Trasfer iovácií 14/2009 2009 OSOUZENÍ VNITŘNĚ-ROCESOVÝCH JEVŮ V OTIMALIZACI KLASICKÝCH KOVOOBRÁBĚCÍCH ROCESŮ ASSESSMENT O IN-ROCESS HENOMENA IN OTIMISING CLASSICAL METAL MACHINING ROCESSES Ig. Jaroslav Kovalčík Katedra obráběí a motáže fakulta strojí, TU v Liberci Studetská 2, 461 17 Liberec E-mail: jaroslav.kovalcik@cetrum.cz Dr. Jaromír Audy Edith Cowa Uiversity School of Eterprise ad Techology aculty of Regioal rofessioal Studies South West Campus Bubury Australia 6230 E-mail: j.audy@ecu.edu.au Abstrakt V tomto čláku jsou vyšetřovaé růzé vitřě-procesové jevy a možost jejich využití pro posouzeí řezé účiosti klasických kovoobráběcích procesů. Tyto studie jsou výsledkem vzájemé spolupráce dvou akademiků / výzkumíků, jmeovitě Ig. Kovalčíka z Čech a Dr. Audyho z Austrálie. Struktura a zaměřeí tohoto čláku byly zpracováy tak, aby bylo možé aalyzovat růzé experimetálí a teoretické přístupy v současosti zámé a používaé pro posouzeí řezé efektivosti v třískovém obráběí vzhledem a vitřě-procesové jevy a podívat se a výsledky z hlediska přetrvávajících výhod a evýhod. Ig. Kovalčík prezetuje ěkolik hlavích metod pro experimetálě založeé druhy aalýz podpořeé růzými typy - experimetálě ověřeými opravými koeficiety. Na druhé straě, další část čláku zpracovaá Dr. Audym pojedává o výhodách použití vlastího silověvýkoového modelu. Teto model je podporovaý počítačem, v ěmž je rozsáhlá databáze tvořeá základími řezými veličiami (získaými z klasických ortogoálích testů a jejich použití v prediktivích řezých modelech pro kvatitativí předpovědi sil a výkou. Teto model je zpracovaý pro použití jakéhokoliv tvaru ástroje, za růzých řezých podmíek a povrchového povlakováí, a to bez potřeby použití opravých koeficietů. Speciálí zaměřeí je a síly a výko při klasických soustružických operacích. Klíčová slova Vitřě-procesové jevy, optimalizace, experimety, počítačové modelováí, řezé síly a řezý výko, kovoobráběcí procesy Abstract I this paper the diverse i-process pheomea ad their availability for moitorig efficiecy of metal machiig processes were ivestigated. The study is a result of itegrated cooperatio by two academics/ researchers, amely Kovalcik from Czech Republic ad Audy from Australia. This paper was set up to aalyze differet experimetal ad theoretical approaches kow to be used for assessig of metal machiig process performace with respect to i-process pheomea, ad to looks at the results with respect to perceived advatages ad disadvatages. Kovalcik presets some key features for experimetal type approaches supported by differet type of experimetally verified - corrective factors. I cotrast, Audy discusses the advatages of usig proprietary force ad power computer assisted model equipped with a database of basic cuttig quatities (established from classical orthogoal tests ad their use i predictive cuttig models for quatitative force ad power predictios, for ay type of cuttig tool desig, machiig coditios ad tool surface coatigs, without a eed to use ay correctios. The special focus is o forces ad power i classical turig operatios. Key words I-process pheomea, optimizatio, experimets, computer assisted modellig, cuttig forces ad cuttig power, metal machiig processes 1. Úvod Třískové obráběí bylo [1-3] a doposud stále ještě je [4] ejčastěji používaou průmyslovou metodou a výrobu polotovarů a taktéž hotových výrobků. Zároveň představuje zdroj ejvyšších výrobích ákladů odrážejících se v ceě výrobku [1, 3]. Výrobci se tedy zaměřují a sížeí výrobích ákladů, což se projevuje většími zisky a zároveň se tím zvyšuje schopost úspěšě kokurovat výrobcům z jiých firem [1, 2]. Tyto sahy o úsporu (vylepšeí ekoomických měřítek, jako je počet vyrobeých kusů za jedotku času ebo cea za vyrobeý kus často souvisí s pokusy o sížeí výrobího času, což se často provádí přes árůst techologických veliči, jako jsou řezá rychlost, posuv a hloubka řezu [3, 4]. Nežádoucím výsledkem je árůst řezých teplot, což egativě ovlivňuje životost ástrojů, respektive zvyšuje jejich opotřebeí [1, 3], které má vliv a vibrace a 114
Trasfer iovácií 14/2009 2009 změu geometrie ástroje. To se pak odrazí v kvalitě výrobku (v drsosti, povrchové kvalitě řezu, geometrických epřesostech, [3]. Ve saze zabráit ástrojovému opotřebeí z důvodu tepla kocetrovaého a čele ástroje v kotaktu s třískou, přišli výzkumíci a výrobci a trh s keramickými a karbidovými vyměitelými břitovými destičkami a povlaky (CVD pro karbidy a keramiku, VD pro rychlořezé ástroje, [1, 3]. Část výzkumu za posledí desetiletí byla zaměřeá a vitřě-procesové jevy související s procesem řezáí odrážející kvalitu ástroje a taktéž obrobku [1-4]. Tyto sahy souvisely se dvěma hlavími cíly. rvím cílem bylo vytvořit plě automatizovaou kotrolu řízeí řezého procesu přes měřeé vitřě-procesové jevy a druhým cílem bylo vytvořit způsob moitorováí účiosti řezého procesu přes aalýzu vitřěprocesových jevů. Aalýza růzých literárích zdrojů zpracovaých a vyhodoceých Dr. Audym [5] ukázala, že existuje pět hlavích metod (elektrická, optická, radioaktiví, holografická a peumatická, které mohou být pravděpodobě použité a vhodé pro měřeí stavu řezého procesu přes sledováí ástrojového opotřebeí. řehled publikací v této oblasti však ukázal, že výsledky publikovaé světovými výzkumíky a jejich ázor a možosti praktického použití těchto metod pro epřímé sledováí jevů souvisejících s ástrojovým opotřebeím (řezé síly, řezý výko, teplota ástroje a vibrace mechaické i zvukové, dále i pro kotrolu a řízeí řezých procesů, jsou začě odlišé. Dr. Audy použil srovávací metodu a aalýzu těchto výzkumě zaměřeých literárích údajů, viz zdroj [5], a zjistil, že řezé síly a jejich amplitudy vzikající a řezém ástroji během procesu řezáí, vzhledem k jié porovávaé veličiě, jsou pravdě-podobě ejvhodější jako kritické faktory v matematickém řídícím modelu pro použití a kotrolu a řízeí řezého procesu. Dr. Audy rověž poukázal a to, že elektrická metoda, s ejvyšším ohledem a jié porovávací metody, bude pravděpodobě ejlepší pro řízeí a kotrolu řezého procesu pomocí epřímého sledováí opotřebeí řezého ástroje v reálém čase řezáí. Některé tyto záležitosti jsou posouzeé v ásledujících částech tohoto čláku. Druhá část byla zpracovaá Ig. Kovalčíkem z České republiky. ojedává o možosti určeí řezých sil přes teoretické výpočty pomocí vzorců a opravých koeficietů získaých z klasických experimetálích testů. Třetí část byla zpracovaá Dr. Audym z Austrálie a pojedává o možosti optimalizace řezých ástrojů (z hlediska geometrie a povlaků přes počítačové simulace a předpovědi řezých sil a výkoů při procesu řezáí kovů bez použití opravých koeficietů. Tato metoda je založea a teorii řezáí [6] vytvořeé profesorem Armaregem z Melboru, se kterým Dr. Audy spolupracoval během posledích pěti let. 2. Řezé síly a výko při soustružeí (empiricko-teoretická metoda založeá a klasických kovečích experimetech Obr. 1 byl převzatý ze zdroje [7] a ukazuje ěkolik růzých způsobů používaých pro staoveí řezých sil, a to jak výpočtem, tak měřeím. Obr. 1 Způsoby staoveí řezých sil C - měřeím a výpočtem, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7]. 115
Trasfer iovácií 14/2009 2009 Následující ukázka, zpracovaá Ig. Kovalčíkem, ukazuje způsob, jakým je možé počítat řezé síly přes teoretické výpočty a opravé koeficiety získaé přes klasické experimatálí řezé testy. Experimetálí údaje: vyměitelá břitová destička ze sliutých karbidů, podélé soustružeí šedé litiy legovaé 42 2425, řezé podmíky: f 0.2 mm/ot ; a 1 mm ; v C 285, 350 a 435 m/mi, Výchozí geometrie ástroje: α 5, β 90, γ -5, λ -5, χ 90. Volba metody staoveí řezých sil: ro staoveí řezých sil byla zvolea metoda výpočtem z měrého řezého odporu dle Kiezleho vztahu (viz Obr. 1. Na obrázku 1 je však zázorě vzorec bez použití opravých koeficietů, se kterýma je dále počítáo (viz vztah 1. p S.. K. K. K. K C. τ V N O (1 kde: p [a] je měrý řezý odpor; S [m 2 ] je plocha řezu ebo též průřez třísky (f.a vzhledem a posuv, f [mm/ot], a hloubky řezu, a; včete K τ, K V, K N, K O které reprezetují opravé koeficiety získaé z klasických experimetálích testů V ásledujícím texte je dále použito měrý řezý odpor, ež síla. Zde je výpočet měrého řezého odporu ks (v texte dole p, vole již z tabulky pro daý materiál a expoet Kiezleho vztahu m (v texte dole je to u. ostup při výpočtu řezých sil z měrého řezého odporu: Dle vzorce pro výpočet řezé síly (viz vztah 1 je patré, že v prví řadě potřebujeme zát plochu odřezávaé třísky S, daou součiem tloušťky třísky (tj. a a šířkou třísky (tj. Na základě geometrie soustružického ože vypočteme tloušťku třísky a, šířku třísky b (viz vztahy 2 a 3. a f. si( χ 0.2.si(90 0. 2mm (2 a 1 b 1mm si( χ si(90 (3 Z ta 1 zvolíme měrý řezý odpor, začeý p, a to dle obráběého materialu (šedá litia 42 2425 a vypočteé hodoty tloušťky třísky (viz vztah 2, a 0.2 mm. Odečteá hodota měrého řezého odporu odpovídá hodotě p 1760 Ma. ro výpočet řezé síly C dle vzorce 1, je uto dále staovit opravé koeficiety K τ, K V, K N, K O. Opravý koeficiet K τ lze podle zdroje [7] staovit dle vztahu 4. K τ γ γ 66.7 1 0 SK kde: γ 0...výchozí úhel čela je pro šedou litiu 2 ; γ SK skutečý úhel čela, dle zadáí -5 Ta 1 Hodoty měrého řezého odporu pro růzé materiály [7]. Do vztahu 4 bylo dosazeo a ásledě byl teto opravý koeficiet vypočítá, K τ 0.895. Dále bylo uté staovit opravý koeficiet pro použité řezé rychlosti, tj. K V, který byl staove dle obrázku 2. oužití tohoto obrázku a staoveí opravého koeficietu K V je možé je pro obráběý materiál z oceli, oceli a odlitky ebo šedé litiy. U jiých obráběých materialů platí zcela odlišé závislosti K V f (v C. Obr. 2 Grafická závislost opravého koeficietu K V a řezé rychlosti v C pro obrobky z oceli, oceli a odlitky ebo šedé litiy, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7]. 116
Trasfer iovácií 14/2009 2009 Z obr.2 je patré, že při vyšších řezých rychlostech je pouze epatrá změa opravého koeficietu K V s postupou změou řezých rychlostí. ro řezé rychlosti dle zadáí byly z obrázku 2 odečtey opravé koeficiety K V v rozsahu K V 0.91 až 0.94 (viz ta 2. Ta2 Opravé koeficiety K V odečteé pro použité řezé rychlosti. v c [m.mi -1 ] K V 285.46 0.94 348.26 0.93 434.53 0.91 Hodota opravého koeficietu pro ástrojový material (tj. K N je, dle zdroje [7], pro použitou vyměitelou destičku ze sliutého karbidu (dle zadáí, K N 1. Opravý koeficiet zahrující vliv opotřebeí řezého ástroje (tj. K O má dle závěrů ve zdroji [7] hodoty opravého koeficietu K O v rozmezí K O 1.3 až 1.5, proto byla volea průměrá hodota K O 1.4. ředchozími výpočty byly získáy veškeré veličiy potřebé pro dosazeí do vztahu 1 pro výpočet řezých sil. Následě byly vypočtey řezé síly pro všechy použité řezé rychlosti (viz Ta 3. Ta 3 Vypočteé řezé síly C pro použité řezé rychlosti dle zadáí. v c [m/mi] c [N] 285.46 414.59 348.26 410.18 434.53 401.36 Na obr. 3 je zázorě rozklad sil při procesu obráběí. Z obrázku je patré, že výsledá řezá posuvovou, f, přísuvovou, p, a především silou řezou, C. Výsledá složka při procesu obráběí je dáa vztahem 5.síla,, při procesu obráběí je dáa silou 2 C 2 f + + 2 (5 ři soustružeí ástrojem s úhlem astaveí χ 45 je poměr mezi těmito silami C : p : f 10 : 4 : 2.5. Teto poměr se však výrazě měí s velikostí posuvu f, úhlem χ, poloměrem zaobleí špičky ože r, hloubkou řezu a a mechaickými vlastostmi materiál obrobku. osuvová síla f se zvětšuje s rostoucím úhlem χ, úhlem řezu δ, velikostí otupeí břitu a aopak se zmešuje s růstem tloušťky třísky. Největší výzam z hlediska eergetických vztahů má řezá síla C (tečá složka a společě s řezou rychlostí v C určuje efektiví (užitečý výko řezáí (viz vztah 6. ři rotačím hlavím pohybu určuje velikost kroutícího mometu [15]. ef C. vc (6 V ašem případě se jedá o podélé soustružeí, tudíž bude síla ve směru přísuvu ulová. osuvová síla f je ejméě výzamá a má ejmeší vliv a velikost výsledé řezé síly. Z ašeho zadáí a dle zdroje [15] byl zvole poměr mezi řezými silami C : p : f 1 : 0 : 0.3. Tabulka 4 uvádí výsledé řezé síly pro jedotlivé řezé rychlosti dle zadáí. Ta 4 Tabulka sil a výkou při procesu obráběí při použitých řezých rychlostech dle zadáí. v c c [N] f [N] [N] [m/mi] [kw] 285.46 414.59 138.20 1.97 437.02 348.26 410.18 136.73 2.38 432.37 434.53 401.36 133.79 2.91 423.07 3. Řezé síly a výko při soustružeí (teoreticky založeá metoda a mechaice řezého procesu a databázi základích ortogoálě založeých řezých veliči Následující obrázky a vzorce byly převzaté ze zdroje [8], Audy (2002, a souvisí s výzkumem a prací dělaou pod vedeím profesora Armarega z Melborské Uiverzity v Austrálii. Obr.4 ukazuje schematický ákres klasického ortogoálího procesu, (a, a balaci sil v deformačí geometrii řezého procesu během tvořeí souvislé třísky, ( Obr.3 Rozklad sil a břitu soustružického ože během řezého procesu - f, p, C, výsledá řezá síla, převzaté ze zdroje Gazda 1993, [7]. (a 117
Trasfer iovácií 14/2009 2009 (b Obr. 4 Ortogoálí řezý process (a a geometrická balace sil pro deformačí geometrii řezého procesu a souvislé třísky, převzaté ze zdroje Audy 2002, [8], podle zdroje [6]. Závislost mezi silovými kompoetami a základími řezými veličiami, z obrázku 4 (a, je popsáa vztahy 7 a 8, [6, 8]. Q t.cos. si φ.cos. t.si siφ.cos ( β γ ( φ + β γ ( β γ ( φ + β γ Miimálí eergie řezáí je daá vztahem 9. π 1 φ.( β γ 4 2 Obr. 5 ukazuje ávod a provedeí ortogoálích testů v laboratorích podmíkách a měřeí řezých sil s tím souvisejících. Obr.5 Nákres zobrazující geometrii pracovího obrobku pro ortogoálí řezé testy (a a související experimetálí zařazeí (b-c; podle zdroje Audy 2002, [8]. Bereme-li do úvahy modifikovaou mechaiku řezé aalýzy empirické (měřeé, mohou být řezé síly t a Qt vyjádřeé vzorci 10 a 11 [6, 8]. ( ( t.cos. β γ (7 t + e + siφ.cos. φ + β γ t.si β γ Qt Q + Qe + (8 siφ.cos φ + β γ ( ( Řezý výko je výsledkem řezých sil, viz vztah 12. (9. V t W Vezmeme-li do úvahy Armagedův výzkum [6, 9], pak průměré hodoty úhlu třeí β a koeficietu třeí μ, ze sil třecí R a ormálové NR a čele ástroje, jsou daé vztahem 13. ta β μ R NR e Qe Následě můžeme spočítat třecí - R a ormálovou - NR sílu dle vztahů 14 a 15 a dosadit do vztahu 13 pro výpočet koeficietu třeí μ. R ( t NR ( t.si γ +.cosγ e e Q.si γ + ( Q Qt.cosγ ( Qt Qe.cosγ.si γ Qe.cosγ.si γ Na obrázku 6 je zázorě postup pro ortogoálí řezé testy. 118
Trasfer iovácií 14/2009 2009 Dr. Audym pro obráběí oceli typu Bisally 360 a taktéž pro obráběí erazavějící oceli. Obr. 6 Zařízeí pro ortogoálí testy, pracoví obrobek (a, a fotky experimetálího zařízeí, podle zdroje Audy (2002, [8]. ozámka: γ úhel čela ástroje, b šířka řezu, V w řezá rychlost Experimetálí verifikace této metody byly publikovaé v současosti v růzých člácích, proto ejsou uvedeé v tomto čláku, ale mohou být alezey ve zdroji Audy (2008a, [10], který poukazuje a to, jak vytvořit databázi podle ortogoálích testů popsaých v tomto čláku; dále ve člácích Audy (2008b-c, 2007a, [11-13], které ukazují jak použít databázi v souvislosti s mechaikou řezého procesu a vzorcemi pro výpočet řezých sil a výkou při řezáí pro vrtáky růzé geometrie a ástrojového povlakováí. Nakoec, čláek Audy (2007b ukazuje model v programu Excel pro účely jedoduchého výzkumu a výuky a středích ebo odborých školách. Diskuze a závěry Hlaví závěry této studie jsou zesumarizovaé ásledově: řehled literárích zdrojů ukázal, že řezé síly a výko jsou v současosti populárí měřící veličiy pro aalýzu účiosti řezáí v klasických kovoobráběcích procesů jako je soustružeí, frézováí, vrtáí děr, protahováí a protlačováí, včetě řezáí závitů. Aalýza provedea Ig. Kovalčíkem z Čech se zaměřovala a klasické empirické testy a s tím související vzorce pro výpočet řezých sil a výkou. Teto přísup si vyžadoval použít opravé koeficiety, které musí být zámé a určeé z experimetálích testů. Je uté podotkout, že pro každý druh jié řezé klasické operace (změu řezých podmíek a ástrojového povlakováí, včetě geometrie je potřeba udělat ové experimetálí testy a určit ové experimetálí kostaty pro výpočet řezých sil a výkou při řezáí. To je ovšem dosti epraktické, časově i fiačě áročé a je tomu možé předejít, když se použije mechaika řezého procesu, databáze základích řezých veliči a geometrické sladěí vztahů pro příslušou geometrii ástroje. γ b V w Hloubka řezu posuv [mm/ot] {stupe] mm m/mi 0.025 0.0375 0.05 0.0625 0.075 0.0875 0.1-60, -30, 0 3 4.23 a 12.5 ovlakovaé a epovlakovaé (rychlořezé ocelové ástroje -60, -30, Tabulka 0 3 4 zázorňuje 30 řezé údaje pro ouze povlakovaé ástroje experimeálí zkoušky. Tyto zkoušky byly ověřeé γ b V w Hloubka řezu posuv [mm/ot] deg. mm m/mi 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 10, 20, 30 3 4.23 a12.5 ovlakovaé a epovlakovaé (rychlořezé ocelové ástroje 10, 20, 30 3 30 ouze povlakovaé ástroje 119
Trasfer iovácií 14/2009 2009 Výsledky Dr. Audyho, založeé a metodě aalýzy řezého procesu profesora Armagedova, ukázaly, že jede druh společé databáze z ortogoálích řezých testů v propojeí s počítačovým modelem pro geometricky růzé řezé ástroje umoží přesý výpočet sil a výkou pro růzé klasické řezé procesy. Literárí zdroje 1. Smith G. T.: Advaced Machiig, Hadbook of Cuttig Techology, IS ublicatio, U.K., 1989. 2. Degarmo E.., Black J.T., Kohser R.A.: Materials ad rocesses i Maufacturig, USA: Wiley ad Sos 2003. 3. Audy J.: Assessmet of Metal Machiig rocess arameters ad the Developmet of Adaptive Cotrol, hd Thesis, The Uiversity of South Australia, Jue 1996. 4. Vasilko K., Marciči J. N., ad Havrila M.: Výrobé Ižiierstvo, TU Košice, rešov- Slovakia 2003. 5. Audy, J. (2009, Aalýza rezého procesu a parametrov z hľadiska optimalizácie, automatizácie, modelovaia a adaptíveho riadeia; Aalysis of a Covetioal Metal Machiig rocess arameters from the Optimizatio, Automatio, Modellig ad Adaptive Cotrol oit of View, Maufacturig Egieerig, accepted for 4(VIII. 6. Armarego E.J.A.: Material Removal rocess, A Itermediate Course, Maufacturig Sciece Group, Departmet of Mechaical ad Maufacturig Egieerig, The Uiversity of Melboure, 1998, also 1994. 7. Gazda, J. (1993. Teorie Obráběí řezé síly při obráběí. Liberec, 1993. 8. Audy, J.: The Ifluece of Hard Coatigs o the erformace of Twist Drills, The MEg Thesis i Sciece by Research, The Uiversity of Melboure. (2002. 9. Armarego, E.J.A. (1982. Ecoomic of Machiig Criteria, Costraits ad Selectio of Optimum Cuttig Coditios, roc. of the UNESCO-CIR., Semiar o Maufacturig Techology, Sigapore, p. 86-100. 10. Audy J.: A Study of Dry Machiig erformace of the TiN, Ti(Al,N ad Ti(C,N Coatigs ad a Type M35 HSS Tool Substrate Material Assessed through Basic Cuttig Quatities Geerated Whe Orthogoal Turig a Bisalloy 360 Grade Steel Work-iece Material, Joural of Egieerig, Aals of Egieerig Huedoara, Vol. VI, p. 59-69, (2008 11. Audy, J.: Optimizatio of Drill oit Geometries through Computer Assisted Modellig ad Experimetal Thrust, Torque ad ower i Drillig, Maufacturig Egieerig, Vol. 2, No. VII, 2008, pp. 8-11. 2008. 12. Audy, J.: A Study of Computer-Assisted Aalysis of Effects of Drill Geometry ad Surface Coatigs o orces ad ower i Drillig, Joural of Materials rocessig Techology, Vol. 204, 1-3, pp. 130-138, 2008. 13. Audy, J.: A Study of the Effect of Coatigs o the Drill Life, Maufacturig Egieerig (Joural, Výrobé Ižiierstvo, No. 1, Vol. VI, Techical Uiversity Košice, Slovakia, Jauary 2007. 14. Audy, J.: Usig Excel Software i Techical Educatio ocused o Modellig ad Aalysis of Drill oit Cuttig Geometry of Geeral urpose Twist Drills, Educatioal Joural Iformatika v Skole (Iformatio i High Educatio, Vol. 32, ublished by Ústav Iformacií a rogóz Školstva v Bratislave (Istitute of Iformatio ad rogosis i Educatio i Bratislava, Slovakia, November 2007, pp. 20 28, http://www.uips.sk/rs/idex.html 15. řikryl, Z. Teorie Obráběí. SNTL Nakladatelství Techické Literatury. raha, 1982. 120