. Zaradi čistosti procesa so raziskovalce zanimale predvsem aplikacije pri obdelavi krhkih materialov, hrane, bioloških materialov, elektronike in občutljivih izdelkov.
Teoretične osnove in pregled literature
11 Slika 2.12 Razlika v procesu priprave ledenih abrazivnih delcev: a) v rezalni glavi, b) v ločeni
posodi [9]
Uhlar in ostali [10] so raziskali proces rezanja kriogeno obdelanega materiala z AVC.
Obdelavo so izvajali na vzorcih nerjavnih jekel Wr.Nr. 1.4307, 1.4845 in 1.4404, ki so jih predhodno ohladili v kriogenem mediju. Vzorci so se v tekočem dušiku namakali tri ure in se ohladili na približno –195 °C, nato so vzorce premaknili iz dušika na obdelovalni stroj.
Med obdelavo in segrevanjem vzorca so merili njegovo temperaturo 10 mm od reza.
Obdelovanec je bil po obdelavi prekrit z ledom, kot je prikazano na sliki 2.13. Opazili so manjše izboljšanje v kvaliteti reza v primerjavi z AVC pri sobni temperaturi materiala, saj se je v primeru povečanja hrapavosti površine zmanjšala koničnost reza in obratno.
Slika 2.13 Podhlajen obdelovanec po rezanju, prekrit z ledom [10]
Avtorji študije [1] so raziskovali kriogeno podprto rezanje oz. dovajanje kriogenega medija v proces rezanja Al zlitine AlMg4,5Mn pri treh kombinacijah različnih tlakov vodnega curka
Teoretične osnove in pregled literature
12
(100 MPa, 125 MPa in 150 MPa), granulacij abraziva (80, 100 in 120) in nagibov rezalne glave (70°, 80° in 90°). Dokazali so, da kriogeno podprta obdelava doprinese k večji globini penetracije vodnega curka ter manjši koničnosti reza. Hrapavost površine je bila manjša v primerjavi s klasičnim AVC, prav tako je bilo v površini opaziti manj brazd, kraterjev in kontaminacije z abrazivom.
13
3 Metodologija raziskave
V tem poglavju je predstavljen eksperimentalni del diplomske naloge, kar zadeva uporabljeno tehniko in tehnologijo za raziskavo ter opis izbranih materialov za primerjavo v raziskavi.
3.1 Materiali in vzorci
Želeli smo raziskati vpliv kriogenih temperatur na obdelavo dveh pogosto uporabljenih materialov: nerjavnega jekla X5CrNi18-10 ter aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7. Oba materiala sta v industriji pogosta in relativno dostopna ter dokazano spreminjata lastnosti pri kriogenih temperaturah. Glavne fizikalne lastnosti materialov so prikazane v preglednici 3.1.
Nerjavno jeklo X5CrNi18-10 - ali s komercialno oznako AISI304 - je zaradi dobre korozijske odpornosti in obdelovalnosti ter sposobnosti za varjenje eno najpogosteje uporabljenih nerjavnih jekel. Zaradi teh lastnosti se uporablja v vseh vrstah aplikacij, tako v zaprtih prostorih kot na prostem. Kemična sestava materiala v odstotkih skupne mase je prikazana v preglednici 3.2 [12].
Aluminijeva zlitina AlMg4,5Mn0,7 spada med neutrdljive (naravno trde) zlitine, katere trdnosti ne moremo povečati s toplotno obdelavo. Zaradi dobre korozivne odpornosti se omenjena zlitina dosti uporablja v ladjedelništvu, avtomobilski in kemični industriji.
Kemična sestava zlitine je prikazana v preglednici 3.2 [13].
Preglednica 3.1 Fizikalne lastnosti materialov, ki smo jih uporabili v raziskavi
lastnost enota X5CrNi18-10 AlMg4,5Mn0,7
modul elastičnosti ·103 N/mm2 200 71
gostota g/mm3 7,92 2,66
toplotna prevodnost W/m·K 15 117
električna upornost Ω · mm2/m 0,73 0,06
Metodologija raziskave
14
Preglednica 3.2 Kemijska sestava opazovanih materialov
C Mn P S Cr Si N Ni
X5CrNi18-10 Min % 17,5 8
Max % 0,07 2 0,045 0,015 19,5 1 0,11 10,5
Fe Si Mn Cr Ti Cu Mg Zn drugi
AlMg4,5Mn0,7 Min % 0,4 0,05 0,1 4 skupno
0,15 Max % 0,4 0,4 1 0,25 0,15 0,1 4,9 0,25
Za vrednotenje učinkovitosti procesa obdelave z AVC se večinoma uporabljata dva načina primerjalnih testov:
• rezanje v kladice trapezne oblike s spremenljivo debelino – opazujemo, kolikšno debelino preizkušanca uspe prerezati AVC; takšen princip je prikazan na sliki 3.1;
• graviranje – z AVC na obdelovancu enakomerne debeline naredimo ravno zarezo manjše globine od debeline obdelovanca (gravura); pred in po graviranju vzorec stehtamo, razlika v masi predstavlja količino odnesenega materiala.
Slika 3.1 Trapezne kladice za primerjalne teste učinkovitosti rezanja z AVC [1]
Za raziskavo izboljšanja učinkovitosti procesa rezanja z AVC pri podhlajevanju materiala smo izbrali princip primerjalnih testov z graviranjem v preizkušance in opazovanjem razlike v količini erodiranega materiala. Vzorce za to vrsto primerjalnih testov je lažje pripraviti, saj so enakomerne debeline in jih izrežemo iz pločevine željene debeline.
Metodologija raziskave
15 Pred izvajanjem eksperimentov smo morali pripraviti zadostno število vzorcev iz obeh materialov, ki smo jih dobili v obliki pločevine debeline 10 mm. Najprej smo s pomočjo abrazivnega vodnega curka iz pločevine izrezali obdelovance dimenzij 100 mm x 100 mm in debeline 10 mm. Na osnovno ploskev vzorcev so v Laboratoriju za odrezavanje na CNC rezkalnem stroju izvrtali 24 luknjic premera 1,8 mm in globine 3 mm, kamor smo kasneje vstavljali termopare za merjenje temperature obdelovanca. Na enem obdelovancu smo predvideli prostor za sedem ponovitev eksperimentov, temperaturo med eksperimentom pa smo želeli meriti s skupno šestimi termopari, enakomerno oddaljenimi od poti graviranja.
Dimenzije preizkušanca in postavitev lukenj so prikazane na sliki 3.2 , na sliki 3.3 pa je prikazan pripravljen preizkušanec z že izvedeno gravuro. Pripravili smo po štiri preizkušance iz posameznega materiala, skupno osem vzorcev, kar zadostuje za 56 eksperimentov.
Slika 3.2 Dimenzije izdelanih vzorcev za izvajanje eksperimentov
Metodologija raziskave
16
Slika 3.3 Preizkušanec iz nerjavnega jekla s pripravljenimi luknjicami za termopare in že izvedeno eno gravuro.
3.2 Metode in postopki
Ker je vsebina diplomske naloge relativno specifična, smo v laboratoriju morali pripraviti metodologijo raziskave na novo, z vsemi pripomočki in določenimi parametri obdelave.
Natančen opis priprave na eksperimente in postopek izvajanja le-teh so predstavljeni v spodnjih poglavjih.
3.2.1 Uporabljeni stroji, pripomočki, orodja
Eksperimenti so bili izvedeni v prostorih Laboratorija za alternativne tehnologije Fakultete za strojništvo. Potrebne pritrdilne elemente ter pripomočke za izvajanje eksperimentov smo izdelali v veliki večini sami v laboratoriju, na stroju za rezanje z AVC, rezkalno-vrtalnem stroju in klasični stružnici, varili smo na varilnem aparatu po MAG postopku. Izdelava in priprava preizkuševališča je podrobneje predstavljena v poglavju 3.2.2.
Osrednji element za izvajanje raziskave je bil stroj za rezanje z abrazivnim vodnim curkom znamke OMAX, model 2652A. Stroj ima zmožnost obdelave formatov pločevine do velikosti 1200 mm x 600 mm, visokotlačna črpalka stroja pa omogoča tlak vodnega curka
Metodologija raziskave
17 do 400 MPa. V splošnem se za obdelavo z omenjenim strojem tlak vodnega curka nastavi na 300 MPa, takšen tlak smo uporabili tudi pri eksperimentih v zvezi z raziskavo.
Obdelovanci so bili pred in po obdelavi stehtani v Laboratoriju za meritve v procesnem strojništvu (LMPS) na Fakulteti za strojništvo, s pomočjo precizne tehtnice METTLER TOLEDO tipa XPR2004SC. Posebnost omenjene tehtnice je njena zmogljivost tehtanja merjencev z maso do 2300 g, najmanjši razdelek meritve pa je 0,1 mg. Pri tej raziskavi so obdelovanci iz nerjavnega jekla tehtali približno 780 g, kar je presegalo zmogljivost večine laboratorijskih preciznih tehtnic na fakulteti, zato je bila tehtnica iz LMPS najbolj primerna za vrednotenje dobljenih rezultatov. Tehtanje vzorca na omenjeni precizni tehtnici, v komori za izničevanje zunanjih vplivov je prikazano na sliki 3.4.
Slika 3.4 Tehtanje vzorcev pred obdelavo na tehtnici v laboratoriju LMPS
Temperature obdelovancev so bile zajete s šestimi termočleni tipa T, postavljenimi v smeri obdelave, s 5 mm odmika od rezalne cone, na globini 3 mm. Vrednosti, izmerjene s termopari, smo zajemali na prenosni računalnik preko merilne kartice MEASUREMENT COMPUTING tipa USB-2416 in programske opreme Labview.
3.2.2 Preizkuševališče
Za kvalitetno izvajanje meritev je bilo potrebno zagotoviti ponovljivost meritev in vsem mogočim dejavnikom preprečiti vpliv na meritve.
Metodologija raziskave
18
Glavne zahteve za kvalitetno izvajanje naših eksperimentov so bile:
• zagotavljanje zadostne količine dušika okrog obdelovanca pred in med obdelavo;
• pozicioniranje obdelovancev na stroj in njihova pričvrstitev;
• pozicioniranje in pričvrstitev termoparov na obdelovanec;
• zaščita merilne kartice pred abrazivnim materialom in vlago v zraku.
Pred samim izvajanjem eksperimentov smo v laboratoriju izdelali potrebne pripomočke za lažje delo. Ker smo želeli opazovati vpliv nizkih temperatur na proces rezanja z AVC, je bilo potrebno obdelovanec pred samo obdelavo ohladiti v kopeli tekočega dušika na –198 °C.
Odločili smo se, da kopel z LN2 postavimo na obdelovalno mizo stroja, na mesto, kjer bo potekalo graviranje obdelovanca. Iz pločevine smo izrezali stranice banjice, jih sestavili in zavarili skupaj ter banjico pritrdili na obdelovalno mizo stroja za AVC. Stranice banjice smo za zmanjšanje izgub tekočega dušika dodatno izolirali s stirodurjem, kot je vidno na sliki 3.5, v notranjem delu banjice smo privarili matice in privijačili navojne palice za pritrditev obdelovancev. Takšen sistem ohlajanja ima pred sistemom v študiji [10], kjer so raziskovalci podhlajen material iz kopeli prenesli na mizo stroja in ga pričeli obdelovati, več prednosti;
pri naših eksperimentih smo imeli ob začetku graviranja obdelovanec konstantno podhlajen na –198 °C, v omenjeni študiji pa se je obdelovanec v času prestavljanja že segrel in je tako ob začetku obdelave imel temperaturo okrog –170 °C. Drugo prednost sistema z banjico predstavlja tekoči dušik, ki ostane med samo obdelavo v banjici in ves čas dodatno ohlaja obdelovanec ter tako zagotavlja še bolj verodostojne in ponovljive rezultate eksperimentov, saj se obdelovanec v splošnem med graviranjem močno segreje, kar lahko izniči vpliv kriogenega ohlajanja obdelovancev.
Slika 3.5 Banjica za izvajanje eksperimentov
Metodologija raziskave
19 Obdelovanec je potrebno čvrsto pritrditi na obdelovalno mizo stroja, saj nanj med rezanjem oz. graviranjem deluje abrazivni vodni curek s silami, ki lahko povzročijo vibracije obdelovanca ali premik iz začetne točke. Pomembno je, da takšne neželene premike preprečimo, saj premiki obdelovanca lahko vplivajo na pot curka in posledično končno gravuro, kar bi v našem primeru dalo neverodostojne rezultate eksperimentov. S tem namenom smo iz aluminija na rezkalnem stroju izdelali kladice, ki so obdelovanec vzdolž dveh stranic pričvrstile v zgoraj omenjeno banjico, kot je prikazano na sliki 3.6.
Temperature obdelovanca smo, kot že omenjeno, merili s pomočjo termoparov tipa T, ki so bili vstavljeni v pripravljene luknjice globine 2 mm v obdelovanec. Za čvrsto pritrditev termoparov na obdelovanec in zagotavljanje dobrega stika med materialom in tipalom smo izdelali posebna držala, prikazana na sliki 3.7. Držala so oblikovana tako, da termopari stojijo pod kotom 60° glede na obdelovanec, saj smo tako zmanjšali skupno višino elementov v eksperimentu, ki je bila omejena z dolžino elementov na rezalni glavi stroja in posledično možnostjo potovanja glave stroja preko termoparov in ostalih elementov. Par držal je privijačen v ploščico, ki nalega na spodnjo stran obdelovanca in vse skupaj čvrsto objame obdelovanec.
Merilna kartica je bila med izvajanjem eksperimentov v neposredni bližini stroja, zato smo jo želeli čimbolj zaščititi pred pršenjem vode, abraziva in tekočega dušika med obdelavo. Iz plastične elektro omarice smo izdelali vodoodporno ohišje, za dovod termoparov in kablov do kartice smo ob straneh ohišja pritrdili izdelane uvodnice iz penaste gume. S tem smo zagotovili zelo dobro vodoodpornost sistema in dobro zaščito kartice, pripomoglo je tudi k ugodni razporeditvi kablov in termoparov pri izvajanju eksperimentov. Ohišje prikazuje slika 3.8.
Slika 3.6 Obdelovanec na levem in desnem robu pritrjen na dno banjice s kladicami in maticami
Metodologija raziskave
20
Slika 3.7 Držali za termopare in ploščica za pritrditev (v sredini)
Slika 3.8 Ohišje za merilno kartico; levo postavitev kartice, desno zaprto vodoodporno ohišje
Metodologija raziskave
21
3.2.3 Obdelovalni parametri procesa in empirični model rezanja z AVC
Parametre procesa obdelave z AVC v osnovi razdelimo v tri skupine: vhodni parametri, parametri procesa in izhodni parametri. Procesni parametri, ki smo jih spremljali in nastavljali v naši raziskavi, so:
• tlak vodnega curka p,
• premer vodne d0 in fokusirne šobe df,
• željena kvaliteta reza Q,
• material oz. obdelovalno število materiala Nm,
• masni pretok abrazivnega materiala ma,
• hitrost rezanja v.
Medsebojno odvisnost naštetih obdelovalnih parametrov in njihov vpliv na proces obdelave z AVC popisuje empirični model rezanja z AVC z enačbo 3.1. Enačba se uporablja predvsem za izračun potrebne rezalne hitrosti glede na ostale določene parametre, z obračanjem enačbe pa lahko po potrebi na isti način izračunamo ostale parametre.
𝑣 = (𝑁𝑚∙ 𝑝1,549∙ 𝑑01,374∙ 𝑚a0,343 𝑐𝑧∙
ℎ
∙ 𝑞 ∙ 𝑑f0,618 )1,15
3.1
V raziskavi smo želeli potrditi tezo, da kriogene temperature izboljšajo učinkovitost procesa s spreminjanjem obdelovalnosti materiala Nm. Boljša učinkovitost procesa se kaže v doseganju večjih globin rezanja h oz. v količini odnesenega materiala. Da bi jasno videli medsebojno odvisnost Nm in h ter vpliv kriogenih temperatur na omenjeni spremenljivki, smo ostale parametre za vse eksperimente nastavili na konstantne vrednosti, prikazane v preglednici 3.3, in se tako izognili njihovemu vplivu na učinkovitost procesa.
Preglednica 3.3: Izbrani obdelovalni parametri
PARAMETER KOLIČINA ENOTA
premer vodne šobe d0 0,3 mm
premer fokusirne šobe df 0,78 mm
tlak črpalke p 300 MPa
masni pretok abraziva ma 6,2 g/s
hitrost rezanja Vc 1400 mm/min
kvaliteta reza Q 5 /
Konstanta Cz 8800 /
Metodologija raziskave
22
3.2.4 Postopki izvajanja eksperimentov
Kot že omenjeno v poglavju 3.1, se za vrednotenje učinkovitosti procesa obdelave z abrazivnim vodnim curkom lahko uporablja dva primerjalna testa: (1) z zarezovanjem v kladice trapezne oblike in opazovanjem maksimalne prerezane globine ali (2) z graviranjem v ploščate obdelovance enakomerne debeline ter računanjem diference v masi vzorca pred in po graviranju. Izbrali smo drugi način testa, saj je v tem primeru lahko celoten obdelovanec pri eksperimentih s kriogenimi temperaturami ležal v tekočem dušiku tudi med samim graviranjem.
Najprej smo vse preizkušance stehtali in tako določili osnovo za opazovanje spreminjanja mase obdelovancev po eksperimentih. Eksperimente smo izvajali za oba materiala in za vse ponovitve po enakem postopku. V pripravljene luknjice v obdelovancu smo vbrizgali termalno pasto in nanj privijačili držala za termopare, ki so opisana v poglavju 3.2.2. Med obdelovanec in držala smo vstavili tesnilo iz gumijastega traka, da bi preprečili vdor vode in tekočega dušika v luknjice za termopare, kar bi lahko privedlo do slabih odčitkov temperature obdelovanca. Sestav smo pritrdili v banjico na mizi obdelovalnega stroja in s pomočjo držal v luknjice v obdelovancu vstavili termopare. Rezalno glavo smo približali mestu graviranja, kot je vidno na sliki 3.9, ter nastavili odmik fokusirne šobe od obdelovanca.
Slika 3.9 Postavitev eksperimenta pred obdelavo
Metodologija raziskave
23 Pot rezalne glave oz. trajektorijo graviranja smo nastavili tako, da je bil začetek in konec rezanja izven obdelovanca. Tako smo dobili enakomerno gravuro po vsej dolžini in se izognili razlikam v hitrosti rezanja pri začetku in koncu reza. Med graviranjem smo na prenosnem računalniku s pomočjo programa Labview merili spreminjanje temperature obdelovanca. Po končani obdelavi smo sistem razstavili in pred tehtanjem preizkušanec dobro očistili. Izvedli smo po pet ponovitev eksperimentov pri sobni temperaturi za vsak material.
Eksperimenti pri kriogenih temperaturah se v sami pripravi niso dosti razlikovali od tistih pri sobni temperaturi. Ko je bil vzorec pozicioniran v banjici na mizi stroja in termopari vstavljeni, smo pričeli z ohlajanjem vzorca. Tekoči dušik smo iz jeklenke prelili najprej v izolirno banjico iz stiropora, nato smo ga prelivali v banjico na stroju, kot je prikazano na sliki 3.10. Obdelovanci so se ohlajali relativno počasi, zato smo morali dušik dolivati postopoma in spremljati njihove temperature, ki smo jih merili s termopari. Ko je vzorec dosegel temperaturo –198 °C, smo dolili tekoči dušik do zgornjega roba preizkušanca, nastavili pot rezanja in odmik fokusirne šobe od obdelovanca ter pričeli z graviranjem. Po končani obdelavi smo v banjico dolili toplo vodo, da se je led v njej stopil in smo lahko razstavili sistem, vzorec dobro očistili in pripravili na tehtanje.
Slika 3.10 Ohlajanje preizkušanca s tekočim dušikom
Metodologija raziskave
24
3.2.5 Problemi pri izvajanju eksperimentov
Eksperimenti pri sobni temperaturi so potekali brez večjih zapletov, a smo pri eksperimentih s kriogenimi temperaturami žal naleteli na kar nekaj težav. Nekajkrat smo preizkus morali ponoviti zaradi zamrznjene fokusirne šobe ali dovoda abraziva. Ker je tlak AVC moral v fokusirni šobi narasti toliko, da je prebil leden zamašek, se je medtem glava stroja že premaknila z začetne točke po programirani poti, curek pa je pričel z rezanjem šele v samem materialu, kot je vidno na sliki 3.11, in ne izven obdelovanca.
Največ preglavic je povzročalo zelo pogosto in nepredvidljivo pokanje vodnih šob, kar se je kazalo v zelo majhni globini gravure v primerjavi z gravuro, izvedeno pri sobni temperaturi, kot je vidno na sliki 3.12. Predvidevali smo, da je v vodni šobi v trenutku, ko smo rezalno glavo približali podhlajenemu obdelovancu, zamrznila kapljica vode, kar je privedlo do hipnega povečanja volumna vode v šobi in njenega pokanja. Opazili smo, da stroj po rezanju ne sprosti tlaka v rezalni glavi, zato je voda pod visokim tlakom puščala skozi vodno šobo, kjer je zamrznila. Začasno smo morali prekiniti z izvajanjem eksperimentov in se posvetiti popravilu ventila za sprostitev tlaka v sistemu, kar nam je tudi uspelo in smo lahko nemoteno nadaljevali z raziskavo. Zaradi neuspelih poskusov smo pri kriogenih temperaturah izvedli skupno okrog 15 ponovitev eksperimentov.
Slika 3.11 Zakasnitev začetka rezanja zaradi zamrznjene fokusirne šobe, obkrožena rdeče
Slika 3.12 Razlika v globini gravure, izdelane s počeno šobo (rdeče obkroženo) in izpravno šobo (modro obkroženo) na prerezu preizkušanca
Metodologija raziskave
25 Drugo težavo je predstavljala velika poraba tekočega dušika. Opazili smo, da imamo veliko izgub temperature skozi stranice in dno banjice, zato smo jo izolirali s stirodurjem. V banjico smo dolili vodo, da je njena gladina segala nekaj milimetrov pod spodnjo ploskvijo preizkušanca, s tem smo pri dolivanju dušika in ohlajanju vode dobili led, ki je posredno ohlajal obdelovanec in izoliral spodnjo ploskev banjice. Kriogeno podhlajene eksperimente smo izvajali neprekinjeno enega za drugim, da se banjica in pritrdilni elementi niso segrevali.
Vsi našteti ukrepi so izdatno zmanjšali porabo tekočega dušika.
Metodologija raziskave
26
27
4 Rezultati
V poglavju Rezultati so predstavljene vrednosti dobljenih meritev med in po eksperimentih ter končni produkti eksperimentov. Zanimale so nas temperature obdelovancev med obdelavo in njihovo spreminjanje zaradi obdelave ter količina erodiranega oz. odnesenega materiala po obdelavi kot glavni parameter vrednotenja učinkovitosti procesa rezanja z AVC v naši raziskavi.
Eksperimente, izvedene na posameznem materialu, smo označevali s kombinacijo črke in zaporedne številke. Črka S označuje eksperimente na vzorcu pri sobni temperaturi, črka K pa eksperimente na vzorcu, podhlajenem na kriogene temperature. Ker so bili vsi vzorci istega materiala pripravljeni iz iste pločevine oz. sarže, smo se lahko prepričali, da so dobljene vrednosti na vseh vzorcih istega materiala podobne oz. prikazujejo podoben vzorec, zato ločevanje eksperimentov po posameznih vzorcih iz določenega materiala ni bilo potrebno.
Izmerjene vrednosti temperatur smo iz datoteke, zapisane v programu za zajem podatkov iz merilne kartice Labview, pretvorili in obdelali v programu MS Office Excel in iz njih pripravili diagrame, ki bolj nazorno prikažejo veliko množico podatkov za posamezen eksperiment. Primerjali smo spremembe temperature vzorcev med obdelavo, hitrost ohlajanja in hitrost segrevanja vzorcev. Termopari so bili pri vseh eksperimentih postavljeni v istem vrstnem redu glede na pot graviranja, kot je prikazano na sliki 4.1. Z oznakami 1A, 2A in 3A je označena postavitev določenega termoparana na levi strani gravure, z oznakami 1B, 2B in 3B pa postavitev termopara na desni strani gravure. Z modro puščico je prikazana smer graviranja. Z oznako zrak je na diagramih prikazan graf temperature okolice – zrak smo merili v neposredni bližini mesta izvajanja eksperimentov.
Za primerjavo spreminjanja temperature med graviranjem toplih in kriogeno podhlajenih vzorcev smo z grafom prikazali izmerjene vrednosti temperature na termoparu 2A. Čas začetka obeh gravur (pri sobni in pri kriogeni temperaturi) smo nastavili na isto točko na časovni osi, da lahko direktno vidimo skok temperatur pri začetku graviranja. Prikazan je samo en par eksperimentov enega materiala, saj so bili rezultati vseh eksperimentov pri enakih pogojih zelo podobni, za graviranje nerjavnega jekla na sliki 4.2, za graviranje aluminijeve zlitine pa na sliki 4.3.
Rezultati
28
Slika 4.1 Postavitev termoparov pri izvajanju eksperimenta
Kot vidimo na sliki 4.2, smo v primeru podhlajenih eksperimentov na nerjavnem jeklu pričeli z merjenjem temperature obdelovanca ob začetku ohlajanja vzorca s kriogenim medijem.
Ohlajanje je trajalo skupno približno 400 sekund, dokler se temperatura ni ustalila na približno –190 °C. V času ohlajanja so na modri krivulji opazni skoki temperature, ki so posledica prelivanja tekočega dušika iz izolirne posodice na obdelovanec, kar je privedlo do neenakomernega dovajanja hladilnega medija in posledično občasnega segrevanja vzorca.
Rdeča krivulja prikazuje temperaturne spremembe pri graviranju vzorca, ki ga nismo ohlajali. Graviranje obeh eksperimentov se prične pri približno 460. sekundi, kar je na sliki opazno kot velik in hipen skok temperature obdelovanca.
Slika 4.3 prikazuje temperaturna stanja v primeru graviranja toplih in podhlajenih vzorcev iz aluminijeve zlitine na enak način kot v zgornjem primeru graviranja nerjavnega jekla. Čas ohlajanja vzorca na kriogene temperature znaša približno 330 sekund, kar je manj kot v primeru podhlajevanja nerjavnega jekla, med ohlajanjem pa so opazni večji skoki temperature zaradi neenakomernega ohlajanja. Omenjeni razliki lahko pripišemo večji toplotni prevodnosti aluminijeve zlitine kot nerjavnega jekla. Graviranje se prične pri približno 405. sekundi eksperimenta, kar lahko razberemo iz skoka krivulj za oba eksperimenta.
Na obeh slikah vidimo, da je začetna temperatura podhlajenega vzorca pred ohlajanjem približno 10 °C, torej nižja od sobne temperature. Do odstopanja je prišlo med pripravo eksperimentov in postavitvijo vzorcev na obdelovalno mizo stroja za obdelavo z AVC.
Rezultati
29 Eksperimente s podhlajevanjem vzorcev smo izvajali neprekinjeno enega za drugim, kar je pomenilo, da so bili banjica na obdelovalni mizi in pritrdilni elementi za vzorce še vedno hladni od predhodne ponovitve eksperimenta in so v času priprave in pritrditve vzorca na mizo le-tega že ohlajali. Z neprekinjenim izvajanjem eksperimentov smo zmanjšali porabo tekočega dušika, saj smo imeli manj izgub zaradi ohlajanja omenjenih pritrdilnih elementov, vpliv hladnih elementov na obdelovance in posledično nižja začetna temperatura vzorcev pred ohlajanjem pa nista vplivala na končni rezultat eksperimenta.
Slika 4.2 Primerjava temperatur na termoparu 2A pri graviranju nerjavnega jekla X5CrNi18-10
Slika 4.3 Primerjava temperatur na termoparu 2A pri graviranju aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7
-200 -150 -100 -50 0 50
0 100 200 300 400 500
Temperatura [°C]
Čas [s]
Kriogena T Sobna T
-200 -150 -100 -50 0 50
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Temperatura [°C]
Čas [s]
Kriogena T Sobna T
Rezultati
30
V naslednjem delu naloge smo podrobneje predstavili spreminjanje temperatur na vseh šestih termoparih v času od začetka graviranja naprej. Graviranje je za vse eksperimente trajalo približno 7 sekund, saj je bila obdelovalna hitrost konstantna (1400 mm/min).
Na sliki 4.4 je prikazan diagram spreminjanja temperature med graviranjem vzorca iz aluminijeve zlitine AlMg4,5Mn0,7 pri sobni temperaturi. Če meritve po posameznih termoparih opazujemo z vednostjo o njihovi postavitvi na obdelovancu, kot prikazuje slika 4.1, lahko povežemo zamik skoka temperature s pomikom abrazivnega vodnega curka po obdelovancu. Ker se gravura začne v bližini termoparov 1A in 1B, je tu skok največji, v bližini termoparov 3A in 3B je curek že na koncu poti, zato je tu skok opazen kasneje. Ko curek nadaljuje pot naprej od posameznega para termoparov, se temperatura obdelovanca na tem mestu začne spuščati, po koncu graviranja (približno 7. sekunda) vse temperature naglo padejo.
Slika 4.4 Meritve temperature vzorca iz aluminijeve zlitine pri sobni temperaturi
Na sliki 4.5 je prikazan potek temperatur pri graviranju nerjavnega jekla X5CrNi18-10.
Potek temperatur je podoben kot na sliki 4.4, opazili pa smo nižji skok temperatur kot v primeru graviranja aluminijeve zlitine. Lahko predvidevamo, da se razlika pojavi zaradi različnih toplotnih prevodnosti materialov, ki so navedene v preglednici 3.1. Aluminijeva zlitina ima večjo toplotno prevodnost, zato se je vzorec bolj in hitreje segrel kot v primeru nerjavnega jekla.
Pri eksperimentih s kriogeno podhlajenimi vzorci lahko vidimo podoben vzorec temperaturnih sprememb kot pri eksperimentih na sobni temperaturi. Na sliki 4.6, kjer so prikazane vrednosti temperatur pri graviranju kriogeno podhlajenega nerjavnega jekla, vidimo postopno naraščanje temperature obdelovanca na termoparih, postavljenih v smeri graviranja. Med obdelavo se je obdelovanec segrel na približno –100 °C, po obdelavi pa se je temperatura ponovno spustila za nekaj stopinj, preden se je vzorec začel segrevat.
20 25 30 35 40 45
0 5 10 15 20 25 30 35
Temperatura [°C]
Čas [s]
1A 1B 2A 2B 3A 3B zrak
Rezultati
31 Slika 4.5 Meritve temperature vzorca iz nerjavnega jekla pri sobni temperaturi.
Slika 4.6 Meritve temperature vzorca iz nerjavnega jekla pri podhlajevanju na kriogene temperature
Temperature graviranja podhlajene aluminijeve zlitine so bile podobne temperaturam graviranja nerjavnega jekla pri enakih pogojih, kar prikazuje slika 4.7. Tudi v tem primeru je bil skok temperature med graviranjem večji ter končna temperatura vzorca po graviranju
20 22 24 26 28 30 32 34 36
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Temperatura [°C]
Čas [s]
1A 1B 2A 2B 3A 3B zrak
-200 -150 -100 -50 0 50
0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura [°C]
Čas [s]
1A 1B 2A 2B 3A 3B zrak
Rezultati
32
višja od temperature pri nerjavnem jeklu zaradi višje toplotne prevodnosti aluminijeve zlitine.
Slika 4.7 Meritve temperature vzorca iz aluminijeve zlitine pri podhlajevanju na kriogene temperature
4.1 Tehtanje vzorcev
Preizkušance smo stehtali na tehtnici v LMPS pred začetkom izvajanja eksperimentov ter po vsaki izvedeni gravuri. Ker smo na enem vzorcu izdelali več gravur, smo za vsak naslednji eksperiment kot stanje mase vzorca pred obdelavo vzeli vrednost mase vzorca po prejšnjem eksperimentu.
Maso vzorca po erodiranju (mkon) smo odšteli od začetne mase vzorca (mzač) in kot razliko dobili maso erodiranega ali odnesenega materiala (mEM). Kot je bilo že omenjeno, nam je pri izvajanju eksperimentov s kriogeno podhlajenimi vzorci povzročalo preglavice pokanje vodnih šob zaradi zmrzovanja ter mašenje fokusirne šobe in dovoda abraziva, posledično smo dobili več neuporabnih rezultatov. V nadaljevanju raziskave smo se osredotočili samo na veljavne eksperimente in jih izpostavili v tabelah, saj ponovitve s počeno vodno šobo ali zamašeno fokusirno šobo niso bile merodajne. Stehtane vrednosti ter izračunana masa erodiranega materiala za nerjavno jeklo X5CrNi18-10 so prikazani v preglednici 4.1, za aluminijevo zlitino AlMg4,5Mn0,7 pa v preglednici 4.2. V spodnjih preglednicah so za vsak eksperiment v zadnjem stolpcu navedene globine gravur h, ki bodo podrobneje obravnavane v poglavju 4.2.
-200 -150 -100 -50 0 50
0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura [°C]
Čas [s]
1A 1B 2A 2B 3A 3B zrak
Rezultati
33 Preglednica 4.1 Globine gravur, mase vzorcev pred in po obdelavi ter izračunana masa erodiranega materiala za X5CrNi18-10.
Sobna temperatura (20°C)
X5CrNi18-10
mzač [g] mkon[g] mEM[mg] h [mm]
S1 789,07 788,45 623,13 1,25
S2 784,88 784,19 695,59 1,41
S3 779,79 779,11 680,18 1,41
S4 754,41 753,76 655,60 1,45
S5 788,45 787,82 629,11 1,22
Kriogena temperatura (-198°C)
mzač [g] mkon[g] mEM[mg] h [mm]
K1 778,77 778,08 694,42 1,71
K2 753,46 752,70 769,68 1,68
K3 787,05 786,37 679,70 1,39
K4 783,47 782,75 714,30 1,65
K5 778,08 777,34 735,42 1,85
Preglednica 4.2 Globine gravur, mase vzorcev pred in po obdelavi ter izračunana masa erodiranega materiala za AlMg4,5Mn0,7.
Sobna temperatura (20 °C)
AlMg4,5Mn0,7
mzač [g] mkon[g] mEM[mg] h [mm]
S1 272,68 271,77 909,26 5,92
S2 273,90 272,97 932,28 6,04
S3 275,47 274,56 913,49 5,28
S4 274,04 273,10 948,60 6,2
S5 271,77 270,84 932,82 6,03
Kriogena temperatura (-198 °C)
mzač [g] mkon[g] mEM[mg] h [mm]
K1 270,78 269,80 979,56 6,23
K2 274,58 273,64 936,31 6,22
K3 273,64 272,70 942,97 6,21
K4 272,43 271,48 957,25 6,41
K5 269,41 268,42 988,58 6,19
Izračunali smo povprečje mase erodiranega materiala za eksperimente posameznega materiala pri enaki temperaturi. Za lažjo interpretacijo smo izračunali standardno deviacijo rezultatov, ki nam prikazuje odstopanje dobljenih meritev od izračunanega povprečja, dobljene vrednosti prikazuje preglednica 4.3.
