Homlokmaró szerszám kopásának meghatározása akusztikus emisszió alapján

Átírás

1 JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK Homlokmaró szerszám kopásának meghatározása akusztikus emisszió alapján Tárgyszavak: állapot-ellenőrzés; akusztikus emisszió; kopás; marószerszám. A forgácsolószerszámok állapotának folyamatos érzékelése különösen fontos az automatizált gyártórendszerekben, mivel a szerszám állapota befolyásolja a megmunkált felület minőségét, a szerszám hibája a munkadarabot, magát a szerszámot és akár a szerszámgépet is károsíthatja. A forgácsolás közben keletkező hangemisszió forrásai a megmunkált anyag belső szerkezetének átrendeződése során, a deformációs energia gyors felszabadulása által keltett, rugalmas feszültséghullámok. Az anyag belső szerkezetének átrendeződéséhez hozzájáruló folyamatok többek között a diszlokációk mozgása, a diffúziós kúszás, a szemcsék szekunder elmozdulása, amely folyamatok a képlékeny alakváltozás alakjában jelennek meg, továbbá a fázisátalakulások, a vakanciák egybeolvadása, zárványok szétválása és törése. Az e folyamatok során felszabaduló energia gömbhullámok alakjában terjed, és az anyagra helyezett piezoelektromos érzékelővel elektromos jellé alakítható, így értékelhető. Az alapvető mérési elrendezést az 1. ábra szemlélteti. előerősítő akusztikus emisszió érzékelője mérés, elemzés és tárolás 1. ábra Akusztikus emisszió keletkezése

2 Két, alapvető emissziós jel ismert: 1. Nagy amplitúdójú, némiképp szabálytalan, kisfrekvenciás, lökésszerű emisszió, amely általában felületi jelenségekkel, így csúszásvonalak képződésével, felületi mikrorepedésekkel függ össze, és 2. Kisebb amplitúdójú, nagyfrekvenciás jellegű, folytonos emisszió, amely általában belső mechanizmusú aktivitással kapcsolatos. Fémek forgácsoló megmunkálása során főleg a nyírási tartományban és a szerszám/forgács határfelületen bekövetkező képlékeny alakváltozás, a szerszám és a forgács, valamint a munkadarab határfelületén bekövetkező súrlódás, a forgács törése és összekuszálódása, továbbá a szerszám kopási folyamatai az akusztikus emisszió forrásai. A marási művelet szakaszos jellege járulékos akusztikus jeleket eredményez. Meglehetősen nagy akusztikus jelek keletkeznek, amikor a szerszám belép a munkadarabba, és amikor elhagyja azt. Az egyes marási ciklusok közben változik a forgács vastagsága. Ennek következtében változnak a forgácsolási erők, valamint a szerszám és a munkadarab érintkezési körülményei. A forgács néha a szerszámra tapad, ami a keltett jel szintjének és jellemzőinek véletlen változásait okozza. Adott esetben egyszerre több vágóél is forgácsol, ekkor egyszerre több jel keletkezik. A 2. ábra fémforgácsoláskor (esztergálás) fellépő, a 3. ábra a homlokmarásnál fellépő akusztikus emissziós forrásokat szemlélteti. forgács 4 forgácstörő munkadarab szerszám betétkés ábra Akusztikus emisszió forrásai forgácsoláskor forgácsoló szerszám 4 3. ábra Az akusztikus emisszió fő forrásai homlokmarásnál

3 Az egyszerre forgácsoló több vágóél esetében, amikor az egyes vágóélek érintkeznek a munkadarabbal, illetve amikor elhagyják azt, olyan erős jelek keletkeznek, amelyek összemérhetők a marószerszám fogainak törésekor keletkező jelekkel. Egy, két és három vágóéles marófejjel végeztek kísérleteket annak eldöntésére, hogy lehetséges-e a szerszám kopására, ill. törésére jellemző jeleket a normális marási műveletek közben fellépő jelektől megkülönböztetni. Összehasonlító alapnak az egy vágóéles marófejjel (ütőkéssel), függőleges marógépen végzett megmunkálást tekintették. A vizsgált minta anyaga En-8 jelű, közepes széntartalmú acél, mérete mm 3, a 10 mm átmérőjű marófejbe helyezett betétkések anyaga SEKN AFB TTMS jelű vídia volt. A forgácsolási jellemzők olyanok voltak, hogy a betétkések erős kopásnak voltak kitéve. A kísérleti körülményeket az 1. táblázat tartalmazza. Forgácsolási jellemzők 1. táblázat Forgácsolási sebesség 176, m min -1 Fogankénti előtolás Fogásmélység 0,07; 0,11; 0,22 mm 0,5 mm (állandó) Az akusztikus emissziós jeleket a gépsatura rögzített, AC jelű, piezoelektromos érzékelőből előerősítőn, 30 khz 2 MHz sávú szűrőn át AET 5500 AE jelű (Babcock & Wilcox gyártmányú) analizátorba vezették. A jelek értékelhetősége szempontjából nagyon lényeges küszöbszintet 1 V-ra állították, azonban a rendszerszoftver a háttérzajok változásakor ezt úgy módosította, hogy a rendszer csak a szignifikáns akusztikus emissziós jeleket rögzítette. A betétkések kopását gyakran ellenőrizték. Kísérletek egy betétkéssel (ütőkés) A 4. ábra a vágóél kopását szemlélteti a forgácsolási idő függvényében. A kopás kezdetben gyors, ezt egyenletes elhasználódás, majd gyors növekedés jellemzi. A kísérletek során a kopás kritikus értékét 0,4 mm-nek vették. Az ilyen jellegű elhasználódás a forgácsolási körülményektől függetlenül minden szerszám/munkadarab anyagkombinációra jellemző. Az 5. és a 6. ábra a lecsengési számot (ez az a szám, amely megadja, hogy a jel amplitúdója hányszor keresztezi az előre beállított referencia-küszöbértéket) és az effektív feszültséget a forgácsolóél kopásának függvényében. A lecsengési szám kezdeti gyors növekedése a szerszám és a munkadarab érintkezésekor bekövetkező mikroroncsolódással magyarázható; ekkor a vágóél mikroérdességei lökésszerű emissziós jeleket keltenek. A megmunkálást folytatva a szokásos

4 forgácsok keletkeznek, amelynek során folytonos jellegű emisszió észlelhető. Általánosan elfogadott nézet, hogy fémek forgácsolása közben az akusztikus emissziós jelek forrása a forgácsok képződésével kapcsolatos képlékeny alakváltozás. forgácsolóél kopása, mm forgácsolási idő, s 4. ábra A vágóél kopása a forgácsolási idő függvényében (egy betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,22 mm/fog lecsengési szám forgácsolóél kopása, mm 5. ábra Lecsengési szám a vágóél kopásának függvényében. Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,22 mm/fog

5 effektív feszültség, mv forgácsolóél kopása, mm 6. ábra Effektív feszültség a vágóél kopásának függvényében. Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,22 mm/fog A megmunkálást folytatva a betétkés lábprofilja érintkezésbe kerül a megmunkált felülettel, aminek következménye az él fokozott kopását okozó súrlódás. A forgácsolást folytatva a szerszám tovább kopik, a munkadarab és a szerszám érintkező felülete megnő, a dörzsölőhatás, és ezzel együtt a forgácsolóél kopása fokozódik, ismét mikroroncsolódásos folyamatok jelentkeznek, ami ismét lökésszerű emissziós jeleket kelt. Ez a folyamat a forgácsolószerszám kritikus kopásáig tart, amelyen túl a súrlódás egyre jelentősebb és a munkadarab anyagát extrúziós folyamat révén távolítja el. Ekkor a lecsengési szám csökken, és általában stabil marad. A szerszám behatolása, kilépése és a forgács vastagságának ingadozása az egyes forgácsolási ciklusokban inkább lökésszerű emissziós jeleket kelt, és ezzel együtt a lecsengési szám ismét növekszik. Az effektív jelfeszültség a forgácsolóél kopásával először csökken, majd egy kritikus érték fölé nő. Ennek az az oka, hogy az effektív feszültség a szerszámcsúcs és a munkadarab érintkezési felületének nagyságától függ. Kísérletek két betétkéssel A vizsgálatokat kétféle elrendezéssel végezték: két betétkést egymás mellé, ill. egymással szembe helyezve. A forgácsolóél kopása a kétféle elrendezésben, a megmunkálási idő függvényében a 7. és a 8. ábrákon látható. A két betétkés kopása a két esetben hasonló, az értékeléshez a kopások középértékét használták.

6 forgácsolóél kopása, mm forgácsolási idő, s 7. ábra Forgácsolóél kopása a forgácsolási idő függvényében (két, egymás mellett elhelyezett betétkés) forgácsolóél kopása, mm forgácsolási idő, s 8. ábra Forgácsolóél kopása a forgácsolási idő függvényében (két, egymással szemben elhelyezett betétkés) A forgácsolóélek kopásának átlagos értéke a 9. ábrán (egymás melletti betétkések) és a 10. ábrán (egymással szemben levő betétkések) látható, a forgácsolási idő függvényében. A 11. és a 12. ábra a lecsengési számot és az effektív feszültséget mutatja az átlagos szerszámkopás függvényében, két,

7 egymás melletti betétkéssel mérve. Az eredmények nagyon hasonlítanak az egy betétkéssel mértekhez, csak a számszerű értékek térnek el egymástól. forgácsolóél kopása, mm forgácsolási idő, s 9. ábra Forgácsolóél átlagos kopása a forgácsolási idő függvényében (két, egymás mellett elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog forgácsolóél átlagos kopása, mm forgácsolási idő, s 10. ábra Forgácsolóél átlagos kopása a forgácsolási idő függvényében (két, egymás mellett elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog

8 lecsengési szám forgácsolóél átlagos kopása, mm 11. ábra A lecsengési szám a forgácsolóél átlagos kopása függvényében (két, egymással szemben elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog effektív feszültség, mv forgácsolóél átlagos kopása, mm 12. ábra Effektív feszültség a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (két, egymás mellett elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog A 13. és a 14. ábra a két paraméter változását mutatja a szerszámkopás függvényében, egymással szemben elhelyezett betétkések esetére. Az egymás mellé helyezett betétkések gyorsabban kopnak, mint az egymással szemben

9 elhelyezett betétkések. Az egymás mellett levő betétkések kritikus határkopásának megfelelő lecsengési számok és effektív feszültségértékek nagyobbak az egymással szemben elhelyezett betétkésekkel kapottaknál. A két, egymás mellett lévő betétkés kritikus kopásának megfelelő akusztikus emissziós paraméterek: a lecsengési szám kb , az effektív feszültség mv; az egy betétkéssel kapott, megfelelő értékek kb és mv. lecsengési szám forgácsolóél átlagos kopása, mm 13. ábra A lecsengési szám a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (két, egymással szemben elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog effektív feszültség, mv forgácsolóél átlagos kopása, mm 14. ábra Effektív feszültség a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (két, egymással szemben elhelyezett betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,11 mm/fog

10 Kísérletek három betétkéssel A 15. ábra három betétkés működő felületének kopását mutatja a forgácsolási idő függvényében. Az ábrából egyértelműen felismerhető, hogy valamennyi betétkés kopása hasonló, és ezért az átlagos kopást vették figyelembe. A 16. ábra a vágóél kopásának középértékét mutatja a forgácsolási idő függvényében. Az ábrán látható a gyors kezdeti, az ezt követő egyenletes, majd a gyors növekedés. A 17. és a 18. ábra a lecsengési szám és az effektív feszültség változását mutatja a működő felület kopásának függvényében. A lecsengési szám az egy betétkéssel kapotthoz hasonlóan változik, azonban amikor a három betétkés egyszerre forgácsol, akkor elmaradnak a fluktuációk, és ez befolyásolja az akusztikus emissziót. A kritikus kopáshoz tartozó lecsengési szám kb , az egy betétkéssel kapott, kb Az effektív feszültség a vágóél kopásának növekedésével csökkenő irányzatú. Ugyancsak csökken a feszültség effektív értéke a marófejbe szerelt betétkések számának növekedésével (kivéve a két, egymással szemben elhelyezett betétkés esetét). forácsolóél kopása, mm forgácsolási idő, s 15. ábra Forgácsolóélek kopása a forgácsolási idő függvényében (három betétkés)

11 forácsolóél átlagos kopása, mm forgácsolási idő, s 16. ábra Forgácsolóélek átlagos kopása a forgácsolási idő függvényében (három betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,07 mm/fog lecsengési szám forgácsolóélek átlagos kopása, mm 17. ábra A lecsengési szám a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (három betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,07 mm/fog

12 effektív feszültség, mv forgácsolóélek átlagos kopása, mm 18. ábra Effektív feszültség a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (három betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,07 mm/fog A lecsengési szám pillanatnyi értékével (amely véletlen jellegű változó) szemben a kumulatív akusztikus emissziós szám határozott trendet mutat. A 19. ábra az egy betétkéses méréssel kapott kumulatív szám változását mutatja kumulatív akusztikus emisszió szám forgácsolóél átlagos kopása, mm 19. ábra Kumulatív akusztikus emisszió szám a forgácsolóél átlagos kopása függvényében (egy betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,22 mm/fog

13 a vágóél kopásának függvényében, a 20. ábrán pedig ugyanez, a három betétkéses mérések során kapott összefüggés látható. Egy betétkés esetében nem lehet határozottan megkülönböztetni egymástól a normális és az abnormális állapotot. A kritikus kopáshoz tartozó, kumulatív akusztikus emissziószám kb A három betétkéses esetben azonban mindhárom fokozatot mutató, határozott trend figyelhető meg, és a kritikus kopáshoz tartozó érték kb A kumulatív akusztikus emisszió szám nagyon szoros korrelációban van a vágóél kopásával. Ezek alapján a kumulatív szám hatásos eszközként használható a szerszám állapotának felügyeletére. kumulatív akusztikus emisszió szám forgácsolóélek átlagos kopása, mm 20 ábra Kumulatív akusztikus emisszió szám a forgácsolóélek átlagos kopása függvényében (három betétkés). Forgácsolási sebesség 176 m/min, előtolás 0,07 mm/fog Összefoglalás 1. Az egy és két betétkéssel végzett homlokmarás esetében a lecsengési szám és az effektív feszültség jól használható a szerszám kopásának felügyeletére. Kettőnél több betétkés esetén azonban nehéz az elemzés. 2. A két és három betétkéses kísérletek során az akusztikus emisszió paraméterei nagyobbak az egy betétkéssel végzett méréseknél. Ezt a több jelforrás magyarázza. 3. Az effektív feszültség alapján egyértelműen megkülönböztethető a szerszám normális és abnormális állapota, mivel a vágóél kritikus ér

14 téknél nagyobb kopásával arányosan nő az effektív feszültség, kivéve a három betétkéses esetet. 4. A kumulatív akusztikus emisszió szám jobban korrelál a vágóél fokozódó kopásával. Fémek forgácsoló megmunkálásakor az akusztikus emisszió sztochasztikus természetű, és a lecsengési szám mindegyik megfigyelése független, diszkrét, véletlen változó. A marás a folytonos forgácsolásos esztergálással összehasonlítva szakaszos jellegű forgácsoló művelet, és ez megnehezíti a szerszám állapotának felügyeletét. Az elvégzett kísérletek során egy, két és három betétkést használtak a marófejben. Egy betétkéssel hozzávetőleg tíz kísérletet végeztek, és így ezek az eredmények majdnem bármilyen más munkadarab/szerszám kombinációra és bármilyen más forgácsolási feltételre alkalmazhatók. A két és három betétkéssel kapott eredmények azonban csak korlátozott számú kísérleten alapulnak, és ezért csak az adott körülményekre érvényesek. További kísérletek szükségesek az akusztikus emisszió jellemzői és a szerszámkopás közötti összefüggések megismerésére és felhasználásukra a szerszámkopás felügyeletére. Az már megállapítható, hogy az akusztikus emisszió hasznosítható a homlokmarásban a forgácsolószerszám kopásának felügyeletére. (Pálinkás János) Srinivasa Pai, P.: Acoustic emission analysis for tool wear monitoring in face milling. = International Journal of Production Research, 40. k. 5. sz márc. 20. p Pricket, P. W.; Johns, C.: An overview of approaches to end milling tool monitoring. = International Journal Machine Tools Manufacturing, 39. k. 1. sz p