Maciej Szczepanik

Maciej Szczepanik
Politechnika Śląska
[email protected]
Optymalizacja postaci konstrukcyjnej głowicy tnącej obrabiarki
do obróbki wodno-ściernej
Obróbka metodą wodno-ścierną jest to niekonwencjonalna metoda obróbki, w której ziarna
materiału ściernego w wysoko ciśnieniowym strumieniu wody uderzają w przedmiot
obrabiany powodując jego erozję. W procesie tym cząstki ścierniwa, takiego jak granat lub
krzemionka są porywane przez strumień wody pod wysokim ciśnieniem (do 600Mpa)
i przyśpieszane do osiągnięcia pożądanych parametrów obróbki. Celem pracy doktorskiej jest
opracowanie nowego narzędzia do obróbki wodno-ściernej (głowica tnąca), które będzie
mogło zastąpić narzędzia obecnie używane jednocześnie poprawiając efektywność obróbki.
Dodatkowym efektem pracy będzie powstanie metodologii badań optymalizacyjnych
w środowisku ANSYS, która będzie mogła być zastosowana w późniejszych badaniach, tak
przez Politechnikę Śląską, jak i przez komercyjne firmy posiadające licencję oprogramowania
ANSYS. Zgodnie z przyjętymi założeniami wykorzystując metodę elementów skończonych
wykonana zostanie optymalizacja postaci konstrukcyjnej głowicy tnącej – wymiarów
i kształtu, aby uzyskać jak największą prędkość strumienia wody nie zmieniając parametrów
zastosowanej pompy. W efekcie ziarna materiału ściernego uderzać będą w przedmiot
obrabiany z większa prędkością, a co za tym idzie znacząco wzrośnie wydajność obróbki.
Aby zrealizować główne założenia pracy doktorskiej została ona podzielona na kilka etapów.
W pierwszym etapie wykonano modele przepływu strugi czystej wody przez dyszę wodną
w celu rozpoznania zjawisk zachodzących podczas obróbki [1]. Następnie dokonano
rozpoznania istniejących algorytmów optymalizacji wielokryterialnej. Oprogramowanie
ANSYS oferuje 12 metod optymalizacji, od prostych metod przesiewowych do algorytmów
genetycznych oraz sieci neuronowych. Zgodnie z przeprowadzonymi do tej pory badaniami
najlepsze wyniki w zadaniach testowych uzyskano wykorzystując algorytm genetyczny wielu
celów i to od niego zostanie rozpoczęte główne zadanie optymalizacji [2]. Obecnie
realizowany jest kolejny etap, polegający na wykonaniu pełnego modelu numerycznego
głowicy tnącej obrabiarki water-jet podczas cięcia strumieniem wodno – ściernym. W celu jak
najdokładniejszego odwzorowania rzeczywistości, należy uwzględnić tutaj wiele czynników,
między innymi: wpływ uproszczeń i zaokrągleń w modelu geometrycznym, rodzaju
i parametrów siatki, użytej domeny, rodzaju warunków brzegowych, wpływu turbulencji,
temperatury, parametrów optymalizacji i innych. Ostatnim etapem wykonywanym metodami
numerycznymi będzie dokonanie optymalizacji pełnego modelu głowicy oraz analiza
otrzymanych wyników. Określenie, które parametry są istotne oraz jakie wartości parametrów
geometrycznych zapewniają maksymalizację wydajności cięcia. Punkt ten stanowi meritum
badań pracy doktorskiej, a uzyskane wyniki posłużą do skonstruowania i wykonania
zoptymalizowanej głowicy. Planuje się także zaprojektowanie rzeczywistej głowicy tnącej ze
zoptymalizowaną geometrią oraz wykonanie serii badań doświadczalnych. Uzyskane wyniki
będą mogły zostać porównane z wynikami zebranymi podczas cięcia głowicą przed
optymalizacją oraz z wynikami uzyskanymi metodami numerycznie. Wykonany model
głowicy będzie także można skomercjalizować.
Zoptymalizowana głowica umożliwi nie tylko cięcie materiałów o większej grubości, ale
przede wszystkim pozwoli na zastosowanie większych parametrów obróbki zwłaszcza
posuwu. W efekcie wzrośnie szybkość obróbki, co przekłada się na zyski ekonomiczne na
skutek zmniejszenia czasu oraz kosztu produkcji pojedynczego detalu. Dzięki temu
przedsiębiorstwo stanie się bardziej konkurencyjne na rynku. Modernizacja i udoskonalenie
istniejącego parku maszynowego niewymagające gruntownej przebudowy urządzeń pozwala
na
zwiększenie
produktywności
w
wielu
zakładach,
głównie
gałęzi
przemysłu
motoryzacyjnego i maszynowego silnie rozwiniętego na terenie Górnośląskiego Okręgu
Przemysłowego. Bezpośrednim przykładem przedsiębiorstwa mogącego wykorzystać wyniki
prowadzonej pracy doktorskiej jest między innymi firma TiM High Technology ulokowana
w Gliwicach, z którą doktorant prowadzi współpracę. Dodatkowo praca doktorska przyczyni
się do opracowania metodologii badań, którą można będzie wykorzystać w innych
zagadnieniach optymalizacji.
1.
Szczepanik M.: Modelowe badania przepływu podczas obróbki strumieniem wodnym.
Prace naukowe Katedry Budowy Maszyn, 1/2009, Gliwice 2009.
2.
Szczepanik M., Sokołowski A.: Porównanie metod optymalizacji dostępnych w
oprogramowaniu ANSYS Workbench. Prace naukowe Katedry Budowy Maszyn, 2/2011,
Gliwice 2011.