Badania naukowe w mikroprzedsiębiorstwie, prawda czy fałsz / autor: Piotr Wolszczak

Streszczenie:

W kolejnym artykule przedstawiono wyniki współpracy mikroprzedsiębiorstwa i uczelni wyższej realizowanej w formie stażu pracownika naukowego w firmie. Przedstawiono wyniki monitorowania zużycia nowych narzędzi, którymi były frezy z węglików spiekanych. Podczas jednego z eksperymentów testowano przydatność par materiałów pochodzących od różnych producentów o zawartości kobaltu 10% i 12%. Do monitorowania warunków pracy wykorzystano czujniki drgań umieszczone na głowicy frezarki sterowanej numerycznie.

 

WSTĘP

 

Badania naukowe, których wyniki są często pożądane i oczekiwane w przedsiębiorstwach wiążą się jednak z kosztami. Koszty te są obarczone ryzykiem, dlatego Przedsiębiorcy nie chcą ich ponosić.

Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest skorzystanie z programu stażowego polegającym na realizacji stażu pracownika naukowego w firmie. Taka współpraca została podjęta pomiędzy mikroprzedsiębiorstwem zajmującym się produkcją narzędzi przeznaczonych do obróbki skrawaniem (wierteł i frezy) oraz Politechniką Lubelską.

Interesującym dla obydwu stron było zagadnienie zużycia narzędzi skrawających. Doświadczenie pracowników firmy wsparto umiejętnością przygotowania i prowadzenia eksperymentów oraz analizowania ich wyników. Prowadzono badania porównawcze w celu optymalizacji różnych parametrów związanych z produkcją i eksploatacją narzędzi. Celem badań było również opracowanie prostej i efektywnej metody monitorowania warunków pracy narzędzi, możliwej do zastosowania w warsztacie, poza laboratorium.

 

PODSTAWY TEORETYCZNE

Typowym sposobów zużycia narzędzi skrawających są wykruszenia i wyszczerbienia krawędzi ostrzy skrawających. Przyczyną ich jest obciążenie powierzchni natarcia siłami skrawania [1, 2]. Odrywanie warstwy materiału wywołuje drgania o charakterze samowzbudnym [3]. Siły skrawania są zwiększane przez kumulujące się drgania i przyczyniają się do wykruszania ostrzy. Zużycie to i sposób początkowego docierania narzędzi w przypadku materiałów węglikowych może być znaczący dla dalszej przydatności narzędzia [4].

Zużycie w warunkach warsztatowych szacowane jest za pomocą słuchu operatora maszyny oraz na podstawie oględzin narzędzi i obrobionej powierzchni po wykonaniu kilku pierwszych przejść.

Zdarza się jednak, że w tych warunkach wykorzystywane są przyrządy stosowane dotychczas podczas badań laboratoryjnych [5]. Przyrządy elektroniczne stosowane są do określania charakterystyk pracy ich produktów oraz doboru optymalnych parametrów pracy [6].

W przypadku producentów narzędzi skrawających do pomiaru sił powstających w strefie skrawania wykorzystuje się czujniki drgań połączone z systemem rejestracji, przetwarzania i wizualizacji [7].

Jeżeli mamy do czynienia z narzędziami obrotowymi czujniki umieszczane są na elementach maszyny lub materiale. Wartości zarejestrowanych przyspieszeń pozwalają na wnioskowanie o zmienności sił oddziałujących na narzędzie. Ten sposób monitorowania wiąże się z koniecznością opracowania metody pomiaru i procedur pomiarowych w celu uniknięcia różnego rodzaju błędów systematycznych, związanych np. ze zmianą lokalizacji czujników.

 

W trakcie jednego z eksperymentów pracownicy Przedsiębiorstwa pod nadzorem pracownika naukowego odbywającego w firmie staż prowadzili badania porównawcze grup narzędzi o jednakowej geometrii wykonanych z materiałów pochodzących od różnych producentów, o jednakowej zawartości kobaltu 10% i 12%. Frezy o średnicy 6 mm podzielono na cztery grupy według rodzaju materiału i producenta (A10, A12, B10 i B12).

Eksperyment przeprowadzono w celu sprawdzenie, czy wprowadzenie nowego materiału nie wpłynie niekorzystnie na pracę narzędzi oraz zweryfikowanie przydatności układu pomiarowego z czujnikami drgań.

Obserwacją objęto narzędzia surowe, niepoddane wcześniejszemu stępieniu krawędzi ostrzy skrawających. Takie narzędzia podatne są na wykruszenia.

 

METODYKA

Do obserwacji wykorzystano system pomiarowy zbudowany w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH w Krakowie. Tor pomiarowy składał się z trzech czujnikami akcelerometrycznych o zakresie pomiarowym do 16kHz i czułości 100mV/g, karty pomiarowej z 16-bitowym przetwarzaniem multipleksowym o prędkości 500kS/s. Parametry sprzętu dobrano według wymagań pomiarowych. Do sterowania akwizycją danych pomiarowych zastosowano program wykonany w środowisku LabView.

Czujniki zamocowano do wrzeciona obrabiarki sterowanej numerycznie w kierunkach X i Y oraz do materiału w kierunku X.

Rejestrowany sygnał pyspieszenia był całkowany w celu obserwacji przebiegów zmian prędkości i przemieszczenia. Poniższy rysunek (a) przedstawia przykładowy fragment przebiegu przyspieszeń.

rys. 1

Rys. 1. Przykład zarejestrowanego sygnału przyspieszeń (a), po scałkowaniu przebiegów prędkości (b) i przemieszczeń (c) oraz odpowiadających im przebiegów przekształconych za pomocą funkcji obwiedni(d, e, f), obejmującego 6 przejść narzędzia [8]

Program komputerowy umożliwia podgląd sygnałów, bez akwizycji i umożliwia weryfikacje prawidłowości podłączeń oraz rozmieszczenia czujników. Rozpoczęcie pomiaru inicjowane jest przez operatora obsługującego program. W celu zakończenia pomiaru i zapisania sygnału w pliku operator zatrzymuje akwizycję danych. Zapisanie wyników w pliku umożliwia prowadzenia dalszych analiz numerycznych.

Zapisane w plikach sygnały przetwarzano z wykorzystaniem programu przygotowanego w środowisku LabWindows CVI w Katedrze Automatyzacji Politechniki Lubelskiej. Przykładowy przebieg sygnału przedstawia rys. 1.

Opracowano specjalną funkcję filtracji sygnału w celu poprawienia czytelności przebiegów polegającą  na wykreśleniu tzw. funkcji sygnału (ang. envelope), której przykład działania przedstawiono na rys. 1d-f.

Funkcja obwiedni opierała się na obliczeniu średniej ruchomej (ang. moving average) z szeregu wartości absolutnych zarejestrowanych przyspieszeń |x| [9, 10]. Waga włączenia wartości historycznych xi-1 do kolejnych wartości szeregu xi wynosiła 0.99. Poza poprawieniem czytelności wykresu przebiegu średnią ruchomą zastosowano w celu filtrowania błędów przypadkowych i wibracji o wysokiej częstotliwości. Poprawa czytelności wykresu przebiegu jest szczególnie istotna w przypadku wizualizacji na jednym wykresie sygnałów pochodzących z kilku czujników drgań.

Przedmiotem badań były frezy palcowe o średnicy 6 mm i 4 ostrzach, wykonane z materiałów węglikowych. Obrabiano element wykonany ze stali 40HM. Przejścia wykonywano kierunku współbieżnym i przeciwbieżnym, a warstwa usuwanego materiału miała szerokości 1 mm i wysokości 3 mm.

Na etapie początkowym dokonano doboru parametrów skrawania. Przyjęto, że narzędzia wykonane z materiału o zawartości kobaltu 10% (grupy A10 i B10) pracować będą ze średnią prędkością skrawania vc=0.04 m/min, a narzędzia o zawartości Co 12%, z vc=0,025 m/min. Podczas testu zmieniano prędkość skrawania o 0,005 m/min w celu zweryfikowania wstępnie dobranych parametrów skrawania.

Ostrza narzędzia po zakończeniu testów obróbki sfotografowano i wykonano pomiary długości wykruszeń. Przykład obrazu ostrza przedstawia rys. 2.

Rys. 2. Przykład pomiaru długości wykruszeń na ostrzu freza [8]

rys. 2

Przeprowadzono analizę wyników, która polegała na porównaniu uśrednionych wartości fragmentów zapisów amplitud przyspieszeń po zastosowaniu filtracji funkcją obwiedni z wyłączeniem faz wejścia i wyjścia narzędzia w materiał.

 

WYNIKI

Obserwacje wartości średnich amplitud przyspieszeń (po zastosowaniu uprzednio opisanej filtracji) wykazały gwałtowny ich spadek w trakcie obróbki współbieżnej. Spadek ten związany z przyspieszonym zużyciem w początkowym okresie używania narzędzi zaobserwowano w przypadku narzędzi wykonanych z obu rodzajów materiału: o zawartości 12 % Co (Rys. 3) oraz 10 % Co (Rys. 4).

rys. 3

Rys. 3 Wykres średnich wartości amplitud przyspieszeń zarejestrowanych w kierunkach X i Y w trakcie frezowania współbieżnego narzędziami o zawartości Co 12%. Wąsy – przedziały ufności. Punkty – dane surowe. [8]

 

Porównanie wyników uzyskanych w badaniach obu rodzajów materiałów wykazuje niższe o około 25% wartości średnich amplitud podczas pierwszego przejścia w przypadku materiałów o niższej zawartości kobaltu (10% Co) (Rys. 4) zarejestrowanych w obu kierunkach (X i Y) niż w przypadku Co 12% (Rys. 3).

 

rys. 4

Rys. 4: Wykres średnich wartości amplitud przyspieszeń zarejestrowanych w kierunkach X i Y w trakcie frezowania współbieżnego narzędziami o zawartości Co 10%. Wąsy – błąd standardowy. Punkty – dane surowe. [8]

W przypadku frezowania przeciwbieżnego, również zaobserwowano podobną zależność średnich wartości amplitud od zawartości kobaltu.

Wyniki grup próbek o zawartościach 10 i 12% Co pochodzących od różnych producentów były podobne. Potwierdzono to przeprowadzając analizę wariancji, która nie wykazała związku pomiędzy amplitudami zarejestrowanymi w poszczególnych przejściach a źródłem pochodzenia materiałów w obu grupach materiałowych.

Kolejna analizy (ANOVA) potwierdziła natomiast istotne różnice pomiędzy: amplitudami |aśr| zarejestrowanymi w poszczególnych przejściach (wpływ docierania), lokalizacją czujników (kierunki czujników to X i Y, a kierunek posuwu to Y) (Tabela 2). 

 

Tabela 2: Jednowymiarowe testy istotności średnich wartości absolutnych amplitud zarejestrowanych za pomocą czujników umieszczonych na wrzecionie w kierunku X i Y oraz na materiale w kierunku X, poziom istotności przyjęto z p <0.05 (wyniki własne)
SS - suma kwadratów odchyleń od średniej; df – liczba stopni swobody,
MS - średnie kwadraty ANOVA, F - test dwu wariancji [8]

tabela

Na podstawie zgodność wyników w grupach próbek materiałowych i różnice wynikające z lokalizacji czujników, kierunku obróbki i numeru przejścia, wykazanych w analizie statystycznej, przyjęto, że zastosowana metoda i procedura pomiarowa są wystarczające do monitorowania zużycia frezów w fazie docierania. 

Na rys. 8 zaprezentowano. Średnie wartości długość krawędzi wykruszonej L dla każdego freza (4 ostrza), zgrupowane według rodzaju materiału. Wyniki tworzą wyraźne grupy według rodzaju materiału i jego producenta. Jeden frez (nr 16 z grupy A10) wykazuje duże różnice pomiędzy wynikami pomiaru długości L. W tym przypadku trzy ostrza posiadały wykruszenia na długości bliskiej głębokości skrawania, a jedna krawędź ostrza była tylko nieznacznie uszkodzona. 

Porównując grupy frezów różniące się zawartością kobaltu zauważalny jest większy stopień zużycia w przypadku frezów o zawartości Co 12%. Obserwację tą należy jednak interpretować ostrożnie, ponieważ mimo, że narzędzia pracowały na jednakowej drodze, to w przypadku obu grup materiałów dobrano różne parametry skrawania.

 

rys. 8

Rys. 8 Zgrupowane wg rodzaju materiału średnie długości L[mm] (oś pionowa) wykruszeń wzdłuż krawędzi ostrzy poszczególnych frezów (oś pozioma) [8]

 

WNIOSKI

Uzyskanie w eksperymencie powtarzalnych początkowych fragmentów krzywej zużycia narzędzi (krzywej Lorentza) potwierdza, że zużycie obrotowych narzędzi skrawających może być monitorowane z użyciem wibroakustycznych czujników drgań. Przypuszczać jednak należy, że nie jest to metoda wystarczająca, a w różnych przypadkach konieczne może być zastosowanie dodatkowych narzędzi umożliwiających pomiar temperatury, dźwięku lub wizyjne pomiary geometryczne [1]. 

Z zastosowaniem tej metody wiąże się ryzyko powstawania błędu systematycznego, który wynika ze zmiany położenia czujników. Zastosowanie czujników drgań wydaje się mimo to wygodną metodą monitorowania pracy narzędzi. Konieczne jest zatem opracowanie stosownej metodyki eliminującej błędy związane z lokalizacją czujników i dlatego przyjęto metodą badań porównawczych. Porównywane są wyniki uzyskiwane w jednakowych warunkach. Wyniki nie mogą być porównywane, kiedy zmieni się lokalizacja czujników lub inne elementy układu obrabiarka-przedmiot-narzędzie.

Przyjęta metoda i procedura pomiarowa z uwagi na wygodę otrzymywania wyników, które można interpretować w warunkach warsztatowych mogą być stosowane w Zakładzie Producenta narzędzi. Przeprowadzone w ramach eksperymentu testy porównawcze narzędzi wykonanych z materiałów pochodzących od nowego i dotychczasowego dostawcy umożliwiły podjęcie decyzji o ich zastosowaniu w procesie produkcji. 

Aby podnieść trwałość ostrzy narzędzi wykonanych z węglików należy je wstępnie „zatępiać”, ponieważ wykonane są one z kruchego materiału, a wykruszenia przyczyniają się do przyspieszonego całkowitego zniszczenia narzędzia. Zastosowanie węglików spiekanych o niewielkiej ziarnistości (1-4 m) pozwala na docieranie narzędzi w trakcie pracy, zabezpieczając je przed tym rodzajem zużycia.

 

BIBLIOGRAFIA

1. Sarhan A., i inni. Interrelationships between cutting force variation and tool wear in end-milling. Journal of Materials Processing Technology. s. 229-235, 2001, Tom 109, 3

2. Choudhury S.K. i Rath S. In-process tool wear estimation in milling using cutting force model. Journal of Materials Processing Technology. s. 113-119, 2000, Tom 99, 1-3.

3 Marchelek K. Dynamika Obrabiarek. Warszawa : WNT, 1974

4. Kupczyk M. J. Wytwarzanie i eksploatacja narzędzi skrawających z powłokami przeciwzużyciowymi. Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2009.

5. Dimla E. i Dimla Snr. Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting operations—a review of methods. International Journal of Machine Tools and Manufacture. s. 1073-1098, 2000, Tom 40, 8.

6. Ghani J.A., i inni. Monitoring online cutting tool wear using low-cost technique and user-friendly GUI . Wear. s. 2619-2624, 2011, Tom 271, 9-10.

7. Kucharski T. System pomiaru drgań mechanicznych. Warszawa : WNT, 2002.

8. Wolszczak P. Płaska S., Korbiel T., Stachowicz D.: Monitorowanie początkowego zużycia frezów węglikowych o ostrych krawędziach skrawających. II Konferencja Naukowo – Techniczna Obrabiarki Sterowane Numerycznie i Programowanie Operacji w Technikach Wytwarzania. Radom 2011

9. Smith S. W. Digital Signal Processing. Burlington, MA, USA : Newnes, 2003.

10. Shao H., Wang H. L. i Zhao X.M. A cutting power model for tool wear monitoring in milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture. s.1503-1509, 2004, Tom 44, 14.

Formy ochrony - powrót

.

Innowacyjna Gospodarka


Projekt Współfinansowany z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.