APLIKACE BEZKONTAKTNÍ OPTICKÉ METODIKY MĚŘENÍ A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ NON CONTACT OPTICAL MEASUREMENT METHOD APPLICATION AND OBTAINED RESULTS INTERPRETATION Jan Valíček 1, Sergej Hloch 2, Miroslav Gombár 3, Robert Čep 4, Petr Hlaváček 4, Dagmar Klichová 4, Jiří Klich 4, Michal Plaček 4 1 Institut fyziky, Hornicko geologická fakulta, VŠB Technická Univerzita Ostrava, Tř. 17.listopadu 15/2171, 708 33 Ostrava Poruba, Tel.: +420-59-7323 128, Fax: +420-59- 6918 589, e-mail: valicek.jan@vsb.cz 2 Katedra prevádzky technologických systémov, Fakulta výrobných technológií, TU v Košiciach so sídlom v Prešove, Štúrova 31, 080 01 Prešov, Slovenská republika, Tel.: 051/7723504, Fax: 051/7733453, e-mail: hloch.sergej@fvt.sk 3 Ústav digitálnych kompetencií PU v Prešove, 17. Novembra 11, 080 01 Prešov, mirek@unipo.sk 4 Katedra obrábění a montáže, Fakulta strojní, VŠB Technická Univerzita Ostrava, Tř. 17.listopadu 15/2171, 708 33 Ostrava Poruba Abstrakt: Předkládaný příspěvek se věnuje identifikaci topografie kovových povrchů vytvořených abrazivním vodním proudem s cílem zvýšit kvalitu povrchu. Byl odvozen bezrozměrný statistický parametr Q pro experimentálně testované kovové materiály, který přispěje k optimalizaci technologického procesu dělení hydroabrazivním proudem kovových materiálů. Abstract: Article deals with surface metal topography identification, created by means of abrasive waterjet with the aim of surface quality improving. For experimental tested materials it has been derived dimensionless statistical parameter Q, which discrete value contribute to optimization of technological process of abrasive waterjet cutting of metal materials. 1. ÚVOD Ekonomická efektivnost chodu výrobních systémů pro dělení vodním proudem a následně jejich konkurenční schopnost je podmíněná hlavně řezným výkonem a kvalitou řezné stěny. Pro přesné měření kvality řezné plochy je potřebné mít k dispozici objektivní metodu i parametr kvality řezané plochy. Příspěvek prezentuje novou progresivní bezkontaktní stínovou metodu a navrhnutý statistický parametr drsnosti povrchu řezné plochy s důrazem na zkoumání funkčních závislostí drsnosti vytvořeného povrchu a hloubky řezu [3], [4], [12]. 2. ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU Mezi nejpoužívanější parametry patří Ra [µm] střední aritmetická úchylka profilu a Rq [µm] střední kvadratická úchylka profilu [11]. Podle norem ČSN EN ISO 4287 a ČSN EN ISO 4288 se rozlišuje základní profil, profil vlnitosti a profil drsnosti (viz obr. 1a) [1, 2]. Jako kritérium se nejčastěji např. používá kritérium prostorové frekvence f [mm -1 ] kdy za vlnitost označujeme nerovnosti f = (0-2,5) mm -1 a za drsnost nerovnosti f = (20-25) mm -1 pro povrchy vytvořené abrazivním vodním paprskem. Frekvence od f = (2,5-20) mm -1 můžeme označit jako rýhování a drážkování povrchu. Dá se říci, že základní profil je ideálně hladký povrch. Profil vlnitosti je charakterizován nízkými frekvencemi a vysokými amplitudami nerovností povrchu A [mm]. Profil drsnosti je charakterizován vysokými frekvencemi a nízkými 1
amplitudami nerovností povrchu [3]. Na vlnitosti je superponována drsnost povrchu (obr.1). Pro tento profil povrchu je zde uvedena amplitudově-frekvenční charakteristika (obr. 1b), kde vidíme, že základní profil povrchu je totožný s osou A, vlnitost se objevuje v oblasti nízkých prostorových frekvencí a drsnost povrchu se objevuje v oblasti vysokých prostorových frekvencí. Základní profil A [mm] Vlnitost Drsnost A [mm] Vlnitost Drsnost Profil povrchu Základní profil a) b) Obr. 1. Výškové fluktuace profilu povrchu ad a) a jeho amplitudově-frekvenční spektrum ad b). Fig. 1. Surface profile height fluctuations a) and amplitude-frequency spektrum b). Toto je však jen modelová situace, skutečné povrchy mají daleko složitější amplitudověfrekvenční spektra. Proto se při hodnocení povrchu (obr. 2a, 2b) často provádí amplitudověfrekvenční dekompozice na jednotlivé spektrální úrovně (obr. 2c). -1 f [mm ] 3. NAVRŽENÉ HLAVNÍ GEOMETRICKÉ PARAMETRY ŘEZNÉ STĚNY Jako hlavní parametry geometrie řezné stěny jsme navrhli drsnost povrchu Ra, zpoždění řezné stopy Y ret [mm] deviační úhel δ [º] a hloubku řezu h [mm] (obr. 2a). Obr. 2 Fotografie povrchu řezné stěny ad a) (zvětšeno 12 x) a navržené hlavní parametry profilu povrchu ad b) a ad c) amplitudově-frekvenční spektrum studovaného povrchu (materiál: ocel AISI 309, rychlost posuvu řezné hlavy 200 mm.min -1 ) získané z jedné vodorovné měřické linie o délce 20 mm v hloubce 6 mm od povrchu. Fig. 2. Photographs of the surface a) (magnified 12 times) and proposed main parameters of the surface b) and amplitude-frequency spectrum of tested surface (material: stainless steel AISI 309, feed rate of the cutting head 200 mm.min -1 ) obtained from measurement trace situated on depth of 6 mm from the top of the surface. 2
Dle Hashishe [4] lze na každém povrchu vysledovat tzv. kritickou hloubku h c [mm], kde oblast nad touto kritickou hloubkou je tzv. řeznou oblastí a pod ní je tzv. deformační oblast h d [mm] (obr. 2a). Přitom platí, že h = h c + h d [mm]. Kritická hloubka je závislá na technologických faktorech, zejména na rychlosti posuvu řezné hlavy v [mm.min -1 ]. 4. EXPERIMENTÁLNÍ ANALÝZA Na každém materiálu a straně vzorku jsme provedli měření ve 22 vodorovných liniích (obr. 2a), a to na vzorcích o rozměrech (20 x 20 x 8) mm. Prezentace metodiky je v dalším výkladu uvedena na příkladu ocel AISI 309. Z každé měřicí linie jsme získali signál, který byl dále zpracováván pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT Fast Fourier Transform). Touto transformací se získala jeho amplitudově-frekvenční spektra. Jak již bylo dříve zmíněno na modelovém případě (obr. 1), budeme hledat v daných spektrech oblast, kde se koncentruje vlnitost a kde drsnost. Jak jsme již poznamenali, spektrum vlnitosti se bude objevovat v oblasti nízkých frekvencí a budou jí odpovídat vysoké amplitudy nerovností povrchu, naopak drsnost se bude objevovat v oblasti vysokých frekvencí s malými amplitudami povrchových nerovností. Jak vidíme z vykonaných experimentů, s rostoucí hloubkou h řezu klesá kinetická energie paprsku a tím rostou nerovnosti povrchu, tj. rostou jejich výškové amplitudy a současně se snižují jejich prostorové frekvence. Je to způsobeno tím, že se mění mechanismus úběru materiálu, a to z převládajícího tahového a smykového napětí na tlakové napětí. U vzorků vytvořených abrazivním vodním paprskem (AWJ) můžeme říci, že s rostoucí hloubkou h převládají nízké prostorové frekvence nerovností povrchu (tedy vlnitost) ve srovnání s vysokými prostorovými frekvencemi (tedy drsností povrchu). Tuto skutečnost jsme ověřili ve 22 ekvidistantních měřicích vodorovných liniích o délce 20 mm (obr. 2a), kde jsme měřili RMS s amplitudu nerovností povrchu v šesti různých frekvenčních pásmech, a to 0-2,5 mm -1 (RMS s (1.)), 2,5-5 mm -1 (RMS s (2.)), 5-10 mm -1 (RMS s (3.)), 10-15 mm -1 (RMS s (4.)), 15-20 mm -1 (RMS s (5.)), 20-25 mm -1 (RMS s (6.)) (viz obr. 2c). Takto volené frekvenční intervaly simulovaly cut-off kontaktního profilometru pro provedení dekompozice topografie povrchů na její jednotlivé subsložky. 5 VYHODNOCENÍ DAT Z provedených 22 měřených linií bylo získáno 22 signálů a z těchto signálů pomocí FFT bylo obdrženo 22 amplitudově-frekvenčních spekter. Každé spektrum je reprezentováno parametrem RMS s což je výstupní signál, který vyhodnocujeme pomocí stínové metody. Parametr je lineárně vázán k parametru Ra (vztah (1)) a je vyjádřen v pomocných jednotkách a.u. (auxiliary unite), Vztah mezi RMS s a Ra je dán následujícím empirickým vztahem (1): RMS Ra= s (1) k kde k je konstanta závislá na materiálu. Dá se říci, že celková hodnota Ra reprezentuje jeden signál, který je zpracován FFT, a je definován jedním bodem. Těchto spekter je 22 a tedy i 22 bodů je zaneseno do grafu jako funkce k hloubce h podle obr. 3. Amplitudově-frekvenční spektrum obr. 2c je dále empiricky rozděleno pro kovové materiály na reprezentativní frekvenční pásma, za účelem získat informace o poměrném zastoupení vlnitosti ku drsnosti. Tedy pro amplitudově-frekvenční spektrum, které jsme rozdělily na 6 frekvenčních pásem získáváme taktéž pro celkovou hloubku řezu 8 mm s 22 výškovými horizonty stejný počet hodnot z horizontálních linií (obr. 3). Pro vysoké prostorové frekvence nerovností povrchu je tato veličina prakticky nezávislá 3
na hloubce h. Pro nízké prostorové frekvence nerovností povrchu parametr Ra s hloubkou roste. 6 NÁVRH KRITÉRIA PRO HODNOCENÍ KVALITY POVRCHU Námi realizovaná řada statistických a analytických studií naměřených výsledků na různých materiálech vede k závěru, že členění rozdělení charakteristických výškových a podélných parametrů drsnosti, resp. vlnitosti do jednotlivých zón ve směru rostoucí hloubky řezu vykazuje jisté zákonitosti. Protože s těmito rozměry povrchu řezné stěny funkčně přímo souvisí většina důležitých topografických a mechanických parametrů, platí i pro tyto další parametry stejné zákonitosti v jejich rozdělení. Jde zejména o drsnost povrchu Ra, retardaci (zpoždění stopy paprsku od kolmého směru při dělení materiálu) a deviaci stopy řezu (úhel zakřivení stopy), jakož i o hodnoty oscilačních a napěťově-deformačních parametrů dezintegrace materiálu povrchové vrstvy řezné stěny a jejich vývoj do hloubky řezu. Kvantitativní kriterium pro roztřídění řezu do zón s různou kvalitou povrchu je navrhnutý parametr Q, který definujeme následovně (3): RMSS (1) Q= (2) RMS RMS (1) S S Tento parametr Q je konstantou pro danou horizontální měřicí linii. Hodnota Q je tedy podíl RMS S (1) ku celkovému RMS S méně RMS S (1). Je nutno rozlišit parametr Q, který je konstantou pro danou měřicí linii a funkci q, která je distribuční funkcí hodnot (Q 1 Q 22 ). Průběh parametru Q v závislosti na hloubce h je znázorněn na obr. 3. Tento parametr q nám udává poměrné zkrácení povrchové vrstvy. Obr. 3. Průběh parametru q v závislosti na hloubce h. Fig. 3. Influence q parameter with dependence on depth h. 5. ZÁVĚR Pro hodnocení povrchu vytvářeného technologií abrazivního vodního paprsku (AWJ) s cílem zvýšit efektivnost této technologie jsme navrhli využití parametru Q, což je statistický parametr získaný dekompozicí hodnot RMS S podle pásem prostorových frekvencí povrchu. 4
Tento parametr vyjadřuje relativní obsah vlnitosti k celkovému obsahu všech nerovností v jednotlivých profilech povrchu měřených v různých hloubkách řezu kolmo na původní rovinu řezu (viz vztah (1)). Jeho použiti umožní rozlišit kvalitní řeznou oblast od nekvalitní deformační oblasti. Toto je důležité pro splnění požadavků odběratele dělených výrobků. Jde o diskrétní parametr, kterým lze kontrolovat a řídit postupovou rychlost řezné hlavy v závislosti na požadované jakosti řezné stěny. Z provedených analýz vykonaných na základe vyhodnocení rozsáhlých experimentálních měření [7], [8] plyne, že parametr Q reaguje dobře na změnu postupové rychlosti řezné hlavy v i na změnu parametrů materiálových. Parametr Q lze tedy dobře využít pro kontrolu vytváření řezné stěny a zvýšení její jakosti, a tedy i pro dosažení větších hloubek řezů, zlepšení výkonu a celkové ekonomiky obráběcího procesu technologií AWJ. Parametr Q bude možno využít pro zpětnou vazbu v automatizovaném řezném procesu, tedy i při on-line řízení řezání různých materiálů technologií AWJ. Poděkování: Práce vznikla za podpory interního grantu IGS-HGF VŠB TUO-2007, VEGA 1/4157/07 a MŠMT č. MSM6198910016. Literatura [1] Bátora, B., Vasilko, K. Machined surfaces: technological heredity, functionality. Trenčín: Trenčianska univerzita, 2000. 183 s. ISBN 80-88915-19-1. [2] Guo, N. S. Schneidprozess und Schnittqualität beim Wasserabrasiusstrahl schneiden, VDI Verlag, pp. 1-174, 1994. [3] Hloch, S., Gombár, M., Fabian, S., Straka, L. Factor analysis of abrasive waterjet process factors influencing the cast aluminum surface roughness, In: Manufacturing science and technology. Malaysia, 2006, pp. 145 149. [4] Hloch, S., Fabian, S. Qualitative analysis of AWJ factors affecting the surface roughness. In: Wissenschaftliche Beiträge. 2006, p. 113-119. [5] ISO 4287: 1997 Geometrical product specifications (GPS) Surface texture: Profile method Terms, definitions and surface texture parameters. [6] Raja, J., Muralikrishnan, B., Fu, S., Recent advances in separation of roughness, waviness and form, Precision Engineering: Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology, 26 pp. 222 235 (2002). [7] Valíček, J., Držík, M., Ohlídal, M., Mádr, V., Hlaváč, L., M., Optical method for surface analyses and their utilization for abrasive liquid jet automation. In: Proc. of the 2001 WJTA American Waterjet Conference, M. Hashish (ed.), WJTA, Minneapolis, Minnesota, pp. 1 11, 2001. [8] Valíček, J., Hloch, S. Surface topography optical identification generated by abrasive waterjet. In: Fine Mechanics and Optics. vol. 51, no. 11-12 (2006), pp. 320-322. [9] Vasilko, K. et al. New materials and technologie of their machining. Bratislava : Alfa, 1990. 365 s. ISBN 80-05-00661-6. [10] Kadnár, M., Rusnák, J. Teoretický výpočet hrúbky mazacieho filmu pri elastohydrodynamickom mazaní. In: sborník z medzinárodnej vedeckej konferencie poriadanej počas konania 11. Medzinárodného strojárskeho veltrhu v Nitre, Nitra, 2004, s. 55-58. [11] Monka, P.: Theoretical relationships of the peak the value profile, Manufacturing Engineering, 2-3, II. pp. 20-21, FVT TU v Košiciach, Prešov, ISSN 1335-7972, 2003. [12] Strážovec, I., Benčíková, J. Research of Dynamic Properties of Hydraulic Drives, International conference of PHD students, University of Hungari 11-17 august 1997, s.201-209. 5