BADANIE PROCESU MIKROSKRAWANIA Z WYKORZYSTANIEM ZINTEGROWANEGO SYSTEMU REJESTRACJI OBRAZÓW SZYBKOZMIENNYCH.

Transkrypt

1 BADANIE PROCESU MIKROSKRAWANIA Z WYKORZYSTANIEM ZINTEGROWANEGO SYSTEMU REJESTRACJI OBRAZÓW SZYBKOZMIENNYCH. Wojciech KACALAK 1, Tomasz KRÓLIKOWSKI 1, Łukasz RYPINA 1 Streszczenie: W artykule przedstawiono badania szlifowania stopu procesu mikroskrawania z wykorzystaniem zintegrowanego systemu rejestracji obrazów szybkozmiennych. Przestawiono metodę rejestracji obrazu umożliwiającą obserwację procesu w zwolnionym tempie. Obraz analizowano przy pomocy kamery szybkościowej Phantom v210, a śledzenie wiórów dokonano przy pomocy aplikacji Tema Motion. W artykule przedstawiono wyniki pomiarów prędkości i przyspieszeń oddzielanego materiału podczas procesu skrawania jednym ziarnem. Przedstawiono wyniki analizy częstotliwości poślizgów, które powstają w wyniku dyslokacji w strefie przed ostrzem. Słowa kluczowe: szlifowanie, mikroskrawanie, szybkościowa analiza obrazu Summary: This paper presents a study on the process of grinding Microcutting stop using the integrated quickimage registration. Changed video recording method that allows the observation of the process in slow motion. Image analyzed by Phantom V210 high speed camera and the tracking chips made using the application Tema Motion. This paper presents the results of measurements of velocities and accelerations separated material during the cutting process one grain. The results of frequency analysis slips that arise as a result of the dislocation in the area in front of the blade. Key words: grinding, micro-cutting grinding, high-speed image analysis 1. WPROWADZENIE Rejestracja obrazu jest ważnym zagadnieniem w nadzorowaniu procesów wytwarzania części maszyn, szczególnie przy produkcji elementów wysokiej jakości. Technika szybkiej fotografii jest narzędziem, które umożliwia zarejestrowanie sekwencji zdjęć za pomocą kamery szybkoklatkowej pozwalającej na obserwację procesu (zjawiska) w zwolnionym tempie. Zastosowanie nowej metody rejestracji w obróbce mikroskrawania daje coraz większe możliwości poznawcze obserwacji zjawisk zachodzących podczas obróbki wykańczającej. W procesach mikroskrawania, zwłaszcza w obróbce bardzo dokładnej, analiza zjawisk i czynników wpływających na jakość powierzchni, nabiera znaczenia decydującego o wynikach procesu. Są nimi między innymi: nieciągłość procesu tworzenia mikrowiórów (w mikro- i submikroskali), cieplne i mechaniczne odkształcenia narzędzia i materiału obrabianego w strefach otaczających ziarna zagłębione w powierzchnię przedmiotu, a zwłaszcza liniowe i kątowe przemieszczenia ziaren ściernych pod wpływem oporów skrawania i wreszcie losowość samego procesu mikroskrawania, tym wyższa im mniejsze są średnie przekroje warstw skrawanych poszczególnymi ostrzami. Szybka zmienność tych zjawisk w czasie,skłania autorów do wykorzystania systemu szybko-klatkowej [5] 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Precyzyjnej, ul. Racławicka 15-17, Koszalin

2 rejestracji obrazu do analizy przemieszczeń podczas mikroskrawania pojedynczym ziarnem. Badanie te dadzą pełniejszą informację o zjawiskach energetycznych w strefie kontaktu ziarna z materiałem. 2. OPIS METODY REJESTRACJI OBRAZÓW SZYBKOZMIENNYCH Obserwację, rejestrację i analizę sekwencji obrazów procesu mikroskrawania przeprowadzono za pomocą zintegrowanego systemu akwizycji obrazu składającego się z: aplikacji TEMA i kamery szybkościowej. Przy rejestracji obrazów szybkozmiennych wykorzystano kamerę Phantom v210, 8GB z Phantom CineMag II 128GB, której parametry akwizycji umożliwiały rejestrację do klatek na sekundę. W procesie rejestracji stosowano dodatkowe oświetlenie punktowe (światło zimne) o jasności 4,6 mln lux [4G, 8G]. Rys. 1. Stanowisko do akwizycji obrazów szybkozmiennych podczas procesu mikroskrawania Wykorzystane w badaniach oprogramowanie Tema Motion jest, wiodącym w świecie, zaawansowanym systemem analizy ruchu, wykorzystywanym w wielu gałęziach przemysłu. Użytkownik korzystając z tej aplikacji ma możliwość śledzić obiekty, zmieniające swoje położenie w czasie, wyznaczać ich parametry przemieszczeń, a wyniki przedstawiać w postaci tabel lub wykresów. Do analizy procesu mikroskrawania zastosowano funkcję śledzenia w trybie 2D. Funkcja ta umożliwia śledzenie punktów w dwóch wymiarach i przedstawia

3 dwuwymiarowe współrzędne dla każdego śledzonego obiektu. Przy realizacji badań stosowano funkcję śledzenia synchronicznego punktów na zarejestrowanych sekwencjach obrazów. Możliwa więc była analiza kilku punktów pomiarowych podczas jednego przejścia skrawającego. Podczas analizy sekwencji filmowej operator ma pełną kontrolę nad procesem śledzenia w systemie Tema. Śledzenie procesu mikroskrawania odbyło się w trybie półautomatycznym z wykorzystaniem algorytmu śledzenia Korelacja. Algorytm ten sprawdza w każdym kolejnym obrazie obszary, które najlepiej korelują ze wzorem podanym w pierwszym obrazie. Metoda korelacji jest najbardziej rozpowszechnionym sposobem śledzenia obiektów w procesach szybkozmiennych [6]. Oparta jest na tworzeniu wzorcowego modelu obiektu, którym może być pierwsza klatka sekwencji badanego obiektu [7]. W następnych klatkach sekwencji zarejestrowanych obrazów poszczególne piksele porównywane są z wzorcem, na podstawie, którego rozpoznawane są jego elementy [8]. Bardzo istotne w tej metodzie jest ustalenie progu dopasowania określającego, kiedy zaznaczony fragment sekwencji zawiera analizowany obiekt [1]. Zgodność właściwej liczby pikseli zostaje poddana klasyfikacji, która określa czy jest to poszukiwany obiekt czy nie. Uzyskanie największej wartości sumy kwadratów oznacza znalezienie badanego obiektu. Metodę korelacji opisuje poniższe równanie: gdzie: W obraz wzorcowy; O sprawdzany obraz; (1) 3. BADANIE ODKSZTAŁCEŃ PROCESU SKRAWANIA W celu walidacji modeli konstytutywnych procesów mikroskrawania realizowanych przez autorów w systemie Ansys Ls-Dyna przeprowadzone zostały badania eksperymentalne na stopie aluminium Al6082-T6. Na obrabiany materiał z dużą dokładnością naniesiona została siatka, która umożliwiła późniejszą analizę odkształceń w systemie Tema

4 Rys. 2. Obraz śladów siatki Proces skrawania został przeprowadzony z użyciem pojedynczego ostrza. W celu rejestracji procesu w jak najwyższej rozdzielczości, prędkość obróbki została obniżona do 0,1 m/s na głębokość 500 µm. Obraz został zarejestrowany z prędkością 2000 kl/s w rozdzielczości 1280x720 pixeli. Badanie to jest modelem rzeczywistego procesu skrawania, które posłużyło autorom jako walidacja modelu komputerowego (warunków brzegowych, modelu materiałowego itp.) procesu skrawania w systemie Ansys. Rys. 3. Stanowisko badawcze zintegrowany system rejestracji obrazów szybkozmiennych

5 Opracowana metoda badań umożliwiła wyznaczenie wartości odkształceń w danej chwili czasu oraz wyznaczenie kątów ścinania materiału. Wygrawerowana siatka pozwoliła wyznaczyć charakterystyczne punkty, które zostały prześledzone algorytmem korelacji. Wyniki odkształceń oraz kąta ścinania φ w analizowanym kroku czasowym przedstawiają poniższe rysunki. Rys. 4. Wyniki odkształceń plastycznych na podstawie względnej zmiany długości śledzonych punktów analizowanego filmu w systemie TEMA Rys. 5. Wyniki pomiaru kąta ścinania φ

6 4. ANALIZA SKRAWANIA STALI ST3 OSTRZEM O KSZTAŁCIE STOŻKA Skrawanie zostało przeprowadzone z obniżoną prędkością skrawania 0,2 m/s co umożliwiło zarejestrowanie w dużej rozdzielczości, procesu powstawania wypływek w rzeczywistym modelu. Na rysunku 6 widoczne są poślizgi w wiórze przed ostrzem, które są skorelowane z grubością płytek mikrowiórów. Rys. 6. Skrawanie stali St3, analiza tworzenia rysy i wypływek Rysunek 7 przedstawia analizę częstotliwości występowania poślizgów, które powstają w wyniku kumulacji dyslokacji w strefie przed ostrzem. Dla prędkości mikroskrawania 0,2 m/s częstotliwość występowania poślizgów wynosi 1,6 khz. Warto zauważyć, że boczne wypływki, zwłaszcza podczas skrawania w warunkach dużej wartości oporów tarcia obrabianego materiału o powierzchnię ostrza, mają postać podobną do postaci tworzącego się mikrowióra. Można zatem stwierdzić, co potwierdzono w badaniach eksperymentalnych, iż spotyka się dwie formy wypływek bocznych materiału, tworzonych po obydwu stronach śladu mikroskrawania: jedna forma to typowa wypływka w postaci plastycznego wypiętrzenia materiału, a druga to boczny, wywinięty łukowo mikrowiór. W tym drugim przypadku, w przekroju poprzecznym do kierunku ruchu ostrza, wypływka jest pusta w środku

7 Rys. 7. Analiza częstości tworzenia się płytkowych elementów wióra w aplikacji TEMA AUTOMOTIV Charakterystycznym zjawiskiem, które zostało zarejestrowane w początkowej strefie kontaktu ziarna z obrabianym materiałem, jest nieciągłość procesu rozpoczynania i przerywania mikroskrawania. Jest to zrozumiałe, skoro nawet proces skrawania z większymi zagłębieniami, uważany za proces ciągły, charakteryzuje się mikronieciągłością tworzenia wióra. Ponadto, jeżeli amplituda drgań ostrza jest porównywalna z zagłębieniami (na przykład poniżej 1 µm), to należy uwzględnić również i to źródło makronieciągłości procesu. Z badań eksperymentalnych jednoznacznie wynika, że boczne spiętrzenia materiału wyprzedzają ostrze i są następnie częściowo usuwane, gdyż powierzchnia wypływek od strony mikrorysy jest gładko ukształtowana przez ziarno. Krawędź górna wypływek jest ostra i w wielu miejscach ma promienie zaokrąglenia mniejsze od 0,1 µm. Przed ziarnem ściernym, między dolną częścią powierzchni natarcia a powierzchnią ścinania materiału obrabianego, tworzy się strefa zastoju materiału, która nie może być stabilna w warunkach bardzo wysokich temperatur oraz nieciągłości naprzemiennego procesu narastania lokalnych odkształceń i oddzielania materiału

8 Rys. 8. Charakterystyczne obszary strefy mikroskrawania Spotykany w literaturze pogląd, że w strefie mikroskrawania istnieje pewien stabilny punkt, rozdzielający strefy przepływu materiału w kierunkach nad obrabianą powierzchnią, pod ziarnem oraz w kierunkach bocznych, nie znajduje uzasadnienia. Przeprowadzone doświadczenie, pozwala stwierdzić, że można mówić tylko o cyklicznie pojawiającym się i losowo zmiennym położeniu obszaru chwilowo ograniczonego przemieszczania materiału. 5. PODSUMOWANIE Analiza procesu mikroskrawania z wykorzystaniem techniki rejestracji obrazów szybkozmiennych pozwala stwierdzić ogólniej, że nieciągłość procesu tworzenia wióra nie jest odstępstwem od stanu stabilnego, wywołanego zakłóceniami, lecz jest stanem stabilizowanych fluktuacji, stanowiących typową cechę procesu. Analiza obrazu, procesu skrawania za pomocą kamery szybkościowej umożliwia dokładną weryfikację i walidację modeli numerycznych, które w dalszych badaniach umożliwią przeprowadzenie analiz numerycznych w skali mikro. Analiza obrazu procesu skrawania potwierdza powstawanie efektu zgniotu w strefie tworzenia wióra na powierzchni bocznej próbki nasady wióra. Wykorzystanie technik rejestracji procesów szybkozmiennych umożliwia analizę plastycznego formowania wióra bez przyjmowanych uproszczeń tj. granica plastyczności jest niezależna od szybkości odkształcenia. Przed ostrzem, między dolną powierzchnią natarcia a powierzchnią ścinania materiału obrabianego zaobserwowano tworzenie się strefy zastoju materiału, która nie może być stabilna w warunkach nieciągłości naprzemiennego narastania lokalnych odkształceń i oddzielania materiału

9 LITERATURA [1] HU, W.; TAN, T.; WANG, L.; MAYBANK, S.: A survey on visual surveillance of object motion and behaviors, Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Reviews, IEEE Transactions on Volume 34, Issue 3, s , [2] TADEUSIEWICZ, R.; KOROHODA, P.: Komputerowa analiza i przetwarzanie obrazów, Wydawnictwo Fundacji Postępu Telekomunikacji, Kraków, [3] SMIATACZ, M.: Automatyczna lokalizacja i śledzenie obiektów na obrazie, Politechnika Gdańska, [4] BRADSKI, G.; KAEHLER, K.: Learning OpenCV Computer Vision with the OpenCV Library, O Reilly Media Inc., 2008 [5] WIŚNIEWSKI A., GMITRZUK M.: Numeryczna analiza komputerowa narzędzie do wspomagania obliczeń zjawisk szybkozmiennych. Mechanik (z.04) [6] C. LU, A. K. TIEU: Measurement of the forward slip in cold strip rolling using a hegh speed digital camera. Journal of Mechanical Science and technology 21 (2007) [7] V. TIWARI, M. A. SUTTON, S. R. MCNEILL.: Assessment of High Speed Imaging Systems for 2D and 3D Deformation Measurements: Methodology Development and Validation. Experimental Mechanics (2007) 47: [8] A. A. DEMCHENKO, V. B. LEBEDEV, G. G. FELDMAN.: Use of Multi-Frame Optical-Electronic Cameras for Measurement of Speeds. Measurement Techniques, Vol. 53, No. 7,