Prototyp rozwiązania do monitorowania temperatury narzędzi do obróbki metali skrawaniem
Jednym z największych wyzwań związanych z wykorzystywanymi w procesach produkcyjnych narzędziami do obróbki metali skrawaniem jest wytwarzane przez nie ciepło. Wysoka temperatura rozkłada się na całe narzędzie, co może wpływać na wydajność obróbki, a tym samym obniżać jakość obrabianych powierzchni. Z tego względu niezwykle ważne jest dokładne monitorowanie temperatury narzędzia podczas pracy. Wprawdzie temperaturę narzędzia można oszacować na podstawie koloru materiałów odpadowych zwanych technika (wiórami), ale problemem jest dokładne monitorowanie rozkładu temperatur. Bezpośrednie pomiary z użyciem czujników są praktycznie niemożliwe z powodu warunków panujących w strefie skrawania – wysokie ciśnienie i płyny obróbkowe mogą uszkadzać czujniki. Zespół finansowanego przez UE projektu MoMenT wpadł na pomysł stworzenia narzędzia łączącego skrawanie i monitorowanie, wykorzystującego odpowiednio zamontowane czujniki. „Dzięki naszym prototypom i algorytmom udało nam się uzyskać dokładny pomiar temperatury w strefie skrawania w oparciu o dane z czujników”, wyjaśnia Rachid M’Saoubi, ekspert ds. B+R w firmie Seco Tools, która pełniła rolę koordynatora projektu, oraz opiekun naukowy stypendysty działania „Maria Skłodowska-Curie”, Vyacheslava Kryzhanivskyy’ego.
Moduły do pomiaru rozpływu ciepła
Informacje o temperaturze i właściwościach termofizycznych narzędzi pozwalają na określenie strumieni ciepła. Aby obejść problem związany z brakiem możliwości dokonywania pomiarów bezpośrednio w strefie skrawania, zespół projektu MoMenT zamontował czujniki do pomiaru temperatury w kilku miejscach pod płytką skrawającą. Następnie na podstawie tych odczytów i dzięki specjalnym algorytmom udało mu się obliczyć temperaturę w różnych częściach narzędzia. W module rezystancji termicznej wykorzystano laserową metodę impulsową do gromadzenia danych na temat rezystancji termicznej narzędzi, w połączeniu z algorytmami modelowania do obliczania temperatury skrawania. Jego uzupełnieniem jest moduł rozkładu temperatur zawierający opracowane przez zespół projektu MoMenT prototypy narzędzi do obróbki skrawaniem wyposażone w czujniki termopary i termistory. Ten model także wykorzystuje algorytmy modelowania do obliczania rozpływu lub strumieni ciepła. Kolejne moduły to moduł analizy powłoki oraz moduł analizy chłodzenia, które szacują wpływ powłok narzędziowych na strumień ciepła do narzędzia oraz mierzą współczynnik wymiany ciepła w zależności od wybranej strategii chłodzenia. „Testy wykazały, że nasz system jest w stanie zawęzić wybór skutecznych strategii obróbki, co jest bardzo przydatne dla branży, ponieważ umożliwia szacowanie wpływu ciepła na różne powłoki narzędziowe, materiały czy strategie chłodzenia”, dodaje Kryzhanivskyy.
Przemysł 4.0 na horyzoncie
Bardziej wydajne technologie obróbki metali mogą przynieść korzyści nie tylko producentom w postaci większej produktywności, ale także konsumentom, do których trafią produkty lepszej jakości. Narzędzia wyposażone w czujniki termiczne na pewno zainteresują podmioty, które dążą do automatyzacji tradycyjnych procesów produkcyjnych i przemysłowych z wykorzystaniem nowoczesnych, inteligentnych technologii lub zasad koncepcji Przemysł 4.0. „Ogólnodostępne narzędzie z czujnikami termicznymi, umożliwiające monitorowanie temperatury w strefie skrawania, do tego działające online, to na razie odległa perspektywa. Na tę chwilę skupiamy się na udoskonalaniu i testowaniu naszego prototypu”, mówi Kryzhanivskyy. Zespołowi udało się już zintegrować urządzenie do bezprzewodowej transmisji sygnału z czujnikami temperatury. Kolejny krok to dalsze usprawnianie systemu, aby umożliwić podejmowanie decyzji na temat warunków obróbki (prędkość, materiał wsadowy, głębokość) na podstawie rozkładu temperatury w narzędziu w czasie rzeczywistym. Prace są teraz realizowane we współpracy z naukowcami z projektów ToolSense i (VINNOVA oraz dzięki finansowaniu z programu Eureka Clusters), a ich celem jest zaprojektowanie, zmodernizowanie i wprowadzenie na rynek czujników do pomiarów i monitorowania online z zakresu sił, wibracji i temperatur podczas obróbki skrawaniem.
Słowa kluczowe
MoMenT, obróbka metali skrawaniem, rozpływ ciepła, obróbka, produkcja, temperatura, algorytm, powłoka, chłodzenie, przemysł 4.0, rezystancja termiczna, czujnik