Η επίδραση των παραμέτρων κοπής στις δυνάμεις κοπής κατά το τορνάρισμα χάλυβα εργαλείων

Τίτλος :

Άρθρο των κ. Ιωάννη Κεχαγιά και Νικολάου Α. Φουντά*

 

Η τόρνευση είναι μία από τις κατεργασίες αναφοράς των μηχανικών διεργασιών επιλεκτικής αφαίρεσης – αποβολής υλικών και εφαρμόζεται από σύγχρονα κέντρα κατεργασίας, για τη μορφοποίηση κυρίως μεταλλικών υλικών που θα χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές και συναρμολογήσεις υψηλής ακρίβειας. Υλικά που είναι δύσκολο να κατεργαστούν (difficult to cut materials) όπως οι χάλυβες εργαλείων (tool steels) παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον κατά το τορνάρισμα.

Στα σύγχρονα συστήματα παραγωγής, η υψηλή ακρίβεια (επιφανειακή ποιότητα) και η διασφάλιση της βιωσιμότητας της παραγωγής είναι βασικές προϋποθέσεις, και πλέον λαμβάνονται υπόψη ακόμη και οι περιβαλλοντικές όπως και κοινωνικές πτυχές προκειμένου να διασφαλιστεί η αποτελεσματική χρήση των διαθέσιμων πόρων. Επιπλέον, η ζήτηση για ενεργειακά αποδοτικές διαδικασίες παραγωγής αυξάνεται ραγδαία.

Ωστόσο, τα ζητήματα ποιότητας, χρόνου, κόστους και κατανάλωσης ενέργειας στις κατεργασίες μορφοποίησης είναι σημαντικοί παράγοντες από την άποψη του συστήματος κατεργασίας, και υποχρεώνουν τον κατασκευαστή να αναζητήσει βέλτιστες και φιλικές προς το περιβάλλον κατεργασίες.

Η τόρνευση είναι μια πολύ αποτελεσματική κατεργασίας μορφοποίησης, που χρησιμοποιείται ευρέως στη διαμόρφωση κυλινδρικών επιφανειών. Μπορεί να ενσωματωθεί από σύγχρονα κέντρα κατεργασίας και να συνδυαστεί με τις υπόλοιπες βασικές κατεργασίες όπως είναι το φρεζάρισμα και η διάτρηση.

Η επιλογή των παραμέτρων κοπής –όπως είναι η ταχύτητα κοπής (m/min), η πρόωση (mm/rev) και το βάθος κοπής (mm)– αλλά και η γεωμετρία της κοπής (κοπτικά) καθορίζουν σε υψηλό ποσοστό την αποτελεσματικότητα σε ό,τι αφορά την ποιότητα και ευρύτερα τη βιωσιμότητα της παραγωγής.

Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η συσχέτιση των παραμέτρων κατεργασίας με το σύστημα των αναπτυσσόμενων δυνάμεων κοπής. Αξίζει να σημειωθεί πως ανάλογα με το μέγεθος των αναπτυσσόμενων δυνάμεων, καταναλώνεται και η αντίστοιχη απαιτούμενη ενέργεια κατά την κατεργασία.

Η βασικότερη από τις συνθήκες κοπής είναι η ταχύτητα κοπής – περιφερειακή ταχύτητα (Vc) σε μέτρα ανά λεπτό (m/min), και εκφράζει το ρυθμό κοπής στην κύρια κίνηση (περιστροφική). Επομένως, το μέγεθος που μας ενδιαφέρει να ορίσουμε –δεδομένης της απαιτούμενης ταχύτητας κοπής για το κοπτικό εργαλείο– είναι οι στροφές της ατράκτου «n» (rpm). Οι υπόλοιπες συνθήκες είναι η πρόωση ανά στροφή f (mm/rev), που είναι η γραμμική κίνηση του κοπτικού εργαλείου ως προς το περιστρεφόμενο τεμάχιο, καθώς και το βάθος κοπής «α», σε mm. Στο πείραμά μας, η κάθε παράμετρος εξετάζεται δίνοντας τρεις τιμές (βλ. πίνακα 1). Έτσι, ο συνδυασμός εκτέλεσης των πειραμάτων δίνει 27 δοκιμές (βλ. πίνακα 2).

Ένας συμβατικός τόρνος (Kern Modell D18L) και κοπτικό της SECO (TNMG 160404 –  MF2) με TP 2000 επικάλυψη χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, ενώ ως υλικό κοπής χρησιμοποιήθηκε χάλυβας εργαλείων Sverker-3. Είναι ένας χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (2,05%), χρώμιο (12,7%) και βολφράμιο (1,1%), γνωστός ως AISI-D6, με σκληρότητα 240 HB .Τα δείγματα ήταν σε μορφή κυλινδρική Φ45 mm (bars).

Εφαρμόζοντας στατιστικά εργαλεία ανάλυσης δεδομένων, όπως είναι τα διαγράμματα ανάλυσης των μέσων τιμών (ANOM) και οι πίνακες ανάλυσης των διακυμάνσεων (ANOVA), μπορούμε να εξαγάγουμε τα συμπεράσματα που αποτυπώνονται στο σχήμα 2 και στον πίνακα 3.

Για όλα τα βάθη κοπής που χρησιμοποιήθηκαν, η κύρια δύναμη κοπής Fc αυξήθηκε με την αύξηση του ρυθμού προώσεως. Η πρόωση και το βάθος κοπής καθορίζουν την επιφάνεια (mm2) της διατομής του αποβλήτου, και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι πειραματικές καμπύλες δίνουν την ίδια τάση με εκείνη βάσει της θεωρίας της ορθογωνικής κοπής (orthogonal cutting theory) και των αντίστοιχων μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί (Erns-Merchant, Lee-shaffer, ειδικής αντίστασης κοπής κλπ.).

Το ίδιο αποδεικνύεται και με το βάθος κοπής, του οποίου η αύξηση συνεπάγεται και αντίστοιχη αύξηση της συνιστώσας της κύριας δύναμης κοπής. Στα σχήματα 3, 4 και 5 παρουσιάζονται διαγραμματικά οι τάσεις της κύριας δύναμης κοπής καθώς μεταβάλλεται ο ρυθμός πρόωσης και το βάθος κοπής.

Από τα διαγράμματα μέσων τιμών μπορούμε να προσδιορίσουμε εκείνη την παράμετρο που κρίνεται ως η πλέον σημαντική στον καθορισμό του μεγέθους των δυνάμεων κοπής, αλλά και τις τιμές των παραμέτρων γενικά, ώστε να προκύπτει όσο το δυνατόν μειωμένο φορτίο κοπής.

Για παράδειγμα, η κατεργασία «βελτιστοποιείται», δηλαδή δίνει την ελάχιστη δύναμη κοπής αν χρησιμοποιήσουμε το μικρότερο βάθος κοπής, το μικρότερο ρυθμό πρόωσης και τη μέγιστη περιστροφική ταχύτητα.

Θα πρέπει ωστόσο να έχουμε κατά νου ότι κάθε μετρούμενο χαρακτηριστικό (εν προκειμένω η δύναμη κοπής) «βελτιστοποιείται» σε βάρος κάποιου άλλου μετρούμενου μεγέθους, όπως είναι για παράδειγμα ο χρόνος κατεργασίας που είναι ύψιστης σημασίας, εφόσον συνεπάγεται το κόστος της παραγωγής.

Πράγματι, μια χαμηλή πρόωση και ένα χαμηλό βάθος κοπής οδηγούν εκ των πραγμάτων σε περισσότερα πάσα, άρα και σε περισσότερο χρόνο κοπής! Απορρέει λοιπόν εύλογα το συμπέρασμα ότι τα «προβλήματα» κατεργασιμότητας των μηχανολογικών υλικών –με έμφαση προφανώς στα βιομηχανικά κράματα– είναι πολυκριτηριακά, καθώς και πολυπαραμετρικά. Θα πρέπει δηλαδή, με απλά λόγια, το πρόβλημα να εξετάζεται έχοντας ως μετρούμενα μεγέθη τουλάχιστο δύο κριτήρια (π.χ. δύναμη κοπής και χρόνο κατεργασίας, τραχύτητα επιφάνειας και ρυθμό αποβολής υλικού κλπ.).

Στο πρόβλημά μας, η ανάλυση των διακυμάνσεων για τις δυνάμεις κοπής (βλ. πίνακα 3) μας επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα από τα διαγράμματα ανάλυσης μέσων τιμών (ANOM), καθώς επίσης προσδιορίζει και τη σημασία της επιρροής της κάθε παραμέτρου, ως ποσοστού επί τοις εκατό.

Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι για την πειραματική περιοχή στην οποία εξετάσαμε το πρόβλημα, η σημαντικότερη παράμετρος είναι το βάθος κοπής με ποσοστό 67%, ενώ ακολουθεί ο ρυθμός πρόωσης με 22%. Η ταχύτητα κοπής (άρα και οι στροφές) έχει ελάχιστη επίδραση στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής· όμως δεν παύει να είναι πολύ σημαντική παράμετρος για τον καθορισμό της ποιότητας των κατεργασμένων επιφανειών!

Οι παράμετροι που ελαχιστοποιούν τις δυνάμεις κοπής είναι n = 850 rpm, f = 0,06 mm/rev και a = 0,5 mm.

Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι:

α) Το βάθος κοπής και η πρόωση έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στην αύξηση των δυνάμεων κοπής.

β) Η αύξηση των τιμών των παραμέτρων κοπής επιφέρει γενικά αύξηση του κοπτικού φορτίου.

Τα παραπάνω είναι σε πλήρη συμφωνία με τη θεμελιώδη θεωρία της κοπής και μπορούν να αποτελέσουν παράδειγμα για τη μελέτη των δυνάμεων κοπής σε ένα «δυσκατέργαστο» υλικό, όπως είναι ο χάλυβας εργαλείων.

Η μελέτη των παραμέτρων κοπής στην ποιότητα επιφάνειας και η βελτιστοποίηση της κοπής με περισσότερα του ενός κριτηρίου απαιτούν χρήση θεωριών βελτιστοποίησης όπως η μεθοδολογία «Grey Analyses».

Επίσης, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται μεθοδολογίες βασιζόμενες στην τεχνητή νοημοσύνη (τεχνικά νευρωνικά δίκτυα [ΤΝΔ] και γενετικοί αλγόριθμοι [ΓΑ]) για την πρόβλεψη και τη βελτιστοποίηση όλων των μεθόδων κατεργασιών, λαμβάνοντας υπόψη περισσότερα κριτήρια.

 

 

 

Ο δρ. Ιωάννης Κεχαγιάς είναι καθηγητής Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, ενώ ο δρ. Νικόλαος Α. Φουντάς είναι επιστημονικός – εργαστηριακός συνεργάτης στην Ανώτατη Σχολή Παιδαγωγικής και Τεχνολογικής Εκπαίδευσης (Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε.).

Ελέγξτε επίσης

Η χρήση της ηλεκτροπρόωσης στα πλοία.

Άρθρο του Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη* Η αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης για φιλικά προς το περιβάλλον …