MOŻLIWOŚCI RACJONALIZACJI KOSZTÓW CIĘCIA WYSOKOCIŚNIENIOWYM STRUMIENIEM WODNOŚCIERNYM

Transkrypt

1 Andrzej KARPIŃSKI MOŻLIWOŚCI RACJONALIZACJI KOSZTÓW CIĘCIA WYSOKOCIŚNIENIOWYM STRUMIENIEM WODNOŚCIERNYM 1. Wprowadzenie Technologia wysokociśnieniowego strumienia wody, zaliczana do tzw. wysokich technologii, odgrywa w ostatniej dekadzie bardzo ważną rolę w zaspokojeniu wymagań w obróbce nowych materiałów inżynierskich i czyszczeniu powierzchni technicznych. Technologia ta, przed rokiem 2001 praktycznie nieznana w Polsce (z wyjątkiem ośrodków naukowych), od kilku lat bardzo szybko zyskuje na popularności w polskim przemyśle, m.in. metalowym, lotniczym, zbrojeniowym, kamieniarskim i in. Powodem tego są korzystne trendy gospodarcze oraz dotacje unijne, a przede wszystkim istotne zalety, jakie oferuje wysokociśnieniowy strumień wody w stosunku do innych metod cięcia, zarówno tradycyjnych mechanicznych, jak i niekonwencjonalnych np. cięcia laserowego, cięcia plazmą oraz wycinania elektroerozyjnego. Są to m.in.: wysoka elastyczność technologiczna: możliwość przecinania większości aktualnie stosowanych materiałów, niezależnie od ich twardości, np. guma, tworzywa sztuczne, metale, materiały kompozytowe i warstwowe, szkło, kamień, ceramika i in; szeroki zakres grubości ciętych materiałów typowo do 150 mm (możliwe jest przecinanie materiałów o grubości nawet powyżej 300 mm); wysoka dokładność wymiarowa ok. ± 0,1 mm i związane z tym wyeliminowanie obróbki wykańczającej (tzw. obróbka na gotowo ); niewielki odpad materiału przeciętna szerokość szczeliny cięcia: 0,8-1,0 mm; brak uszkodzeń cieplnych przedmiotu obrabianego; niewielka uciążliwość dla człowieka i środowiska: w procesie obróbkowym wykorzystywane są wyłącznie produkty naturalne woda oraz naturalne materiały ścierne. Procesowi obróbkowemu nie towarzyszy powstawanie szkodliwych gazów oraz pylenie. Polskie przedsiębiorstwa rozpoczynające swą działalność w obszarze hightech, na mało znanym polu usług cięcia strumieniem wody, przy wysokiej konkurencji, bez stałych partnerów kooperacyjnych i przy wysokich kosztach kredytów inwestycyjnych są wystawione na duże ryzyko ekonomiczne. Ograniczenie tego ryzyka jest jednym z podstawowych warunków stosowania i rozwoju nowych technologii w sektorze małych i średnich firm. Ważnymi czynnikami umożliwiającymi ograniczenie ryzyka niepowodzenia są m.in.: znajomość rynku, solidna znajomość wdrażanej technologii oraz kosztów inwestycji i eksploatacji urządzeń. Wszechstronnej, fachowej pomocy w tej tematyce udziela Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW), który już od 1998 roku prowadzi prace badawczo-rozwojowe z zakresu wysokociśnieniowego strumienia wody (rys. 1). Dzięki dużemu doświadczeniu praktycznemu oraz wysokim kompetencjom naukowym Instytut służy także doradztwem technicznym przy wdrażaniu tej technologii oraz przygotowuje specjalistyczne opinie z tego zakresu, wymagane przy pozyskiwaniu dotacji unijnych oraz kredytów inwestycyjnych. Tematyka podejmowanych w Instytucie prac badawczo-rozwojowych jest ściśle ukierunkowana na potrzeby polskich 26

2 firm stosujących technologię wysokociśnieniowego strumienia wody. Jednym z ważniejszych zagadnień badawczych z tego obszaru realizowanych w IZTW jest racjonalizacja kosztów cięcia strumieniem wodnościernym. Rys. 1. Pomiar obciążenia przedmiotu obrabianego podczas cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym na stanowisku badawczym IZTW. 2. Optymalizacja parametrów cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym przy użyciu oprogramowania WaterJet Optimal Obecna złożoność technologiczna, oddziaływanie parametrów procesu produkcyjnego na wskaźniki techniczne i ekonomiczne, oraz wpływ parametrów zależnych od otoczenia firmy (np. warunki finansowe działalności firmy) wykluczają możliwość tradycyjnego oszacowania wskaźników ekonomicznych działalności firmy, np. kosztu wykonywanych usług. Dodatkowe utrudnienie stanowi fakt, że na polskim rynku usług przeważają małe zlecenia pochodzące od dużej liczby zleceniodawców przy wysokim zróżnicowaniu rodzajów ciętych materiałów. By w takich warunkach prowadzenia usług zachować racjonalne koszty cięcia konieczna jest ich optymalizacja. Biorąc to pod uwagę, w IZTW opracowano oprogramowanie optymalizacyjne WaterJet Optimal rys. 2, które umożliwia automatyczne obliczenie optymalnych parametrów cięcia - prędkości posuwu głowicy tnącej, ciśnienia wody i ilości dozowanego ścierniwa, ze względu na maksymalną wydajność, bądź też najwyższą jakość cięcia [1]. Podstawą do rozwiązania problemu optymalizacyjnego jest baza danych technologicznych, będąca rezultatem przeprowadzonych w IZTW badań eksperymentalnych cięcia różnych materiałów. Procedura analitycznej optymalizacji została sformułowana na podstawie zależności regresyjnych masymalnej głębokości cięcia i chropowatości powierzchni obrobionej od parametrów cięcia. Przejrzysty interfejs programu Water- Jet Optimal umożliwia łatwe sterowanie obliczeniami oraz odczyt wyników optymalizacji. Obliczony łączny koszt cięcia, w większości przypadków decydujący dla klienta zlecającego usługę, uwzględnia m.in. następujące koszty: wody oraz ścieków, ścierniwa, energii elektrycznej, części eksploatacyjnych, robocizny, kredytu inwestycyjnego oraz amortyzacji urządzenia i wyposażenia. 27

3 Rys. 2. Ekran główny programu optymalizacyjnego WaterJet Optimal. Ponadto w strukturze programu uwzględniono wpływ następujących czynników na koszty cięcia: grubość materiału, czas pracy urządzenia w systemie jedno- lub dwuzmianowym, liczba operatorów urządzenia i programistów przygotowujących programy NC, płace godzinowe operatorów i programistów. Duże znaczenie zagadnienia optymalizacji kosztów cięcia dla polskich firm najlepiej odzwierciedla problem związany z wysokimi kosztami ścierniwa. Obecnie w Polsce do cięcia strumieniem wodnościernym używa się wyłącznie importowanego spoza Europy ziarna granatu. Jeśli koszty ograniczyć tylko do kosztów eksploatacyjnych (takich jak: koszt dysz tnących i wodnych, zużycie wody, koszty ścieków, prądu elektrycznego i ścierniwa) okazuje się, że koszt materiału ściernego może sięgać w nich ok. 70 %. W szczególnych przypadkach obróbkowych udział kosztów ścierniwa może wzrosnąć nawet do 90 % całkowitych kosztów cięcia. W takiej sytuacji obniżenie kosztów ścierniwa i racjonalizacja jego zużycia z wykorzystaniem oprogramowania WaterJet Optimal może znacząco podnieść konkurencyjność tej nowej technologii na polskim rynku usług. 3. Racjonalizacja kosztów cięcia materiałów podatnych na uszkodzenia z wykorzystaniem diagnostyki procesu cięcia Jednym z problemów związanych z cięciem materiałów inżynierskich strumieniem wodnościernym pod wysokim ciśnieniem są uszkodzenia przedmiotu w następstwie przypadkowych zakłóceń procesu cięcia. O ile zakłócenia te w przypadku cięcia materiałów metalowych nie są istotne, to w przypadku materiałów podatnych na uszkodzenia, jak np. szkło, ceramika czy włókniste materiały kompozytowe, mogą one prowadzić do poważnego uszkodzenia przedmiotu obrabianego, bądź też do jego całkowitego zniszczenia. W przypadku niewykrycia przez operatora urządzenia uszkodzeń wykluczających dalszą obróbkę przedmiotu (np. pęknięcia przedmiotu wykonanego ze szkła) w momencie ich wystąpienia, proces cięcia jest kontynuowany, co prowadzi do wzrostu kosztów działalności firmy. Jednym ze sposobów ograniczenia tego typu strat finansowych jest zastosowanie opracowanego w Instytucie układu diagnostycznego umożliwiającego rozpoznanie momentu wystąpienia uszkodzenia materiału oraz oszacowanie jego wielkości. 28

4 Układ diagnostyczny wykorzystuje tor pomiarowy, w którego skład wchodzą czujnik drgań oraz czujnik emisji akustycznej [2]. Sygnały generowane przez czujniki podczas cięcia są gromadzone, kondycjonowane i próbkowane przez płytę akwizycji danych a następnie analizowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania. Analizę sygnału przeprowadza się w dziedzinach czasu oraz częstotliwości, a opisu sygnału dokonuje się z użyciem wybranych parametrów charakterystycznych, takich jak np.: amplituda sygnału, wariancja, kurtoza oraz widmo czasowo-częstotliwościowe (spektrogram STFT). Ponieważ ustalonemu procesowi przecinania strumieniem wodnościernym przyporządkowane jest pewne typowe pasmo częstotliwości dla każdej z mierzonych wielkości pomiarowych, to poprzez rejestrację zdarzeń o częstotliwościach spoza tych pasm możliwa jest lokalizacja nietypowych zdarzeń wzdłuż toru cięcia, np. rozwarstwień, pękania itp. Na rys. 3 przedstawiono przykład zastosowania układu diagnostycznego do wykrywania rozwarstwień (delaminacji) włóknistych materiałów kompozytowych. Delaminacja jest dominującym problemem towarzyszącym obróbce tych materiałów (podobnie jak pękanie w przypadku szkła), polegającym na utracie spójności pomiędzy sąsiadującymi ze sobą warstwami kompozytu, co w efekcie może doprowadzić nawet do całkowitego zniszczenia przedmiotu podczas późniejszej eksploatacji. Jak można zaobserwować na rys. 3a sygnał czasowy pochodzący od ustalonego procesu przecinania pozbawiony jest zaburzeń o wysokich amplitudach, a kurtoza i wariancja wolne są od pików. W spektrum czasowo-częstotliwościowym oprócz szerokiego pasma odpowiadającego ustalonemu procesowi usuwania materiału również nie obserwuje się pików. Natomiast, jak przedstawiono na rys. 3b, odcinki sygnału odpowiadające rozwarstwieniu kompozytu są łatwe do identyfikacji w postaci bardzo wysokich wartości amplitud. Jak wykazały szczegółowe analizy, wartości amplitud mogą służyć do skutecznego oszacowania wielkości powstałych uszkodzeń [2]. Uzyskane rezultaty stwarzają podstawy do automatyzacji procesu diagnostyki, co w przypadku produkcji przemysłowej uniezależni jakość wykonania przedmiotu od reakcji operatora urządzenia oraz umożliwi zredukowanie kosztów firm związanych z wytwarzaniem wybrakowanych wyrobów. 4. Wzrost wydajności cięcia z użyciem nowego systemu zasilania ścierniwem Coraz wyższe wymagania ze strony przemysłu pod względem jakości wyrobów oraz wydajności produkcji, doprowadziły w ostatnich kilku latach do skokowego postępu technologicznego w budowie obrabiarek do cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wody. Najważniejsze z innowacyjnych rozwiązań wprowadzonych w tym czasie do użytku, to m.in.: wysokociśnieniowe pompy wody, tzw. wzmacniacze ciśnienia, o maksymalnym ciśnieniu roboczym 6000 bar [3] oraz systemy sterowania on-line położeniem przestrzennym głowicy tnącej [4, 5]. Innowacje te, umożliwiające skokowy wzrost wydajności cięcia, mają bardzo ważne znaczenie dla rozwoju technologii wysokociśnieniowego strumienia wody i pozwalają jej obecnie konkurować nawet w tych obszarach zastosowań, które były dotychczas zarezerwowane wyłącznie dla innych technologii. Jednak, ze względu na wysoką cenę, obrabiarki nowej generacji są obecnie w Polsce bardzo nieliczne. 29

5 Rys. 3. Wykrywanie uszkodzeń włóknistego materiału kompozytowego z użyciem układu diagnostycznego (sygnał z czujnika drgań): a) cięcie bez delaminacji b) cięcie z delaminacjami. Alternatywnym rozwiązaniem, umożliwiającym wzrost wydajności i jakości wykonywania usług cięcia w małych i średnich firmach przy niewielkich, akceptowalnych nakładach inwestycyjnych, jest modernizacja już eksploatowanych urządzeń, m.in. z wykorzystaniem wyników prac rozwojowych zrealizowanych w IZTW. Obiektem intensywnych badań był m.in. system zasilania ścierniwem głowic tnących, odpowiedzialny w dużej mierze za jakość wytwarzanego strumienia wodnościernego. Jak wykazały badania przeprowadzone z użyciem kamery do wykonywania szybkich zdjęć oraz oprogramowania do cyfrowej analizy obrazu [6], bardzo korzystnym rozwiązaniem, prowadzącym do znaczącej redukcji nieregularności transportu ścierniwa do głowicy tnacej i wzrostu stabilności procesu wytwarzania strumienia wodnościernego, jest maksymalne skrócenie przewodu transportowego pomiędzy głowicą a dozownikiem ścierniwa. W efekcie w IZTW zaprojektowano i wykonano nowy rodzaj dozownika ścierniwa tzw. dozownik przygłowicowy rys. 4. Dozownik, o regulowanym precyzyjnie (w zakresie 1 10 g/s) wydatku ścierniwa, został wyposażony w zasilany 30

6 zewnętrznie mini-zbiornik ścierniwa o niewielkich gabarytach. Umożliwia to zainstalowanie go na portalu dowolnej obrabiarki, w bezpośrednim pobliżu głowicy tnącej, co umożliwia skrócenie przewodu transportowego ścierniwa nawet do ok. 200 mm. Na podstawie przeprowadzonych badań technologicznych wydajności cięcia z użyciem nowego dozownika stwierdzono, że jego zastosowanie umożliwiło wzrost maksymalnej głębokości cięcia stali o ok. 12% [6], a w odniesieniu do kompozytów szklano-epoksydowych uzyskiwano wzrost maksymalnej prędkości cięcia (limitowanej przez pojawienie się delaminacji) nawet do ok. 60%. a) b) Rys. 4. a) Stanowisko badawcze IZTW wyposażone w przygłowicowy dozownik ścierniwa. b) Otwór wykonany strumieniem wodnościernym w kompozycie włókno szklane/żywica epoksydowa. Zastosowanie dozownika przygłowicowego umożliwia ponadto rozwiązanie innego, typowego dla obróbki wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym problemu wykonywania otworów w materiałach podatnych na uszkodzenie. Użycie strumienia wodnościernego pod wysokim ciśnieniem powoduje zazwyczaj w takich przypadkach rozległe uszkodzenia materiału obrabianego np. delaminacje materiałów warstwowych, a w przypadku szkła i ceramiki odpryski materiału, a także często pękanie i całkowite zniszczenie przedmiotu. Z drugiej strony zbyt niskie ciśnienie wody prowadzi do problemów z prawidłowym wytworzeniem strumienia wodnościernego w głowicy tnącej przy zastosowaniu starszych typów dozowników ścierniwa, a w efekcie również do uszkodzeń przedmiotu obrabianego. Dlatego dotychczas w przypadku cięcia materiałów podatnych na uszkodzenia stosowano powszechnie wcześniejsze mechaniczne przewiercanie materiału poza obrabiarką, co podnosiło całkowite koszty usługi. Dopiero zastosowanie dozownika przygłowicowego wraz z krótkim przewodem transportowym ścierniwa umożliwia rozwiązanie tego problemu poprzez skuteczne wytworzenie strumienia wodnościernego przy niskim ciśnieniu wody. Przeprowadzone badania technologiczne na szkle oraz kompozytach włóknistych potwierdziły, że jest możliwe skuteczne wykonywanie otworów, zarówno przelotowych, jak i nieprzelotowych w materiałach podatnych na uszkodzenie przy niskich ciśnieniach (ok. 80 MPa) oraz niewielkich (3,5 4,5 g/s) ilościach podawanego ścierniwa. 31

7 4. Podsumowanie Opracowane w IZTW oprogramowanie do optymalnego doboru parametrów cięcia WaterJet Optimal, metoda diagnostyki procesu cięcia z użyciem nowoczesnych technik pomiarowych oraz analizy sygnału, a także nowy system zasilania ścierniwem głowic tnących pozwalają na skuteczną racjonalizację kosztów cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym. Ma to szczególne znaczenie dla małych i średnich firm, dla których, zwłaszcza w początkowej fazie ich funkcjonowania, minimalizacja kosztów wykonywanych usług, przy jednoczesnym zapewnieniu ich wysokiej jakości, ma decydujące znaczenie dla przetrwania tych firm na rynku oraz ich dalszego rozwoju. 5. Literatura 1) Karpiński A., Wantuch E., Lutze H.: Kostenrationalisierung beim Hochdruck-Wasserabrasivstrahlschneiden unter Anwendung von Optimierung der Schneidparameter und Diagnostik des Schneidprozesses. Proc. of International Conference PERSPEKTIVEN Nutzen des Einsatzes der Hochdruckwasserstrahltechnologie zum Reinigen und zum Schneiden, Ha Noi, ) Karpiński A.: Praca doktorska. Politechnika Krakowska, ) Werth H., Hiller W., Luetge C., Koerner J.-P., Pude F., Lefevre I., Lefevre R.: Cutting Performance and Obtainable Quality Applying 6,000 bar Abrasive Waterjets. 8 th Int. Conference on Management of Innovative Technologies MIT 2005, s ) Materiały informacyjne firmy Flow Inc. 5) Materiały informacyjne firmy Omax Inc. 6) Karpiński A.: Possibility of an Increase of Abrasive Water Jet Machining Efficiency by the Development of Abrasive Supply Systems. The 4 th International Conference on Machining and Measurements of Sculptured Surfaces MMSS'2006, s Uprzejmie informujemy, Ŝe nakładem Instytutu ukazał się kolejny zeszyt Prac IZTW w serii Zeszyty Naukowe: Andrzej Karpiński: Wpływ wysokociśnieniowej obróbki wodnościernej na delaminację wybranych materiałów kompozytowych. Prace IZTW, seria Zeszyty Naukowe, nr 86, Kraków: IZTW, 2006, 118 s.: rys.; 24 cm Cena 30 zł Przedstawiona praca poszerza w znaczący sposób aktualną wiedzę na temat cięcia włóknistych materiałów kompozytowych z uŝyciem wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego, kładąc główny nacisk na określenie zbioru przyczyn wywołujących delaminację, czyli utratę spójności między warstwami kompozytu, oraz moŝliwości jej ograniczenia. Zaprezentowane wyniki pozwalają wnioskować, Ŝe głównym powodem powstawania rozwarstwień kompozytów włóknistych przecinanych strumieniem wodnościernym są nierównomierności w dozowaniu ścierniwa do głowicy tnącej. Zaproponowano układ do detekcji rozwarstwień podczas procesu przecinania, wykorzystujący czujniki drgań oraz emisji akustycznej. Układ ten moŝe być uŝywany w praktycznych aplikacjach do cięcia odpowiedzialnych elementów z kompozytów włóknistych. Zamówienia: int@ios.krakow.pl 32