dr in. Jerzy Józwik Politechnika Lubelska
WYBRANE ZASTOSOWANIA POMIARÓW TERMOGRAFICZNYCH
W OBRÓBCE SKRAWANIEM
Przedmiotem niniejszej pracy jest przedstawienie obszarów wykorzystania pomiarów termograficznych w obróbce skrawaniem. Zakres pracy obejmuje omówienie zagadnie generowania ciepa podczas procesu skrawania oraz pomiarów z wykorzystaniem systemów termograficznych. W pracy przedstawiono praktyczne obszary wykorzystania techniki termograficznej zarówno podczas oceny stanu cieplnego narzdzia skrawajcego, ale take przedmiotu obrabianego i obrabiarki. Zaprezentowano równie wybrane wyniki bada i analiz rozkadu temperatury obiektu z wykorzystaniem systemów termograficznych.
THE CHOSEN USAGE OF THERMOGRAPHIC MEASUREMENTS
IN MACHINING
The article presents the areas of usage measurements in machining. The range of work includes the problems of heat generation during machining and measurement with using thermographic system. The article presents practical areas of using thermographic technique during evaluation of thermal state of cutting tool, workpiece and machine tool also. Author presents some of research and analysis results of object temperature distribution with using thermographic system.
1. WPROWADZENIE
Zjawisko generowania i wymiany ciepa towarzyszy nieodzownie procesom obróbki skrawaniem [1-11]. Z analiz wynika [3-7], e ilo generowanego ciepa i intensywno jego powstawania zwizane s z szeregiem zjawisk fizycznych wystpujcych podczas obróbki. Efektem przewodzenia ciepa przez elementy ukadu masowo-dyssypacyjno-sprystego OUPN (Obrabiarka, Uchwyt, Przedmiot, Narzdzie) jest wzrost ich temperatury. Mechanizmy generowania ciepa dotycz zarówno strefy skrawania [3, 4, 7, 8] ale równie zespoów funkcjonalnych maszyn i urzdze: silników napdowych, przekadni mechanicznych, wzów oyskowych itp. [5, 9-11]. Z bada prezentowanych w literaturze [3-5, 7-11] wynika, e jest ono skorelowane z szeregiem dynamicznych procesów mechanicznych oraz procesów destrukcyjnych zachodzcych na maszynie. Ilo i intensywno generowanego ciepa wpywa na mechanizm zuycia ostrza narzdzia, mechanizm powstawania wióra, odksztacenia cieplne przedmiotu obrabianego i narzdzia ale take przekadni mechanicznych maszyny technologicznej [3-5, 7-11]. W efekcie, wskutek postpujcych odksztace cieplnych uzyskujemy obnion dokadno wymiarowo-ksztatow wyrobu. Prezentowany artyku ma charakter przegldowy i wskazuje na obszary wykorzystania techniki termograficznej w obróbce skrawaniem. Zawiera równie wybrane wyniki bada eksperymentalnych, bez wnikliwej ich analizy. Pogbion analiz wyników bada dowiadczalnych oraz ich prezentacj graficzn autor pracy zamierza obszernie przedstawi w kolejnych swoich pracach.
2. BADANIA TERMOGRAFICZNE W OBRÓBCE SKRAWANIEM 2.1. Badania termograficzne strefy skrawania
Fizyczny mechanizm procesu skrawania, któremu towarzyszy generowanie ciepa, jest wynikiem wzajemnych oddziaywa elementów ukadu obróbkowego, na który skadaj si: obrabiarka (O), przedmiot obrabiany (PO) oraz narzdzie (N). Stref skrawania tworz dwa elementy ukadu masowo-dyssypacyjno-sprystego OUPN: przedmiot obrabiany i narzdzie (rys. 1).
Rys. 1. Strefy intensywnych oddziaywa fizycznych w ukadzie narzdzie (N) – przedmiot obrabiany (PO),
qIW, qIPO, qIIW, qIIN, qIIIPO, qIIIN –czstkowe strumienie cieplne, W – wiór
Ciepo generowane jest w kadej ze stref fizycznego modelu skrawania (rys. 1). Powstaje w obszarze intensywnych odksztace sprysto-plastycznych oraz dekohezji materiau, obszarze kontaktu wióra z powierzchni natarcia oraz obszarze kontaktu powierzchni przyoenia z obrobion powierzchni przedmiotu skrawanego. Efektem generowanego ciepa w strefie skrawania jest wzrost temperatury przedmiotu obrabianego i narzdzia [3, 4]. Znaczn cz ciepa przejmuje wiór i jest ono odprowadzane razem z nim ze strefy obróbki. Jednak ocena wartoci temperatury poszczególnych elementów ukadu obróbkowego nastrcza wiele trudnoci. Zastosowanie dotykowych metod punktowych identyfikacji wartoci temperatury naley do jednych z trudniejszych zada badawczych, czasami nie moliwych do implementacji z uwagi konieczno kontaktu sensorów z obiektem badanym oraz dynamik procesu skrawania. Jakkolwiek ocena temperatury w strefie skrawania jest moliwa do okrelenia podczas obróbki (z wykorzystaniem termoelementów), to jednak dotyczy ona cile okrelonego punktu. Znacznie trudniej jest natomiast dokona oceny rozkadu wartoci temperatury na powierzchni przedmiotu lub narzdzia. Alternatyw stanowi pomiar termograficzny, z zastosowaniem systemów termowizyjnych [12-16]. Na rys. 2 przestawiono zobrazowania termalne strefy skrawania podczas obróbki (rys. 2a) i bezporednio po jej zakoczeniu (rys. 2b) oraz powierzchni natarcia pytki skrawajcej (rys. 2c) skadanego narzdzia tokarskiego.
a) b)
c)
Rys. 2. Wyniki pomiarów termograficznych strefy
obróbki otrzymane podczas procesu skrawania narzdziem skadanym: a) podczas procesu toczenia nieortogonalnego (pomiary wykonane kamer termowizyjn SC640 o rozdzielczoci 640x480 z detektorem niechodzonym, firma FLIR), b) bezporednio po zakoczeniu obróbki, (pomiary wykonane kamer termowizyjn SC640 o rozdzielczoci 640x480 z detektorem niechodzonym, firma FLIR), c) na powierzchni pytki skrawajcej noa tokarskiego po zakoczeniu procesu obróbki (pomiary wykonane kamer termowizyjn SC5600 z detektorem chodzonym o rozdzielczo 640x512 [7]
Na rys. 3 zaprezentowano rozkad wartoci temperatury powierzchni przedmiotu obrabianego oraz narzdzia podczas toczenia ortogonalniego (rys. 3a) i nieortogonalnego (rys. 3b). Przeprowadzone badania eksperymentalne pozwoliy na sporzdzenie charakterystyki przebiegu zmian wartoci temperatury maksymalnej w funkcji czasu skrawania (rys. 4) dla ustalonych technologicznych parametrów skrawania, okrelonego rodzaju materiau przedmiotu obrabianego i narzdzia oraz jego geometrii.
a) b)
Rys. 3. Wybrane termogramy przedmiotu obrabianego po obróbce, a) dla przypadku toczenia ortogonalnego,
Przedstawione na rys. 4 wyniki pomiarów wskazuj na inercyjny charakter zmian wartoci temperatury powierzchni badanego obiektu (przedmiotu obrabianego) w funkcji czasu skra-wania. 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Czas skrawania, t [s] Warto temperat ury po wierzchn i PO, T [ o C] wartoci pomiarowe linia trendu
Rys. 4. Przebieg zmian wartoci
maksymalnej temperatury
powierzchni przedmiotu obrabiane uzyskane podczas pomiarów termograficznych w cile
okrelonych warunkach skrawania
Zblione charakterystyki zmian wartoci temperatury powierzchni uzyskano podczas obróbki podatnego elementu cienkociennego klasy tuleja (rys. 5).
Rys. 5. Rozkad wartoci temperatury powierzchni obrabianego przedmiotu cienkociennego uzyskany podczas
pomiarów termograficznych w cile okrelonych warunkach skrawania: a) termogram powierzchni, b) przebieg zmian wartoci maksymalnej temperatury powierzchni na dugoci przedmiotu w okrelonej jednostce czasu
Na rys. 6 zaprezentowano rozkad wartoci temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego otrzymany na podstawie macierzy wartoci, uzyskanej podczas pomiarów termograficznych. Na rysunku przedstawiono charakterystyczne wartoci temperatury w obszarze kontaktu narzdzia z przedmiotem obrabianym oraz wzdu tworzcej.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 dugo przedmiotu obrabianego, L[mm]
temperatura powierzchni PO, T [ oC]
Rys. 6. Rozkad 3D wartoci temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego otrzymany na podstawie
macierzy wartoci uzyskanej podczas pomiarów termograficznych
Na rys. 7 zaprezentowano wyniki pomiarów termograficznych podczas procesu wiercenia. Rys. 7a przedstawia pocztkow faz obróbki z widocznym narzdziem i wiórem w rowku wiórowym narzdzia, za na rys. 7b zaprezentowano rozkad wartoci temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego po zakoczeniu procesu wiercenia.
a) b)
Rys. 7. Wyniki pomiarów termograficznych podczas procesu wiercenia: a) pocztkowa faza obróbki z
widocznym narzdziem, b) rozkad wartoci temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego bezporednio po zakoczeniu procesu skrawania
Na rys. 8 przedstawiono zobrazowania termalne zarejestrowane podczas procesu frezowania próbek wykonanych ze stali konstrukcyjnej. Wybrane termogramy strefy skrawania stanowi reprezentatywn dla poszczególnych jednostek czasu „obrazkow” reprezentacj zmian cieplnych strefy obróbki z caej populacji otrzymanych zobrazowa termalnych. Z zaprezentowanych na rys. 2-11 wyników pomiarów mona stwierdzi, e technika termograficzna wykorzystywana jest w wielu metodach ksztatowania ubytkowego czci maszyn.
a) b)
c)
Rys. 8. Wybrane zobrazowania termalne
zarejestrowane podczas frezowania próbki badawczej wykonanej ze stali konstrukcyjnej
Przeprowadzona analiza literatury w tym zakresie [1, 3-4, 7-8] wskazuje, e w gównej mierze pomiary termograficzne wykorzystywane s podczas bada w celu okrelenia rozkadu wartoci temperatury powierzchni przedmiotu obrabianego dla wikszoci metod obróbki (toczenia, wiercenia, frezowania), temperatury powierzchni roboczych ostrza narzdzia oraz strefy skrawania w trakcie obróbki.
3.2. Badania termograficzne w diagnostyce obrabiarek
Badania intensywnoci zjawisk cieplnych towarzyszcych pracy maszyn i urzdze technologicznych stanowi ródo cennych informacji umoliwiajcych ocen poprawnoci ich dziaania [5, 9-11]. Zalet tego typu kontroli jest to, e diagnostyka moe by prowadzona pod penym obcieniem. Ponadto ilo miejsc, wykrywanych za pomoc kamery termowizyjnej jest duo wiksza ni innymi metodami (np. dotykowymi) (rys. 9). Efektem tego jest take znaczna poprawa jakoci uzyskiwanych informacji o zjawiskach termodynamicznych, wymianie ciepa, czy warunkach chodzenia.
a) b) c)
Rys. 9. Zobrazowania termalne tokarki: a) zespou napdu pasowego i oyskowania, b) zespou wrzeciennika,
c) korpusu przedniej kocówki oyskowania wrzeciona (pomiary wykonano kamer termograficzn V20 firmy Vigo System S.A.)
Nagrzewanie maszyn jest wynikiem powstajcych w jej obrbie strat mocy. W maszynach niemale caa energia dostarczona z sieci elektrycznej do silników napdowych zamienia si na prac, której wynikiem jest midzy innymi generowane ciepo (rys. 9). Efektem dziaania ciepa na konstrukcj maszyny s odksztacenia jej zespoów skadowych. Mog one powodowa: pogarszanie funkcji sterowniczych, wzajemne przemieszczenia zespoów roboczych, nadmierne opory ruchu elementów, obnia sprawno maszyny, itp.. ródami ciepa mog by elementy ukadów kinematycznych napdów maszyny, takie jak: silniki, oyska, przekadnie zbate i pasowe, sprzga i hamulce oraz elementy ukadów hydraulicznych i pneumatycznych (siowniki, pompy, dawiki, rozdzielacze itp.) [5, 9-11]. ródem ciepa jest take sam proces realizowany na maszynie. Róna intensywno i nierównomierne rozmieszczenie róde ciepa, jak równie niejednakowe warunki wymiany ciepa z otoczeniem poszczególnych zespoów maszyn i urzdze powoduj, e podstawowe elementy ukadu konstrukcyjnego maszyny maj róne wartoci temperatury, co prowadzi do odksztace cieplnych (rys. 10).
Rys. 10. Rozkad wartoci temperatury powierzchni wrzeciennika tokarki uniwersalnej pracujcej pod
obcieniem w 118 linii termogramu, dla wybranych czterech jednostek czasu t1, t2, t3, t4, gdzie: t = 60 s
Efekty oddziaywania zjawisk cieplnych na maszyn mona zmniejsza przez zmniejsze-nie zmniejsze-nierównomiernoci rozkadu temperatury (stosujc sztuczne chodzezmniejsze-nie róde ciepa, albo podgrzewanie miejsc o niszej temperaturze), stosowanie materiaów o maej rozszerzalnoci
cieplnej, stosowanie kompensatorów cieplnych, utrzymanie staej temperatury w pomieszcze-niach, zabezpieczenie maszyn przed miejscowym nasonecznieniem i opywaniem przez pr-dy ciepego powietrza, itp. Ponadto istotnym zagadnieniem jest unikanie przerw w produkcji powodujcych stygnicie maszyn, przestrzeganie staoci rytmu pracy, przegldy i remonty majce na celu eliminowanie róde nadmiernego wydzielania si ciepa. W praktyce diagno-styka termograficzna jest wykorzystywana coraz czciej w budowie maszyn. Przykady jej zastosowa (badania wasne autora) przedstawiono na rys. 9-11.
a) b)
Rys. 11. Graficzna prezentacja wyników pomiarów termograficznych: a) przebieg zmian estymat termalnych
wrzeciennika tokarki uniwersalnej w funkcji czasu (linie trendu: temperatury maksymalnej – kolor czerwony, redniej – kolor zielony, minimalnej – kolor niebieski), b) histogram rozkadu temperatury wybranego obszaru termogramu
Na rys. 11 zaprezentowano w sposób graficzny przebieg zmian estymat termalnych wrzeciennika tokarki uniwersalnej w funkcji czasu (rys. 11a) oraz histogram rozkadu temperatury wybranego obszaru termogramu (rys. 11b). Przedstawione linie trendu opisuj odpowiednio przebiegi zmian temperatury maksymalnej Tmax (oznaczonej kolorem
czerwonym), redniej Tr (kolor zielony) oraz minimalnej Tmin (kolor niebieski).
Zaprezentowany na rys. 11b histogram rozkadu wartoci temperatury wybranego obszaru termogramu pozwala na wnikliw analiz ilociow badanego obszaru. Okrela udzia punktów o temperaturze z okrelone przedziau wartoci temperatury.
Bogate oprogramowanie wspóczesnych systemów termograficznych pozwala nie tylko na projektowanie procesu pomiaru, konfigurowanie parametrów toru pomiarowego ale równie analiz statystyczn, wykonywanie wykresów (rónego typu) animacj uzyskanych zobrazowa, wyznaczanie trendu zmian estymat cieplnych, okrelenia obszarów na termogramie i przypisywanie im konkretnych wartoci wspóczynnika emisyjnoci, „automatyzacj” procesu pomiarowego oraz wiele innych.
3. BDY POMIARÓW TERMOWIZYJNYCH
Podczas pomiarów temperatury z wykorzystaniem systemów termowizyjnych naley liczy si z rónymi rodzajami bdów, które w literaturze wymienia si jako: bdy metody, bdy kalibracji oraz bdy toru elektronicznego [1-2]. Do grupy bdów metody zalicza si: bd oszacowania emisyjnoci, bd spowodowany wpywem odbitego przez obiekt promieniowa-nia otoczepromieniowa-nia oraz wpywem promieniowapromieniowa-nia samego otoczepromieniowa-nia. Ponadto do tej grupy bdów zaliczane s: bd spowodowany ograniczon transmisj atmosfery oraz jej promieniowa-niem (emisj), bd spowodowany brakiem moliwoci uredniania wyników pomiarów,
a tym samym redukcji wpywu szumu detektora promieniowania. Bd oszacowania emisyj-noci (emisyjno obiektu zaley od dugoci fali, temperatury, rodzaju materiau, stanu po-wierzchni, kierunku obserwacji, polaryzacji) mona zmniejszy poprzez: pomalowanie obiek-tu na czarno, stosujc odpowiednie nawilenie lub dokonujc równomiernego nagrzewania obiektu, a nastpnie tworzenie mapy jego emisyjnoci. W praktyce przemysowej, niektóre z powyszych metod staj si niemoliwe do zastosowania.
Bdy kalibracji wynikaj z promieniowania wasnego elementów optycznych i filtrów kame-ry, innego ni w warunkach kalibracji i zalenego od temperatury oraz emisyjnoci ukadów optycznych, odlegoci obiektu od kamery, która jest inna ni w trakcie kalibracji, ograniczo-nej dokadnoci wzorca oraz iloci punktów wzorcowania i bdów interpolacji.
Na bdy toru elektronicznego maj wpyw: szumy detektora, niestabilno ukadu chodzenia (dla kamer z matrycami chodzonymi), wahania wzmocnienia przedwzmacniacza i innych ukadów elektronicznych kamery, ograniczone pasmo przenoszenia detektora i innych uka-dów elektronicznych kamery, ograniczona rozdzielczo i nieliniowo przetworników ana-logowo – cyfrowych. Bdy toru elektronicznego s niskie i wynosz poniej ±1 % dla tempe-ratur otoczenia od –15 C do + 40 C [1-2, 12-16].
W celu uzyskania dokadnych wyników pomiarów temperatury kamer termowizyjn, niezbdne jest skompensowanie wpywu rónych, zakócajcych pomiar róde promienio-wania. Z uwagi na to, e pena kompensacja jest niemoliwa, w niektórych typach kamer ter-mowizyjnych czciowa kompensacja zakóce dokonywana jest automatycznie przez kame-r, po wprowadzeniu przez uytkownika nastpujcych danych: emisyjnoci obiektu, wartoci temperatury otoczenia, wartoci odlegoci midzy obiektem a kamer, wartoci wzgldnej wilgotnoci atmosfery itp. Wprowadzenie powyszych wartoci parametrów moe stanowi problem dla operatora kamery, poniewa nie ma prostych sposobów na ich okrelenie. Naley wic pamita na ile wana jest znajomo prawidowych wartoci tych parametrów. Warto-ci wymienionych parametrów staj si mniej znaczce, gdy temperatura obiektu jest duo wysza od temperatury otoczenia (np. trzykrotnie) i emisyjno obiektu jest wiksza ni 0,9 [1, 2, 12-16].
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Zaprezentowane, praktyczne przykady zastosowa pomiarów termograficznych pozwalaj stwierdzi, e jakkolwiek pomiary wybranych elementów i zespoów ukadu masowo - dys-sypacyjno – sprystego OUPN s moliwe, to jednak nastrczaj one uytkownikom wielu trudnoci. Podstawow trudnoci wynikajc gównie ze specyfiki pomiarów termowizyj-nych) jest problem (a wrcz brak moliwoci) oceny rozkadu wartoci temperatury na po-wierzchniach ostrza narzdzia monolitycznego lub pytki skrawajcej w trakcie procesu skra-wania. Wynika to z faktu przesaniania powierzchni narzdzia przez wiór lub przedmiot obra-biany. Pomiary takie mog by, co prawda, dokonywane w przerwach podczas obróbki (np. w przypadku toczenia) lub podczas chwilowego wyjcia ostrza narzdzia z kontaktu z przedmiotem obrabianym (np. podczas frezowania) lecz do estymacji wartoci temperatury na interesujcych nas powierzchniach niezbdne jest zastosowania aparatu matematycznego. Chocia dynamika pomiaru termograficznego nie stanowi obecnie znaczcego problemu, to jednak specyfika i uwarunkowania technologiczne utrudniaj proces oceny rozkadu wartoci temperatury w samej strefie skrawania. Metody kontaktowe, z uwagi na du bezwadno termiczn czujników, w pomiarach dynamicznych procesów mechanicznych mog nie zareje-strowa stosunkowo szybkich zmian temperatury. W tych przypadkach pomiar termograficz-ny stanowi alternatywn metod moliw do implementacji.
Z bada wasnych autora (w odniesieniu do maszyn technologicznych) wynika take, e za-stosowanie termografii pozwala na: wczesne i dokadne rozpoznawanie nieprawidowych stanów maszyn i procesów na nich realizowanych, ocen strat ciepa, rozpoznawanie uszko-dze skorelowanych ze stanem cieplnym maszyny i caych linii produkcyjnych (detekcj uszkodze), zwikszenie bezpieczestwa pracy maszyny dziki szybkiej i stosunkowo do-kadnej informacji o pojawiajcych si zmianach cieplnych w wyniku rozwoju uszkodzenia, ograniczenie strat w stanach awaryjnych, ograniczenie kosztów obsugi remontowej, elimina-cja przecienia informacyjnego operatorów, zwikszenie pewnoci informacji, wspomaganie decyzji operatorów w stanach nienormalnych i awaryjnych, diagnostyk obrabiarek skrawaj-cych do metali, monitorowanie przebiegu procesu skrawania, itp. W sytuacji, gdy pomiar jest dugotrway, idealnym rozwizaniem jest wykorzystanie kamery termograficznej poczonej interfejsem z komputerem i rejestrowanie danych w zaplanowany, zautomatyzowany sposób bez koniecznoci nadzoru operatora.
5. LITERATURA
1. Madura H. (red.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wydawnicza Pomiary Au-tomatyka Kontrola. Warszawa 2004.
2. Minkina W.: Pomiary termowizyjne – przyrzdy i metody, Wydawnictwa Politechniki Czstochowskiej, Czstochowa 2004.
3. Józwik J.: Thermographic evaluation of temperature distribution on workpiece surface during orthogonal machining. Maintenance and Reliability, nr 2-3, 2001.
4. Józwik J.: Thermographic evaluation of temperature distribution on workpiece surface during non-orthogonal turning. Maintenance and Reliability, nr 5 (12), 2001.
5. Józwik J. i.in.: Procedury termograficznych bada diagnostycznych tokarki uniwersalnej. Monografia: Józwik J. (red.) i in.: Postp w technikach wytwarzania i konstrukcji ma-szyn. LTN, 2005, s. 123–134 .
6. Gadaj S. P.: Zastosowanie termografii w badaniach mechanicznych, Przegld Mecha-niczny 1997, nr 5, s. 10–19.
7. Knapek D.: Materiay wasne, niepublikowane. EC TEST SYSTEMS Sp. z o.o., ul. Lublaska 34, 31-476 Kraków.
8. Rzeczkowski M.: Dynamiczne pomiary termograficzne. Pomiary Automatyka Robotyka 4/2008.
9. Róaski L., Poloszyk S.: Zastosowanie termowizji w diagnostyce maszyn. Agenda Wy-dawnicza PAK. Warszawa 2004. s. 75–83.
10. Poloszyk S., Róaski L.: Obraz termowizyjny jako symptom w diagnostyce termalnej maszyn technologicznych, Materiay IV Konferencji Krajowej „Termografia i Termometria w Podczerwieni”, ód 2000, s. 60–64.
11. Staniek R., Róaski L.: Thermography in the Studies of the Thermal Characteristics of Numerically Controlled Vertical Knee-type Milling Machines, Quantitative InfrRed Thermography 6, QIRT'2002, Dubrovnik, 2002.
12. http://www.flir.com.pl/ (z dn. 24.11.2008).
13. http://www.infratec.net/index.php?id=57&L=4 (z dn. 24.11.2008). 14. http://www.irtech.pl (z dn. 24.11.2008).
15. http://vigo.com.pl (z dn. 24.11.2008).
