Monitorovanie hydroabrazívneho delenia materiálov

 

Tieto javy predstavujú generovaný po­vrch a vibrácie. Za účelom potvrde­nia hypotetických predpokladov o závislosti kvality generovaného povrchu na vibráciách, boli s využitím nehrdzavejúcej ocele AISI 304, vykonané experimenty. Experimenty boli vykonané pri štyroch rôznych nastavenia rýchlosti posuvu deliacej hlavice.

Vibrácie materiálu boli zachytené pomo­cou dvoch nezávislých akcelerometrov PCB IMI 607 A11. Jeden z akcelerometrov bol orien­tovaný v smere rezu a druhý v smere kolmom na rez. Vzorkovacia frekvencia bola 30 kHz. Vy­tvorená topografia na materiály bola meraná za pomoci optického profilometra FRT MicroProf. Zozbierané údaje boli vyhodnotené pomocou virtuálneho nástroja vytvoreného v LabView 8.5 vo forme vibračných analýz, ktoré boli násled­ne navzájom porovnané. Ukázalo sa, že obe javy závisia od spoločnej technologickej príčiny – od rýchlosti posuvu deliacej hlavice. Práca prináša aj teoretický návrh systému on-line monitoro­vania a návrh budúceho smerovania výskumu v danej oblasti.

 

KVALITA A CENA

Práca vznikla na základe neustáleho rastu po­žiadaviek na kvalitu a produkciu. Nárast vyža­duje návrh systému, ktorý by produkoval kvalit­né výrobky rýchlo a lacno. Faktom je, že kvalita je často spájaná s vyššou úrovňou ceny, a pre­to je potrebné navrhnúť plne flexibilný systém, ktorý by eliminoval zbytočné náklady vo výro­be. Jednou z možností, ako vytvoriť takýto sys­tém alebo aspoň trochu sa k nemu priblížiť, je zavedenie on-line monitorovania do už existu­júcich konvenčných aj nekonvenčných techno­logických procesov. Medzi nekonvenčné tech­nologické procesy delenia materiálov patrí aj delenie vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom (AWJ).

Tento technologický proces sa v súčasnosti do­stáva do popredia, pretože touto technológiou je možné deliť akýkoľvek dostupný materiál. Výhodami technológie AWJ nie je len jej nízky vplyv na životné prostredie, ale aj fakt, že po­čas delenia nedochádza k teplotným zmenám v mieste rezu. Aj technológia AWJ je počas de­lenia sprevádzaná javmi, akými sú napríklad vibrácie či akustické emisie. Preto je zámerom práce analýza a porovnanie dát získaných expe­rimentálnymi meraniami vibrácií, a ich využi­tie pri teoretickom návrhu možného spôsobu on-line monitorovania daného technologické­ho procesu.

 

ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU

Problémy týkajúce sa technológie hydroabra­zívneho delenia predstavujú objekty záujmu pre výskum a vývoj mnohých autorov. Avšak predmetom ich záujmu je hlavne typická topo­grafia vytvoreného povrchu a snaha kontrolo­vať a predpovedať topografiu povrchu priamo počas procesu delenia.

V začiatkoch, pri zavádzaní technológie AWJ do praxe, boli počiatočné výskumy autorov orien­tované hlavne na mechanizmus úberu materiá­lu [13]. Touto problematikou sa zaoberali auto­ri ako Hasish, Chao a Geskin, Arola a Rumulu [1], [4], [7]. V roku 2010 sa Bound et al. zaobe­rali štúdiou morfológie a mechanických vlast­ností abrazíva (brúsiva) a dokončeného povrchu v prípade delenia zliatin titánu. Autori Azmir et al. roku 2008 skúmali povrch, ktorý bol vytvo­rený počas delenia sklených vlákien epoxido­vých kompozitov. Kovačevič, Momber, Mohan, ako aj Hassan a Arulu zamerali svoju pozornosť na sprievodný jav akustickej emisie s cieľom vy­užiť ju pri monitorovaní hĺbky rezu pri hydro­abrazívnom delení materiálu [8]. V roku 1998 autori Hoogstrate a Luttervel vypracovali ana­lytický model celkovej hĺbky rezu. V roku 2001 Dasgupta et al., Neelesh a Vijay vyvinuli analy­tické modely pre simuláciu, plánovanie a opti­malizáciu, pričom na základe konkrétneho ty­pu operácie, materiálu a podmienok obrábania zostavili výbery vhodných modelov. Sharma et al. použili Taguchiho návrh experimentov na vytvorenie rezného modelu pre danú skupinu materiálov [5], [6].

Valíček et al. [11] sa orientovali na vytvorenie optickej metódy detekcie a analýzy geometric­kých parametrov topografie povrchu genero­vaného počas hydroabrazívneho delenia mate­riálu. Materiály rozdelili do tried deliteľnosti TCUT. Ďalej navrhli systém spätno-väzbové­ho riadenia vzhľadom na namerané hodnoty akustického tlaku Laeq. Arul et al. a neskôr aj Folkes použili akustickú emisiu pre on-line de­tekciu stavu obrobku. Akustickú emisiu a vibrá­cie skúmali Hloch et al. a Valíček et al. Hloch a Valíček [11] ďalej sústredili svoju pozornosť na vplyv faktorov na nerovnosti povrchu nehrdza­vejúcej ocele a hliníka [5], [9].

Akustické emisie, ako aj vibrácie zaznamena­li úspech pri diagnostike, predikcii a riadení mnohých technologických postupov. Zo všet­kých prítomných javov, vznikajúcich pri obrá­baní materiálov, sa používali na výskum prevaž­ne akustické emisie. Už v roku 1992 Kovačevič sústredil pozornosť na nepriame monitorova­nie hĺbky priestrelu do drevného materiálu, kde ako indikátor použil normálové sily generova­né na obrobku. Momber et al. použili akustickú emisiu pre on-line monitorovanie AWJ procesu delenia lomovo narušených materiálov. Na me­ranie rozptýlenej energie použili hodnotu RMS. Valíček & Hloch skúmali alternatívy on-line ria­denia a predpovedania kvality povrchu pomo­cou prítomného negatívneho javu – hluku. Ati­vitavas sa v roku 2002 vo svojej práci venoval prepojeniu akustických emisií s neurónovou sieťou, aby dokázal určiť poruchy v kompozit­ných plastových konštrukciách. V roku 2004 Asraf navrhol vo svojej práci model kontinuálneho monitorovania hĺbky rezu pomocou akustickej emisie v procese AWJ a zároveň zis­til, že hodnota RMS narastá spolu s narastajú­cou hĺbkou rezu lineárne. Ďalším autorom, zao­berajúcim sa akustickou emisiou, bol Arul et al, ktorý sa vo svojej práci zameral na proces vŕta­nia kompozitov [2], [3], [5].

Iba mala skupina autorov sa zaoberala vibrá­ciami materiálu a informáciami, zahrnutými v procese hydroabrazívneho delenia. Hloch et al. analyzovaním spektra vibrácií pri hydroabra­zívnom delení vyhradili frekvenčné zložky, ne­súce významné informácie o okamžitom stave procesu delenia. Vibrácie vznikajúce pri tom­to delení sa stali stredobodom pozornosti pre Hreha et al., ktorý v svojej dizertačnej práci [10] skúmal závislosť medzi deleným materiálom (hliník) a parametrami drsnosti povrchu Ra, Rq a Rz a následne, prostredníctvom vibrácií, štu­doval procesy prebiehajúce počas preniku vod­ného prúdu materiálom Peržel et al. Kolektív autorov poukázal na možnosti využitia vibrá­cií ako nosičov informácií pre on-line riadene hydroabrazívneho delenia materiálu, a uviedol aj alternatívy využitia tejto technológie dele­nia [5].

 

CIELE PRÁCE

Cieľom je návrh nepriameho spôsobu on-line monitorovania technologických procesov de­lenia s využitím v technológií delenia materi­álu vysokorýchlostným hydroabrazívnym prú­dom pomocou sprievodného javu – vibrácií. Na splnenie cieľa práce je potrebné vykonať expe­rimentálne merania a spracovanie dát z tých­to experimentov. Následne je potrebné tieto dáta medzi sebou porovnať a nájsť tak závis­losť medzi rýchlosťou posuvu deliacej hlavice a kvalitou generovaného povrchu. V neposled­nom rade treba navrhnúť možný spôsob on-li­ne kontroly a riadenia daného technologického procesu.

 

EXPERIMENTÁLNA ŠTÚDIA

Experimenty boli realizované na pracovisku DRC, s. r. o., v Prešove v spolupráci s Technic­kou diagnostikou, s. r. o., v Prešove. Deleným materiálom počas tohto experimentu bola ne­hrdzavejúca oceľ AISI 304. Obrobok, na ktorom boli vykonávané merania vibrácií, tvorila plat­ňa s rozmermi 100 mm x 150 mm x 12 mm. Po­čas trvania experimentu bola táto platňa dele­ná celkovo štyrikrát, spôsobom vyobrazeným na obr. 1.

Zozbieranie údajov, potrebných pre hlbšiu ana­lýzu vibrácií, sa vykonávalo opakovane niekoľ­kokrát. Ako zberače údajov slúžili dva sníma­če umiestnené priamo na obrobku (prvý bol umiestnený axiálne a druhy radiálne) vo forme akcelerometrov PCB IMI typovej rady 607 A11 s integrovaným káblom. Citlivosť týchto sníma­čov bola 100 mV/g a ich frekvenčný rozsah sa pohyboval do 10 kHz.

Tieto snímače boli napojené na merací sys­tém NI PXI. Systém pozostával z meracej kar­ty PXI 4472B, vyznačoval sa 8-kanálovým si­multánnym zberom a 24 bitovým analógovo digitálnym prevodníkom. Vzorkovacia frek­vencia tohto systému bola 102 kHz pri dyna­mickom rozsahu 110 dB. Frekvenčným ana­lyzátorom SKF Microlog Gx-S boli vykonané kontrólno-kalibračné merania, kde analýza na­meraných údajov sa vykonávala programovým vybavením SKF Aptitude Analyst. Meranie pa­rametrov profilu povrchov, vytvorených danou technológiou, bolo uskutočnené optickým bez­kontaktným spôsobom pomocou optického profilometra Microprof FRT od výrobcu Fries Research & Technology GmbH, ktorý umož­ňoval 3D hodnotenie povrchu. Experiment bol uskutočnený za environmentálnych a techno­logických podmienok uvedených v nasledujú­cich tabuľkách (Tab. 1, Tab. 2)

V rámci experimentu bolo potrebné systémom NI PXI zosnímať a zaznamenať zmenu vznik­nutých vibrácií v mieste upevnenia snímačov, v závislosti na podmienkach delenia. Na nasle­dujúcom Obr. 2 je pre predstavu zjednodušene znázornený priebeh experimentu. Bola vyko­naná štvorica meraní pri rozdielnom nastavení rýchlosti posuvu (v = 50 mm/min, v = 75 mm/ min, v = 100 mm/min, v = 150 mm/min) delia­cej hlavice.

 

VÝSLEDKY A DISKUSIA

ANALÝZA TOPOGRAFIE VYTVORENÉHO POVRCHU

Zo zostrojených grafických závislostí je zrej­mé, že s narastajúcou hĺbkou sa mení aj cel­kový číselný priebeh jednotlivých parametrov profilu drsnosti generovaného povrchu. Tento jav je spôsobený skutočnosťou, že s narastajú­cou hĺbkou, prúd pôsobiaci na materiál postup­ne stráca svoju energiu a tým dochádza k jeho postupne väčšiemu zakriveniu vo väčších hĺb­kach a taktiež k poklesu kvality povrchu v da­ných hĺbkových líniách.

Parametre drsnosti Ra, Rq, Rz boli mera­né v 21 hĺbkových hladinách na úseku dlhom 20 mm, označenom zelenými hranicami. Čer­vená hranica predstavuje koniec delenia vzorky (Obr. 3A – Obr. 3D). Pokiaľ porovnáme závislosť parametrov drsnosti povrchu Ra, Rq a Rz na hĺbke rezu pri rýchlosti v = 50 mm/min so zá­vislosťou parametrov drsnosti povrchu Ra, Rq a Rz na hĺbke rezu pri rýchlosti v = 150 mm/min (Obr. 3E, Obr. 3F) z hľadiska vplyvu rýchlosti na priebeh hodnôt týchto parametrov, je mož­né tvrdiť, že okrem hĺbky deliacej škáry má na priebeh hodnôt parametrov drsnosti podstatný vplyv aj rýchlosť, akou sa pohybuje deliaca hla­vica počas delenia. Pri rýchlosti v = 50 mm/min pozorujeme, že priebeh spomínaných paramet­rov je lineárnejší, ako je to v prípade, kedy bo­la rýchlosť nastavená na hodnotu v = 150 mm/ min. Tento jav je možné vysvetliť z hľadiska in­terakcie vysokorýchlostného permeátu s obrob­kom. Pri rýchlosti posuvu deliacej hlavice v = 50 mm/min, mal hydroabrazívny prúd dosta­tok času nato, aby častice abrazíva boli schopné rovnako intenzívne erodovať povrch materiálu počas celej hĺbky delenej vzorky, čo však nepla­tí pri rýchlosti posuvu v = 150 mm/min. Kombi­náciou vyšších rýchlosti posuvu deliacej hlavice s väčšou hĺbkou deliacej škáry dochádza k ne­schopnosti prúdu, v dostatočnej miere erodovať povrch materiálu delenej vzorky, čo sa v koneč­nom dôsledku prejavuje vo vzniku ryhovanej zóny, ktorej drsnosť nie je postačujúca z hľadis­ka vstupných požiadaviek na kvalitu povrchu.

ANALÝZA VZNIKNUTÝCH VIBRÁCIÍ

Zostrojené časové priebehy vibračných signálov rozdeľujeme do dvoch skupín. V prvej skupi­ne sa nachádzajú dáta namerané snímačom S1 (Obr. 3A, Obr. 3C), ktorý bol na delenom mate­riály umiestnený v axiálnom smere a do druhej skupiny patria dáta namerané snímačom S2 (Obr. 3B, Obr. 3D), umiestnenom na delenom materiály v radiálnom smere. Porovnaním týchto časových priebehov pri rýchlostiach v = 50 mm/min a v = 150 mm/min môžeme skon­štatovať, že pri nižších rýchlostiach posuvu de­liacej hlavice je priebeh amplitúdy kmitov vib­rácii ustálenejší, ako pri rýchlostiach vyšších, čo otvára dvere ďalšiemu výskumu za účelom odhalenia použiteľného spektra vibrácií (nut­né determinovať použiteľné spektrum vibrácií pri nižších aj vyšších rýchlostiach posuvu delia­cej hlavice) pre aplikáciu on-line monitorovania daného technologického procesu. Z týchto ča­sových priebehov vibračných signálov je vidieť zmenu amplitúdy kmitov vibračného signálu nielen v závislosti na spôsobe upevnenia sníma­ča, ale rovnako aj v závislosti na samotnej rých­losti posuvu deliacej hlavice.

 

VYUŽITIE ZÍSKANÝCH POZNATKOV PRE NÁVRH RIEŠENIA

Séria vykonaných experimentov bola uskutoč­nená s cieľom preukázania spojitosti medzi to­pografiou povrchu a vibráciami. V závislosti na získaných poznatkoch o danej technológií a na základe vykonaných analýz, môžeme konšta­tovať reálny výskyt nepriamej spojitosti medzi vibráciami a topografiou povrchu. Táto nepria­ma spojitosť je ovplyvnená variantným nastave­ním rýchlosti posuvu deliacej hlavice, pretože zmenou nastavenia rýchlosti dochádza k zme­nám veľkosti amplitúdy kmitov pri vibráciách, a taktiež k zmenám kvality topografie povrchu. Pri nízkych rýchlostiach je amplitúda kmitov nižšia, ako pri rýchlostiach vyšších. Rovnako sa potvrdil aj predpoklad, že pri nižších rýchlos­tiach je topografia povrchu kvalitatívne lepšia, ako pri rýchlostiach vyšších, keďže pri vyšších rýchlostiach nemal hydroabrazívny prúd do­statok času nato, aby bol schopný rovnako in­tenzívne erodovať povrch materiálu počas celej hĺbky delenej vzorky.

Práca, spolu s existujúcimi prácami a budúcim smerovaním výskumu, môže poskytnúť určitý základ pre vytvorenie nielen teoretického, ale aj praktického spôsobu on-line monitorovania technológie AWJ. Takýto spôsob on-line moni­torovania je možné z teoretického hľadiska de­monštrovať – obr. 4.

Pri návrhu on-line monitorovania technológie AWJ je potrebné dbať aj na výber vhodnej spät­nej väzby. Je potrebné aby zavedená spätno-väz­bová regulácia, počítala s časovým oneskorením vyplývajúcim z potreby spracovania a vyhodno­tenia nameraných dát. Návrh správnej spätnej väzby je dôležitý z toho dôvodu, aby nedošlo k preregulovaniu rýchlosti posuvu deliacej hla­vice v mieste, v ktorom to nie je potrebné.

 

ZÁVER A BUDÚCE SMEROVANIE VÝSKUMU

V súčasnosti sa riadenie procesu delenia tech­nológiou AWJ vykonáva v tzv. off-line režime. V prípade tohto off-line režimu sa jedná a vo­pred stanovené požiadavky na kvalitu rezu de­leného materiálu, pričom táto kvalita rezu sa dá overiť až po delení materiálu. Pri delení to­uto technológiou síce existuje spôsob predik­cie kvality deleného povrchu materiálu, avšak je nutné poznamenať, že len za určitých podmie­nok, z dôvodu rôznych sprievodných znakov technológie a jej zložitej špecifikácie. Rovnako sa za pomoci on-line riadenia a kontroly zvýši produktivita práce a bude možné determino­vať, a následne odstrániť prípadnú chybu, ktorá sa počas behu systému objaví, a tým sa zabráni, aby nedošlo ku vzniku nepodarkov (úspora ná­kladov na nepodarky).

On-line monitorovanie môže byť pri danej technológií vykonávané len nepriamo, pomo­cou sprievodných javov, akými sú napríklad vibrácie či akustické emisie. Snahou práce, bo­lo na základe vykonaných experimentov, zame­raných na meranie vibrácií, zistiť závislosť me­dzi rýchlosťou posuvu deliacej hlavice (príčina) a vznikom vibrácií a taktiež zistiť, ako vplýva spomínaná rýchlosť posuvu na výslednú drs­nosť povrchu deleného materiálu.

Na základe získaných poznatkov môžeme po­tvrdiť existenciu reálnej možnosti využitia vibrácií pri zavedení on-line monitorovania technologického procesu AWJ. Je však nutné poznamenať, že na zavedenie a celkovo na vyu­žiteľný návrh funkčného spôsobu on-line riade­nia v praxi, je nutné vykonať ešte mnoho expe­rimentov zameraných na hodnotenie vibrácií, pri rôznych variantoch nastavenia vstupných procesných faktorov, pretože na vznik vibrácií a na výslednú drsnosť povrchu vplývajú okrem skúmanej príčiny rýchlosti posuvu v [mm/min] aj iné faktory, ako napríklad tlak permeá­tu, či druh abrazíva. Takéto experimenty je tak­tiež nutné vykonať aj pre iné materiály, ako bol nami použitý (nehrdzavejúca oceľ AISI 304), keďže vznik a šírenie vibrácií, spolu s drsnos­ťou povrchu závisia aj od materiálových vlast­ností jednotlivých materiálov. Taktiež by bolo vhodné, tieto experimenty vykonať v dokona­le odizolovanom prostredí (v laboratórnych podmienkach), a rovnako aj v bežnom prostre­dí (napríklad výrobná hala v blízkosti hlavnej cesty) s cieľom odhaliť „cudzie vibrácie – vib­račné pásmo“(vibrácie od hlavnej cesty, vibrá­cie od stroja a pod.), ktoré by mohli nepriaznivo ovplyvňovať priebeh on-line kontroly a riadenia procesu. Pri predstave návrhu systému on-line riadenia sa objavuje množstvo ďalších nezodpo­vedaných otázok týkajúcich sa napríklad vhod­ného návrhu spätno-väzbového systému, pre­tože pri on-line monitorovaní je nutné počítať aj s určitým časovým oneskorením spracovania nameraných dát a následného preregulovania procesných veličín pri výskyte chyby v procese.

Z predchádzajúceho vyplýva, že zavedenie on­-line monitorovania do technologických proce­sov nie je ani zďaleka tak jednoduché, ako sa to možno na prvý pohľad zdá. Pri analýze namera­ných dát sme získali aj ďalšie výstupy, ktoré však z dôvodu požadovaného množstva textu nebo­lo možné v tejto práci uviesť. Tieto výstupy, ako aj potreba ďalších experimentov, s cieľom navrh­núť a aplikovať on-line monitorovanie technolo­gických procesov do praxe, sú výzvou pre ďalšie smerovanie autorov tejto práce. Spracované dáta budú naďalej sledované a hodnotené. Smerova­nie budúceho výskumu ako aj jeho výsledkov pri­nesú títo autori v ďalších ich prácach.

 

POĎAKOVANIE

Článok bol vypracovaný za podpory VEGA VEGA 1/0972/11.

 

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] AROLA, Dwayne – RAMULU, Mamidala: Material removal in abrasive waterjet machining of metals a residual stress analysis. In: WEAR. 1997, č. 211, s. 302-310. ISSN 00431648

[2] ASRAF, I.,– HASSAN, A. I., – CHEN, C., – KOVACEVIC, R.: On-line monitoring of depth of cut in AWJ cutting, In: International Journal of Machine Tools & Manufactures, vol. 44, 2004

[3] ATIVITAVAS, Nat: Acoustic emission signature analysis of failure mechanisms in fiber reinforced plastic structured, dizertačná práca, Austin 2002

[4] HASHIS, M.: A modeling study of metal cutting with abrasive waterjets, Trans. ASME, J. Eng. Mat. Technol. 106 (1) (1984) 88.

[5] HLOCH, Sergej – VALÍČEK, Ján: Topographical anomaly on surfaces created by abrasive waterjet. In: The International Journal Of Advanced Manufacturing Technology. 2012, č. 59, s. 593-606. ISSN 0268-3768

[6] HLOCH, Sergej et al.: On-line identifikácia hydroabrazívneho delenia pomocou akustickej emisie a vibrácií. Prvé. Prešov: Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, 2011. 126 s. ISBN 978-80-553-0698-8

[7] CHAO, J., GESKIN, E. Experimental study of the striation formation and spectral analysis of the abrasive waterjet generated surface. In: Proceeding of the Seventh American Water Jet Conference, Seattle, Washington, 1993, pp. 27-41.

[8] MOMBER, A.W., MOHAN, R. S., KOVAČEVIČ, R. On line analysis of hydroabrasive erosion of pre-cracked materials by acoustic emissinon. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 31 (1999): 1-17.

[9] VALÍČEK, J., DRŽÍK, M., HLOCH, S., OKLÍDAL, M., LUPTÁK, L., GOMBÁR, M., RADVANSKÁ, A., HLAVÁČEK, P., PÁLENÍKOVÁ, K., Experimental analysis of irregularities of metallic surfaces generated by abrasive waterjet. International Journal of Machine &Manufacture 47 (2007): 1786-1790.

[10] HREHA, P. Štúdium dejov vznikajúcich pre dezintegrácii kovových materiálov hydroabrazívnym delením prostredníctvom vibrácií. Dizertačná práca 2012: 128

[11] VALÍČEK, J. – HLOCH, S. – KOZAK, D.:Study of surface topography created by abrasive waterjet cutting. Prvé. Slavonski Brod: Strojarski fakultet, 2009. 101 s. ISBN 978-953-6048-48-9

[12] HLOCH, S., et al.: On-line identifikácia hydroabrazívneho delenia pomocou akustickej emisie a vibrácií. Prvé. Prešov: Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, 2011. 126 s. ISBN 978-80-553-0698-8

[13] KINIK, D., Nepriame spôsoby on-line monitorovania technologického procesu delenia. Bakalárska práca. Prešov: Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií, 2012. 70 s.

 

TEXT/FOTO DANIEL KINIK, BEÁTA GÁNOVSKÁ, SERGEJ HLOCH, FVT, TU, PREŠOV