FÚRÓSZÁR REZGÉSEINEK MÉRÉSE LÉZER DOPPLER MÓDSZERREL MEASUREMENTS OF DRILL BIT VIBRATION BY LASER DOPPLER METHOD

Átírás

1 MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientiic Conerence University o Miskolc, Hungary, April 2017 ISBN FÚRÓSZÁR REZGÉSEINEK MÉRÉSE LÉZER DOPPLER MÓDSZERREL MEASUREMENTS OF DRILL BIT VIBRATION BY LASER DOPPLER METHOD Béres Miklós 1, Paripás Béla 2 1 mérnöktanár, 2 PhD egyetemi tanár Miskolci Egyetem, Fizikai Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros ABSTRACT The measurements were done by an LDV (Laser Doppler Vibrometer) device, which measures the velocity on the basis o the Doppler eect. We measured the vibrations o the drill bit at the point o the drill neck. Time series and requency spectra were analysed in some periods o the metal cutting process. BEVEZETÉS A gépipari megmunkálási technológiák területén az elmúlt évtizedekben gyors változások következtek be. A gyártógépek korszerűsödésével együtt megjelentek a nagysebességű megmunkálási eljárások, a különböző környezetkímélő orgácsleválasztási technikák, s.í.t. Az anyagtechnológia ejlődése is kihívás elé állította a technológusokat, tervezőket. Olyan új anyagok jelentek meg a termelésben, mint pl. a kompozitok, a unkcionálisan gradiens anyagok, vagy akár a nanoszerkezetek. Az új igények elvetetik a már meglévő tapasztalati eredmények újbóli átvizsgálását, kiterjesztését; új modellek bevezetését, vagy a régiek módosítását. Új elemzéseket vagy szimulációkat követelhetnek meg. Mindezek alapját a pontos és megbízható mérések szolgáltatják. Egyik legelterjedtebb orgácsolási eljárás a úrás. Bár uratok létrehozására ma már újabb módszereket is használnak (pl. lézeres úrás [1]), még mindig jelentős szerepe van a hagyományos, orgácsleválasztással járó megmunkálásnak [2]. Bizonyos gépipari ágazatokban (pl. autóipar, repülőgépipar) a gyártási eladatok zömét a úrás teszik ki [2, 3, 4]. Nagy volumenű, nagy értékű alkalmazásoknál tehát, ha már kicsit is sikerül javítani a megmunkálási olyamaton, a gyártási költségekben jelentős csökkentést érhetünk el. Forgácsolásnál bekövetkező káros jelenségeket alapvetően az üzemi paraméterek megelelő megválasztásával igyekeznek elkerülni. Ennek ellenére gyakran ellépnek olyan nemkívánatos olyamatok, amelyek eredményeként a megmunkálásban hibák keletkeznek. Ilyen olyamatok például az öngerjesztett rezgések is. A chatter ellépése jelentős uratminőség- és szerszámromlást eredményez - vagy akár töréshez is vezethet. Ezért a megelelő orgácsolási hatékonyság eléréséhez a megmunkálási körülmények olyamatos ellenőrzésére van szükség. Ezt végzik a szerszámgépeknél alkalmazott állapotelügyeleti rendszerek. Ilyenkor azonban a paraméterek olyamatos ellenőrzésére és adatgyűjtésre van szükség. A ma már megelelő gyakorlati háttérrel rendelkező lézeres méréstechnika, és a hozzá kapcsolódó korszerű számítástechnikai kapacitás egyszerre kínálja a enti célok megvalósíthatóságát. DOI: /musci

2 A LÉZER-DOPPLER MÓDSZER Ahogy a korábbi cikkünkben [5, 6] is utaltunk rá Miskolci Egyetem Fizikai Intézete a rezgések precíziós vizsgálatára két különböző lézer intererenciás módszerrel működő berendezéssel is rendelkezik. Ezek közül a jelen kísérletek során a lézer Doppler elven működő készüléket használtuk. Elsősorban azért, mert ez a módszer nem igényel a mérendő tárgyhoz (jelen esetben a úrószárhoz) rögzített mérőprizmát. (A nem elhanyagolható tömegű mérőprizma meghamisítaná a méréseket.) A lézer Doppler intererométerből (LDV: Laser Doppler Vibrometer) [7] kijövő lézersugarat a vizsgálni kívánt objektum elületének egy pontjára kell ókuszálni, s e elület rezgésének sebességi amplitúdójára és rekvenciájára következtetni lehet a visszavert lézerény rekvenciája segítségével a Doppler-eektus alapján. A Dopplereektus lényege, hogy ha a hullámorrás és a megigyelő egymáshoz képest mozog, akkor a megigyelő a hullám rekvenciáját és hullámhosszát a kibocsátott hullámétól eltérőnek ogja érzékelni. Ez az eektus, mely eledezőjéről a Doppler-eektus nevet kapta, igen sok műszaki alkalmazásnak (mint a sebességmérés) képezi alapját. Az akusztikai Doppler eektusnál a közeghez képest a megigyelő és a hullámorrás is mozoghat vm, illetve v sebességgel. Mindkét mozgás arra vezet, hogy a megigyelő az eredeti 0 rekvenciától eltérő rekvenciát érzékel. Ezeket közösen a 0 c v m c v (1) képletbe oglalhatjuk, ahol c a hullám ázissebessége az adott közegben, a első előjelek a közeledésre az alsók pedig a távolodásra vonatkoznak. Ha v sebességgel mozgó tárgyról visszaverődő hullámot detektálunk az álló hullámorrás mellett, akkor mindkét típusú mozgással számolni kell. Ugyanis a mozgó tárgy először detektálja a hullámot (mozgó megigyelő), majd kibocsájtja (mozgó orrás). A végeredmény közeledő visszaverő tárgy esetén: 0 c v c v (2) (Távolodó visszaverő tárgy esetén az előjelek ellentétesek.) Megjegyezzük, hogy a vákuumban terjedő ényre az (1) képlet nem használható, a (2) képlet azonban igen A vibrométer általában egy két lézersugaras intererométer, ami méri a rekvencia (vagy ázis) különbséget egy belső reerencia nyaláb és a mérősugár között. A mi LDVnkben egy hélium-neon (He-Ne) lézer van. A mérősugár a céltárgyra irányul és az arról szóródott ényt összegyűjtjük és intereráltatjuk a reerencia sugárral a otodetektoron (ami jellemzően otodióda). A kereskedelmi vibrométerek esetén tipikusan MHz eltolás (esetünkben 20 MHz) van a két lézersugár között, amit egy Bragg-cella, más néven akuszto-optikai modulátor generál. Az 1. ábrán látható a vibrométer vázlatos elépítése. A lézerből érkező (0 rekvenciájú) lézersugarat az első nyalábosztó osztja szét az ún. reerencia és mérősugárra. A mérősugár áthalad a Bragg-cellán, amely d rekvenciatolást ad hozzá, ez a lézersugár van a céltárgyra irányítva. A tárgy mozgása pedig hozzáad egy ún. Doppler-eltolást a sugárhoz:

3 c v v 0 0(1 2 ) 0 d c v c (3) v v Tehát d 20 2 c. (4) 1. ábra. A vibrométer vázlatos elépítése Mindez természetesen csak akkor igaz, ha nincs koszinuszos hiba, azaz ha a lézersugár és a sebességvektor párhuzamos. A ény a céltárgyról minden irányba visszaverődik, de a ény egy részét összegyűjti az LDV optikája és a nyalábosztón keresztül a otodetektorra tükrözi. Ennek a énynek a rekvenciája egyenlő 0+b+d-vel. Ez a szórt ény intererál a reerencia nyalábbal a otodetektoron. A találkozó két hullám rekvencia különbsége is megjelenik (b+d), mely érték a 10 MHz-es tartományba esik. A otodetektor kimenete egy standard rekvencia-modulált (FM) jel, a Bragg-cellával mint vivőrekvenciával és a Doppler-eltolással mint modulációs rekvenciával. Ebből a jelből demodulációval a céltárgy sebességének időüggése meghatározható. Az általunk alkalmazott LDV berendezés egy He-Ne lézert tartalmazó Polytec PDV-100 (Portable Digital Vibrometer) típusú vibrométer. MÉRÉSI KÖRÜLMÉNYEK A méréseket a Szerszámgépészeti és Mechatronikai Intézet Szerszámgépek Intézeti Tanszéke (SGT) műhelyében végeztük a DMG CPX Alpha500 általános esztergán. A úrás során a úró állt, miközben a munkadarab orgott. A saját állványára (tripod) szerelt LDV-vel a úrószár oldalirányú rezgéseit mértük a szerszámgépen kívülről (2. ábra). A mérések többségében hűtő-kenő olyadékot kellett használni, ennek az LDV-re röccsenését mindenképpen el kellett kerülni. Ezért ezek a orgácsolás közbeni mérések zárt burkolatajtó mellett történtek. Így a burkolat plexi ablakán kellett a szerszámra irányítani a lézer sugarát, amely további zajt okozhatott a mérési jelben. Összesen kb. száz úrás során végeztünk lézeres rezgésmérést. A jelen cikk terjedelme ezek közül csak egyetlenegy úrás során végzett mérés részletes bemutatását teszi lehetővé. Ezen úrás során elhasznált úró HSS Co5 (DIN338) típusú, ebben a úrásban egy 9.0 mm átmérőjű úrót használtunk kiköszörült keresztéllel, 118 csúcs-szöggel, 101 mm dolgozó hosszal (teljes hossz 151 mm) olyamatos olyadékhűtéssel (ezt nem lehetett kiküszöbölni a szerszám-munkadarab anyagpárosítása miatt). Még akkor sem, ha a

4 2. ábra. A mérési elrendezés megmunkálás sebességét (illetve a őorsó ordulatszámát) alacsonyan tartottuk. Jelen mérés során a munkadarab n=900 ordulat/perc ordulatszámmal orgott (a úró pedig állt, ahogy ezt entebb is leírtuk). Az Fe490-2 anyagminőségű munkadarabban a uratképzést megelőzően 2.5mm átmérőjű előuratot készítettünk max. 2 mm mélységig. Erre azért volt szükség, hogy elkerüljük a szerszám korábbi kísérleteknél tapasztalt kóválygását. A tényleges úrásnál, a orgácsolási olyamat kezdetén rögtön megindul az előtolás, melynek során a úrószár előrehalad z=0.25mm/ordulat ogásmélységgel. A úró előre megy egy megadott mélységet (6mm), majd ezután rögtön visszatér a kiinduló pozíciójára. Itt csak egy pillanatig tartózkodik (1-2ms), majd egyenes interpolációval visszamegy a reerenciapontra. MÉRÉSI EREDMÉNYEK Ahogy az előző ejezetben is említettük, a kb. száz úrás során végzett lézeres rezgésmérés közül a jelen cikkben csak egyetlenegyet tudunk bemutatni (ennek a kódszáma a 68-as). A rezgési sebesség úrás közbeni időüggését a 3. ábrán láthatjuk. De csak elvben, mert a sok ezer rezgés egyetlen ábrán nyilvánvalóan nem ábrázolható. Az ábrán lényegében csak a rezgési sebességamplitúdó (amplitúdók) változása követhető. Ezek alapján megpróbáltuk a különböző úrási szakaszokat elkülöníteni (a-h szakaszok) és az elkülönített szakaszokat külön megvizsgálni. A szakaszok elkülönítése tehát az ábrán is jól látható rezgési amplitúdó változások alapján történt, de a szakaszok jól egyeznek a úrás paraméterei alapján kalkulált szakaszokkal is. A úrás a (b) szakasszal kezdődik kb. 0,53s-os időkoordinátánál (4.ábra). Bár a (b), (c), (d) és (e) szakaszokban a rezgési amplitúdók jelentősen változnak, a rezgés rekvenciaspektruma azonban igen hasonló képet mutat. Ebben erősen dominál egy Hz-es rezgés, néhány közeli rekvenciás szatellittel. Általában jól kivehető, de sokkal kisebb amplitúdójú egy Hz körüli rezgés is (különösen a (b) szakaszban (5. ábra). Az Hz-es rezgés annyira domináns, hogy ez a rekvencia még Fourieranalízis nélkül közvetlenül is leolvasható az 6. ábra sebesség-idő üggvényéből (kb. 11 rezgés 0,02s alatt). A (c) és (e) szakaszok rezgésképe igen hasonló az 5. és 6. ábrán

5 3. ábra. A úrószár keresztirányú rezgési sebességének időüggése a kiválasztott mérésben. Az ábrán a úrási szakaszokat is bejelöltük 4. ábra. A 3. ábrán bemutatott úrás első szakasza (a úrás első él másodperce) kinagyítva bemutatotthoz (kivéve az amplitúdót), azokat itt helyhiány miatt nem mutatjuk be. Az (e) szakasz kb. 0,86s-nál ér véget, tehát a úrásnak ez a négy szakaszból álló periódusa 0,33s-ig tart. A z=0.25mm/ordulat ogásmélység és a n=900 ordulat/perc (=15 1/s) ordulatszámból 3,75 mm/s előtolási sebesség adódik, amely 0,33s alatt 1,25 mm elmozdulásra vezet. A úró geometriájából (9.0 mm átmérőjű, 118 csúcs-szög) az adódik, hogy a úró hegye egy 2,7 mm magasságú kúpot képez. A úrás megkezdésekor a úró hegye már az előuratban van, a munkadarab elszíne alatt 0,75 mm-rel (=2,5 2,7/9), azaz a úrónak 1,25 mm-t kell megtennie addig, amíg leér a 2 mm mély előurat aljára. Tehát a úró pontosan az (e) szakasz végén éri el az előurat alját. Ezt követően a rezgési amplitúdók megnövekednek, állandósulnak. A 3. ill. 4. ábrára rápillantva egy homogén szakasz következik, amit eredetileg () szakasznak neveztünk. Később, a rekvencia spektrumok tanulmányozása során kiderült, hogy a

6 5. ábra. A (b) úrási szakasz sebesség-idő üggvénye és ennek Fourier-spektruma 6. ábra. A (d) úrási szakasz sebesség-idő üggvénye és ennek Fourier-spektruma szakasz eleje (1) egy átmenetet képez a szakasz törzse (2) és az előző (e) szakasz között. Azaz az amplitúdó már nagy, de a rezgés még szabályos, az Hz-es rezgés még domináns, de erősödik egy 1700 Hz-es rezgés is. Az (2) szakaszban a úrás rezgésképe viszont gyökeresen megváltozik (7. ábra). A rezgés teljesen szabálytalanná válik, a Fourier-spektruma szinte olytonos lesz, bár azért néhány bizonytalan csúcs is látszódik benne. Szinte teljesen eltűnik az előző szakaszokat domináló Hz-es rezgés is. Az együttes (1)-(2) szakasznak a hossza 1,26s (=2,12-0,86), ez alatt a úró elvben 4,725mm-t halad, ami a (b), (c), (d) és (e) szakaszokban megtett 1,25 mm-rel együtt szinte pontosan kiadja az előre beállított 6 mm értéket. Megjegyezzük, hogy az (e) szakasz után elvben 0,19s elteltével (tehát további 0,7 mm megtétele után) jutunk el oda, hogy a úró oldala is eléri a munkadarabot, ami után a úró már teljes keresztmetszetében úr. Ez a pillanat egyik graikon esetén sem okoz drámai változást. Az 1. táblázatban összeoglaltuk a különböző úrási szakaszok jellemzőit, beleértve a Fourier-analízissel meghatározott jellemző rezgési rekvenciákat (a legjellemzőbbet vastagon kiemelve).

7 7. ábra. A () úrási szakasz sebesség-idő üggvénye és ennek Fourier-spektruma 8. ábra. A úró csavarvonalának elhaladása a lézer előtt. A táblázat a úró kihúzási szakaszainak ((g), (h), (i), (j) szakaszok), adatait is tartalmazza. Ezeknek a kihúzási szakaszoknak a további tanulmányozására a jelen dolgozatban már nincs lehetőség. Egy érdekességet azonban még bemutatunk a 8. ábrán. Itt azt a pillanatot láthatjuk, amint a úró csavarvonala elhalad a lézer előtt. A legmeredekebb részeken a

8 gyorsulás látszólag meghaladja a 300 m/s 2 értéket is. Ez azonban nem egy valóságos gyorsulás, mert a lézernyaláb különböző pontokról verődik vissza, amint végigsöpri a kihúzott úró éleit. Szakasz jele 1. táblázat. A különböző a úrási szakaszok őbb jellemzői Mérési időtartomány [s] a 0 0,524 Jellemző rekvenciák [Hz] ~ 15,2 30,5 47, , ,3 550,5 571,4 609,5 b 0,524 0,604 75,95 506,3 569, c 0,604 0, d 0,624 0, e 0,793 0, ,861 0, ,1 566,7 622, ,948 2,120 g 2,120 2, ,4 565,1 758, ,2 84,5 112,7 211,3 323,9 521,1 563,4 774, Megjegyzés úrás teljes átmérővel uratból vissza h 2,191 2,473 24,8 202,1 358,2 482,3 556,7 ismét a kiindulási 592,2 627,7 673, helyzet i 2,473 2,483 - úrószár a lézer előtt j 2,783 5,461 13,8 27,9 30,9 48, gyorsmenet hátra ÖSSZEFOGLALÁS Az elvégzett mérések alapján látható, hogy a úrási orgácsolási olyamat jól mérhető lézer doppler rezgésmérővel. Annak ellenére, hogy a mérés hűtő-kenő olyadék, zárt burkolat és tripod mérőállvány mellett történt, az anyagleválasztási lépések egyértelműen elkülöníthetők a sebességdiagramon és a elvett jelszakaszok rekvenciaspektrumán egyaránt. További előnye a módszernek, hogy a mérés során olyan helyről (a úrószár tokmánytól nem túl távoli pontja) sikerült inormációt szereznünk a olyamatról, amelynek geometriai körülményei nem beolyásolták jelentős mértékben a jelminőséget. Az egyes orgácsolási szakaszok átmeneti jelenségei további vizsgálatot igényelnek. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] DÜRR, U. (2008), Laser Drilling in Industrial Use. Laser Technik Journal, 5: doi: /latj [2] ASTAKHOV, V. P.: Drills: Science and Technology o Advanced Operations, 2014, CRC Press, ISBN

9 [3] ZHANG, P.F., CHURI, N.J., PEI, Z.J., and TREADWELL C.:Mechanical drilling processes or titanium alloys: a literature review, 2008, Machining Science and Technology, Vol. 12, No. 4, pp [4] YINGYING Wei, QINGLONG An, WEIWEI Ming, MING Chen: Eect o drilling parameters and tool geometry on drilling perormance in drilling carbon iber reinorced plastic/titanium alloy stacks, Advances in Mechanical Engineering, Vol. 8, Issue 9, doi: [5] BÉRES, M., MAJÁR, J., RÓNAI, L., PARIPÁS, B.: Precíziós sebességmérés lézerintererometrikus módszerrel, Miskolci Egyetem Közleményei Multidiszciplináris Tudományok, 6. kötet. (2016) 1 sz. pp [6] BÉRES, M., PARIPÁS, B.: Comparison o two laser intererometric methods or the study o vibrations, Series Title: Lect.Notes Mechanical Engineering, Book Title: Vehicle and Automotive Engineering, Book Subtitle: Proceedings o the JK2016, Chapter 20, Miskolc, Hungary, ISBN: , Springer [7] Polytec GmbH: PDV-100 Portable Digital Vibrometer Datasheet, 2012