Dobór i optymalizacja parametrów toczenia rowków

W niniejszym podrozdziale zaprezentowano wyniki przeprowadzonej optymalizacji parametrów skrawania (v_c, f). Pierwszy etap analizy skupił się na optymalizacji ze względu na trwałość ostrzy skrawających. Na rysunku 5.52 przedstawiono wpływ prędkości skrawania vc

na trwałość ostrza T z węglika spiekanego podczas toczenia poprzecznego rowka.

Zaobserwowano, że wzrost prędkości skrawania powoduje monotoniczny spadek trwałości ostrza. Uzyskany przebieg T=f(vc) umożliwił wyznaczenie doświadczalnego równania Taylora, którego współczynniki: s, C_T posłużyły do optymalizacji efektów ekonomicznych procesu toczenia.

Rys. 5.52. Wpływ prędkości skrawania na trwałość ostrza

108

Rysunek 5.53 przedstawia wpływ prędkości skrawania na wartości kosztów jednostkowych K_j toczenia poprzecznego rowka. Wykazano, że przy aktualnie stosowanej przez przedsiębiorstwo Mahle prędkości skrawania vc = 140 m/min, koszty jednostkowe Kj

procesu są na poziomie około 0,67 PLN. Niemniej jednak, obliczenia ukazują, że najmniejszą wartość kosztu jednostkowego wynoszącą 0,22 PLN można uzyskać dla ekonomicznej prędkości skrawania vce = 803 m/min. Stanowi to ponad 300% obniżenie kosztów jednostkowych toczenia poprzecznego. Dodatkowo, dobór ekonomicznej prędkości skrawania vce umożliwi również znaczne zwiększenie wydajności skrawania W (rys. 5.54).

Rys. 5.53. Wpływ prędkości skrawania na koszty jednostkowe toczenia poprzecznego rowka

Rys. 5.54. Wpływ prędkości skrawania na wydajność toczenia poprzecznego rowka

Z obliczeń wynika, że przy obecnie stosowanej prędkości skrawania (v_c = 140 m/min), wykonywanych jest 6 operacji na minutę, natomiast w przypadku zwiększenia prędkości do vce = 803 m/min możliwe będzie zwiększenie tej liczby do 35 szt/min. Stanowi to zwiększenie wydajności procesu o 580%.

Należy jednak podkreślić, że obliczenia ekonomicznej prędkości skrawania vce, oparte o doświadczalne równanie Taylora umożliwiają prognozę minimalnej wartości kosztu jednostkowego zabiegu. Tego typu podejście charakteryzuje się pewnymi ograniczeniami dotyczącymi możliwości ekstrapolacyjnych modelu. W praktyce oznacza to, że oszacowanie trwałości ostrza (a tym samym ekonomicznej prędkości skrawania) poza doświadczalnie zbadany zakres prędkości skrawania może nie być w pełni miarodajne. W analizowanym przypadku górny zakres badanej prędkości skrawania wynosił vc = 230 m/min i tym samym był ponad 3-krotnie mniejszy od oszacowanej prędkości skrawania ekonomicznej. Dlatego też, w celu otrzymania miarodajnego rezultatu przeprowadzonej optymalizacji, można dobrać wartość maksymalnej badanej prędkości skrawania vc = 230 m/min. Dobór tej prędkości

109

umożliwi uzyskanie kosztu jednostkowego K_j procesu na poziomie około 0,43 PLN. Stanowi to redukcję kosztu o około 56% w stosunku do wartości uzyskanej przy aktualnie dobranych przez przedsiębiorstwo parametrach skrawania. Dodatkowo, toczenie poprzeczne rowka przy prędkości vc = 230 m/min umożliwi również utrzymanie wydajności skrawania W na poziomie 10 szt/min, co oznacza wzrost o około 67% w stosunku do aktualnej wartości.

Badania symulacyjne wykazały także, że maksymalną wydajność produkcji W_max=70 szt/min można byłoby otrzymać dla wydajnościowej prędkości skrawania vcw = 2952 m/min. Niemniej jednak – podobnie jak w przypadku prędkości skrawania ekonomicznej – oszacowana wartość prędkości vcw znacząco wykracza poza zakres poddany badaniom trwałościowym. W związku z tym, ze względu na ograniczone możliwości ekstrapolacyjne modelu, nie należy brać jej pod uwagę podczas doboru optymalnej prędkości skrawania.

Kolejny etap analizy procesu toczenia rowków pod pierścienie tłoków dotyczył wielokryterialnej optymalizacji posuwu f. Na rysunku 5.55 przedstawiono wpływ posuwu f na zmierzone wartości sił (Fc, Ff) i przyspieszeń drgań (Ac, Af), a także na zamodelowaną w programie Statistica 12 użyteczność całkowitą utot.

Rys. 5.55. Wpływ posuwu na siły, przyspieszenia drgań, wydajność objętościową skrawania oraz użyteczność całkowitą

Wyniki badań doświadczalnych ukazują, że w procesie toczenia poprzecznego rowków występuje monotoniczny wzrost wartości sił Fc, Ff wraz ze zwiększeniem wartości posuwu f.

Stanowi to typową zależność spotykaną podczas skrawania metali, wynikającą z proporcjonalności pola przekroju warstwy skrawanej do wygenerowanej wartości siły.

Podobną zależność zaobserwowano także dla przyspieszeń drgań. W tym przypadku wzrost posuwu wywołał również monotoniczny wzrost wartości skutecznych przyspieszeń drgań (Ac,

110

A_f). Zależność ta pozostaje w zgodzie z modelem drgań układu OUPN opartym na równaniu różniczkowym ruchu.

Z rysunku 5.56 wynika również, że największe wartości sił i przyspieszeń drgań występują dla kierunku obwodowego (Fc, Ac), niezależnie od zbadanej wartości posuwu f.

W związku z tym, kierunek obwodowy (współliniowy względem wektora kierunku ruchu głównego vc) ma krytyczne znaczenie w aspekcie optymalizacji przeprowadzanej ze względu na minimalizację sił i drgań.

Wygenerowany w programie Statistica 12 przebieg użyteczności całkowitej utot = f(f) umożliwia dobór optymalnej wartości posuwu f. Rysunek 5.56 pokazuje, że maksymalna wartość parametru utot, wynosząca 0,7 przypada dla posuwu f = 0,8 mm/obr. Stanowi to optymalną wartość parametru f ze względu na minimalizację sił i drgań oraz maksymalizację wydajności objętościowej skrawania.

Wyniki badań optymalizacyjnych pokazują, że dobór posuwu f = 0,8 mm/obr umożliwi uzyskanie podczas toczenia rowków wartości sił wynoszących: Fc ≈ 102 N, Ff ≈ 32 N, przyspieszeń drgań o wartościach: Ac ≈ 25 m/s², Af ≈ 16 m/s² oraz wydajności objętościowej skrawania Q_V na poziomie około 46 000 mm³/min.

Badania wykazały, że w zakresie prędkości skrawania v_c = 90 do 230 m/min wzrost tego parametru wpływał na obniżenie trwałości ostrza.

Niestety, ale spełnienie tych parametrów w warunkach przemysłowych jest niemożliwe ze względu na takt linii. Przy posuwie f = 0,8 mm/obr i prędkości obrotowej n = 851 obr/min wykonanie rowka na długości L = 4 mm trwałoby ts = 0,35 s. Tak krótki czas skrawania w warunkach pracy linii produkcyjnej jest nieuzasadniony. Ponadto, przy tak dużym posuwie na obrót przekroczona zostaje dopuszczalna tolerancja ze względu na falistość powierzchni obrobionej, jednak w pracy wyników tych nie pokazano.