plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 27 nr 2
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2007
JÓZEF BORKOWSKI * , MARZENA SUTOWSKA * *
WPŁYW WARUNKÓW PROCESU CIĘCIA
WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ WODNO-ŚCIERNĄ
NA PARAMETRY SGP
W artykule scharakteryzowano strukturę geometryczną powierzchni (SGP) materiałów przecinanych wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Przedstawiono rezultaty badań wpływu głównych parametrów przecinania na wartości parametrów SGP. Analiza wyników pozwoliła na wytypowanie grupy parametrów struktury geometrycznej powierzchni charakterystycznych dla omawianego sposobu obróbki, które wykazują największą wrażliwość na zmiany parametrów procesu
przecinania.
Słowa kluczowe: przecinanie materiałów, struga wodno-ścierna, struktura powierzchni
1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
h
– grubość materiału,
pw
– ciśnienie wody,
r
– promień trajektorii głowicy tnącej,
R
– współczynnik korelacji,
popr.R2 – skorygowany współczynnik wielokrotnej determinacji,
Sa
– średnie arytmetyczne odchylenie,
Sci
– zdolność przywierania płynu do powierzchni przecięcia,
Sdq
– średniokwadratowe nachylenie nierówności,
Sdr
– rozwinięcie powierzchni,
Sds
– gęstość powierzchniowa wierzchołków miejscowych wzniesień,
SHTp – wysokość obszaru nośnego,
Smmr – współczynnik objętości materiału,
Sq
– średnie kwadratowe odchylenie,
Ssc
– średnia arytmetyczna krzywizna wierzchołków nierówności,
Ssk
– współczynnik skośności,
* Prof. dr hab.
** Mgr inż.
inż.
Centrum Niekonwencjonalnych Technologii Hydrostrumieniowych
Politechniki Koszalińskiej.
44
St
Str
Sv
Sz
v
vf
α
J. Borkowski, M. Sutowska
– wysokość nierówności,
– wskaźnik tekstury powierzchni,
– maksymalna głębokość wgłębienia,
– wysokość nierówności według 10 punktów,
– prędkość pomiaru,
– prędkość przesuwu głowicy roboczej,
– założony poziom istotności.
2. WPROWADZENIE
Metody, w których wykorzystuje się wysokociśnieniową strugę wodno-ścierną jako narzędzie obróbki, znajdują szerokie zastosowanie nie tylko do skutecznego oczyszczania powierzchni [2] i ultragładkiego jej wykańczania (do Ra =
= 7 nm) [7], lecz również do wydajnego przecinania różnych materiałów [1]. W
ostatnim dziesięcioleciu przecinanie materiałów z wykorzystaniem strugi wodno-ściernej coraz skuteczniej konkuruje z konwencjonalnymi metodami cięcia z
uwagi na jego liczne zalety. Do zalet tych można zaliczyć m.in. brak termicznego oddziaływania strugi na materiał obrabiany oraz małe naciski występujące
podczas przecinania.
Doskonalenie tego sposobu obróbki wymaga analizy, a więc rejestracji powierzchni otrzymywanych w procesie cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną [6]. Skuteczną metodą oceny powierzchni jest analiza ich topografii,
oparta na pomiarze nierówności w układzie przestrzennym. Ten sposób pomiaru
pozwala na lepsze zaprezentowanie wyników obróbki w porównaniu z tradycyjną metodą profilową w układzie 2D.
Do ilościowej oceny struktury geometrycznej powierzchni niezbędne jest
użycie parametrów opisujących ją w sposób liczbowy. W niniejszym artykule
wytypowano grupę parametrów SGP, charakterystycznych dla omawianego typu
obróbki, których wartości zależą w znacznym stopniu od zmiany zasadniczych
parametrów cięcia.
3. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI
PRZECINANYCH WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ
WODNO-ŚCIERNĄ
Na powierzchniach otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową
strugą wodno-ścierną ze względu na ich ukształtowanie geometryczne można
wyróżnić dwa obszary: obszar nr 1 pozbawiony śladów obróbkowych na powierzchni obrobionej oraz obszar nr 2, na którym te ślady występują, tworząc w
miarę równoległe, lekko zakrzywione rowki (rys. 1).
Wpływ warunków procesu cięcia …
45
vf
kierunek
wnikania
strugi
obszar nr 1
obszar nr 2
Rys. 1. Obraz powierzchni przeciętej wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną (materiał 0H18N9,
vf = 0,28 mm/s, p = 350 MPa, h = 20 mm)
Fig. 1. Surface scan cut off with high-pressure water-abrasive jet (material 0H18N9, vf = 0,28 mm/s,
p = 350 MPa, h = 20 mm)
Zmienność ukształtowania przeciętych powierzchni związana jest z nierównomiernym rozkładem energii kinetycznej cząstek ściernych, stanowiących jeden z komponentów strugi wodno-ściernej. Podczas przecinania materiału przeważająca liczba cząstek ściernych w obszarze nr 1 ma energię wystarczającą do
wykonania gładkiego przecięcia. Jednak wraz ze wzrostem głębokości wnikania
strugi w materiał ich liczba maleje, a nierówny rozkład energii kinetycznej poszczególnych ziaren ścierniwa prowadzi do powstawania w dolnym obszarze
przecinanej powierzchni coraz wyraźniejszych śladów obróbkowych [4].
W analizie ukształtowania geometrycznego powierzchni przeciętych strugą
wodno-ścierną można się posłużyć cechami charakterystycznymi SGP, do których należą: kierunkowość, okresowość oraz izotropowość [5].
a)
b)
Rys. 2. Funkcja autokorelacji powierzchni przeciętej strugą wodno-ścierną: a) obszar nr 1, b) obszar nr 2
Fig. 2. Autocorrelation function for surface cut off with water-abrasive jet: a) area no. 1, b) area no. 2
46
J. Borkowski, M. Sutowska
Usytuowanie śladów obróbkowych na przeciętych powierzchniach wskazuje
na losowe ukierunkowanie struktury geometrycznej tych przecięć. Otrzymana
w wyniku cięcia mikrostruktura jest powierzchnią przejściową pomiędzy anizotropową a izotropową. Świadczą o tym obrazy funkcji autokorelacji wygenerowane dla obu obszarów powierzchni przecięcia (rys. 2).
Dokonując oceny struktury powierzchni, można się posłużyć pięcioma grupami parametrów SGP, do których należą parametry: amplitudowe, przestrzenne, powierzchniowe i objętościowe, hybrydowe oraz funkcjonalne [3]. Wyznaczanie wartości wszystkich parametrów jest czasochłonne. Dotychczas nie udało
się wyselekcjonować uniwersalnego zestawu parametrów SGP, jednakowo
przydatnego do każdego rodzaju powierzchni [5], którym można by się posługiwać, dokonując również ilościowej analizy struktury geometrycznej powierzchni
otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną.
4. BADANIA WSPÓŁZALEŻNOŚCI WYSTĘPUJĄCYCH
POMIĘDZY ZASADNICZYMI PARAMETRAMI PROCESU CIĘCIA
A PARAMETRAMI SGP
4.1. Metodyka badań
W badaniach własnych podjęto próbę wyodrębnienia grupy parametrów SGP
charakterystycznych dla wysokociśnieniowego przecinania materiałów strugą
wodno-ścierną. Za kryterium selekcji przyjęto wrażliwość parametrów SGP na
zmiany warunków cięcia.
Wpływ zasadniczych parametrów cięcia na zmiany parametrów SGP badano
z użyciem maszyny RCT 32 do cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną
firmy Resato. Do badań wykorzystywano głowicę tnącą firmy Resato, wyposażoną w dwie dysze: wodną o średnicy 0,25 mm oraz ogniskującą φ 0,76 mm.
Komponentem strugi wodno-ściernej był garnet #80 o stałym wydatku ok. 3 g/s.
Badania wykonywano na nierdzewnej stali chromowo-niklowej gatunku 0H18N9
o grubości 20 mm. Schemat badań przedstawiono na rys. 3.
Topografię wyznaczonych obszarów A i B (2 mm × 2 mm) badano za pomocą profilografometru przestrzennego TALYSCAN 150. Pomiary wykonywano
w 4001 przejściach z krokiem próbkowania 0,5 μm. Podczas jednego przejścia
rejestrowano 401 linii co 5 μm. Prędkość pomiaru v = 7,5 mm/s. Do określenia
wartości parametrów SGP wykorzystywano program Taly Map Universal 3.1
firmy Taylor Hobson.
Wpływ warunków procesu cięcia …
Parametry procesu przecinania
47
Proces przecinania
pw {350; 300; 275; 175} MPa
vf, {0,12; 0,15; 0,18; 0,24; 0,32} mm/s
r {10} mm
=p0
Pomiary SGP
Wyniki pomiarów
ƒ Parametry amplitudowe
ƒ Parametry przestrzenne
ƒ Parametry powierzchniowe
i objętościowe
ƒ Parametry hybrydowe
ƒ Parametry funkcjonalne
Rys. 3. Schemat planu badań
Fig. 3. Schema of the research plan
4.2. Wyniki badań i ich analiza
Związki zachodzące pomiędzy parametrami obróbki a parametrami SGP badano za pomocą programu STATISTICA 6.0, korzystając z modułu „Regresja wieloraka”. Wybrane wyniki analizy statystycznej zamieszczono w tablicach 1–3.
Tablica 1 zawiera wyniki analizy statystycznej wpływu prędkości posuwu
głowicy roboczej na parametry SGP. Zgromadzone dane przedstawiają m.in.
estymowane równania regresji opisujące współzależności parametrów SGP i vf.
W tablicy 1 zaprezentowano również wartości współczynników R i popr.R2,
które informują o stopniu dopasowania równania regresji do danych doświadczalnych. Duże wartości tych współczynników (powyżej 0,9) świadczą o dobrym dopasowaniu otrzymanych funkcji regresji do wyników badań.
Obliczone wartości statystyki t dla współczynników kierunkowych wygenerowanych równań regresji znacznie przekraczają wartość krytyczną t0,05/2,3 =
= 10,13 dla trzech stopni swobody przy założonym poziomie istotności
α = 0,05. Świadczy to o dużym wpływie vf na wartości parametrów SGP zamieszczonych w tablicy 1. Potwierdzenie tego stanowią zarówno małe wartości
poziomu istotności p, które są mniejsze od α, oraz obliczone statystyki F, które
znacznie przekraczają wartość krytyczną F1,3 = 10,13.
48
J. Borkowski, M. Sutowska
Tablica 1
Wyniki badań zależności występujących pomiędzy vf a parametrami SGP na obszarze A
Experimental results of the vf and SGP parameters dependance (area A)
Parametr obróbki
Parametr SGP
SHTp [μm]
Prędkość posuwu
głowicy roboczej
vf [mm/s]
Sa [μm]
Sq [μm]
Wyniki analizy statystycznej
SHTp = 5,554 + 0,876vf
R = 0,981; popr.R2 = 0,949
p = 0,00316
F = 76,25; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 8,73; t0,05/2,3 = 3,182
Sa = 2,795 + 0,365vf
R = 0,977; popr.R2 = 0,939
p = 0,00416
F = 63,09; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 7,94; t0,05/2,3 = 3,182
Sq = 3,665 + 0,407vf
R = 0,970; popr.R2 = 0,922
p = 0,00611
F = 48,32; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 6,95; t0,05/2,3 = 3,182
Tablica 2
Wyniki badań zależności występujących pomiędzy vf a parametrami SGP na obszarze B
Experimental results of the vf and SGP parameters dependences (area A)
Parametr obróbki
Prędkość posuwu
głowicy roboczej
vf [mm/s]
Parametr SGP
Wyniki analizy statystycznej
Sq = –19,039 + 2,865vf
R = 0,970; popr.R2 = 0,921
Sq [μm]
p = 0,00628
F =47,36; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 6,88; t0,05/2,3 = 3,182
Sv = –40,050 + 6,363vf
R = 0,969; popr.R2 = 0,918
p = 0,00663
Sv [μm]
F = 45,62; F0,05, 1, 3 = 10,13
t0,05/2,3 = 6,75; t0,05/2,3 = 3,182
Smmr = 0,040 + 0,006vf
R = 0,968; popr.R2 = 0,918
3
2
Smmr [mm /mm ] p = 0,00663
F = 48,32; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 6,75; t0,05/2,3 = 3,182
Sa = –16,438 + 2,426vf
R = 0,965; popr.R2 = 0,909
Sa [μm]
p = 0,00771
F = 41,02; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 6,40; t0,05/2,3 = 3,182
Sa = –106,3 + 15,5vf
R = 0,962; popr.R2 = 0,902
p = 0,00870
Sz [μm]
F = 37,66; F0,05, 1, 3 = 10,13
t = 6,14; t0,05/2,3 = 3,182
Wpływ warunków procesu cięcia …
49
Rezultaty badań statystycznych zamieszczone w tablicy 2 świadczą o dużym
wpływie vf na wartości parametrów Sq, Sv, Smmr, Sa i Sz. Potwierdzają to również obliczone wartości testów F-Snedecora i t-Studenta, które przewyższają
wartości krytyczne (F0,05,1,3 i t0,05/2,3) określone dla 3 stopni swobody i przy poziomie istotności α = 0,05. Zawarte w tablicy 2 równania regresji charakteryzują
się dobrym dopasowaniem do danych doświadczalnych. Potwierdzają to znaczne
wartości współczynników R i popr.R2. Należy zatem wykluczyć nieistotność
zależności występujących pomiędzy prędkością posuwu głowicy roboczej
a pięcioma wymienionymi w tablicy 2 parametrami SGP.
Dane statystyczne zawarte w tablicy 3 opisują wpływ ciśnienia wody na wartość wybranych parametrów SGP wyznaczonych dla obszarów usytuowanych
w dolnej części powierzchni przecięcia B.
Tablica 3
Wyniki badań zależności występujących pomiędzy pw a parametrami SGP na obszarze B
Experimental results of the pw and SGP parameters dependences (area B)
Parametry obróbki
Parametr SGP
Sdq [μm/μm]
Sci [–]
Ciśnienie wody
pw [MPa]
Str [–]
Ssc [1/μm]
Wyniki analizy statystycznej
Sdq = 1,289 – 0,002pw
R = 0,993; popr.R2 = 0,978
p = 0,00720
F =137; F0,05, 1, 2 = 18,51
t = 11,7; t0,05/2,2 = 4,302
Sci = 2,456 – 0,003pw
R = 0,991; popr.R2 = 0,976
p = 0,00814
F = 121,4; F0,05, 1, 2 = 18,51
t = 11,01; t0,05/2,2 = 4,302
Str = –0,1 + 0,001pw
R = 0,984; popr.R2 = 0,954
p = 0,0154
F = 63,1; F0,05, 1, 2 = 18,51
t = 7,94 ; tkr = 4,302
Ssc = 1,125 – 0,001pw
R = 0,977; popr.R2 = 0,932
p = 0,0227
F = 42,54; F0,05, 1, 2 = 18,15
t = 6,52; t0,05/2,2 = 4,302
Jednym z istotnych parametrów struktury geometrycznej powierzchni, który
wykazuje dużą wrażliwość na zmiany ciśnienia wody, jest parametr Sci, charakteryzujący zdolność przywierania płynu do powierzchni powstającej w wyniku
przecinania. Wskaźnik ten, zgodnie z pierwowzorem [5],wyraża się równaniem:
⎛ Vv ( hc1 ) − Vv (hc 2 ) ⎞
⎟⎟ / Sq,
Sci = ⎜⎜
⎝ ( M − 1)( N − 1) ⋅ Δx ⋅ Δy ⎠
(1)
50
J. Borkowski, M. Sutowska
gdzie: Vv (hc1 ) − Vv (hc 2 ) – objętość pustek jednostkowego obszaru próbkowania
zawartego między c1 i c2 powierzchni nośnej,
M – liczba kolumn macierzy próbkowania,
N – liczba wierszy macierzy próbkowania,
Δx , Δy – odstęp próbkowania.
Analizując wyniki badań statystycznych, pominięto obszar A, ponieważ skorygowane współczynniki wielokrotnej determinacji popr.R2, stanowiące miarę
stopnia dopasowania liniowej funkcji regresji do wyników doświadczeń, przyjmowały wartości mniejsze od 0,9.
Zgromadzone w tablicy 3 wyniki badań świadczą o istotnym wpływie ciśnienia wody na wartości parametrów SGP. Potwierdzeniem tego są obliczone wartości statystyki F, t i poziomu istotności p.
Można zatem stwierdzić, że zależności występujące pomiędzy parametrami
SGP a ciśnieniem wody, które opisano za pomocą równań regresji, są istotne
statystycznie, a uzyskane wartości współczynników R i popr. R2 świadczą o dobrym dopasowaniu otrzymanych funkcji do danych eksperymentalnych.
5. PODSUMOWANIE
Powierzchnie przecinane wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną mają
ukształtowanie bardzo charakterystyczne dla tego typu obróbki. Nieodłącznym
elementem ich struktury są ślady obróbkowe występujące na powierzchni przecięcia. Ponieważ struktura tych śladów zależy od rozkładu energii kinetycznej
cząstek ściernych, wykonanie rzetelnej analizy SGP wymaga pomiarów zarówno
w górnym, jak i dolnym obszarze przeciętej powierzchni.
Szczegółowa analiza statystyczna wyników badań pozwoliła wytypować
grupę parametrów SGP charakterystycznych dla omawianego sposobu obróbki
ze względu na ich wysoką korelację z warunkami cięcia. Parametry te mogą
posłużyć do ilościowej oceny struktury geometrycznej powierzchni otrzymywanych w wyniku cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Należą do
nich: Sa, Sq, SHTp, Sv, Smmr, Sz, Sci, Str oraz Ssc.
Uzyskane wyniki badań dowodzą również, że regulując wartości parametrów
cięcia materiałów strugą wodno-ścierną, można w istotny sposób wpływać nie
tylko na efektywność obróbki, ale także na strukturę geometryczną przecinanych
powierzchni.
LITERATURA
[1] Borkowski J., Benkowska M., Wpływ głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową
strugą wodno-ścierną na jakość powierzchni przecięcia, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2006, vol. 26, nr 2, s. 11–18.
Wpływ warunków procesu cięcia …
51
[2] Borkowski P. J., Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrostrumieniowej obróbki powierzchni, Koszalin, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej 2004.
[3] Janowska E., Badania analityczne i doświadczalne istotności oraz współzależności parametrów struktury geometrycznej powierzchni, praca doktorska, Politechnika Rzeszowska 2006.
[4] Karpiński A., Louis H., Moon M., Peter D., Ravasio C., Scheer C., Südmersen U., Effects
of pressure fluctuations and vibration phenomenon on striation formation in AWJ cutting, in:
17th International Conference on Water Jetting, 2004, Mainz, Germany, s. 219–229.
[5] Oczoś K., Liubimov V., Struktura geometryczna powierzchni. Podstawy klasyfikacji z atlasem charakterystycznych powierzchni kształtowych, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej 2003.
[6] Vikram G., Ramesh Babu N., Modeling and analysis of abrasive water jet cut surface topography, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, no. 42, s. 1345–1354.
[7] Warisawa S., Sawano H., Mitsuishi M., Ultra-precision finishing for the femoral head of the
artificial hip joint by means of abrasive waterjet, in: 17th International Conference on Water
Jetting, 2004, Mainz, Germany, s. 123–136.
Praca wpłynęła do Redakcji 23.03.2007
Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Wantuch
HIGH-PRESSURE ABRASIVE-WATER JET CUTTING CONDITIONS
INFLUENCE ON SGP PARAMETERS
S u m m a r y
Surface geometric structure of materials (SGP) cut with high-pressure water-abrasive jet are
presented in the paper. Experimental results of main cut parameters influence on SGP parameters
are presented in. Final analysis of above let to evaluate the group of SGP parameters characteristic
for discussed jet treatment, which are the most sensitive for cut parameters change.
Key words: materials cutting, abrasive-water jet, surface structure
52
J. Borkowski, M. Sutowska