MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientiic Conerence University o Miskolc, Hungary, 20-21 April 2017 ISBN 978-963-358-132-2 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: 10.26649/musci.2017.053
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 20-40 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:
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
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 566-568 Hz-es rezgés, néhány közeli rekvenciás szatellittel. Általában jól kivehető, de sokkal kisebb amplitúdójú egy 3100-3150 Hz körüli rezgés is (különösen a (b) szakaszban (5. ábra). Az 566-568 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
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
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 566-568 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 566-568 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. 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
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 47,6 120 320 430.5 483,8 503 514,3 550,5 571,4 609,5 b 0,524 0,604 75,95 506,3 569,6 3152 3215 c 0,604 0,624 400 500 600 3150 d 0,624 0,793 503 568 591 3118 e 0,793 0,861 200 500 575 650 825 3100 1 0,861 0,948 511,1 566,7 622,2 1700 2822 2 0,948 2,120 g 2,120 2,191 129,4 565,1 758,7 1695 2467 2786 3334 28,2 84,5 112,7 211,3 323,9 521,1 563,4 774,6 1042 1268 1493 2648 3113 3817 5296 5521 Megjegyzés úrás teljes átmérővel uratból vissza h 2,191 2,473 24,8 202,1 358,2 482,3 556,7 ismét a kiindulási 592,2 627,7 673,8 1603 helyzet i 2,473 2,483 - úrószár a lézer előtt j 2,783 5,461 13,8 27,9 30,9 48,35 56.1 96.36 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: 57 59. doi:10.1002/latj.200890029 [2] ASTAKHOV, V. P.: Drills: Science and Technology o Advanced Operations, 2014, CRC Press, ISBN 9781466584341
[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. 417-444. [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, 2016. Vol. 8, Issue 9, doi: https://doi.org/10.1177/1687814016670281 [5] BÉRES, M., MAJÁR, J., RÓNAI, L., PARIPÁS, B.: Precíziós sebességmérés lézerintererometrikus módszerrel, Miskolci Egyetem Közleményei Multidiszciplináris Tudományok, 6. kötet. (2016) 1 sz. pp. 9-19. [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: 978-3-319-51188-7, Springer [7] Polytec GmbH: PDV-100 Portable Digital Vibrometer Datasheet, 2012