Spremljanje in optimizacija frezanja na podlagi podatkov o obremenitvah delovnih osi stroja

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Spremljanje in optimizacija frezanja na podlagi podatkov o obremenitvah delovnih osi stroja

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Sebastjan Grešak

Ljubljana, avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Spremljanje in optimizacija frezanja na podlagi podatkov o obremenitvah delovnih osi stroja

Diplomsko delo Visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje STROJNIŠTVO

Sebastjan Grešak

Mentor: izr. prof. dr. Franci Pušavec, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

v

Zahvala

Za pomoč ter smernice pri izdelavi diplomskega dela se zahvaljujem izr. prof. dr. Franciju Pušavcu ter asistentu Luku Kastelicu, ki sta omogočila izdelavo diplomskega dela ter svetovala pri nastajanju tega dela.

Rad bi se zahvalil tudi družini in dekletu za podporo in spodbujanje na moji študijski poti.

(12)

vi

(13)

vii

Izjava

(14)

viii

(15)

ix

Izvleček

Tek. št.: VS I/886 UDK 621.914:539.43:004.8(043.2)

SPREMLJANJE IN OPTIMIZACIJA FREZANJA NA PODLAGI PODATKOV O OBREMENITVAH DELOVNIH OSI STROJA

Sebastjan Grešak

Ključne besede: Frezanje Rezalne sile

Merjenje rezalnih sil

Sistem aktivnega merjenja obrabe Zajem podatkov

CAM

Analiza podatkov

Diplomsko delo zajema spremljanje in zajem podatkov o obremenitvah stroja, pri različnih podajalnih parametrih. V diplomskem delu je bil cilj predvsem analizirati zajete podatke in jih primerjati glede na podajalno hitrost, katera je bila edini parameter katerega smo spremenili.

Tako smo analizirali zbrane podatke o obremenitvi stroja in jih primerjali, nato smo se lotili še analize porabljene električne energije glede na obremenitev stroja.

Pri sami obremenitvi stroja s spreminjanjem podajalnih parametrov nismo prišli do posebnih zaključkov, ko pa smo izvedli analizo porabljene električne energije pa smo ugotovili, da podajanje močno vpliva na porabo električne energije.

S takim načinom zajema podatkov analize si lahko pomagamo pri optimizaciji procesov, ter zmanjšanju stroškov ali obremenitve stroja. Za nadaljevanje analize bi se lahko lotili še vpliva podajalne hitrosti in obremenitev na kvaliteto obdelave površine – hrapavost.

(16)

x

(17)

xi

Abstract

No.: VS I/886 UDC 621.914:539.43:004.8(043.2)

MONITORING AND OPTIMIZATION OF MILLING PROCESS BASED ON LOAD DATA OF MACHINE TOOL AXIS

Sebastjan Grešak

Key words: Milling Cutting forces

Measurement of cutting forces Active wear measurement system Big data

CAM

Data analysis

This thesis includes monitoring and data analysis about the load of the milling machine at different feed rates. The main goal was to analyze captured data at different feed rates and compare them. When we anayzed captured data, we calculated the electric energy that was used for this experiment, considering the load of the milling machine.

When we analyzed the data from different feed rates, we didn't get any specific conclusions, so we continued in the way of consumption of electric energy. We figured out that the feed rate plays a major role in the consumption of electric energy.

With this type of data analysis we can simplify the optimization of the cutting processes, cost reduction or just get the insight on the load of the machine. Fort the continuation of the analysis, we could get into influence of the feed rate and machine load on surface roughness.

(18)

xii

(19)

xiii

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Oris problema ... 1

1.2 Cilji naloge ... 1

2 Teorija odrezavanja ... 3

2.1 Orodja za odrezavanje ... 4

2.2 Teorija frezanja ... 5

2.3 Orodja za frezanje ... 7

2.4 Rezalne sile pri odrezavanju ... 8

2.5 Preračun rezalnih sil ... 11

2.6 Vplivne veličine na rezalne sile... 13

2.6.1 Vpliv premera frezala na rezalne sile ... 14

2.6.2 Vpliv števila zob ... 15

2.6.3 Vpliv vijačnice ... 16

2.6.4 Vpliv spremembe rezalne sile in njene smeri v odvisnosti od rezalnega kota ... 16

2.6.5 Nihanja rezalne sile ... 20

2.7 Merjenje rezilnih sil ... 21

3 Popis opreme potrebne za eksperimentalni del ... 25

3.1 CNC obdelovalni center ... 25

3.2 Sistem aktivnega merjenja obrabe ... 26

3.3 Orodja uporabljena pri eksperimentu ... 28

4 Predstavitev eksperimentalnega dela ... 31

4.1 Material preizkušanca... 31

4.2 Izdelava CAM programa ... 31

4.2.1 Vrtanje lukenj (1-Drill/Counterbore) ... 32

4.2.2 Groba obdelava središčne izvrtine (2 – Pocket – standard) ... 33

4.2.3 Fina obdelava središčne izvrtine (3 – Contour (2D)) ... 35

4.2.4 Groba obdelava robu in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (4 – Contour (2D)) ... 37

4.2.5 Fina obdelava in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (5 – Contour (2D)) .. ... 39

5 Analiza in vrednotenje rezultatov ... 41

5.1 Vizualna analiza obdelovanca po zaključeni obdelavi ... 41

5.2 Analiza zajetih podatkov ... 43

(20)

xiv

5.2.1 Merjenje obremenitev pri postopku vrtanja ... 43

5.2.2 Merjenje obremenitev pri postopku frezanja ... 47

5.3 Evalvacija porabe električne energije ... 52

5.3.1 Poraba pri vrtanju lukenj (100% podajanje) ... 52

5.3.2 Poraba pri grobi obdelavi središčne izvrtine (100% podajanje)... 54

5.3.3 Poraba pri fini obdelavi središčne izvrtine (100% podajanje) ... 55

5.3.4 Poraba pri vrtanju lukenj (50% podajanje) ... 57

5.3.5 Poraba pri grobi obdelavi središčne izvrtine (50% podajanje)... 59

5.3.6 Poraba pri fini obdelavi središčne izvrtine (50% podajanje) ... 60

6 Zaključek ... 63

Viri in literatura ... 65

(21)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: Razdelitev obdelovalnih postopkov [2] ... 3

Slika 2.2: Način delovanja klina (a) in ploščatega sekača (b) [2] ... 4

Slika 2.3: Dva primera preprostih orodij za odrezavanje [2] ... 5

Slika 2.4: Nastajanje odrezkov pri frezanju [2] ... 5

Slika 2.5: Obodno in čelno frezanje [2] ... 6

Slika 2.6: Vrste čelnega frezanje [2] ... 6

Slika 2.7: Standardne oblike frezal [2] ... 7

Slika 2.8: rezalna hitrost v, hitrost učinka v*, podajalna hitrost s' pri valjastem frezalu [4] ... 8

Slika 2.9: kot podajalne smeri 𝜙 in kot učinka 𝜚 pri protismernem frezanju z valjastim frezalom [4] ... 9

Slika 2.10: Rezalne sile pri valjastem frezanju [4] ... 9

Slika 2.11: Glavni moment M in podajalna sila Fx [3] ... 10

Slika 2.12: glavna sila Fz in normalna sila FN istovetna z glavno silo Fz [2] ... 11

Slika 2.13: Vpliv premera frezala d na vrtilni moment M in moč pri odrezavanju PN v odvisnosti od hitrosti podajanja s' [4] ... 14

Slika 2.14: Vpliv števila zob z na moč pri odrezavanju PN pri različnih hitrostih podajanja [4] ... 15

Slika 2.15: Določanje širine enakomernosti b0; t-aksialna delitev, t0-obodna delitev, λ-kot vijačnice [4] ... 16

Slika 2.16: sile na cepilni in prosti ploskvi [1] ... 17

Slika 2.17: Sprememba rezalne sile in njene smeri v odvisnosti od cepilnega kota γ [1] ... 18

Slika 2.18: Vpliv cepilnega kota na glavno in pomožno silo v %, kadar sta Fco in Fno 100% [1] ... 19

Slika 2.19: Vpliv rezalne hitrosti na glavno silo: 50CrV4, P 30, ap=2mm, h=0,38mm, κ=60°, γ=10° [1] ... 19

Slika 2.20: Nihanja glavne sile pri oblikovanju odrezka [1] ... 20

Slika 2.21: Nihanja glavne sile zaradi postopka odrezavanja [1]... 21

Slika 2.22: Nihanja glavne sile kot posledica nihanja sistema obdelovanec - orodje – stroj [1] ... 21

Slika 2.23: Dvokomponentni mehanski merilnik (Merchant) [2] ... 22

Slika 2.24: Enokomponentni merilnik rezalnih sil [Muren; odrezavanje in odnašanje [2] ... 23

Slika 2.25: Stružni nož z nalepljenimi upornostnimi merilnimi trakovi [2] ... 23

Slika 2.26: Trikoordinatna merilna mizica [2] ... 24

Slika 2.27: piezoelektrični merilniki sil [2] ... 24

Slika 3.1: CNC obdelovalni center DOOSAN NX6500 ... 25

Slika 3.2: prikaz meritve; z zeleno barvo je označeno merilno območje ... 27

Slika 3.3: komanda plošča nadzornega sistema in krmilnik ... 27

Slika 3.4: rezkar SECO 554120Z4.0 – SIRON – A vpet v vpenjalni trn ... 28

Slika 3.5: sveder DORMER 308FA – 12.0 – 96 – A12 vpet v samozatezno vpenjalno glavo 29 Slika 3.6: kos po končani obdelavi ... 30

Slika 4.1: pot orodja pri prvem koraku obdelave ... 32

Slika 4.2: obdelovalni parametri pri prvem koraku obdelave ... 33

Slika 4.3: pot orodja pri drugem koraku obdelave ... 34

Slika 4.4: obdelovalni parametri pri drugem koraku obdelave ... 34

(22)

xvi

Slika 4.5: strategija obdelovanja v drugem koraku ... 35 Slika 4.6: pot orodja pri tretjem koraku obdelave ... 36 Slika 4.7: strategija obdelave 2D konture v tretjem koraku ... 36 Slika 4.8: možnost nastavitev vhodno-izhodnih parametrov za orodje ... 37 Slika 4.9: pot orodja pri četrtem koraku obdelave ... 38 Slika 4.10: strategija obdelave konture v četrtem koraku ... 38 Slika 4.11: možnost nastavitve različnih globin rezanja ... 39 Slika 4.12: pot orodja pri petem koraku obdelave ... 40 Slika 4.13: strategija obdelave konture v petem koraku ... 40 Slika 5.1: končan obdelovanec ... 41 Slika 5.2: risba obdelovanca z merami ... 42 Slika 5.3: Obdelana površina – podajanje 50% ... 42 Slika 5.4: Obdelana površina - podajanje 100% ... 42 Slika 5.5: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (vrtanje lukenj) ... 44 Slika 5.6: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (vrtanje lukenj) ... 45 Slika 5.7: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 100% podajanju ... 46 Slika 5.8: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 50% podajanju ... 46 Slika 5.9: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine) ... 48 Slika 5.10: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine) ... 49 Slika 5.11: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine) ... 50 Slika 5.12: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine) ... 51 Slika 5.13: poraba el. energije Y os - 100% podajanje ... 52 Slika 5.14: poraba el. energije X os - 100% podajanje ... 52 Slika 5.15: poraba el. energije Z os - 100% podajanje ... 53 Slika 5.16: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje ... 53 Slika 5.17: poraba el. energije X os - 100% podajanje ... 54 Slika 5.18: poraba el. energije Y os - 100% podajanje ... 54 Slika 5.19: poraba el. energije Z os - 100% podajanje ... 54 Slika 5.20: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje ... 55 Slika 5.21: : poraba el. energije X os - 100% podajanje ... 55 Slika 5.22: poraba el. energije Y os - 100% podajanje ... 56 Slika 5.23: poraba el. energije Z os - 100% podajanje ... 56 Slika 5.24: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje ... 56 Slika 5.25:: poraba el. energije X os - 50% podajanje ... 57 Slika 5.26: poraba el. energije Y os - 50% podajanje ... 57 Slika 5.27: poraba el. energije Z os - 50% podajanje ... 58 Slika 5.28: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje ... 58 Slika 5.29: poraba el. energije X os - 50% podajanje ... 59 Slika 5.30: poraba el. energije Y os - 50% podajanje ... 59 Slika 5.31: poraba el. energije Z os - 50% podajanje ... 59 Slika 5.32: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje ... 60 Slika 5.33: poraba el. energije X os - 50% podajanje ... 60 Slika 5.34: poraba el. energije Y os - 50% podajanje ... 61

(23)

xvii Slika 5.35: poraba el. energije Z os - 50% podajanje ... 61 Slika 5.36: poraba el. energije vreteno - 50% podajanje ... 61

(24)

xviii

(25)

xix

Kazalo preglednic

Preglednica 1: Veličine za preračun srednje glavne sile Fzm pri frezanju [4] ... 12 Preglednica 2: kemijska sestava konstrukcijskega jekla S235JR (1.0037) [7]. ... 31

(26)

xx

(27)

xxi

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

F N Rezultanta sil

Fa N Aktivna sila

Fc/Fz N Glavna sila

Ff N Odrivna sila

fz mm/zob Podajanje na zob

kc N/mm² Specifična rezalna sila

M Nm Vrtilni moment

N N Tlačna sila

n min^-1 Vrtljaji

T N Tangencialna sila

vc m/min Rezalna hitrost

vf m/min Podajalna hitrost

α ° Prosti kot

β ° Kot orodja

γ ° Cepilni kot

ϱ ° Kot učinka

ϕ ° Kot podajalne smeri

λ ° Kot vijačnice

(28)

xxii

(29)

xxiii

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

C Ogljik

CAD Računalniško vodeno oblikovanje

CNC Računalniško vodeno proces

Cu Baker

CW V urini smeri (npr. vrtenje)

DIN Nemški inštitut za standardizacijo

FPT Podajanje na zob

ISO Mednarodna organizacija za standardizacijo

JUS Jugoslovanski standardi

LABOD Laboratorij za odrezavanje, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana

Mn Mangan

N Dušik

P Fosfor

S Žveplo

(30)

xxiv

(31)

1

1 Uvod

1.1 Oris problema

Pri vseh procesih odrezavanja ob stiku obdelovanca in orodja pride do pojava rezalne sile. Ker se sile prenašajo na delovne osi stroja, posledično pride do obremenitev le-teh. Prevelike obremenitve osi lahko privedejo do preobremenitve strojev, kar povzroča hitrejšo obrabo gibalnih delov, ki so izpostavljeni obremenitvi, predvsem pa se vpliv velikih obremenitev zazna pri kvaliteti obdelane površine. Ker pri postopkih odrezovanja stremimo k najkrajšim možnim časom izdelave ter čim večji kvaliteti obdelanih površin; saj to neposredno vpliva na stroške izdelave kosa, nam lahko sistem katerega smo pri eksperimentalnem delu uporabili za zajem podatkov, pomaga do optimizacije parametrov glede na naše cilje in zahteve.

1.2 Cilji naloge

Pri postopkih odrezavanja se na stroj na katerem obdelujemo, prenaša ogromno sil, katere nastajajo pri odrezavanju. V praksi velja da se te sile, momenti in vibracije spremljajo preko meritev, ki se izvajajo s posebno dodatno opremo ali s posebnimi načini vpetja obdelovanca.

Alternativa takemu načinu je spremljanje časovno odvisnih obremenitev posameznih osi na obdelovalnem stroju preko krmilnika.

Ker je bil sistem za zajem obremenitev posameznih osi pred začetkom pisanja diplomske naloge že nameščen in delujoč, smo najprej naredili CAD model izdelka v modelirniku SolidWorks, kateri je bil simetričen. Sledila je izdelava CAM v programu Mastercam 2021. Nato smo obdelovanec vpeli v predpripravljen primež in začeli z obdelavo in zbiranjem podatkov.

Ker smo ta izdelek uporabljali le za eksperimentalne namene te diplomske naloge, smo si zamislili simetričen izdelek, na katerem smo na eni strani izvedli vse korake obdelave s 100%

podajanjem, na drugi strani pa smo enake operacije izvedli s 50% podajanjem. S takim načinom dela smo zajeli podatke, ki so si bili med seboj dovolj različni, da smo na njih lahko izvedli analizo.

V začetku tega diplomskega dela (2. poglavje) so predstavljene osnove teorije odrezavanja, osredotočimo se na frezanje. Nato se bolj podrobno lotimo sil, ki nastajajo pri odrezavanju in jih opredelimo ter ločimo. Podrobno se posvetimo tudi vsem vplivom na rezalno silo. V nadaljevanju tega poglavja se osredotočimo še na področje nadzora obremenitev strojev.

V tretjem poglavju se lotimo opisa opreme s katero smo izvedli eksperimentalni del.

Predstavimo stroj s katerim smo obdelovali naš surovec. V nadaljevanju tega poglavja se osredotočimo še na področje nadzora obremenitev strojev ter kratek opis sistema, s katerim smo zajemali podatke za potrebe naše analize. Vključimo še orodja s katerimi smo izvajali preizkus.

V četrtem poglavju sledi predstavitev eksperimentalnega dela. Tukaj se lotimo opisa vsega kar smo potrebovali za izvedbo preizkusa, prav tako na kratko predstavimo CAD model in opišemo

(32)

Uvod

2

CAM program; po korakih izdelave. Lotimo se tudi parametrov ter opisa materiala preizkušanca.

V petem poglavju predstavimo analizo dobljenih rezultatov. Rezultate predstavimo v obliki časovno odvisnih grafov. Tako imamo na ordinati prikazane obremenitve posameznih, na abscisi pa je vedno prikazana časovna komponenta oz. trajanje posamezne operacije.

V tem poglavju sledi še primerjava podatkov za različne hitrosti podajanja. Tako primerjamo rezultate o obremenitvi pri 100% podajanju ter pri 50% podajanju. Osredotočimo se še na kvaliteto obdelane površine na našem obdelovancu glede na obremenitev in podajanje.

V zadnjem poglavju tega diplomskega dela pa lahko najdemo komentar in kratek povzetek dobljenih rezultatov.

(33)

3

2 Teorija odrezavanja

Glavni princip odrezavanja je, da želimo iz surovega kosa materiala, z odstranjevanjem odvečnega materiala, ustvariti uporaben izdelek. V novejšem času stremimo k temu, da bi se odrezavanju izognili, saj je to povezano z veliko izgubo materiala in energije. [1]

Prihodnost postopka obdelave z odrezavanjem bo še vedno aktualna v strojegradnji, pri kosovni ali maloserijski obdelavi, v orodjarstvu in povsod tam, kjer se zahteva velika natančnost izdelave. Odrezavanje omogoča doseganje najzahtevnejših geometrijskih izmer obdelovanca in kvaliteto hrapavosti obdelane površine. Z uporabo orodij iz sodobnih rezalnih materialov pa je odrezavanje tudi cenovno konkurenčno pri obdelavi trdih materialov (trde litine), specifičnih materialov (avstenitnih, CrNi jekel in Mn jekel) in kaljenih jekel s trdoto 64HRc [2].

Slika 2.1: Razdelitev obdelovalnih postopkov [2]

(34)

Teorija odrezavanja

4

2.1 Orodja za odrezavanje

Orodja za odrezavanje delujejo na principu klina, ki ga poznamo iz fizike. Tudi, če na zgornjo ploskev klina deluje sorazmerno majhna sila F, nastaneta na stranskih ploskvah precej veliki sili Ft1 in Ft2, ki razrivata material obdelovanca (slika 2.2). Velikost teh dveh sil je odvisna od kosa klina β.

Podobnost z delovanjem klina je najbolj očitna pri ročnem sekaču (slika 2.2). Silo F na zgornjem koncu sekača povzročajo udarci kladiva. Če držimo sekač poševno, kakor je prikazano na sliki, rezilo sekača odceplja od obdelovanca razmeroma tanko plast in jo pretvarja v odrezek.

Sekač ima v primerjavi s klinom precej velik kot klina β, ki mora biti tolikšen iz trdnostnih razlogov, saj se kovinski materiali obdelovanca odcepljanju odrezka upirajo s precej velikimi silami. Sila F mora biti zato zelo velika.

Slika 2.2: Način delovanja klina (a) in ploščatega sekača (b) [2]

Zelo podobno sekaču deluje večina drugih orodij za odrezavanje. Na sliki 2.3 vidimo preprosto orodje, ki ima samo dve delovni ploskvi – enako kot sekač:

• Prosto ploskev (a)

• Cepilno ploskev (c)

Tudi na to orodje je treba delovati s poševno silo F, da se zarezuje v obdelovanec in od njega odceplja odrezek.

(35)

Teorija odrezavanja

5

Slika 2.3: Dva primera preprostih orodij za odrezavanje [2]

Na sliki 2.3 sta prikazani zelo preprosti orodji. Rezalni rob je pravokoten na smer gibanja, tako da je prerez skozi orodje tudi v vseh vzporednih ravninah enak prerezu na sliki. Odrezavanje s takimi zelo preprostimi orodji imenujemo ortogonalno odrezavanje. V praksi je takšno odrezavanje zelo redko, navadno potrebujemo znatno bolj komplicirana orodja [3], [2].

2.2 Teorija frezanja

Pri frezanju opravlja glavno gibanje, ki je vrtilno, vedno samo orodje. Princip tvorbe odrezkov pri frezanju kaže slika 2.4.

Slika 2.4: Nastajanje odrezkov pri frezanju [2]

Orodje za frezanje – frezalo – ima po obodu večje število rezil, od katerih se med delom samo manjše število dotika obdelovanca na prijemni poti. Večji del enega vrtljaja orodja posamezna rezila ali zobje ne režejo.

Debelina odrezka se na prijemni poti spreminja. S tem se spreminjajo tudi sile na posameznih rezilih [2].

Glede na to, ali se frezalo dotika obdelovanca pretežno z obodom ali s čelno stranjo, ločimo:

(36)

Teorija odrezavanja

6

• Obodno frezanje

• Čelno frezanje

Slika 2.5: Obodno in čelno frezanje [2]

Glede na to, kako se obdelovanec in orodje gibljeta drug proti drugemu, je obodno frezanje lahko tudi:

• Protismerno (slika 2.5 a)

• Istosmerno (slika 2.5 b) Čelno frezanje je lahko:

• Protismerno (slika 2.6 a)

• Istosmerno (slika 2.6 b)

• Simetrično (slika 2.6 c)

Slika 2.6: Vrste čelnega frezanje [2]

S frezanjem dobimo:

• Ravne ploskve

• Ukrivljene ploskve

Največkrat frezamo ravne ploskve, ki jih dobimo z obodnim ali s čelnim frezanjem. Čelno frezanje nam da le ravne ploskve.

Pri frezanju ukrivljenih ploskev gre največkrat za zunanje frezanje navoja, pri dovolj velikem premeru pa je mogoče frezati tudi notranje navoje.

(37)

Teorija odrezavanja

7

2.3 Orodja za frezanje

Za frezanje se večinoma uporabljajo standardna frezala; posebne izvedbe prihajajo v poštev praktično samo pri profilnih frezalih z individualno izbranimi profili. Kot standardna frezala lahko smatramo tudi izvedbe, ki jih serijsko izdelujejo specializirane tovarne in jih imajo stalno na zalogi, niso pa zajete v uradnih standardih.

Glavne izvedbe frezal so prikazane na sliki 2.7 [2].

Slika 2.7: Standardne oblike frezal [2]

Vrste frezal na sliki 2.7:

a) Valjasto frezalo b) Čelno valjasto frezalo c) Kolutno frezalo

d) Kolutno frezalo s križnimi zobmi e) Krožna žaga

f) Steblasto frezalo

(38)

Teorija odrezavanja

8

g) Dvorezilno frezalo za utore

h) Steblasto frezalo za grobo obodno frezanje i) Frezalo za utore v obliki črke T

j) Simetrično k) Nesimetrično

l) Enostransko kotno frezalo

m) Steblasto frezalo za utore v obliki lastovičjega repa in prizmatičnih utorov n) Profilno konveksno frezalo

o) Kotalno frezalo

2.4 Rezalne sile pri odrezavanju

Ko odrezek odteka, nastajajo na posameznih zobeh frezala komponente rezalne sile, ki so glede na smer in velikost različne. Ker se debelina rezanja nenehno menja in je več zob v ubiranju, rečemo tudi, da frezala delujejo neenakomerno.

Na nastajanje odrezka neposredno vplivajo:

• Rezalno gibanje – gibanje med orodjem in obdelovancem, ko orodje odreže pri enem vrtljaju odrezek brez podajalnega gibanja.

• Podajalno gibanje – gibanje med obdelovancem in orodjem, ki z rezalnim gibanjem omogoča med vrtenjem frezala kontinuirano odrezavanje

• Rezultanta

Slika 2.8: rezalna hitrost v, hitrost učinka v*, podajalna hitrost s' pri valjastem frezalu [4]

(39)

Teorija odrezavanja

9

Slika 2.9: kot podajalne smeri 𝜙 in kot učinka 𝜚 pri protismernem frezanju z valjastim frezalom [4]

Posebnost pri frezanju pa je smer podajanja. Pri večini ostalih odrezovalnih postopkov je smer podajanja pravokoten na smer rezanja – vrtanje, struženje. Pri frezanju pa lahko opazimo, da se lega smeri rezanja proti podajalni smeri neprestano menja. V vsaki legi zoba tako nastane med rezalno in podajalno smerjo določen kot ϕ. Ta kot je pri protismernem frezanju ϕ < 90°, pri istosmernem frezanju pa ϕ > 90° in pri čelnem frezanju 0°< < 180° [2].

Med smerjo učinka in smerjo podajanja je kot učinka ϱ:

tanϱ =_𝑣 ^sinϕ

⁄ + cosϕ𝑠′ (2.1)

Smer rezanja in smer podajanja sta v delovni ravnini, ustrezno temu tudi oba kota.

Na spodnji sliki vidimo definicije sil med orodjem in obdelovancem.

Slika 2.10: Rezalne sile pri valjastem frezanju [4]

(40)

Teorija odrezavanja

10

Kot lahko vidimo na sliki 2.10, rezalna sila F ne leži v delovni ravnini. Tako lahko na sliki vidimo komponento rezalne sile, ki jo poimenujemo aktivna sila FA. Skupaj s silo F* tvori kot 𝜗. F* predstavlja komponento aktivne sile FA. Drugo komponento, ki je pravokotna na smer učinka pa nam predstavlja sila FD.

Če premaknemo silo FA (slika 2.11), ki deluje na rezalni rob frezala, v središče frezala, dobimo glavni moment M [2]:

𝑀 = 𝐹_𝐴∙^𝑑

2∙ cos (𝜗 + ϱ ) (2.2)

Slika 2.11: Glavni moment M in podajalna sila Fx [3]

Da dobimo podajalno silo Fx in navpično silo FN , projiciramo silo FA iz središča frezala v smeri podajanja (slika 2.12). Sledi [2]:

𝐹_𝑁= 𝐹_𝐴∙ sin(ϕ − ϱ − 𝜗) (2.3)

(41)

Teorija odrezavanja

11

Slika 2.12: glavna sila Fz in normalna sila FN istovetna z glavno silo Fz [2]

2.5 Preračun rezalnih sil

Preračuna rezalnih sil se lahko lotimo preko meritev vrtilnega momenta na izhodnem vretenu stroja [4].

Tako se lotimo izračuna glavne sile FZ:

𝐹_𝑍= ^2𝑀

𝑑 (2.4)

Glavno silo FZ lahko izračunamo tudi s pomočjo geometrije in sicer:

𝐹_𝑍= 𝐹_𝐴cos (𝜗 + ϱ) (2.5)

Iz enačbe 2.5 lahko izračunamo aktivno silo FA in podajalno silo FX:

𝐹_𝑥 = 𝐹_𝐴cos (ϕ − ϱ − 𝜗) (2.6)

Odrivna sila FY je pri frezanju aksialna sila. Pri čelnem frezanju lahko izračunamo srednjo glavno silo FZM:

𝐹_𝑍𝑀 = 𝑏ℎ_1𝑚^1−𝑧∙ 𝑓_𝑠1𝑥1 = 𝑏(0,73 𝑠_𝑧)^1−𝑧∙ 𝑓_𝑠1𝑥1 (2.7)

(42)

Teorija odrezavanja

12

Vrednosti 1-z in specifično rezalno silo za enoten prerez odrezka 𝐴 = 𝑏 × ℎ_1𝑚 = 1 × 1 dobimo iz preglednice spodaj [4]:

Preglednica 1: Veličine za preračun srednje glavne sile Fzm pri frezanju [4]

Enačba za specifično rezalno silo kc, izhaja iz enačbe za glavno silo Fc: 𝐹_𝑐 = 𝐴 ∙ 𝑘_𝑐 (2.8)

𝑘_𝑐 = ^𝐹^𝑐

𝐴 (2.9)

Specifična rezalna sila je spremenljivka odvisna od:

1. Trdnosti materiala 2. Debeline odrezka h 3. Cepilnega kota γ 4. Rezalne hitrosti vc

Vseh naštetih vplivov na rezalno silo v enačbi ni možno zajeti, zato se zadovoljimo z enačbo, ki upošteva oba najvažnejša dejavnika: material in debelino odrezka. Dobljena je na podlagi mnogih preizkusov. Ta enačba je [4]:

𝑘_𝑐 = 𝑘_𝑐 ∙ ℎ^−𝑧 (2.10)

(43)

Teorija odrezavanja

13 Specifična rezalna sila pri prerezu odrezka kc1x1 je konstanta materiala za h=1mm in b=1mm.

Eksponent debeline z je odvisen predvsem od materiala in se giblje v območju med 0.15 in 0.5.

Enačba pokaže, da specifična rezalna sila s padajočo debelino odrezka raste. To velja samo, kadar pri enakem prerezu odrezka raste stopnja vitkosti, torej postaja odrezek podolgovat [4].

Za prikaz eksponentne funkcije kc1x1 = kc ∙ h^-zv logaritemskem koordinatnem sistemu le to logaritmiramo:

log𝑘_𝑐 = log𝑘_𝑐1𝑥1− 𝑧 ∙ logℎ (2.11)

Enačba nam poda ravne linije s smernim koeficientom z. Pri izbiri enako velikih logaritemskih enot za obe osi lahko eksponent z odčitamo neposredno kot tangens nagibnega kota [2].

Eksponent z lahko izračunamo z uporabo dveh parov vrednosti h1, kc1 in h2, kc2, ki ju logaritmiramo: [2]

log𝑘_𝑐1− log𝑘_𝑐2= 𝑧 ∙ (logℎ₂− logℎ) (2.2)

𝑧 = ^log

𝑘𝑐1 𝑘𝑐2 log^ℎ2 ℎ1

(2.13)

2.6 Vplivne veličine na rezalne sile

V tem poglavju bomo pregledali katere stvari vplivajo na spremembo rezalnih sil in priporočila za optimizacijo le teh [4]:

• Vpliv premera frezala na rezalne sile

• Vpliv števila zob

• Vpliv vijačnice

• Vpliv spremembe rezalne sile in njene smeri v odvisnosti od cepilnega kota

• Nihanja rezalne sile

(44)

Teorija odrezavanja

14

2.6.1 Vpliv premera frezala na rezalne sile

Slika 2.13: Vpliv premera frezala d na vrtilni moment M in moč pri odrezavanju PN v odvisnosti od hitrosti podajanja s' [4]

Kot lahko vidimo na sliki 2.13, se rezalne sile pri konstantnem premeru odrezka zmanjšujejo, če se zmanjšuje premer frezala. Na isti sliki vidimo vrtilne momente M na frezalnem trnu in porabo moči pri odrezavanju PN za različne premere frezal s konstantno delitvijo v odvisnosti od hitrosti podajanja s'. Zaradi tega stremimo k temu da izbiramo frezala s kar je mogoče majhnim premerom. S tem prihranimo rezalni material in čas obdelave. Zmanjša se tudi odpor frezanja, podaljša pa obstojnost. Vendar je treba paziti, da ustrezen frezalni trn prenese obremenitev [4].

Omeniti velja še enoto Momenta, ki je na videni sliki navedena v kpcm (kilopond centimeter).

Velja: 1 kpcm = 0,0981 Nm.

(45)

Teorija odrezavanja

15 2.6.2 Vpliv števila zob

Slika 2.14: Vpliv števila zob z na moč pri odrezavanju PN pri različnih hitrostih podajanja [4]

Sile na frezalu so manjše tudi, če se zmanjšuje število zob. Temu ustrezno je potrebna tudi manjša moč pri odrezavanju. Na sliki 2.14 lahko vidimo upadanje moči pri odrezavanju PN, pri izbiri čim manjšega števila zob. Število zob z vpliva na podajanje za vsak zob sz v obratnem razmerju.

Čim manjše je število zob, tem večje je podajanje za vsak zob; s tem se manjša specifična rezalna sila. Vpliv veličine fs na rezalne sile in moč je zelo velik. Zato stremimo k temu, da izberemo frezala s čim manjšim številom zob, da bi bile sile manjše [4].

(46)

Teorija odrezavanja

16

2.6.3 Vpliv vijačnice

Slika 2.15: Določanje širine enakomernosti b0; t-aksialna delitev, t0-obodna delitev, λ-kot vijačnice [4]

Če hočemo varovati stroj in orodje, moramo težiti za tem, da so nihanja kolikor mogoče majhna, prav tako rezalne sile. Frezala z ravnimi zobmi povzročajo vedno velika nihanja in velike rezalne sile, tudi če je v ubiranju več zob.

Za mirno delovanje je pomembno, da ustreza vrednost, ko zob frezala zapušča material, vrednosti, ko se zob frezala vrinja v material, kar lahko dosežemo samo z ustreznim kotom vijačnice λ. Zato je pomembno, da je pri valjastih frezalih širina frezanja enaka delitvi frezala v aksialnem prerezu t ali njenemu mnogokratniku s celim številom i0. Tako imenovano ''širino enakomernosti'' izračunamo iz obodne delitve frezala t0 in kota vijačnice λ [4]:

𝑖₀ = 𝑖₀𝑡 = 𝑖₀𝑡₀cot𝜆 (2.14)

2.6.4 Vpliv spremembe rezalne sile in njene smeri v odvisnosti od rezalnega kota

Ker je gradivo za to poglavje vzeto iz drugega vira, bomo začeli s predstavitvijo sil na cepilni in prosti ploskvi, kakor jih opisuje avtor, da bodo oznake veličin v nadaljevanju jasne.

Tako moramo najprej razumeti, da avtor za razumevanje odnosov pri odrezavanju z orodjem v obliki klina, rezalno silo razstavi na komponente, ki delujejo pravokotno ter vzporedno na cepilno in prosto ploskev, Pravokotna tlačna sila in zaradi trenja nastala tangencialna sila dasta vektorsko vsoto rezalne sile F, merljivo glavno silo FC in pomožno silo Fn.

(47)

Teorija odrezavanja

17

Slika 2.16: sile na cepilni in prosti ploskvi [1]

Oznake veličin na sliki 2.16:

Nγ – tlačna sila (pravokotna na cepilno ploskev) Tγ – tangencialna sila (vzporedna s cepilno ploskvijo) Nα – tlačna sila (pravokotna k prosti ploskvi)

Tα – tangencialna sila (vzporedna s prosto ploskvijo) F – rezalna sila (rezultanta sil Nγ, Tγ, Nα, Tα )

Fc – glavna sila (vzporedna z rezalno hitrostjo vc) Ff – odrivna sila (pravokotna na smer podajanja f) Fp – pravokotna na smer podajanja f

Fn – pravokotna k rezalni hitrosti vc

Ker se sile Fn, Fp in Ff kot tudi glavna sila Fc dajo meriti, nam razstavljanje sil da dober pregled na razmerje sil na rezalnem robu

Sili Tγ in Tα nihata v širokih mejah, saj sta odvisni od koeficienta trenja, ki pa je odvisen od materiala obdelovanca, rezilnega materiala, tlaka, temperature, rezalne hitrosti in od vpliva hladilno-mazalnega sredstva.

Trikotnik sil (slika 2.16) kaže, da bi sprememba sil Tγ in Tα in cepilnega kota γ po velikosti in smeri močno vplivala na rezalno silo F. Slika 2.17 prikazuje spremembo rezalne sile F in njene

(48)

Teorija odrezavanja

18

smeri za različne cepilne kote γ. S slike 2.17 je razvidna sprememba glavne sile Fc ter pomožne sile pri odstopanju od cepilnega kota γ = 10°.

Pri napačni postavitvi rezila lahko postane sila Fn negativna in začne vleči orodje proti obdelovancu. To vlečenje rezila proti obdelovancu vodi k nemirnemu rezu. V ekstremnih primerih pride do zasajanja orodja v material, s tem pa do uničenja orodja ali do preobremenitve stroja. Poznavanje in upoštevanje razmerja sil na rezalnem robu ima velik pomen za konstrukterja in tehnologa [1].

Zaradi zgoraj navedenih dejstev lahko vidimo kako pomembno je spremljanje obremenitev stroja. S spremljanjem in optimizacijo tako lahko vplivamo na življenjsko dobo orodja in posledično na kvaliteto obdelane površine, kot tudi na življenjsko dobo stroja – predvsem zaradi obremenitev gibajočih delov, ki jim s preobremenjevanjem zmanjšujemo obratovalno dobo.

Slika 2.17: Sprememba rezalne sile in njene smeri v odvisnosti od cepilnega kota γ [1]

(49)

Teorija odrezavanja

19

Slika 2.18: Vpliv cepilnega kota na glavno in pomožno silo v %, kadar sta Fco in Fno 100% [1]

Na sliki 2.17 lahko vidimo kako se rezalna sila spreminja z velikostjo cepilnega kota.

Povzamemo lahko, da manjši kot je cepilni kot γ, večji sta glavna in pomožna rezalna sila.

Na sliki 2.18 pa lahko vidimo spremembo sil FC in Fn v odstotkih od odvisnosti od Fco ter Fno

pri γ = 10°. Opazimo lahko, da pri spremembi cepilnega kota γ v negativno smer raste pomožna sila Fn mnogo hitreje kot glavna sila Fc. Ta premik v razmerju sil močno spremeni dinamično razmerje sistema obdelovanec – stroj. V praksi upoštevamo, da se pri spremembi rezalnega kota za 1° spremeni glavna sila Fc za 1% ter pomožna sila Fn za 5%. Zaradi rezalne hitrosti vc se spremeni glavna sila Fc za rezilo iz karbidne trdnine po Slika 2.19 [1].

Slika 2.19: Vpliv rezalne hitrosti na glavno silo: 50CrV4, P 30, ap=2mm, h=0,38mm, κ=60°, γ=10° [1]

(50)

Teorija odrezavanja

20

2.6.5 Nihanja rezalne sile

Pri odrezavanju prihaja do nihanj rezalne sile. Nihanja so periodična v določenih mejah okoli srednje vrednosti. Ta del nihanj rezalnih sil je pri tekočih in lomljenih odrezkih različen; tipičen potek je prikazan na sliki 2.20.

Nekateri obdelovalni postopki npr. frezanje, pri katerem se prerez odrezka spreminja neprenehoma ter s tem tudi rezalna sila, predstavljajo nihanja rezalnih sil.

Odrezki so pri ločitvi nekje med tekočimi in lomljenimi. Dinamične razmere sistema obdelovanec- orodje – stroj izhajajo iz sil, ki nastopajo pri oblikovanju odrezkov. Sistem je sklop, sposoben nihanja, z elastičnimi masami in dušilnimi odpori. Nihanja rezalne sile pod vplivom nihanj sistema kaže slika 2.22 [1].

Slika 2.20: Nihanja glavne sile pri oblikovanju odrezka [1]

(51)

Teorija odrezavanja

21

Slika 2.21: Nihanja glavne sile zaradi postopka odrezavanja [1]

Slika 2.22: Nihanja glavne sile kot posledica nihanja sistema obdelovanec - orodje – stroj [1]

2.7 Merjenje rezilnih sil

Merjenje rezilnih sil sodi med najstarejše znane preizkuse. Sil ni mogoče meriti neposredno;

merimo lahko le deformacijo elastičnega merilnega elementa in silo nato izračunamo. Poznati moramo vsekakor elastično konstanto (ali togost) merilnega elementa, ki jo največkrat določimo s poskusom, tako da merilnik obremenjujemo z znanimi silami. Temu postopku pravimo »umerjanje« merilnika.

Merilnike rezalnih sil razdeljujemo:

• Glede na to sli lahko merijo samo eno silo ali več njenih komponent (enokomponentni oziroma večkomponentni merilniki)

• Glede na način, kako merijo deformacijo

• Glede na postopek odrezavanja, za katere so primerni

• Glede na to, ali lahko merijo samo počasne spremembe sil (statični merilniki), ali tudi hitre spremembe (dinamični merilniki)

(52)

Teorija odrezavanja

22

Prvi merilniki so bili mehanski; orodje je bilo vpeto prek zelo togih elastičnih elementov.

Premike zaradi deformacij teh elementov so merili zelo občutljivi mehanski komparatorji (merilne urice) [2].

Slika 2.23: Dvokomponentni mehanski merilnik (Merchant) [2]

Komponente na sliki 2.23:

1. Vzmetna elementa 2. Oljni dušilni stroj 3. Dušilni stroj 4. Vzvod

5. Komparator za merjenje sile Fc

6. Komparator za merjenje sile Fp (ni viden)

V preteklosti so bili pogosto v rabi tudi hidravlični komparatorji. Pri njih je deformacija elastičnega elementa iztisnila del olja iz merilne komore, povezane z manometrom, ki je meril povečanje tlaka.

O izvedbah pnevmatičnih komparatorjev je malo znanega. Pri njih je deformacija elastičnega elementa priprla iztok zraka iz merilne šobe. Najpogosteje je zelo občutljiv manometer meril nastalo povečanje tlaka pred šobo.

(53)

Teorija odrezavanja

23 Sedaj so praktično vsi merilniki električni. Eden starejših je shematično prikazan na sliki 2.24

[2].

Slika 2.24: Enokomponentni merilnik rezalnih sil [Muren; odrezavanje in odnašanje [2]

Sistem na sliki 2.24 deluje nekako takole. Orodje je vstavljeni v držalo, ki se vrti okoli osi o in se naslanja na vzmet d. Vzmet se pri manjših obremenitvah naslanja na sornik c, pri večjih pa se opre tudi na sornik b in tako postane bolj toga. Sornik a preprečuje lom pri preobremenitvi.

Premike držala, ki jih povzroči rezalna sila Fc merimo z induktivnim dajalnikom, pri katerem se spreminja razdalja med obema jedroma z in s. Pri tem se spremeni induktivnost, ki jo merimo z Wheatstonovim mostičkom, v katerega sta navitji vstavljeni v dve veji, kot kaže shema na desni strani slike 2.24.

Eden od merilnikov je tudi merilnik sil, pri katerem deformacije merijo upornostni merilni trakovi. V te trakove je vdelana tanka žica, ki se skupaj s trakom raztegne ali skrči, če se deformira ploskev, na katero je trak pritrjen. Pri tem se ohmska upornost žice poveča ali zmanjša, kar je mogoče zelo natančno izmeriti. Na sliki 2.25 lahko vidimo kako so upornostni merilni trakovi pritrjeni na stružni nož.

Slika 2.25: Stružni nož z nalepljenimi upornostnimi merilnimi trakovi [2]

(54)

Teorija odrezavanja

24

Še ena od rešitev za merjenje rezalnih sil in obremenitev, ki pride v poštev pri frezanju, skobljanju in vrtanju pa je merjenje z elastičnimi obroči z nalepljenimi trakovi. Tako se obroče lahko uporabi za izdelavo merilne mizice, s katero je mogoče v treh smereh meriti sile in moment okoli navpične osi na obdelovancu. Tako merilno mizico vidimo na sliki 2.26.

Slika 2.26: Trikoordinatna merilna mizica [2]

Pri sodobnih merilnikih se za merjenje sil največkrat uporabljamo piezoelektrične kristale. Le- ti so zelo občutljivi in omogočajo tudi dinamična merjenja z zelo velikimi frekvencami.

Piezoelektrični kristali imajo to lastnost, da se pri mehanski obremenitvi na njihovi površini pojavi električni naboj. Ta efekt je odvisen od vrste obremenitve.

Na sliki 2.27 vidimo dve sodobni izvedbi merilnikov sil z vdelanimi piezoelektričnimi kristali.

Slika 2.27: piezoelektrični merilniki sil [2]

Na sliki a je trikomponentni merilnik, ki je namenjen za merjenje sil pri struženju. Merilnik na sliki b je namenjen merjenju sil in momentov pri vrtanju [2], [5].

(55)

25

3 Popis opreme potrebne za eksperimentalni del

3.1 CNC obdelovalni center

Obdelava preizkusnega kosa je bila izvedena na 3 osnem CNC obdelovalnem centru Doosan NX6500 (slika 3.1). Pred delom na stroju je pomembno, da se seznanimo s pravilnim delom na stroju, preverimo delovanje vseh glavnih stikal in se držimo smernic za varno delo na stroju.

Omenjen stroj, na katerem smo izvajali preizkus, se nahaja v laboratoriju za odrezavanje – LABOD.

Slika 3.1: CNC obdelovalni center DOOSAN NX6500

(56)

Popis opreme

26

Specifikacije stroja Doosan NX6500:

• Moč P = 11 / 15 kW;

• Maksimalno število vrtljajev vretena: n = 20000min-1

• Podajalna hitrost : 30 m/min

• Delovno območje:

o X-os ... 1050 mm o Y- os ... 650 mm o Z- os... 550 mm

• Krmilnik: FANUC series 31i - model B5

3.2 Sistem aktivnega merjenja obrabe

Sistem s katerim smo merili in beležili obremenitve posameznih osi na stroju, deluje na principu sprotnega spremljanja navora posamezne poljubne osi oz pogonskega motorja za dano os. V osnovi se ta sistem uporablja za nadzor sil pri vrtanju globoko, da preprečimo lom orodja v globokih luknjah, je pa uporaben tudi pri drugih načinih nadzora obremenitev osi. Začetek in konec meritve prožimo z M kodo. Po končani obremenitvi aplikacija izračuna povprečno vrednost obremenitve iz celotnega območja merjenja in ovrednoti meritev. Pričetek in konec meritve lahko poljubno odrežemo, da se znebimo prehodnih pojavov in morebitnih napak.

Če je zgornja meja obremenitve presežena, se stroj ustavi in javi napako (zgornja meja obremenitve je presežena). Aplikacija omogoča samodejno zaznavanje orodja, ki je v vretenu in s tem samodejno naloži nove parametre za preverjanje obremenitve za izbrano orodje. Kot vidimo na sliki 3.2, aplikacija izriše grafični potek meritve, ter prav tako grafično prikaže kateri del meritve je upoštevan za izračun povprečne vrednosti. Prikazuje se tudi trend zadnjih 100 meritev navora za izbrano orodje. V aplikaciji se shranjuje povprečna vrednost vsake meritve in z njo vsi potrebni parametri. Sistem meri obremenitve pogonskih motorjev za vse 3 osi ter za pogonski motor vretena.

(57)

Popis opreme

27

Slika 3.2: prikaz meritve; z zeleno barvo je označeno merilno območje

Slika 3.3: komanda plošča nadzornega sistema in krmilnik

Na sliki 3.3 je videna vgrajena komandna plošča nadzornega sistema pri kateri lahko opazujemo obremenitve orodij, obenem pa nam podatke shranjuje za kasnejšo obdelavo le-teh. Pod

(58)

Popis opreme

28

zaslonom nadzornega sistema pa je prej omenjen krmilnik Fanuc series 31i – model B5 z vsemi ročnimi stikali za nadzor stroja med obdelavo.

3.3 Orodja uporabljena pri eksperimentu

Za naš eksperiment smo potrebovali le dva orodja in sicer:

• Trirezni rezkar fi 12mm (slika 3.4)

• HSS sveder 12mm (slika 3.5)

Za vpenjanje orodij je bil uporabljen vpenjalni trn po standardu DIN MAS 403 BT, z vpenjalno pušo NIKKEN KM32-30 po standardu DIN 6388.

Slika 3.4: rezkar SECO 554120Z4.0 – SIRON – A vpet v vpenjalni trn

(59)

Popis opreme

29

Slika 3.5: sveder DORMER 308FA – 12.0 – 96 – A12 vpet v samozatezno vpenjalno glavo

Na sliki 3.6 je prikazan delovni prostor po končani obdelavi z že obdelanim kosom. Čez celoten čas obdelave se je kos oblivalo z emulzijo kot je videno na sliki. Zaradi velikih rezalnih sil in velikosti kosa, je bil obdelovanec med obdelavo vpet v dva enaka hidravlična primeža.

Primeža katera sta bila uporabljena med preizkusom sta bila enaka in sicer RÖHM RBA 160mm, katera imata vpenjalno silo F=50kN.

(60)

Popis opreme

30

Slika 3.6: kos po končani obdelavi

Ko je obdelava izvedena in je sistem zajel podatke o obremenitvah osi, lahko te meritve za obstoječo obdelavo analiziramo preko integriranega zaslona, boljša rešitev pa je, da iz sistema izvozimo csv datoteko, katero vnesemo v katerikoli program za obdelavo tabel (npr. microsoft excel) in tam podatke uredimo po vrsticah, stolpcih, da se iz njih lažje znajdemo ter tvorimo grafe, preglednice,…

(61)

31

4 Predstavitev eksperimentalnega dela

Obdelava se je izvajala na Fakulteti za strojništvo, Univerze v Ljubljani in sicer v laboratoriju za odrezavanje LABOD. Preizkus je potekal tako, da smo najprej zmodelirali kos kateri je simetričen in izdelali CAM program za vsako stran posebej.

Da pa smo zagotovili različne vrednosti meritev in možnost kasnejše primerjave obremenitev, pa smo eno stran surovca obdelovali s 100% podajanjem, na drugi strani pa smo zmanjšali na 50%.

4.1 Material preizkušanca

Material katerega smo obdelovali, je bilo navadno konstrukcijsko jeklo, z oznako S235JR (SIST EN 10027-1), oziroma 1.0037 (SIST EN 10027-2). Uporablja se v strojegradnji za izdelavo konstrukcij, dolgih predmetov ter vroče valjanih produktov (različni profili).

Preglednica 2: kemijska sestava konstrukcijskega jekla S235JR (1.0037) [7].

Legirni element Max. delež v sestavi [%]

C 0,25

Mn /

P 0,065

S 0,065

N 0,010

Cu /

4.2 Izdelava CAM programa

Izdelava CAM programa je potekala v programu Mastercam 2021. Izdelava ene strani kosa je potekala v petih korakih, kot je videno na sliki 4.1.

1. Vrtanje lukenj (1-Drill/Counterbore)

2. Groba obdelava središčne izvrtine (2 - Pocket – standard) 3. Fina obdelava središčne izvrtine (3 - Contour (2D))

4. Groba obdelava robu in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (4 - Contour (2D)) 5. Fina obdelava robu in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (5 - Contour (2D)) Velja omeniti, da je mogoče za različne strategije obdelave (pocket, contour, drill/counterbore) nastaviti različne parametre, kar je prikazano v nadaljevanju pod opisom vsake izmed zgoraj naštetih korakov. V programu Mastercam je mogoče te nastavitve za različne strategije videti

(62)

Predstavitev eksperimentalnega dela

32

pod zavihkom Cut parameters (rezalni parametri); tu tudi vidimo katere nastavitve nam izbrani način obdelave dovoljuje. V nadaljevanju je mogoče ta zavihek prvič videti na sliki 4.4.

Obdelovalni parametri pri različnih korakih obdelave, se razlikujejo le pri vrtanju; za frezanje tako središčne izvrtine kot zunanje konture – robu, ostajajo parametri nespremenjeni. Zato bom sliko parametrov frezanja objavil le enkrat. V nadaljevanju so parametri zgolj navedeni po alinejah.

4.2.1 Vrtanje lukenj (1-Drill/Counterbore)

Kot prvo od obdelovalnih postopkov smo izbrali vrtanje lukenj in središčne izvrtine. Na sliki 4.1 je z modro črto označena pot orodja, z rumeno je prikazano kje orodje vstopi in izstopi iz materiala, ter kje se orodje prosto giblje.

Na sliki 4.2 vidimo parametre, ki smo jih nastavili za vrtanje. Tako lahko vidimo, da vrtanje izvedemo s svedrom premera 12 mm, ki je na mestu 11 v revolverju orodij. Obdelovalni parametri za ta korak so:

• Podajanje (feed rate) - vf = 100 mm/min

• Podajanje na zob (FPT – feed per tooth) - fz = 0,1 mm/zob

• Rezalna hitrost pri vrtanju (cutting speed) – vc = 0,037 m/min

• Smer vrtenja orodja (Spindle direction) = CW (clockwise) – v urini smeri

Slika 4.1: pot orodja pri prvem koraku obdelave

(63)

33

Slika 4.2: obdelovalni parametri pri prvem koraku obdelave

4.2.2 Groba obdelava središčne izvrtine (2 – Pocket – standard)

V tem koraku obdelave se posvetimo grobi obdelavi središčne izvrtine. Na sliki 4.3 je z modro barvo vidna pot orodja, medtem ko rumena črta prikazuje vstop in izstop orodja in obdelovanca.

Obdelujemo z ravnim rezkarjem premera 12 mm.

Obdelovalni parametri:

• Rezalna hitrost pri frezanju (cutting speed - milling) – vc = 0,15 m/min

Tu lahko vidimo, da se obdelava izvaja v spirali, katere nastavitev je mogoče videti na sliki 4.5.

Na isti sliki lahko vidimo tudi dodatek, ki ga na stenah in dnu izvrtine pustimo po tem koraku.

Ta dodatek na stenah znaša 0,5 mm, medtem ko na dnu ni dodatka, saj z orodjem poberemo tudi dno obdelovanca.

(64)

34

Slika 4.3: pot orodja pri drugem koraku obdelave

Slika 4.4: obdelovalni parametri pri drugem koraku obdelave

(65)

35

Slika 4.5: strategija obdelovanja v drugem koraku

4.2.3 Fina obdelava središčne izvrtine (3 – Contour (2D))

Sledi fina obdelava središčne izvrtine in odstranitev dodatka 0,5 mm na steno, ki smo ga pustili v prejšnjem koraku. Prav tako za obdelavo uporabimo ravni rezkar premera 12 mm. Posebnost pri tem koraku obdelave je možnost nastavitve vkopa orodja v material (Lead In/Out).

Nastavitve vhodno - izhodnih parametrov za orodje (Lead In/Out) so vidne na sliki 4.8. Pri tem parametru nastavimo pot kje se orodje vkoplje v material in kje konča z obdelavo. Pot je lepo vidna na sliki 4.6.

Parametri obdelave:

Na sliki 4.7 so vidne nastavitve za obdelavo konture. Vidimo da je kot tip konture izbran 2D, kar pomeni, da se orodje pomika le v y-x ravnini (vezano na koordinatni sistem na sliki 4.6).

(66)

36

Slika 4.6: pot orodja pri tretjem koraku obdelave

Slika 4.7: strategija obdelave 2D konture v tretjem koraku

(67)

37

Slika 4.8: možnost nastavitev vhodno-izhodnih parametrov za orodje

4.2.4 Groba obdelava robu in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (4 – Contour (2D))

V predzadnjem koraku je sledila groba obdelava konture na zunanjem delu obdelovanca – na robu. Kot omenjeno že prej, smo tudi tukaj za obdelavo uporabili ravni rezkar premera 12mm.

Na sliki 4.9 zopet vidimo kje orodje začne in konča obdelavo, ter po kakšni poti ter kolikokrat se je pomikalo.

Parametri obdelave:

Podobno kot v prejšnjih korakih, lahko tudi na sliki 4.10 vidimo strategijo obdelave 2D konture.

Velja omeniti, da smo podobno kot pri koraku 2, tudi tukaj pustili 0,5 mm dodatka na steno, katerega odstranimo z zadnjim, petim prehodom. Kot prej omenjeno nam tudi ta način obdelave omogoča posebne nastavitve, ki so vidne na sliki 4.11. Gre za nastavitve globine rezanja v posameznih prehodih. Pri omenjenem koraku smo nastavili, da je največja dovoljena globina rezanja 2,0 mm, končni prehodi pa 0,3 mm.

(68)

38

Slika 4.9: pot orodja pri četrtem koraku obdelave

Slika 4.10: strategija obdelave konture v četrtem koraku

(69)

39

Slika 4.11: možnost nastavitve različnih globin rezanja

4.2.5 Fina obdelava in zaokrožitev na zunanji strani obdelovanca (5 – Contour (2D))

V zadnjem koraku je sledila fina obdelava konture na zunanjem delu obdelovanca. Kot v prejšnjih primerih je bil za obdelavo tudi tukaj uporabljen ravni rezkar premera 12mm. Pot orodja, vključno z začetkom in koncem obdelave, je vidna na sliki 4.12. Kot pri koraku 3, lahko tudi pri koraku 5 opazimo, da je končna obdelava in odstranitev 0.5mm materiala, puščenega v četrtem koraku, poteka le z enim prehodom orodja.

Parametri obdelave:

• Smer vrtenja orodja (Spindle direction) = CW (clockwise) – v urini smeri Strategijo obdelave konture vidimo na sliki 4.13.

(70)

40

Slika 4.12: pot orodja pri petem koraku obdelave

Slika 4.13: strategija obdelave konture v petem koraku

(71)

41

5 Analiza in vrednotenje rezultatov

5.1 Vizualna analiza obdelovanca po zaključeni obdelavi

Kot omenjeno že v prejšnjih poglavjih, smo za vizualno analizo obdelane površine obdelali vsak konec obdelovanca z različnim podajanjem. Na eni strani je bilo podajanje 100%; torej 100 mm/min, na drugi strani pa smo podajanje zmanjšali za 50%, torej je znašalo 50 mm/min.

Na sliki 5.2 je risba obdelovanca z vsemi potrebnimi merami, na sliki 5.1 pa je viden obdelovanec po končani obdelavi na obeh straneh. Na slikah 5.3 in 5.4 pa vidimo obdelano površino po različnih podajalnih hitrostih in sicer na središčni izvrtini in ob straneh.

Slika 5.1: končan obdelovanec

(72)

Analiza in vrednotenje rezultatov

42

Slika 5.2: risba obdelovanca z merami

Slika 5.3: Obdelana površina – podajanje 50%

Slika 5.4: Obdelana površina - podajanje 100%

(73)

43 Po slikah lahko s prostim očesom opazimo očitno razliko med obdelano površino, ko je bilo podajanje na stroju ročno zmanjšano na 50% in med površino, ko smo podajanje pustili na 100% (100 mm/min – kot nastavljeno v programu Mastercam). V naslednjem podpoglavju bom predstavil še podatke, katere je zajel nadzorni sistem in jih podal v kontekst.

5.2 Analiza zajetih podatkov

Zaradi verodostojnosti analize, smo meritev izvajali samo za postopke vrtanja in obdelave središčne izvrtine (grobe in fine). Če bi meritve izvajali še za zunanji del obdelovanca, meritve ne bi bile verodostojne, saj smo predhodno obdelovanec odžagali s tračno žago in nimamo popolnoma enakega ostanka materiala, zato bi meritve skozi celoten cikel odstopale od optimalnih.

V nadaljevanju smo, kot že prej omenjeno, izvedli meritve obremenitve stroja pri 100% in 50%

podajanju. Ker so intervali zajetih meritev veliki, nastane problem pri prikazu vseh podatkov, zato se v nadaljevanju osredotočimo na postopek vrtanja.

5.2.1 Merjenje obremenitev pri postopku vrtanja

Na sliki 5.5 tako vidimo zajem vseh podatkov pri vrtanju pri 100% podajanju, na sliki 5.6 pa zajem podatkov pri 50% podajanju. Tudi tukaj zaradi lažje in bolj podrobne analize interval zajetih meritev skrčimo in se lotimo analize vrtanja ene luknje (druga luknja po vrsti – slika 4.1).

Na sliki 5.5 vidimo obremenitve vseh treh osi stroja pri 100% podajanju; tj. 100 mm/min.

Celoten proces obdelave pri teh parametrih traja 58,584 sekund. Po razmakih med posameznimi meritvami smo izračunali povprečje časovnih razmakov med meritvami, katero znaša 127,7 ms.

Ta razmak je enak pri vseh meritvah.

Na sliki 5.6 vidimo obremenitev vseh treh osi stroja pri 50% podajanju; tj. 50 mm/min. Tu seveda proces traja dlje in sicer 102 sekundi. Trajanje procesa sistem za nadzor zajame in ga poda v obliki časovnega zapisa datuma z uro ter v obliki timestamp (časovni žig). S tema dvema formatoma smo si pomagali pri izračunu trajanja procesa ter trajanju posameznih meritev ter razmakov med njimi.

Pri procesu vrtanja je predvsem relevantno spremljanje obremenitev na osi Z, zato se pri analizi posvetimo sivim črtam na grafu. Opazimo lahko, da meritve močno odstopajo le v območju vrtanja druge luknje, katerim se v nadaljevanju posvetimo. Pri ostalih štirih luknjah so podatki o obremenitvah primerljivi.

Na slikah 5.7 in 5.8 je je vidna razlika pri obremenitvi Z osi. Opazimo lahko, da pri 100%

podajanju obremenitev doseže 65% dovoljene, medtem ko pri 50% podajanju obremenitev Z osi doseže le okoli 36% dovoljene.

Če spremljamo vzorec obremenitve Z osi, vidimo, da je na obeh grafih oblika podobna. Iz podatkov o obremenitvi X in Y osi žal ne moremo razbrati nič relevantnega, kar bi nam pripomoglo pri razumevanju in kasnejši nastavitvi optimalnih obdelovalnih parametrov.

(74)

44

Slika 5.5: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (vrtanje lukenj)

(75)

45

Slika 5.6: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (vrtanje lukenj)

(76)

46

Slika 5.7: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 100% podajanju

Slika 5.8: zajeti podatki o obremenitvi pri vrtanju druge luknje pri 50% podajanju

(77)

47 5.2.2 Merjenje obremenitev pri postopku frezanja

V naslednjem koraku se posvetimo analizi obremenitev pri izdelavi središčne izvrtine. Da spomnimo: središčna izvrtina se je izdelovala v dveh korakih. Prvi korak je bila groba obdelava.

Tu smo z rezkarjem v večih prehodih odstranjevali odvečni material iz središča navzven – v spirali. Drugi korak je bila fina obdelava, kjer smo z enim prehodom odstranili 0,5 mm dodatka na steni, katerega smo pustili v predhodnem koraku. Ker pri postopku frezanja središčne izvrtine ne prihaja do tako skokovitih obremenitev, kot pri vrtanju, tu spremljamo trend obremenitve skozi trajanje celotnega procesa obdelave.

Na slikah 5.9 in 5.10 sta prikazana grafa obremenitev fine in grobe obdelave pri 100% podajanju – 1000 mm/min. Proces grobe obdelave tako traja 92,85 sekund, proces fine obdelave pa 14,8 sekund.

Na slikah 5.11 in 5.12 pa sta prikazana grafa obremenitev fine in grobe obdelave središčne izvrtine pri 50% podajanju – 500 mm/min. Proces grobe obdelave tako traja 179,066 sekund, proces fine obdelave pa 25,74 sekund.

Če primerjamo obremenitve med grobo obdelavo središčne izvrtine pri 100% podajanju (slika 5.9) ter obremenitve za isto obdelavo pri 50% podajanju (slika 5.11) opazimo, da se obremenitve ne spreminjajo sorazmerno s hitrostjo podajanja. Če pogledamo trendne črte na grafih vidimo, da se pri obeh podajalnih hitrostih obremenitev Z osi giblje okoli 20%, medtem ko sta obremenitvi X in Y osi podobni in sicer okoli 5% dovoljene obremenitve.

Podoben trend opazimo pri fini obdelavi središčne izvrtine. Tako vidimo, da sta zopet obremenitvi X in Y osi v rangu 3-5% ter obremenitev Z osi okoli 20% dovoljene obremenitve.

Velja omeniti naklon trendne črte pri fini obdelavi središčen izvrtine. Ta je različen zaradi časa trajanja obdelave. Pri obdelavi s 100% podajanjem je strmejši, saj je obdelava trajala manj časa in je posledično zajetih vrednosti v rangu 20% manj.

Tako lahko sklenemo, da se je preizkus odvil nasprotno našim pričakovanjem, kjer smo predpostavili, da se bodo obremenitve pri manjšem podajanju občutno zmanjšale napram obremenitvam pri večjem - tj. 100% podajanju.

(78)

48

Slika 5.9: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine)

(79)

49

Slika 5.10: zajeti podatki o obremenitvi pri 100% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine)

(80)

50

Slika 5.11: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (groba obdelava središčne izvrtine)

(81)

51

Slika 5.12: zajeti podatki o obremenitvi pri 50% podajanju (fina obdelava središčne izvrtine)

(82)

52

5.3 Evalvacija porabe električne energije

Ker pri analizi podatkov o obremenitvah stroja nismo prišli do posebnih zaključkov, smo raziskavo razširili še na področje porabe električne energije, kjer smo primerjali količino porabljene električne energije pri različnih podajalnih hitrostih. Vzeli smo podatke o procentualni obremenitvi pogonskih motorjev za posamezne osi ter za obremenitev vretena, jih integrirali po času in tako dobili porabo električne energije v kWh.

Tako smo za vsako operacijo naredili graf porabe električne energije v kWh za obremenitev vsake osi ter glavnega vretena. Na koncu smo sešteli vsoto porabljene električne energije za vsako operacijo in ta podatek primerjali s podatki o isti operaciji z drugim podajanjem.

Tako bodo v nadaljevanju za vsako operacijo videni štirje grafi – obremenitev X osi, obremenitev Y osi , obremenitev Z osi ter obremenitev vretena. Na koncu poglavja sledi primerjava podatkov o porabljeni energiji.

5.3.1 Poraba pri vrtanju lukenj (100% podajanje)

Slika 5.13: poraba el. energije Y os - 100% podajanje

Slika 5.14: poraba el. energije X os - 100% podajanje

(83)

53

Slika 5.15: poraba el. energije Z os - 100% podajanje

Slika 5.16: poraba el. energije vreteno - 100% podajanje

• Vsota porabljene električne energije: 0,000426 kWh