4. Metodyka badań własnych
4.2. Ocena wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia
4.2.1. Metodyka badań wskaźników zdolności skrawnej
wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego przy cięciu prostoliniowym
W badaniach zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego, rozumianej jako zdolności do przecinania materiałów, przy zachowaniu wymaganych parametrów jakości powierzchni cięcia, jako jeden ze wskaźników zdolności skrawnej przyjęto odchylenie strumienia wodnościernego S w przecinanym materiale w zależności od parametrów technologicznych oraz grubości materiału. Badane odchylenie toru strumienia wodnościernego S, obserwowane na powierzchni cięcia, uzależnione jest od warunków energetycznych sprzężenia strumienia z materiałem w szczelinie roboczej. Wyznaczenia współrzędnych toru oraz odchylenia S toru cięcia dokonywano za pomocą specjalnego oprogramowania autorstwa Tomasza Jarosza z Politechniki Krakowskiej (rys. 4.2.1).
Program ten na podstawie wczytanego obrazu powierzchni cięcia umożliwia odczyt współrzędnych X,Y toru strumienia, a następnie ich eksport do np. arkusza kalkulacyjnego w celu dalszej analizy.
Drugim wskaźnikiem zdolności skrawnej silnie powiązanym z jakością obróbki jest chropowatość powierzchni, co w przypadku cięcia wodnościernego, dającego bardzo duży rozrzut parametru chropowatości na przecinanej powierzchni, powoduje konieczność określenia miejsca pomiaru. W prowadzonych badaniach chropowatości powierzchni ocenę tej wielkości prowadzono w strefie mikroskrawania ziaren ściernych w odległości 5 mm od wejścia wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego w materiał. Parametr chropowatości powierzchni Ra mierzono za pomocą profilometru IOS Topo L50. Natomiast zmienność chropowatości na całym przekroju przecinanego elementu określono współczynnikiem zmienności WRa.
Strona 72
Rys. 4.2.1. Zrzut ekranu programu do pomiaru współrzędnych toru strumienia na powierzchni materiału przecinanego wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym.
Rodzaj sprzężenia energetycznego, obejmujący oddziaływanie wszystkich czynników wpływających na kreację wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz oddziaływanie parametrów technologicznych cięcia, ma wpływ na kształt toru oraz odchylenie s strumienia wodnościernego.
Tak więc odpowiednio do analizy przedstawionej w rodz. 2, im większa zdolność skrawna wysokociśnieniowego strumienia w danych warunkach, tym większe odchylenie strumienia. Na podstawie wyników badań potencjału skrawnego obejmującego wyznaczenie wielkości Hmax sporządzono warstwicową mapę zdolności skrawnej,
w układzie współrzędnych posuw, ciśnienie dla stałej wartości dozowanego ścierniwa. Uzyskane wyniki oraz przeprowadzone testowanie hipotezy zerowej dotyczące średnich odchyleń strumienia S (rys. 4.2.2) dla różnych układów planu eksperymentu oraz testy statystyczne hipotezy zerowej w odniesieniu do średniej chropowatości powierzchni, przy poziomie istotności α= 0,05 wskazują, że warstwice na tak uzyskanej mapie można interpretować jako linie stałej zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia.
Strona 73
Rys. 4.2.2. Kształt szczeliny cięcia w kierunku ruchu posuwowego [61].
Testy istotności różnic pomiędzy wartościami średnich odchyleń strumienia S oraz wartościami średniej chropowatości powierzchni przeprowadzono za pomocą modułu analizy wariancji (ANalysis Of VAriance – ANOVA) programu STATISTICA 12 [103]. Uwzględniając założenia wybranej analizy, tj:
a) mierzalność badanej wielkości,
b) losowość i niezależność próbek badawczych, c) normalność rozkładów badanych wielkości, d) jednorodność wariancji badanych wielkości,
przeprowadzono testy normalności otrzymanych wyników oraz testy jednorodności wariancji. Do testowania normalności wybrano test Shapiro-Wilka, ze względu na możliwość jego stosowania dla prób o liczebności 3<n<50. Jednorodność wariancji sprawdzono testami: Cochrana, Hartleya oraz Bartletta.
4.2.2. Metodyka badań wskaźników zdolności skrawnej
wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego przy cięciu krzywoliniowym
W tej części badań eksperymentalnych zrealizowanych wg planu PS/DS.-P:L(L), z płyty PA6 o grubości 15 mm oraz płyty stalowej (S235J2H) o grubości 25 mm, wycinano przy zadanych parametrach wynikających z przyjętego planu eksperymentu, przedmiot o kształcie wskazanym na rys. 5.2.3, charakteryzujący się dwoma fragmentami profilu kołowego, odpowiednio o promieniach R15 oraz R20, połączonymi odcinkiem prostoliniowym. Pomiary wybranych błędów obróbki, przeprowadzono z wykorzystaniem
Strona 74
współrzędnościowej maszyny pomiarowej Global Performance z oprogramowaniem PC DMIS. Uwzględniając złożony tor ruchu strumienia wodnościernego w materiale, wybrano charakterystyczne obszary przedmiotu (strefa A, B, C, D, rys. 4.2.3), w których można oczekiwać największych błędów kształtu powodowanych odchyleniem s strumienia wodnościernego.
Rys. 4.2.3. Wykonany element ze stopu PA6 oraz stali S235J2H, z oznaczonymi strefami (A, B, C, D) do badań błędu nieprostopadłości.
W powyższych badaniach dokonano pomiarów różnic promieni oraz przy czym jest różnicą pomiędzy wartościami pomiarowymi promieni R15 przy wyjściu strumienia oraz przy jego wejściu w materiał, w trakcie wycinania konturu o promieniu 15 mm. Podobnie wyznaczono wartość dla promienia R20. Przeprowadzone badania średniej różnicy promieni oraz , stosownie do podanego planu eksperymentu, umożliwiły wyznaczenie odpowiednich funkcji regresji.
Dla pełnej charakterystyki zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz powiązanych z nią błędów obróbki przeprowadzono pomiary zbieżności (rozbieżności) szczeliny przy cięciu wymienionych próbek badawczych. W ocenie błędów obróbki przy cięciu przedmiotów przedstawionych na rys. 4.2.3 wyznaczono pochylenie ściany bocznej przedmiotu, które może być dodatnie lub ujemne w charakterystycznych strefach odpowiadających krzywiźnie R15 (rys. 4.2.3 przekrój D), krzywiźnie R20 (rys. 4.2.3 przekrój A), odcinkowi prostemu (rys. 4.2.3 przekrój C), oraz miejscu przejścia odcinka prostego w krzywoliniowy (rys. 4.2.3 przekrój B).
Strona 75
Jako uzupełnienie badań zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego dokonano oceny topografii powierzchni cięcia. Jako miarę oceny topografii powierzchni przedmiotu przyjęto chropowatość powierzchni Ra, określoną na prostoliniowym fragmencie konturu wycinanego elementu. W celu identyfikacji postaci funkcji aproksymacji na podstawie uzyskanych wyników badań chropowatości powierzchni, przyjęto zgodnie z zasadami eksperymentu analogiczny program badań (PS/DS.-P:L(L)), jak w przypadku badań potencjału skrawnego wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. Jako wielkość badaną wybrano chropowatości uzyskanej powierzchni cięcia, która została wyznaczona w postaci średniej z pięciu pomiarów zlokalizowanych w strefie I. Jako wielkość uzupełniającą, wybrano wskaźnik rozrzutu chropowatości wyrażony ilorazem chropowatości mierzonej na wyjściu strumienia z materiału, do chropowatości na jego wejściu.
Ze względu na podstawowe znaczenie chropowatości powierzchni w ocenie jakości cięcia, uogólnienia wyników dokonano poprzez klasyczne wyznaczenie funkcji aproksymacji metodami analitycznymi oraz w drugiej wersji z wykorzystaniem aproksymacyjnych możliwości sieci neuronowych [7][20][24][30][34][44][99]. Wykorzystanie do tego celu sieci neuronowych ma tę zaletę, że umożliwia stałe powiększania zbioru uczącego z przyrostem danych eksperymentalnych w dodatkowych badaniach chropowatości powierzchni. W rezultacie uzyskuje się wyższą dokładność predykcyjną, mającą znaczenie praktyczne przy cięciu strumieniem wodnościernym. Do modelowania sieci neuronowej i obliczeń wykorzystano program Matlab wraz z dodatkiem nftool (Neural Network Fitting Tool) [16]. Za pomocą tego narzędzia zamodelowano sieć jednokierunkową dwu warstwową, z jedną warstwą ukrytą oraz jedną warstwą wyjściową, o strukturze przedstawionej na rys. 4.2.4.
Strona 76
Neurony w warstwie ukrytej aktywowane są za pomocą funkcji sigmoidalnej, natomiast w warstwie wyjściowej za pomocą funkcji liniowej. Uczenie sieci odbywa się z wykorzystaniem algorytmu wstecznej propagacji błędu Lavenberga-Marquardta [106][107][129]. Sieć posiada trzy wejścia, reprezentujące ciśnienie wody p, ilość dozowanego ścierniwa q oraz prędkość posuwu vf oraz jedno wyjście reprezentujące średnią chropowatość powierzchni cięcia. Analogiczna sieć została wykorzystana do predykcji rozrzutu chropowatości powierzchni WRa.