Zastosowanie systemu Omative w obróbce łopatki turbiny ze stopu

Zastosowanie systemu Omative w obróbce łopatki turbiny ze stopu

42
MECHANIK NR 1/2017
Zastosowanie systemu Omative w obróbce łopatki
turbiny ze stopu Inconel 718
Adoption of the Omative system in Inconel 718 turbine blade machining
JAN BUREK
PAWEŁ SUŁKOWICZ
MICHAŁ GDULA
JAROSŁAW BUK
MARCIN SAŁATA *
W pracy przedstawiono zastosowanie układu sterowania adaptacyjnego Omative do monitorowania stanu narzędzia podczas obróbki łopatki turbiny ze stopu Inconel 718.
SŁOWA KLUCZOWE: frezowanie, łopatka turbiny, sterowanie
adaptacyjne, Inconel 718
This paper presents a research focusing on adopting adapting
control system Omative for tool condition monitoring during
milling of Inconel 718 turbine blade.
KEYWORDS: milling, turbine blade, adaptive control, Inconel
718
Współczesny przemysł lotniczy stawia coraz wyższe
wymagania wobec produkowanych podzespołów, a jednocześnie dąży do osiągnięcia jak największej wydajności
i maksymalnego zysku. Nowe rozwiązania konstrukcyjne
sprawiają, że konieczne jest stosowanie specjalnych materiałów, takich jak superstopy żaroodporne. Są to stopy
na bazie niklu, kobaltu lub żelaza. Spośród nich jedne
z najlepszych właściwości ma Inconel 718 [1, 2].
Zalety tego stopu są istotne zwłaszcza w tych miejscach
silników lotniczych, które są poddawane największym obciążeniom. Łopatki turbiny pracują w najtrudniejszych pod
względem przenoszonych obciążeń i temperatury warunkach. Prędkość końca łopatki osiąga 390 m/s, temperatura
gazów – nawet 1200°C, a ich prędkość – 600 m/s. Materiał
łopatki turbiny oprócz wysokiej wytrzymałości musi się charakteryzować wysoką żaroodpornością, a także wysokotemperaturową odpornością na pełzanie, odpornością na
korozję i utlenianie oraz wysoką twardością. Istotna jest
ponadto gęstość stopu, która ma wpływ na ciężar silnika
i ma znaczenie przy generowaniu sił odśrodkowych [3, 4].
Inconel 718 jest jednym z materiałów najtrudniejszych
w obróbce. Kształtowanie zamków łopatek jest obecnie
z powodzeniem realizowane w procesie szlifowania z posuwem pełzającym CFG (Creep-Feed Grinding). Metoda
ta pozwala na wydajne obrabianie elementów wykonanych z superstopów i innych trudnoobrabialnych materiałów. Umożliwia szlifowanie części już po obróbce cieplnej
oraz zapewnia wysoką jakość powierzchni [5]. Natomiast
w przypadku powierzchni swobodnych piór łopatek metodą
ich wykonywania jest proces symultanicznego pięcioosiowego frezowania. Z uwagi na stopień skomplikowania tej
obróbki, występowanie wysokich wartości składowych siły
* Dr hab. Inż. Jan Burek prof. PRz ([email protected]), mgr inż. Paweł
Sułkowicz ([email protected]), mgr inż. Michał Gdula (gdulam@prz.
edu.pl), mgr inż. Jarosław Buk ([email protected]), mgr inż. Marcin Sałata
([email protected]) – Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji,
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej
DOI:https://doi.org/10.17814/mechanik.2017.1.3
frezowania oraz wysoki koszt materiału obrabianego i narzędzi zasadne jest stosowanie systemów monitorujących
poprawność przebiegu procesu skrawania. Opierają się
one na pomiarze wybranych wielkości fizycznych, takich
jak: siła skrawania, drgania, moc i moment silnika, emisja
akustyczna czy przepływ chłodziwa. Zmierzone sygnały
(po ich obróbce) służą do uzyskania miar procesu, które
umożliwiają m.in. zastosowanie sterowania adaptacyjnego
AC oraz wykrywanie styku narzędzia z przedmiotem obrabianym, stanów alarmowych czy zużycia narzędzia [6, 7].
Warunki badań
Celem przeprowadzonych badań było zastosowanie
systemu Omative do monitorowania stanu narzędzia podczas frezowania stopu Inconel 718. Działanie tego systemu
opiera się na rejestrowaniu sygnału prądu Iw wrzeciona lub
silników osi liniowych obrabiarki – na tej podstawie można
określić poziom zużycia narzędzia w czasie rzeczywistym.
Badania doświadczalne zrealizowano na stanowisku badawczym opartym na pięcioosiowym centrum obróbkowym
DMU 100 monoblock firmy DMG (rys. 1).
Rys. 1. Stanowisko badawcze: 1 – frez toroidalny, 2 – przedmiot obrabiany,
3 – podzielnica, 4 – układ sterowania wraz z systemem Omative
Badania zostały przeprowadzone podczas zgrubnego
frezowania pióra łopatki turbiny ze stopu Inconel 718 frezem toroidalnym pięcioostrzowym o średnicy d = 50 mm
firmy Sandvik Coromant. Parametry skrawania wyniosły:
prędkość skrawania vc = 40 m/min, głębokość skrawania
ap = 1,15 mm, szerokość skrawania ae = 30 mm, posuw na
ostrze fz = 0,15 mm/ostrze. Przedmiot obrabiany zamocowano w podzielnicy z wykorzystaniem wstępnego naciągu.
Program obróbkowy wykonano w systemie NX10.
MECHANIK NR 1/2017
43
Wyniki badań
Monitorowanie stanu narzędzia z zastosowaniem systemu Omative pozwala na wykrywanie: zużycia narzędzia,
Badania doświadczalne rozpoczęto od frezowania nadmiernego obciążenia frezu (spowodowanego np. wa+
MECHANIK
NR
+
MECHANIK
NR .../20...
.../20...
przedmiotu obrabianego w trybie uczącym systemu Oma- haniami naddatku czy lokalnymi utwardzeniami
materiału),
tive. W tym celu należy określić szereg parametrów, w tym: braku narzędzia czy jego złamania. Ponadto istnieje możliOmative.
W
tym
określić
szereg
w
możliwość
wykrycia
błędów
Omative.
Wnarzędzia
tym celu
celu należy
należy
określić
szereg parametrów,
parametrów,
w istnieje
istnieje
możliwość odpowiednio
odpowiednio
wczesnego
wykrycia
błędów
parametry
i materiału
obrabianego,
graniczne
wość
odpowiednio
wczesnego wczesnego
wykrycia
błędów
programotym:
parametry
narzędzia
ii materiału
obrabianego,
czy
przedmiotu
obrabianego
ii w
tym:
parametry
narzędzia
materiału
obrabianego,
programowania
czy ustawienia
ustawienia
przedmiotu
obrabianego
w
wartości
obciążenia,
rodzaj strategii
monitorowania
czy programowania
wania
czy ustawienia
przedmiotu
obrabianego
i w rezultagraniczne
wartości
obciążenia,
rodzaj
strategii
rezultacie
–– zapobiegania
uszkodzeniu
narzędzia
lub
graniczne
wartości
obciążenia,
rodzaj
strategii
rezultacie
zapobiegania
uszkodzeniu
narzędzia
lub
warunki obróbki. Następnie frezowano przedmiot obrabia- cie – zapobiegania uszkodzeniu narzędzia lub obrabiarki.
monitorowania
czy
obróbki.
Następnie
frezowano
obrabiarki.
monitorowania
czy warunki
warunki
obróbki.
Następnie
frezowano
obrabiarki.
ny nowymobrabiany
narzędziem
aż do
jego zużycia.
W
rezultacie
Podczas
frezowania
zgrubnego pióra
pióra łopatki zużyto
zużyto 60
60
przedmiot
nowym
narzędziem
aż
do
jego
zużycia.
Podczas
frezowania
zgrubnego
przedmiot
obrabiany
nowym
narzędziem
aż
do
jego
zużycia.
Podczaspłytek
frezowania
zgrubnego
pióra łopatki
łopatki
zużyto 60
zarejestrowano
tzw.
krzywą
uczącą
obciążenia,
stanowiąkrawędzi
skrawających.
Dziesięć
razy
osiągnięto
W
rezultacie
zarejestrowano
tzw.
krzywą
uczącą
razy
W
rezultaciedo wykorzystania
zarejestrowanosystemu
tzw. w
krzywą
uczącą krawędzi
krawędzi płytek
płytek skrawających.
skrawających. Dziesięć
razy osiągnięto
osiągnięto
cą podstawę
monitorowaniu
poziom
ostrzeżenia,
co oznacza,Dziesięć
że system
wykrył
zużyobciążenia,
obciążenia, stanowiącą
stanowiącą podstawę
podstawę do
do wykorzystania
wykorzystania poziom
poziom ostrzeżenia,
ostrzeżenia, co
co oznacza,
oznacza, że
że system
system wykrył
wykrył zużycie
zużycie
stanu
zużycia
narzędzia.
Następnie
należy
określić
rodzaj
cie
narzędzia,
lecz
pozwolił
programowi
na
dokończenie
systemu
systemu w
w monitorowaniu
monitorowaniu stanu
stanu zużycia
zużycia narzędzia.
narzędzia. narzędzia,
narzędzia, lecz
lecz pozwolił
pozwolił programowi
programowi na
na dokończenie
dokończenie
strategii – monitorowanie
maksymalnego
obciążenia
(Ma- przejścia
obróbkowego – zatrzymanie
w celu
zmiany
frezu
Następnie
Następnie należy
należy określić
określić rodzaj
rodzaj strategii
strategii –– monitorowanie
monitorowanie przejścia
przejścia obróbkowego
obróbkowego –– zatrzymanie
zatrzymanie w
w celu
celu zmiany
zmiany frezu
frezu
ximum
Load
Monitoring)
lub
monitorowanie
obciążenia
nastąpiło
w
momencie,
gdy
znajdował
się
on
poza
mamaksymalnego
obciążenia
(Maximum
Load
Monitoring)
lub
nastąpiło
w
momencie,
gdy
znajdował
się
on
maksymalnego obciążenia (Maximum Load Monitoring) lub
nastąpiło w momencie, gdy znajdował się on poza
poza
w paśmie krzywej
uczącej w
(Load
Band
Monitoring).
W(Load
przy- materiałem
teriałem
(rys.
4).4).
Dwukrotnie
monitorowanie
obciążenia
krzywej
uczącej
(rys.
Dwukrotnie
osiągnięto
poziom
monitorowanie
obciążenia
w paśmie
paśmie
krzywej
uczącej
(Load
materiałem
(rys.
4).
Dwukrotnieosiągnięto
osiągniętopoziom
poziom alarmu,
alarmu,
Band
W
pierwszej
podczas
obrabiarki
padkuMonitoring).
pierwszej strategii
podczas
obróbki strategii
układ porównuje
który
skutkowałnatychmiastowym
natychmiastowymzatrzymaniem
zatrzymaniem
obrabiar-ii
Band
Monitoring).
W przypadku
przypadku
pierwszej
strategii
podczas który
który skutkował
skutkował
natychmiastowym
zatrzymaniem
obrabiarki
obróbki
porównuje
aktualnie
mierzone
obciążenie
komunikatu
oo o konieczności
wymiany
aktualnieukład
mierzone
obciążenie
wrzeciona
z maksymalki
i wyświetleniem
komunikatu
konieczności wymiany
obróbki
układ
porównuje
aktualnie
mierzone
obciążenie wyświetleniem
wyświetleniem
komunikatu
konieczności
wymiany
wrzeciona
zz maksymalnym
obciążeniem
zarejestrowanym
w
Średni
czas
pracy
frezu
był
do
nym obciążeniem
zarejestrowanym
w trybie
uczącym (co
narzędzia.
frezu
był zbliżony
do deklawrzeciona
maksymalnym
obciążeniem
zarejestrowanym
w narzędzia.
narzędzia. Średni
Średni czas
czaspracy
pracy
frezu
był zbliżony
zbliżony
do
trybie
uczącym
(co
100
ms).
Z
kolei
druga
strategia
deklarowanego
przez
producenta
i
wyniósł
ok.
42
min.
100
ms).
Z
kolei
druga
strategia
umożliwia
porównywanie
rowanego
przez
producenta
i
wyniósł
ok.
42
min.
trybie uczącym (co 100 ms). Z kolei druga strategia
deklarowanego przez producenta i wyniósł ok. 42 min.
umożliwia
porównywanie
w
rzeczywistym
w czasie rzeczywistym
mierzonego
obciążenia
z tym zaumożliwia
porównywanie
w czasie
czasie
rzeczywistym
mierzonego
obciążenia
z
tym
zarejestrowanym
mierzonego
obciążenia
z tym
zarejestrowanym
w przejściu
przejściu
rejestrowanym
w przejściu
uczącym
(rys. 2). w
uczącym
uczącym (rys.
(rys. 2).
2).
a)
a)
b)
b)
Rys.
4.
Okno
monitorowania
systemu
Omative
po
zużycia
Rys. 4.
4.Okno
Oknomonitorowania
monitorowania
systemu
Omative
po wykryciu
wykryciu
zużycia
Rys.
systemu
Omative
po wykryciu
zużycia
narzęnarzędzia
(a)
oraz
widok
frezu
(b)
narzędzia
(a)widok
oraz zużytego
widok zużytego
zużytego
frezu toroidalnego
toroidalnego
(b)
dzia
(a) oraz
frezu toroidalnego
(b)
Podsumowanie
Podsumowanie
Rys. 2. Porównanie strategii monitorowania stanu narzędzia: 1 – poziom
Rys.
2.
strategii
narzędzia:
11 ––
alarmu,
– poziom ostrzeżenia,
3 – maksymalnestanu
zarejestrowane
Rys.
2. 2Porównanie
Porównanie
strategii monitorowania
monitorowania
stanu
narzędzia:obciąpoziom
22 –– poziom
żenie, 4 –alarmu,
krzywa ucząca
poziom
alarmu,
poziom ostrzeżenia,
ostrzeżenia, 33 –– maksymalne
maksymalne
zarejestrowane
zarejestrowane obciążenie,
obciążenie, 44 –– krzywa
krzywa ucząca
ucząca
Po wykonaniu przejścia uczącego do badań przyjęto
Po
przejścia
uczącego
do
przyjęto
Po wykonaniu
wykonaniu
przejścia
uczącego
do badań
badań
przyjęto
strategię
monitorowania
w paśmie
paśmie krzywej
krzywej
uczącej.
Po
strategię
monitorowania
w
uczącej.
Po
strategię
monitorowania
w
paśmie
krzywej
uczącej.
Po
wpisaniu
odpowiednich
komend
układu
Omative
do
prowpisaniu
odpowiednich
komend
układu
Omative
do
wpisaniu
odpowiednich
komend
układu
Omative
do
gramu NC orazoraz
określeniu szerokości
pasma krzywej
ucząprogramu
programu NC
NC oraz określeniu
określeniu szerokości
szerokości pasma
pasma krzywej
krzywej
cej,
która
musi
być
większa
od
obciążenia
wrzeciona
przy
uczącej,
uczącej, która
która musi
musi być
być większa
większa od
od obciążenia
obciążenia wrzeciona
wrzeciona
zadanej
prędkości
obrotowej
bez
obróbki,
przystąpiono
przy
przy zadanej
zadanej prędkości
prędkości obrotowej
obrotowej bez
bez obróbki,
obróbki, przystąpiono
przystąpiono
do frezowania
do
frezowania
aktywnym
trybem
monitorowania
stanu
do
frezowania zz aktywnym
aktywnym trybem
trybem monitorowania
monitorowania stanu
stanu
narzędzia(rys.
(rys.3).
3).
narzędzia
narzędzia
(rys.
3).
a)
a)
b)
b)
Rys.
monitorowania
systemu
Omative
podczas
frezowania
Rys. 3.
3.
Okno
podczas
frezowania
(a)
Rys.
3. Okno
Okno monitorowania
monitorowaniasystemu
systemuOmative
Omative
podczas
frezowania
(a)
oraz
widok
nowego
toroidalnego
oraz
widok
nowego
frezufrezu
toroidalnego
(b) (b)
(a)
oraz
widok
nowego
frezu
toroidalnego
(b)
Monitorowanie
Monitorowanie stanu
stanu narzędzia
narzędzia zz zastosowaniem
zastosowaniem
systemu
Omative
pozwala
systemu Omative pozwala na
na wykrywanie:
wykrywanie: zużycia
zużycia
narzędzia,
narzędzia, nadmiernego
nadmiernego obciążenia
obciążenia frezu
frezu (spowodowanego
(spowodowanego
np.
np. wahaniami
wahaniami naddatku
naddatku czy
czy lokalnymi
lokalnymi utwardzeniami
utwardzeniami
Podsumowanie
Zastosowanie
Zastosowanie systemu
systemu Omative
Omative może
może poprawić
poprawić
wydajność
wydajność procesu
procesu skrawania
skrawania poprzez
poprzez dostosowanie
dostosowanie czasu
czasu
Zastosowanie systemu
Omative może poprawić
wydajpracy
pracy narzędzia
narzędzia do
do rzeczywistych
rzeczywistych warunków
warunków obróbki,
obróbki, aa
ność
poprzez
czasu pradzięki
temu
–– wydłużyć
jego
okres
w
dziękiprocesu
temu skrawania
wydłużyć
jegodostosowanie
okres eksploatacji
eksploatacji
w
cy
narzędzia
do
rzeczywistych
warunków
obróbki,
a
dzięki
porównaniu
ze
stałym
czasem
pracy
zalecanym
przez
porównaniu ze stałym czasem pracy zalecanym przez
temu
– wydłużyć
jego układ
okres
w porównaniu
ze
producenta.
Ponadto
ten,
na
producenta.
Ponadto
układ eksploatacji
ten, monitorując
monitorując
na bieżąco
bieżąco
obciążenie
wrzeciona,
w
niektórych
przypadkach
jest
stałym
czasem
pracy
zalecanym
przez
producenta.
Ponadobciążenie wrzeciona, w niektórych przypadkach jest w
w
stanie
uchronić
narzędzie
ii obrabiarkę
przed
to
układ
ten, monitorując
bieżąco obciążenie
wrzeciona,
stanie
uchronić
narzędziena
obrabiarkę
przed uszkodzeniem.
uszkodzeniem.
Zw
uwagi
wykorzystanie
sygnału
prądu
wrzeciona
do
w stanie
uchronić
narzędzie
Z niektórych
uwagi na
na przypadkach
wykorzystaniejest
sygnału
prądu
wrzeciona
do
monitorowania
obciążenia
nie
zachodzi
konieczność
imonitorowania
obrabiarkę przed
uszkodzeniem.
uwagi na wykorzystaobciążenia
nie Zzachodzi
konieczność
instalowania
dodatkowych
czujników
w
roboczej
instalowania
dodatkowych
czujników
w przestrzeni
przestrzeni
roboczej
nie
sygnału prądu
wrzeciona
do monitorowania
obciążenia
obrabiarki,
które
często
są
drogie
i
uciążliwe
w
montażu.
obrabiarki,
które
często są drogie
i uciążliwe
w montażu.czujnie
zachodzi
konieczność
instalowania
dodatkowych
ników w przestrzeni roboczej obrabiarki, które często są
LITERATURA
LITERATURA
drogie
i uciążliwe w montażu.
1.
1. Oczoś
Oczoś K.
K. „Rozwój
„Rozwój innowacyjnych
innowacyjnych technologii
technologii ubytkowego
ubytkowego
kształtowania
LITERATURA
kształtowania materiałów”.
materiałów”. Mechanik.
Mechanik. 8–9
8–9 (2002):
(2002): s.
s. 537–550.
537–550.
2.
2. Reed
Reed C.
C. “The
“The Superalloys:
Superalloys: Fundamentals
Fundamentals and
and Applications”.
Applications”. New
New
York:
University
2006.
1.Oczoś
K. „Rozwój innowacyjnych
technologii
York: Cambridge
Cambridge
University Press,
Press,
2006. ubytkowego kształtowania
3.
Oguz
on
machining
performance
Mechanik. 8–9
s. 537–550.
3. materiałów”.
Oguz C.
C. “Investigation
“Investigation
on (2002):
machining
performance of
of Inconel
Inconel 718
718
under
cooling
conditions”.
of
2.Reed
“Thepressure
Superalloys:
Fundamentals
andJournal
Applications”.
New York:
underC.high
high
pressure
cooling
conditions”.
Journal
of Mechanical
Mechanical
Engineering.
58,
11
(2010):
s.
683–690.
Cambridge
University
Press, 2006.
Engineering.
58, 11 (2010):
s. 683–690.
4.
characteristics
in
of
3.Oguz
C. Zhang
“Investigation
on H.
machining
performance
of Inconel
718
under
4. Zhu
Zhu D.,
D.,
Zhang X.,
X., Ding
Ding
H. “Tool
“Tool wear
wear
characteristics
in cutting
cutting
of
nickel-based
Int
Manuf.
11 (2013):
high
pressure superalloys”.
cooling
conditions”.
Journal
of Mechanical
Engineering.
nickel-based
superalloys”.
Int JJ Mach
Mach Tools
Tools
Manuf. 64,
64,
(2013):
s.
58,
11 (2010): s. 683–690.
s. 60–77.
60–77.
4.Zhu
D., Zhang
X., Ding
“Tool wear
cutting of nick5.
R.,
Ł.,
Płodzień
M.,
Sułkowicz
5. Babiarz
Babiarz
R., Żyłka
Żyłka
Ł., H.
Płodzień
M., characteristics
Sułkowicz P.
P. in„Nadzorowanie
„Nadzorowanie
el-based
superalloys”.
Int J MachCFG
Tools zzManuf.
64, 1 (2013):sygnałów
s. 60–77.
stanu
w
wykorzystaniem
stanu ściernicy
ściernicy
w szlifowaniu
szlifowaniu
CFG
wykorzystaniem
sygnałów
5.Babiarz
R., ŻyłkaMechanik.
Ł., Płodzień
M.,
Sułkowicz
P. „Nadzorowanie stanu
akustycznych”.
8–9
(2015):
s.
akustycznych”.
Mechanik.
8–9
(2015):
s. 1–3.
1–3.
szlifowaniu
CFGand
z wykorzystaniem
akustycz6.
Omative
Adaptive
Control
Monitoring
Sinumerik
–– User
6. ściernicy
Omative w
Adaptive
Control
and
Monitoring for
forsygnałów
Sinumerik
User
nych”.
Mechanik.
(2015):(2012).
s. 1–3.
Manual.
Omative
Systems
Manual.
Omative8–9
Systems
(2012).
6.Omative
Adaptive
Control
Monitoring
Sinumerik – Userprocesu
Manual.
7.
R.,
Sułkowicz
P.
7. Burek
Burek J.,
J., Babiarz
Babiarz
R.,and
Sułkowicz
P.for„Nadzorowanie
„Nadzorowanie
procesu
Omative
Systems (2012).
wysokowydajnego
frezowania
stopów
aluminium
zz
wysokowydajnego
frezowania
stopów
aluminium
7.Burek
J., Babiarz R., Sułkowicz
P. „Nadzorowanie procesu
wysokowyzastosowaniem
zastosowaniem układu
układu sterowania
sterowania adaptacyjnego”.
adaptacyjnego”. Mechanik.
Mechanik. 8–
8–
dajnego
frezowania
stopów aluminium z zastosowaniem układu stero99 (2015):
(2015): s.
s. 551–558.
551–558.
wania adaptacyjnego”. Mechanik. 8–9 (2015): s. 551–558.
■
■■