5 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

5.1 Plán experimentu

Cílem experimentu bylo zajištění podmínek pro analýzu tvorby třísky pomocí vysokorychlostní digitální videokamery a zaznamenání tvorby třísky a její závislosti na změně řezných podmínek, zejména pak na hloubce řezu ap a velikosti posuvu f, při podélném soustružení. Experiment probíhal v soustružnické dílně FSI VUT v Brně, ÚST Odboru technologie obrábění. K experimentu jsme použili vysokorychlostní kameru od firmy Fastec Imaging, která nabízí celou škálu vysokorychlostních digitálních kamer. Právě kamera TroubleShooter 1000, jež je majetkem školy, byla využita k experimentu. Tuto kameru je možné použít jak v průmyslu, tak v laboratořích a stejně tak i v terénu, jelikož tato kamera je jednou z prvních ve světe opravdu přenosnou vysokorychlostní kamerou, kterou můžete vzít kamkoliv s sebou.

5.1.1 Příslušenství kamery

Základní sestava po zakoupení zahrnuje vysokorychlostní digitální kameru TroubleShooter 1000, externí 6V DC napájecí zdroj, příručku ke kameře a CD-ROM s instalačním softwarem podporující práci s kamerou. Základní sestavu lze dále doplnit o některé příslušenství a sice komunikační USB 2.0 kabel pro propojení s vaším počítačem, dobíječ baterií pro NiMH baterie, NiMH baterii typu D, CF karty různých kapacit, externí přídavné světlo a v neposlední řadě o objektivy různých světelností, formátů a ohniskových vzdáleností.

# Obr. 37 Základní sestava

5.1.2 Objektivy

Právě volba vhodného objektivu je jedním z prvních kroků k úspěšnému provedení experimentu. Jakmile je objektiv připevněn je zapotřebí nastavit světlost clony a ohnisko na vhodné hodnoty. Plně spuštěná clona způsobí, že kamera bude při maximální rychlosti snímat s malým množstvím světla, ale s velkou hloubkou obrazu. Kamera bude zachytávat pouze objekty, které jsou v blízkosti kamery. Naopak malá nebo úplně zavřená clona umožní lepší prostorové snímání, ale vyžaduje více světla při vyšších rychlostech nahrávání. V příloze 3 je názorně vidět, že se stoupající rychlostí nahrávání, potřebujeme větší množství světla k nasvícení měřeného objektu.

# Obr. 38 Objektiv s ohniskovou vzdáleností 12mm [4]

Důležitou vlastností objektivu je jeho zorný úhel. O tom jak velký je zorný úhel objektivu rozhoduje velikost senzoru ve videokameře. Čím větší je senzor, tím se stejným objektivem dosáhneme širšího zorného úhlu a naopak. V našem případě je velikost senzoru neměnná. Na obr.39 je vidět, jak se se změnou ohniskové vzdálenosti fo mění zorný úhel. Čím je ohnisko kratší, tím je zorný úhel širší. To jak se s ohniskovou vzdáleností objektivů mění jejich zorný úhel, vidíme v tab.3. V přípravě na experiment jsme vybírali z pěti objektivů o ohniskových vzdálenostech 3,6; 6; 12; 25 a 50 mm.

Velikost senzoru videokamery je 9x9 mm.

Velikost zorného úhlu vypočítáme ze vztahu:

| (5.1)

kde: Z..... zorný úhel objektivu [°]

Shv....rozměr senzoru [mm], když dosadíme horizontální rozměr senzoru,

tak vypočteme horizontální vyzařovací úhel a naopak

fo...... ohnisková vzdálenost objektivu [mm]

Tab.3 Vyzařovací úhel objektivů o různé ohniskové vzdálenosti

Ohnisková vzdálenost objektivu [mm] | 3,6 | 6 | 12 | 25 | 50
Zorný úhel [°] | 100 | 75 | 40 | 20 | 10

# Obr. 39 Vliv ohniskové vzdálenosti objektivu na velikost zorného úhlu

5.1.3 Externí přídavné světlo

Externí osvětlení je velice důležitou součástí experimentu. V praxi je nejběžnější umístění světelného zdroje za kamerou, nebo souběžně s objektivem, tzn. přední osvětlení objektu. Boční osvětlení je další běžnou osvětlovací technikou, přičemž zdroje světla jsou umístěny pod určitým úhlem. Podrobně jsme se různými typy osvětlovačů zabývali v kapitole 1.6. V dnešní době nejpoužívanější osvětlovače, sestavené z LED diod, jsme bohužel neměli při experimentu k dispozici.

# Obr. 40 Soustružnická dílna

Jako alternativní zdroj osvětlení můžou být použity halogenové lampy o různých výkonech, různé čočky, odrazová skla, bíle pozadí, běžné žárovky atd. Halogenová lampa, dosahující teploty až 3200 K (600°C), je velice efektivním osvětlením, ale při práci s touto lampou musíme dbát na opatrnost vzhledem k vysoké teplotě a náchylnosti k poškození. To může být problémem zejména při manipulaci s lampou v pracovním prostoru stroje. Vzhledem k relativně nízkému příkonu použitého halogenového osvětlovače při experimentu, bylo nutné jej přiblížit na vzdálenost v řádech centimetrů. Tento způsob osvětlení však rozhodně není z praktického hlediska ideální, zejména pak omezuje už tak malý prostor pro manipulaci s kamerou, obr. 41 a obr. 42.

Obr. 41 Uspořádání zařízení při experimentu

Obr. 42 Osvětlení bylo nutné z blízkosti několika centimetrů

Způsob osvětlování soustavy byl omezen množstvím světelných zdrojů a to, na umělé osvětlení pracoviště klasickými zářivkami, prostupující denní světlo na pracoviště a halogenovou lampu o výkonu 250W. Z důvodu nízké intenzity osvětlení a s tím související vzdálenosti světelného zdroje od objektu, byla v podstatě dána i geometrie osvětlení. Využili jsme metodu předního (přímého) osvětlení s jasným obrazovým polem (obr. 43). Světlo odražené od objektů tak dopadalo přes objektiv na obrazový snímač. Naprosto nezbytné v tomto případě bylo použití bílého pozadí. Metod jak vytvořit bíle pozadí je více. Vyzkoušeli jsme lesklý fotografický papír, bílou plastovou podložku a kladívkový papír. Jako nejvhodnější se ukázalo použití kladívkového papíru o gramáži 150g.

Obr. 43 Přední (přímé) osvětlení s jasným obrazovým polem

Jedním z cílů experimentu bylo využít maximálního rozsahu rychlosti snímaní kamery. Skutečnost však vypadala jinak. Při rychlosti snímání záznamu 1000 snímků za sekundu (maximální rychlost použité rychlostní kamery) je zapotřebí vysoce výkonného osvětlení. Halogenová lampa o výkonu 250 W tuto podmínku nesplňovala a z toho důvodu jsme byli schopni zaznamenávat pouze s frekvencí 250 snímků za sekundu. Při nastavení rychlosti nahrávání na 500 snímku za sekundu byl již obraz zjevně tmavý a proto nepoužitelný (obr. 44 a 45).

# Obr. 44 Rychlost záznamu 250 fps | # Obr. 45 Rychlost záznamu 500 fps

Na následujících obrázcích (obr. 46 a obr. 47) je vymodelována situace osvětlení a poloha kamery při snímání během experimentu. Přílohy 4,5 obsahují namodelovaní dalších způsobů osvětlení. V praxi však bude rozhodujícím faktorem pro způsob osvětlení hlavně typ obráběcího stroje, či výrobní linky aj., kdežto v diplomové práci se zabýváme pouze obráběním na univerzálním soustruhu SV 18-RD.

Obr. 46 Osvětlení halogenovou lampou o příkonu 250W

Obr. 47 Použití kladívkového papíru pro vytvoření bílého pozadí

5.1.4 Použitá zařízení

Stroj: univerzální hrotový soustruh SV 18-RD, výrobce TOS Trenčín

Základní parametry stroje:

· oběžný průměr nad ložem 380 mm

· oběžný průměr nad suportem 250 mm

· vzdálenost hrotů 750 mm

· rozměr 4-nožové hlavy 160 x 160 mm

· výkon hlavního motoru 10 kW

· rozměry stroje (š x d x v) 950 x 2720 x 1210 mm

· hmotnost stroje 1950 kg

· stroj je upraven plynulou regulací otáček

· otáčky vřetene 15,4 – 2800 min-1

· posuv v podélném směru 0 ,05 – 0,7 mm

· posuv příčném směru 0,025 – 0,35 mm

Obráběný materiál: kulatina Ø60–500, předsoustružená tyč z oceli 11 600, tažená za tepla dle ČSN 42 6510.

Břitová destička: KNUX 160405ER-72, řezný mat. 6630, výrobce PRAMET

· univerzální řezná geometrie charakterizovaná nízkým řezným odporem

· jemné a dokončovací soustružení

# Obr. 48 VBD | # Obr. 49 Nožový držák

Řezný materiál 6630

Řezný materiál 6630 lze z hlediska použití charakterizovat jako „nejuniverzálnější“ z celé řady 6000. Materiál 6630 je univerzální pro soustružení ocelí se širokou aplikační oblastí. Je také vhodný pro obrábění korozivzdorných ocelí, lze ho použít i pro obrábění litiny a podmíněně i některých super slitin. Spojuje dobrou otěruvzdornost s vysokou houževnatostí.

Popis materiálu[22]:

· funkčně gradientní substrát

· střední povlak s nosnou vrstvou TiCN nanesený metodou MTCVD

· pro dokončovací až hrubovací soustružení

· obrábění materiálů skupin P, M a dále K a podmíněně aplikovatelný i pro skupinu S a N

· pro střední a podmíněné vyšší řezné rychlosti

· kontinuální i přerušovaný řez

# Obr. 50 VBD KNUX 160405ER-72 [22] | # Obr. 51 Profil hlavního břitu [22]

Tab. 4 Geometrické parametry VBD [22]

(l) | l1 | d | s
16 | 16,15 | 9,525 | 4,76

Tab. 5 Řezné parametry VBD [22]

rε | fmin | fmax | ap min | ap max
0,5 | 0,15 | 0,23 | 0,5 | 4

Obr. 52 Funkční diagram VBD [22]

Nožový držák: CKJNR/L 2020 K16

# Obr. 53 Nožový držák CKJNR/L 2020 K 16 [22]

Tab. 6 Geometrické parametry [22]

h=h1 | b‘‘ | f | l1 | l2max | λs° | γ0°
20 | 20 | 30 | 125 | 34 | +1 | -5

Další použitá zařízení:

· halogenová lampa o příkonu 250W

5.1.5 Popis experimentu

Obrábění probíhalo na hrotovém soustruhu SV 18-RD. Do sklíčidla jsme upnuli obráběný vzorek, tyč z materiálu 11 600, a podepřeli koníkem pomocí středícího důlku. Prvním krokem bylo nastavení optimálních řezných podmínek. Dalším krokem byl výběr objektivu, který budeme používat při snímání. Na základě experimentálního porovnání jednotlivých objektivů o různých ohniskových vzdálenostech, byla vytvořena tabulka (příloha 3), kde je srovnávána použitelnost objektivů při různé rychlosti snímání a vzdálenosti zkoumaného objektu. Vzhledem k podmínkám na pracovišti a na základě předchozího porovnání objektivů, byl vybrán objektiv o ohniskové vzdálenosti 12 mm. Experiment probíhal dopoledne za umělého osvětlení na dílně a prostupujícího denní světla zvenčí, tudíž bylo nezbytně nutné použít další zdroje světla. Abychom docílili kontrastního osvětlení soustavy nástroj-obrobek bylo nutné použít bílého pozadí ve formě kladívkového papíru formátu A4. K osvětlení jsme použili halogenovou lampu o příkonu 250W. Kompletní schéma je zobrazeno na obr. 46 a 47. Videokameru jsme přes USB rozhraní propojili s notebookem a pomocí softwaru Fastec Imaging CamLink zaznamenávali proces utváření třísky při různých řezných podmínkách. Po každé změně řezných podmínek bylo nutné vyčkat na uložení záznamu. Jednotlivé druhy třísek byli sesbírány, rozděleny a následně nafoceny digitálním fotoaparátem Olympus Mju 400 a použity k sestavení diagramu závislosti utváření třísky na podmínkách ap a f.

5.2 Vliv řezných podmínek na tvorbu třísky

Vstupní parametry:

· doporučená řezná rychlost VBD vc=200 m/min

Ze vztahu pro výpočet řezné rychlosti při soustružení

, | (5.2)

odvodíme vztah pro výpočet otáček vřetene:

. | (5.3)

Po dosazení:

, | (5.4)

· hloubka odebírané vrstvy ap=<0,5÷1,5> mm

· velikost posuvu f=<0,1÷0,294> mm

5.2.1 Vliv hloubky řezu ap a velikosti posuvu f

V kapitole 3.2 jsme se zabývali faktory, které ovlivňují utváření třísky. Největší vliv z těchto faktorů má hloubka řezu ap a velikost posuvu f. Tyto dva parametry slouží k vytvoření funkčního diagramu utváření třísek. Na obr.32 a obr.33 je znázorněna závislost tvorby třísky na hloubce řezu a velikosti posuvu. Tyto závislosti jsou známy již několik desetiletí a součástí experimentu diplomové práce bylo, zaznamenat obdobný funkční diagram utváření třísek (obr. 54). V tab.7 jsou zobrazeny tvary třísek při různých řezných podmínkách. Z praxe víme, že posuv má významný vliv na tvorbu třísky. V případě neměnné hloubky řezu a zvětšování posuvu, dochází k tomu, že tříska se z plynulé táhlé mění na drobivou. Vzhledem k obráběnému materiálu a ke skutečnosti, že k obrábění byl použit kvalitní nástroj, vyplívá z experimentu následující:

· nástroj byl schopný utvářet dlouhou táhlou třísku v rozsahu posuvu f=<0,1÷0,233> a geometrie třísky byla v podstatě neměnná

· tříska drobivá začala vznikat až při hodnotě posuvu f=0,294mm

Patrný byl také vliv snížení otáček na hodnotu n=690 min-1. Při stejné hloubce ap=1,5 mm a velikosti posuvu f=0,2 vznikala při snížených otáčkách tříska táhla, ale vlivem zahřátí soustavy nástroj-obrobek začala v rámci několika sekund vznikat tříska drobivá.

Tab. 7 Vliv velikosti posuvu na utváření třísky při hloubce řezu ap=1,5mm

f1=0,1mm | f2=0,155mm
f3=0,233mm | f4=0,294mm

Z praktického hlediska je ruční sběr třísek a jejich rozdělení podle řezných podmínek značně nevhodný. Smyslem diplomové práce bylo, inspirovat se již po několik desetiletí známým diagramem a sběr třísek digitalizovat. Při nastavení doporučených řezných podmínek jsme u daného nástroje sledovali jak se utváří tříska a jaký typ třísky vzniká. Pokud tento postup budeme aplikovat na různé nástroje a jejich doporučené řezné podmínky, můžeme v budoucnosti využít digitalizace třísek pro sestavení diagramu závislosti utváření třísky na ap a f. Digitalizace třísek by byla vhodná např. při vytváření nových katalogů a nebo k vytvoření elektronické databáze daných závislostí.

# Obr. 53 Závislost tvorby třísky na hloubce řezu a velikosti posuvu

5.2.2 Vliv geometrie nástroje

Na obr. 34 a obr. 51 jsou zobrazeny geometrické parametry utvářeče třísky na nástroji.

· velikost fazetky x=1,2 mm

· vzdálenost výstupní hrany žlábku od ostří b‘=3,07mm

· úhel čela 12°

Z obr.33-b) a z podmínky x<ap je patrné, že tříska bude utvářena pomocí utvářeči na nástroji a bude zakřivena pod určitým poloměrem R, což se potvrdilo i při experimentu (obr. 54).

Obr. 54 Utváření třísky na čele nástroje

Na směr odchodu třísky má podstatný vliv nástrojový úhel sklonu hlavního ostří λs. Velikost úhlu je λs=+1°, což znamená že tříska odchází směrem od obrobku a dále se láme na hřbetu nástroje. Následující obrázek 56 zachycuje sekvenci snímků při hloubce řezu ap=1,5 mm a f=0,294 mm. Nejprve se tvoří tříska táhlá, vlivem zahřátí soustavy se začne tvořit tříska dělená.

Obr. 56 Vliv zahřátí soustavy na tvorbu třísky

5.3 Další způsoby řešení osvětlení

Při použití současných kamer snímajících s vysokými frekvencemi, řádově v desítkách tisíc obrázků za sekundu, je nutné použití velmi výkonného osvětlení scény. Používají se halogenová nebo výbojková svítidla o příkonu několika stovek wattů až kilowattů.

Pro nás je směrodatná skutečnost, že kamera použitá k experimentu je schopna zaznamenávat s maximální snímkovací frekvencí 1000 fps, a proto postačí k osvětlení halogenová svítidla. Pro představu, výbojková svítidla ve formě série synchronizovaných výbojkových blesků by se jevily jako perspektivní např. pro balistické aplikace, kde se snímací frekvence pohybuje v řádech desítkách tisíců obrázků za sekundu.

K zajištění dobré rozlišitelnosti kritického detailu je třeba vytvořit dostatečný kontrast jasu mezi detailem a bezprostředním okolím. Rovněž jakost podání barev, chromatičnost světla a kolorita povrchů ovlivňují záznam snímaného objektu. Důležitými vlastnostmi osvětlení jsou:

· směrovost

· stínivost

Směrovost je určena světelným vektorem a s ohledem na geometrické a a fotometrické parametry pozorovaných předmětů je nutné směrovost světla řešit individuálně. Většinou se směr osvětlení volí tak, aby světlo do místa úkolu dopadalo převážně zleva a shora.

Stínivost je schopnost osvětlení vytvářet na předmětech stíny. Rozvržení stínů je velmi důležitým činitelem prostorové rozlišitelnosti detailů a přednost dáváme zejména stínům měkkým. Z toho hlediska jsou výhodné velkoplošné zdroje a světelné zdroje rozdělené do prostoru. Pouhé místní osvětlení se světlem usměrněným na malou pracovní plochu je nevhodné a proto musí se doplnit rozptýleným celkovým osvětlením.

Kapitola 1.6 popisuje stanovení vhodné geometrie osvětlení a výběr vhodného typu osvětlovače. Chceme dosáhnout maximálního kontrastu těch částí které nás zajímají, tzn. hrany ostří VBD, respektive části VBD která ubírá materiál. Toho docílíme např. metodou přímého osvětlení a použití bílého pozadí (obr. 57), stejnou jakou jsme použili při experimentu.

Obr. 57 Přímé osvětlení s použitím bílého pozadí (fps=250)

Abychom byli schopni snímat utváření třísky vyšší záznamovou rychlostí než 250 snímků za sekundu, je nutné použít dalších osvětlovacích prostředků. Budeme vycházet z předpokladu použití bílého pozadí, které eliminuje rušivé vlivy (lože podélného suportu aj.). Pomocí několika halogenových osvětlovačů pak odstíníme nežádoucí zdroje světla (umělé osvětlení). Halogenové osvětlovače mají velký příkon (až 2000W) a vysoký náběhový proud, proto je zapínáme jen během záznamu. Jejich povrchová teplota dosahuje cca 600°C. Patří mezi teplotní zdroje světla, tzn. že se zde látka zahřívá na vysokou teplotu a tím vzniká světlo. Světelný tok je udáván v lumenech (vedlejší jednotka soustavy SI) a u lampy s příkonem 2000W dosahuje hodnoty 44 000 lm.

Pro srovnání, obyčejná žárovka s příkonem 60W, která se používá např. k osvětlení nad psacím stolem, má světelný tok 716 lm.

Návrh aplikace halogenových žárovek

Firma OSRAM nabízí sortiment všech druhů osvětlovacích prostředků. Širokou škálu zaujímají i halogenové žárovky. K osvětlení jsem vybral halogenové lineární žárovky typu OSRAM/UV-STOP, 230V o příkonech 500, 1000, 1500 a 2000 W. Střední doba života světelného zdroje je 2000 hodin.

Obr. 58 Halogenová lineární zářivka typu OSRAM/UV-STOP

Tab. 8 Žárovky halogenové lineární

Typ | Napětí [V] | Příkon [W] | Světelný tok [lm] | Patice | Délka [mm]
OSRAM 250 | 230 | 250 | 3400 | R7s | 76,8
OSRAM 500 | 230 | 500 | 9 500 | R7s | 114,2
OSRAM 1000 | 230 | 1000 | 22 000 | R7s | 185,7
OSRAM 1500 | 230 | 1500 | 33 000 | R7s | 250,7
OSRAM 2000 | 230 | 2000 | 44 000 | R7s | 334,4

Řešení osvětlení spočívá v následujících krocích:

· počet zvolených osvětlovačů

· příkon zvolených osvětlovačů

· nastavení vzdálenosti a směru osvětlovačů

· možnost manipulace s osvětlovačem v pracovním prostoru stroje

Obr. 59 Halogenový reflektor s příkonem 500W

Metoda přímého osvětlení, která byla použita při experimentu, je výchozím stanoviskem pro doplnění dalších světelných zdrojů. Tato metoda se jevila jako nejlepší řešení dané situace a zvětšením intenzity osvětlení dosáhneme toho, že budeme moci využít i rychlosti nahrávání 1000 snímků za sekundu a tím dosáhneme podstatně lepších výsledků záznamu. Obr. 60 představuje řešení problému.

Obr. 60 Návrh na řešení osvětlení

Použité osvětlovače:

· halogenová lampa o příkonu 250W

· halogenová lampa o příkonu 500W

· halogenová lampa o příkonu 1500W

· bílé pozadí

Osvětlení je vhodné pro záznam utváření třísky na hřbetu nástroje a pro zachycení tvaru třísky při oddělování.

Ostatní návrhy osvětlení:

Použité osvětlovače:

· halogenová lampa o příkonu 250W

· halogenová lampa o příkonu 500W

· bílé pozadí

Metoda osvětlení vhodná pro snímání čela nástroje a záznam utváření třísky na čele nástroje.

· schéma osvětlení viz. příloha 4

Použité osvětlovače:

· 2-krát halogenová lampa o příkonu 1500W

· bílé pozadí

Metoda výrazného plošného osvětlení, eliminuje výskyt stínů.

· schéma osvětlení viz. příloha 5

Hospodárnost osvětlení

Obecně platí, že osvětlovací soustavy se snažíme navrhnout tak, aby umožňovaly dosáhnout při co nejsnazší, přesné a bezpečné práci co nejlepších pracovních výsledků při poměrně nízké spotřebě energie.

Důležitou okolností ovlivňující hospodárnost osvětlovací soustavy je správná volba zdrojů a svítidel a využívání moderních efektivních světelných zdrojů. S návrhem, realizací a provozem osvětlovací soustavy souvisí plnění nejen světelně technických požadavků, ale také konstrukčních, estetických, energetických a ekonomických.

Příloha 4 Návrh rozmístění osvětlovačů 250W, 500W

Příloha 5 Návrh rozmístění osvětlovačů 2x1500W