Drsnosť povrchu nehrdzavejúcej ocele pri delení vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom

Technologický proces prebiehajúci pri delení materiálov vysokorýchlostným  hydroabrazívnym prúdom v reálnych objektoch je vo väčšine prípadov veľmi zložitý dynamický a stochastický proces. Analytický spôsob identifikácie tohto procesu sa javí ako neefektívny a málo praktický [9,10]. Jeho aplikovaním nie je možné získať úplný model procesu, pričom sa zanedbáva vplyv určitých veličín, nie sú známe presné hodnoty niektorých faktorov, ktoré sa navyše časom menia a uplatňuje sa v mnohých prípadoch intuícia, ktorú je možné nadobudnúť len pri mnohonásobnom vykonávaní danej činnosti, čo je z časového hľadiska neefektívne [11, 12]. Matematicko-štatistické metódy naopak umožňujú zostavenie štatistických modelov aj z relatívne veľkého počtu vstupných údajov [13].

Z uvedeného vyplýva, že ide o aktuálnu teoreticky náročnú problematiku hodnotenia, ktorá v súčasnosti nie je uspokojivo rozpracovaná, hlavne čo sa týka aplikácie viacrozmerných štatistických metód, keďže súčasné analytické riešenia progresívnych technologických procesov sú postavené na intuitívnej a empirickej platforme [2, 3, 5]. Pri delení materiálov vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom je potrebné zabezpečiť požadované kvalitatívne charakteristiky obrobenej plochy, čo je podmienené znalosťou priebehu funkčných závislostí medzi parametrami kvality výrobku a procesnými faktormi výrobného systému, čo má výrazný vplyv na optimalizáciu, zlepšovanie kvality prevádzky progresívnych technologických systémov delenia. Napriek veľkému úsiliu výskumníkov a dobrému poznaniu oblasti prevádzky progresívnych metód delenia ostáva množstvo nevysvetlených oblastí a neobjasnených faktov [1]. Jedným z nich je výskum vplyvov procesných faktorov na kvalitu finálneho produktu, resp. polotovarov.

Technologický proces delenia hydroabrazívnou eróziou sa uskutočňuje na výrobnom zariadení pomocou nástroja - vysokorýchlostného hydroabrazívneho prúdu, ktorého vlastnosti nie sú degradované v čase prevádzky na rozdiel od klasického obrábacieho rezného noža. Pomocou faktorov (obr. 1) sa vytvára obrobená plocha a tvorí ako obalová plocha trajektórie pracovného pohybu vysokorýchlosného hydroabrazívneho prúdu. Ide o zložitý špecifický spôsob obrábania charakteristický tým, že sa používa mnohoklinový nástroj, ktorého rezné kliny sú tvorené brúsnymi zrnami (abrazivom), ktoré sú v kvapaline náhodne orientované [4, 6]. Vysokorýchlostný hydroabrazívny prúd studeným spôsobom vytvára na obrobku reliéf s dvoma zreteľnými oblasťami pozdĺž steny rezu, ktoré sú charakterizované odlišnou textúrou povrchu. Vytvorený reliéf sa z hľadiska kvality (posudzovanej pomocou parametra profilu drsnosti Ra povrchu vo zvislom smere) rozdeľuje na hornú eróznu zónu, ktorá sa vyznačuje nižšími číselnými hodnotami parametra profilu drsnosti Ra, a na dolnú eróznu zónu, ktorá sa vyznačuje vyššími číslenými hodnotami parametra profilu drsnosti Ra. Všeobecne platí, že drsnosť v hornej eróznej zóne Ra_HEZ je menšia ako drsnosť v dolnej eróznej zóne Ra_Dez:

Ra_HEZ < Ra_Dez  (1)

Rozsah a veľkosť týchto zón závisí od procesných faktorov [4]. Na kvalitatívne charakteristiky obrobenej plochy (obr. 3) a na úber materiálu vplýva množstvo faktorov, prostredníctvom pracovného nástroja a jeho kvalitatívnych charakteristík, ktoré sa rozdeľujú do dvoch skupín (priamych a nepriamych procesných faktorov) ovplyvňujúcich aj okrem iných parametrov (odchýlka kolmosti) aj parameter profilu drsnosti Ra. Vplyv a vzájomnú interakciu procesných faktorov na kvalitu obrobenej plochy charakterizuje bloková schéma (obr. 3).

Tab. 1. Zakódovanie faktorov do úrovní s priradenými skutočnými hodnotami

V prevádzke nepôsobia procesné faktory technológie vždy len aditívnym spôsobom (obr. 3), ale spoločne vo vzájomnej interakcii. Analyzovať tento proces umožňujú faktorové experimenty, pri ktorých sa zrealizujú pokusy pre všetky kombinácie úrovní uvažovaných faktorov. Pre analýzu procesných faktorov, ich optimalizáciou a vzájomné závažnosti ich vplyvu na kvalitu rezanej plochy sa využil plánovaný experiment (DoE), pri ktorých sa vykonali pokusy pre všetky (64) kombinácie dvoch úrovní uvažovaných faktorov (tab. 1).

Ako experimentálny materiál sa použila nehrdzavejúca oceľ AISI 304, ktorá patrí k najpoužívanejším druhom materiálu medzi nehrdzavejúcimi oceľami s veľmi dobrou odolnosťou voči korózii, tvárnosťou za studena a zvárateľnosťou, odolnosťou voči vode, vodnej pare, vlhkosti vzduchu, jedlým kyselinám, slabým organickým a anorganickým kyselinám [7]. Výroba vzoriek z nehrdzavejúcej ocele vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom sa vykonala vo firme Wating, s. r. o., podľa plánu experimentov.

Kombinácie jednotlivých faktorov sa volili v závislosti od časovej náročnosti, zmeny a nastavenia procesných faktorov. K štúdiu vplyvu procesných faktorov na kvalitu obrobenej plochy bol použitý presný dvojpolohovací stôl od firmy Wating, určený pre rovinné aplikácie delenia technológiou VHAP. Tlak vody bol vytváraný čerpadlom Stream Line SL II od firmy Ingersoll Rand. Ako technologická hlavica bola použitá hlavica firmy Ingersoll Rand Autoline (obr. 4). Rezaním technológiou VHAP vzniknutý povrch predstavuje priečny profil, ktorý je kolmý na smer stôp nerovnosti povrchu. Merania parametra profilu strednej aritmetickej drsnosti Ra boli vykonané na mobilnom prístroji Surftest 301.

Normalita rozloženia súboru opakovaných meraní parametra profilu - strednej aritmetickej odchýlky Ra a reziduí bola testovaná pomocou parametrického Shapiro-Wilksonovho testovacieho kritéria s použitím výpočtového systému Statistica, keď výsledkom bola hodnota W a hodnota p (dosiahnutá hladina pravdepodobnosti. Z uvedenej analýzy vyplynulo, že všetky opakované merania majú normálne Gaussove rozdelenie, čo umožnilo využitie parametrického Grubssova testu odľahlosti meraní a ich homoskedasticity. Pre vyhodnotenie skúmaných závislostí boli zvolené lineárne a linearizované 3D závislosti.

Výpočet regresných koeficientov bol realizovaný v programe Excel, Matlab a Statistika. Pre jednotlivé typy regresných závislostí boli vypracované výpočtové programy založené na metóde najmenších štvorcov a maticových operáciách. Pre posúdenie štatistickej významnosti regresných koeficientov bol použitý Studentov t-test. Testovacie kritérium t sa pre každý z regresných koeficientov porovnalo s tabelovanou hodnotou kritéria na zvolenej hladine významnosti α. Významnosť sledovaných nezávislých premenných - faktorov - je graficky znázornená v Paretovom diagrame (obr. 5). Z tohto diagramu vidno, že najväčší vplyv na strednú aritmetickú odchýlku drsnosti povrchu má pasívny (neregulovateľný) faktor hrúbka rezaného materiálu. Z kontrolovateľných faktorov sa významnou mierov na kvalite obrobeného povrchu podieľajú tlak a rýchlosť posuvu, pričom ich významnosť rastie s pribúdajúcou hĺbkou, ako naznačujú interakcie x₄x₅ a x₃x₅ (obr. 5).

Regresná rovnica dosiahnutá po analýze variácií udáva stupeň drsnosti Ra ako funkciu na nezávislých faktoroch: pomeru priemerov vodnej dýzy a zaostrovacej trubice, hmotnostného toku abraziva, tlaku rýchlosti posuvu, hrúbky materiálu a smeru posuvu. Všetky významné členy boli zaradené do regresného modelu (2):

y = 10,014 + 1,95x1 - 1,82x2

- 4,43x3 + 4,22x4 + 10,95x5

+ 0,073x6

kde Ra je závislá premenná [mm], x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ sú kódované nezávislé premenné. Podľa rovnice (2) faktory x₁, x₄ majú pozitívny a faktory x₂, x₃, x₅ majú negatívny vplyv. Ukazovateľ vhodnosti modelu - index determinácie - je R² = 0,9586, čo indikuje, že 95,86 % celkovej variability pozorovaných hodnôt je vysvetlená regresným modelom (2). Táto hodnota tiež ukazuje, že len 4,14 % z celkovej variability rovnica (2) nevysvetľuje. Z uvedeného vyplýva, že táto rovnica je vhodná pre vysvetlenie závislej premennej Ra. Upravený index determinácie je 0,088134. Vysoká hodnota korelačného koeficientu 85,32 % poukazuje na štatistickú významnosť navrhnutého regresného modelu a charakterizuje tesnosť závislosti premennej Ra na všetkých nezávislých premenných.

Priestorové grafy na obr. 7, 8 prezentujú vplyv procesných faktorov na parameter profilu drsnosti rezanej plochy Ra. Obr. 7 znázorňuje priestorovú závislosť vplyvu faktorov tlaku rýchlosti posuvu na drsnosť Ra v závislosti od hĺbky rezaného materiálu. Na obr. 8 je zobrazená priestorová závislosť vplyvu tlaku na Ra.

S nárastom hĺbky výrazne rastie číselná hodnota Ra (drsnosť povrchu sa zhoršuje), čo je spôsobené hlavne faktorom x₄ = -1 (rýchlosť posuvu) a tlakom. Porovnanie experimentálnych závislostí Ra od zmeny kombinácií faktorov meranej v dvoch hĺbkach pre sadu vzoriek A a pre sadu vzoriek B, ukazuje výrazný vplyv faktora x₁ (obr. 4). Materiál, ktorého kvalita povrchu je ovplyvnená faktorom podielu priemerov vodnej dýzy a zaostrovacej trubice, v prípade sady vzoriek B (ktorá je kódovaná dolnou úrovňou x₁= -1) charakterizuje celkovo nižšia drsnosť povrchu ako u sady vzoriek A (kódovaná je hornou úrovňou x₁= +1). Graf 6, 7 znázorňuje, že najvýznamnejší vplyv na drsnosť po celej dĺžke rezu má faktor x₃ - tlak vody a rýchlosť posuvu technologickej hlavice - x₄. Percentuálne hodnoty tlaku sa pohybujú okolo 25 %. Z grafu 7 a 9 vyplýva, že nižšiu drsnosť je možno dosiahnuť pri zmenšení prierezu zaostrovacej trubice a zvýšení hmotnostného toku abraziva. Najkvalitnejší povrch (najmenšiu drsnosť povrchu) je možné dosiahnuť pri vysokých tlakoch a nižších rýchlostiach posuvu (obr. 7, 8).

Z grafu na obr. 8 je vidieť, že hodnoty drsnosti rezanej plochy klesajú pri nižších rýchlostiach posuvu abrazívnej hlavice, zvyšujúcom sa tlaku, hmotnostném toku abraziva a rýchlosti prúdenia vody. Z analýzy vyplýva, že pre tento proces delenia 10 mm hrubej ocele nie je potrebné veľké množstvo abraziva, a preto je možné znížiť spotrebu abraziva na 300 g.min^-1 (Mesh 80) a pre deliace režimy aj na 200 g.min^-1, čo by predstavovalo zníženie nákladov na abraziva až o 50 % so zachovaním rovnakej rýchlosti posuvu 70 mm.s^-1. Z grafických priebehov (obr. 7, 8) a paretovej analýzy (obr. 5) je vidieť, že číselné hodnoty parametra profilu drsnosti Ra sa znižujú so znižovaním rýchlosti posuvu, zvyšovaním tlaku, zvyšovaním hmotnostného toku abraziva, s redukciou priemeru vodnej dýzy a priemeru zaostrovacej trubice.

Článok vznikol čiastočne za podpory projektu VEGA 1/1095/04 „Optimalizácia technologického procesu rezania vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom pomocou matematického modelovania a plánovania experimentov" a čiastočne za podpory projektu VEGA 1/2209/05 „Vývoj metód a technických systémov pre zvyšovanie spoľahlivosti a bezpečnosti prevádzky výrobných systémov".

Sergej Hloch

katedra prevádzky technologických systémov, Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove

Miroslav Gombár

Prešovská univerzita v Prešove, Pedagogická fakulta, katedra prírodovedných a technických predmetov, Prešov

[1] Annoni, M., Monno, M.: Alower limit for the feed rate in AWJ precision machining. In: BHR Group 2000 Jetting Technology, s. 285 - 295. ISBN 1 86058 253 2.

[2] Cox, D. R.: The theory of the design of experiments. Chapman & Hall/CRC 2000. ISBN 1-58488-195-X.

[3] Gombár, M.: Tvorba štatistického modelu drsnosti obrobeného povrchu svyužitím Matlab. In: Výrobné inžinierstvo, s. 14 - 17, 2006.

[4] Jurisevic, b., Coray, p. S., Heiniger, K. C., Junkar, M.: Tool Formation Process in Abrasive Water Jet Machining. In: Proceedings of the 6th International Conference on Management of Innovative Technologies MIT'2003 - post-conference edition. Ljubljana: University of Ljubljana, 2003, s. 73 - 85.

[5] Híreš, O.: The study of cutting surfaces quality. In: Funkčné povrchy 2004, Trenčín, 27. - 28. máj 2004. Trenčín: Trenčianska univerzita, 2004. ISBN 80-8075-021-1.

[6] Hloch, S. et al.: Acoustic environment evaluation of manufacturing system with abrasive waterjet technology. In: Advances in Materials, Product Design & Manufacturing Systems. 2005. Bannari Amman Institute of Technology, Sathyamangalm, Tamil Nadu, India, str. 568 - 575, 2005.

[7] Hloch, S., Fabian, S., Rimár, M.: Design of Experiments Applied on Abrasive Waterjet Factors Sensitivity Identification. In: Nonconventional Technologies Review. 1454-3087 2005. 119 - 126.

[8] Lupták, M.: Study of the measuring and scanning methods in the processes of the cutting and machining with waterjet. In: Proc. Metalurgia Junior 05, Deň doktorandov HF Košice, 2005.

[9] Mason, R. L., Gunst, R. F., Hess, J. L.: Statistical design and analysis of experiments. Second edition. Wiley-Iterscience. AJohn Willey & Sons Publication, New Jersey (2003). ISBN 0-471-37216-1.

[10] Montgomery, D. C.: Design and analysis of experiments. 5th edition, Hamilton Printing Company, 2001. ISBN 0-471-31649-0.

[11] Montgomery, D. C.: Design and Analysis of Experiments. John Wiley & Sons, New York (1991). ISBN 0-471-52994-X.

[12] Toutenburg H.: Statistical analysis of designed experiments. Springer-Verlag New York, Inc. 2002. ISBN 0-387-98789-4.

[13] Umetrics AB Design of Experiments - Principles and Applications 2000. ISBN 91-973730-0-1.

TU v Košiciach

Prešovská univerzita v Prešove

//www.tuke.sk

hloch.sergej@fvt.sk