Optimizarea Variantelor Tehnologice de Prelucrare, pe Masini Comandate Numeric

Optimizarea variantelor tehnologice de prelucrare, pe mașini comandate numeric

CUPRINS

1. Introducere

1.1. Argumentarea alegerii temei

1.2. Scopul lucrării

1.3. Obiectivele lucrării

2. Noțiuni generale privind sculele folosite în prelucrarile mecanice

2.1. Introducere

2.2. Materiale folosite în fabricarea sculelor așchietoare

2.2.1. Oțeluri de sculă și aliaje turnate

2.2.2. Carburile cementate pe baza de Wolfram

2.2.3. Producerea sculelor pe baza de carburi

2.2.4. Clasificarea carburilor pentru scule

2.3. Tipuri de scule

2.3.1. Scule din carburi cu acoperire

2.3.2. Scule ceramice și cermet

2.3.3. Scule diamantate. CBN. Scule Whisker

3. Mașini CNC

3.1. Introducere

3.2. Avantajele mașinilor CNC

3.3. Dezavantajele mașinilor CNC

3.4. Clasificare

3.5. Elemente constructive

3.5.1. Configurații de mașină

3.5.2. Masina CNC- frezare

3.5.3. Strungul CNC

4. Optimizarea variantelor tehnologice de prelucrare

4.1. Introducere

4.2. Metode de optimizare

4.2.1. Metoda PSO (Particle Swarm optimization).

4.2.2. Tipizarea proceselor tehnologice.

4.2.3. Tehnologia de grup.

4.2.4. Optimizarea parametrilor de operare, pentru frezare si strunjire.

4.3. Criterii de optimizare

4.4. Principiul matematic a parametrilor de optimizare alesi

4.4.1. Introducere

4.4.2. Modelarea matematica pentru optimizare.

4.4.3. Constrangerile de prelucrare

4.4.4. Viteza maxima de aschiere.

4.4.5. Rata maximă a avansului de lucru.

4.4.6. Constrangerea legata de putere.

4.4.7. Rugozitatea suprafetei.

4.4.8. Analiza rezultatelor.

4.5. Optimizarea reperului 062816B-00 din cadrul firmei Motorstar S.R.L

4.5.1. Introducere

4.5.2. Modelarea 3D a reperului

4.5.3. Tehnologia de prelucrare

4.5.4. Variante de semifabricat

4.5.5. Simularea asistata de calculator

4.5.6. Costuri

4.5.7. Analiza optimizarii

5. Concluzii

6. Bibliografie

7. Anexe

Introducere

Argumentarea alegerii temei

Subiectul abordat este de actualitate și cu utilitate practică în industrie. Alegerea unei variante tehnologice optime de prelucrare, nu numai că îmbunătățește fluxul de producție ci și oferă companiei care alege o astfel de variantă, posibilitatea de a fi competitiva pe piață. Optimizarea fluxului de producție cere cunoașterea în detaliu a tuturor parametrilor de producție ce pot influența traseul tehnologic al unei piese. Acesta necesită timp și costuri în plus. Crearea unei alternative pentru rezolvarea acestei cauze, prin simulări efectuate cu ajutorul calculatorului, nu numai că reduce timpul de a alege varianta optimă dar și costurile vor fi mult mai reduse, deoarece nu vor mai fi folosite materiale pentru efectuarea încercărilor.

Scopul lucrării

Scopul acestei lucrări de disertație este gasirea variantei optime de prelucrare cu ajutorul mașinilor comandate numeric, (mașini CNC). În acest sens se utilizează metodele asistate de calculator pentru modelarea pieselor supuse spre analiză și programe de prelucrare folosind un software de tip CAM respectiv, analiza datelor folosind metode de calcul pentru aflarea imăpactului costurilor asupra producției, a timpilor de prelucrare, menținând totodata calitatea pieselor.

Obiectivele lucrării

Ipoteza de lucru este operationalizată prin urmatoarele obiective:

Utilizarea simularii asistate de calculator pentru determinarea variantei optime:

Realizarea modelelor 3D a pieselor supuse spre analiza.

Realizarea traseelor tehnologice pentru piese.

Alegerea variantelor de semifabricat a pieselor propuse

Variante de trasee tehnologice pentru piesele propuse

Determinarea turatiilor si a avansurilor optime de prelucrare.

Analiza SWAT in vederea selectarii variantei de prelucrare optime.

Efectuarea programului CAM a pieselor propuse.

Variante de programe tip CAM pentru prelucrarea pieselor propuse.

Indentificarea parametrilor de optimizare.

Noțiuni generale privind sculele folosite în prelucrarile mecanice

Introducere

Materialele folosite în fabricarea sculelor aschietoare, variază de la oțel carbon de înaltă calitate, la materiale ceramice și diamante. Aceste materiale sunt folosite în zilele noastre în industria prelucrărilor prin așchiere. Este important să fim conștienti de existența diferențelor între materialele sculelor, indentificarea acestor diferențe și atriburirea corectă a materialelor pentru fiecare tip de sculă [].

Diferiți producători de scule aschietoare, atribuie denumiri și coduri pentru produsul lor. În timp ce aceste coduri și denumiri par a fi similare, aplicabilitatea acestor materiale pentru scule poate să fie total diferită. În cele mai multe cazuri, producătorii de scule așchietoare oferă scule ce sunt confecționate din materialul potrivit tipului de prelucrare. În cazurile unde sunt necesare prelucrări speciale, folosirea unui material de scula mai scump este justificat. Asta nu înseamna că scula aschietoare cea mai scumpa este mereu cea mai bună [].

Clienții ce folosesc în mod constant scule așchietoare, nu pot să-și permită ignorarea schimbărilor și a avansului tehnologic în domeniul materialelor pentru sculele așchietoare. Când o schimbare de sculă este necesară sau anticipată, o analiză de performanță ar trebui efectuată, înainte de selectarea sculei pentru prelucrare []. Scula optima nu este necesar cea mai ieftină sau cea mai scumpă și nu este niciodata aceași sculă folosită într-o operație de prelucrare anterioară. Scula cea mai bună, este aceea care a fost atent aleasă pentru a termina operația cât mai repede posibil, eficient și economic [].

O sculă aschietoare trebuie să aibă urmatoarele caracteristici pentru a putea produce piese economice și de bună calitate:

Duritate: Duritatea sculei așchietoare trebuie menținută la temperaturi ridicate []. (Fig.1)

Rezistență: Rezistența sculelor aschietoare este necesară pentru prevenirea distrugerii, sau apariția fracturilor pe zona activa a sculei, în special cand scula aschietoare lucrează în condiții de prelucrari întrerupte [].

Rezistența la uzură: Rezistența la uzură a sculelor așchietoare înseamnă o durată de viața acceptabilă până cand acestea trebuiesc înlocuite [].

Fig1. (a) – Duritatea diferitelor tipuri de scule așchietoare în funcție de temperatură.

(b) – Variația propietăților diferitelor tipuri de materiale- []

Materiale folosite în fabricarea sculelor așchietoare

Oțeluri de sculă și aliaje turnate

Oțelul carbon convențional: este cel mai vechi material folosit în fabricarea sculelor. El dateaza cu sute de ani in urmă. În termeni simpli este un oțel cu conținut ridicat de carbon(aproximativ, 1.05% carbon). Acest tip de oțel ofera posibilitatea ca materialul sa fie călit, oferind astfel o mai bună rezistență la uzura abrazivă. Oțelul carbon și-a indeplinit roul său foarte bine de mulți ani, dar din cauză ca suferă transformări termice în timpul prelucrarilor si nu suporta temperaturi ridicate (150 °C până la 260 °C), acest tip de material este rar folosit ca și material pentru scule așchietoare. Excepție fac pilele, lamele de ferastrau, daltele etc. Folosirea oțelului carbon normal este limitat la aplicații ce nu rezultă în temperaturi ridicate [].

Oțelurile rapide: Nevoia pentru materiale de sculă ce pot rezista la viteze de prelucrare și temperaturi ridicate, a facut posibila dezvoltarea oțelurilor rapide pentru scule. Diferența majora dintre oțelul carbon normal și oțelul rapid constă în alierea sa cu alte elemente de aliere ce confera oțelului rapid duridate, rezistență la uzură și temperaturi ridicate. Cele mai des utilizate elemente de aliere sunt: Magneziu, Crom, Wolfram, Vanadiu, Molibden, Cobalt și Niobiu. Sculele cele mai des utilizate, li s-au atribuit un cod ce le clasifica în doua serii []:

Seria M – Reprezintă sculele ce au in componența sa un conținut mai ridicat de Molibden.

Seria T – Reprezintă sculele ce au în componența sa un conținut mai ridicat de Wolfram.

Deși cele două serii de scule așchietoare se aseamănă, fiecare servește un scop specific și oferă beneficii semnificative în aplicațiile ce necesită prelucrari speciale.

Tratamentul de suprafață a oțelurilor rapide: Foarte multe tratamente pentru suprafața sculelor au fost create cu scopul încercării prelungirii vieții sculei așchietoare, reducerea consumului de curent electric, cât și controlul altor factori ce afectează condițiile de operare și costurile. Toate aceste tratamente sunt folosite de mulți ani și au demonstrat ca sunt de valoare. Oxidul negru este o suprafață ''murdară'' ce împiedică acumularea de material pe sculă. Una din cele mai recente descoperiri în materie de acoperirii ale sculelor așchietoare este nitrarea cu titaniu prin metoda depozitării fizice a vaporilor. ( PVD – physical vapor deposition) [].

Acest tip de acoperire se face pe suprafața sculei așchietoare în mai multe tipuri de cuptoare speciale, la temperaturi scăzute, și nu este afectată duritatea sculei ce este acoperită din cauza tratamentului termic. Această acoperire extinde viața de lucru și permite sculei lucrul la condiții de prelucrare superioare, turații și avansuri de lucru mari. Viața sculei este extisa de trei ori fața de o sculă cu suprafața neacoperită , sau vitezele de operare pot fi crescute cu pana la 50% [].

Aliajele turnate: Elementele de aliere principale pentru oțelurile rapide, sunt bazate pe concentrații de Cobalt, Crom și Wolfram. Ele îmbunătățesc propietațile de așchiere suficent de mult încât specialiștii în materiale au dezvoltat o famile de aliaje turnate, ce nu au în componența sa ca si element principal Fierul. Spre exemplu o rețetă de astfel de aliaj turnat conține 45% Cobalt, 32% Crom, 21% Wolfram, 2% Carbon. Scopul acestor aliaje este de a obține un aliaj ce are propietăți superioare celor existente și să poata facă fața temperaturilor ridicate de prelucrare. Când se opteaza pentru un astfel de aliaj trebuie ținut cont ca aceste materiale sunt casante și suporți adecvați de sculă trebuiesc luați în considerare. Aliajele turnate oferă rezistență ridicată la abraziune și de aceea sunt foarte folositoare când se prelucrează materiale cu incluziuni dure [].

Carburile cementate pe baza de Wolfram

Carbura de Wolfram a fost descoperită de către Henri Moissan în 1893, în timpul unor cercetări pentru găsirea unei metode pentru crearea diamantelor artificiale. Descoperirea a fost facută prin topirea zaharului amestecat cu oxid de Wolfram într-un cuptor cu arc electric. Carbonizarea zaharului a dus la reducerea numarului de oxizi astfel ducând la carburizarea Wolframului. Rezultatul înregistrat de către Moissan a fost o carbura de Wolfram ce avea o duritate apropiată cu cea a diamantului și depasind-o pe cea a safirului. Materialul creat era foarte casant, iar aplicabilitatea sa în industrie a fost limitată [].

Carburile de Wolfram comerciale au fost produse și introduse pe piața în Germania în anul 1926. Producția aceleași carburi a început în Statele Unite în 1928, iar în Canada în 1930. În acest timp, rețeta carburilor dure consta folosind sistemul bazat pe carbura de wolfram cu lianți bazați pe Cobalt. Aceste carburi aratau performante superioare în prelucrarea fontei, a materilalelor neferoase, dar aveau dezavantaje uriașe cand trebuiau sa prelucreze oțelul [].

Nevoia de a prelucra oțelul eficient cu scule ce conțineau materiale superioare a dus la modificarea patentelor originale și automat la înlocuirea carburilor bazate pe Wolfram cu alte carburi, în special carburi de Tianiu și/sau carburi de Tantal. Aceaste modificări au dus ulterior la crearea carburilor moderne ce a permis prelucrarea la turații ridicate a oțelurilor [].

Fig.2 – Carbura de Wolfram(WC) amestecata cu Cobalt (Co) sub forma de pudră.-[ http://www.stanfordmaterials.com]

Producerea sculelor pe baza de carburi

Termenul de "carbura de Wolfram" descrie o familie de compoziții de carburi dure, folosite la fabricarea sculelor pentru prelucrarea metalelor, matrițe și diverse componente de uzură. În general ace baza de Wolfram

Carbura de Wolfram a fost descoperită de către Henri Moissan în 1893, în timpul unor cercetări pentru găsirea unei metode pentru crearea diamantelor artificiale. Descoperirea a fost facută prin topirea zaharului amestecat cu oxid de Wolfram într-un cuptor cu arc electric. Carbonizarea zaharului a dus la reducerea numarului de oxizi astfel ducând la carburizarea Wolframului. Rezultatul înregistrat de către Moissan a fost o carbura de Wolfram ce avea o duritate apropiată cu cea a diamantului și depasind-o pe cea a safirului. Materialul creat era foarte casant, iar aplicabilitatea sa în industrie a fost limitată [].

Carburile de Wolfram comerciale au fost produse și introduse pe piața în Germania în anul 1926. Producția aceleași carburi a început în Statele Unite în 1928, iar în Canada în 1930. În acest timp, rețeta carburilor dure consta folosind sistemul bazat pe carbura de wolfram cu lianți bazați pe Cobalt. Aceste carburi aratau performante superioare în prelucrarea fontei, a materilalelor neferoase, dar aveau dezavantaje uriașe cand trebuiau sa prelucreze oțelul [].

Nevoia de a prelucra oțelul eficient cu scule ce conțineau materiale superioare a dus la modificarea patentelor originale și automat la înlocuirea carburilor bazate pe Wolfram cu alte carburi, în special carburi de Tianiu și/sau carburi de Tantal. Aceaste modificări au dus ulterior la crearea carburilor moderne ce a permis prelucrarea la turații ridicate a oțelurilor [].

Fig.2 – Carbura de Wolfram(WC) amestecata cu Cobalt (Co) sub forma de pudră.-[ http://www.stanfordmaterials.com]

Producerea sculelor pe baza de carburi

Termenul de "carbura de Wolfram" descrie o familie de compoziții de carburi dure, folosite la fabricarea sculelor pentru prelucrarea metalelor, matrițe și diverse componente de uzură. În general aceste componente sunt compuse din carburi de Wolfram, Titaniu, Tantal sau o combinație ale acestora. sinterizate sau cementate cu un liant tip matrice, de obicei Cobalt [].

Combinarea (blending): Este prima operație după reducerea compușilor de wolfram la o pulbere cristalină de culoare cenusie-albastră, este amestecarea Wolframului și a Carbonului înainte de operația de carburare. Aici, 94 părți cântărite, de Wolfram și 6 părți cântărite de Carbon, a adăugat de obicei sub forma, negru de fum. Cele doua elemente sunt amestecate împreună într-un mixer rotativ sau într-un tambur cu bile. Aceasă operație trebuie efectuată în condiții controlate, pentru asigurarea dispersiei optime a carbonului in pudra de wolfram []. Un astfel de echipament folosit la combinarea elementelor este prezentat in fig. 3.

Fig.3 – Echipament de combinare a pulberilor de carbura metalica, cunoscut si sub numele de tambur cu bile. -[]

Pentru a putea asigura rezistența necesară, la pulberea obinuta este adaugat un alt element, Cobaltul (Co) , ce joaca rol de liant. Din nou acesta pulbere este amestecata timp de cateva zile,într-un mediu controlat ce tine cont de timp și temperatură pentru a putea obține o dispersie uniformă si o pulbere complet omgenizată []. Acest ameste este prezentat in fig.2 de la pag.9 .

Compactarea: Metoda cea mai des folosită, pentru comprimarea pulberilor metalice, este aceea care folosește matrițe prelucrate la forma produsului final. Mărimea matriței, trebuie să fie mai mare decât mărimea produsului final, pentru a putea permite micsorarea dimensională a produsului, operație ce are loc la procesul de sinterizare. Aceste matrițe sunt scumpe, asadar un numar suficient de mare de compactari sunt necesare pentru a justifica, producerea unei matrițe speciale []. Echipamentul de compactare, denumit si presa de pastile (pill press) se poate observa in fig.4. Diverse tipuri de componente sau plăcuțe presate cu acest echipament este prezentat in fig.5

Fig.4 – Echipament de compactare (pill press) [] Fig.5 – Diferite forme de placuțe amovibile[]

O a doua metodă de compactare, este presarea la cald a pulberilor metalice in matrițe din grafit la temperatura de sinterizare. Dupa răcire, componenta a obiținut duritatea maxima. Deoarece matrițele din grafit se pot dilata, acest sistem este folosit doar pentru componentele (pastile ) mari ce nu pot fi produse prin presarea la rece sau sinterizare. Valorile de presiune pentru compactarea la rece depasesc 2000 Bari [].

O a treia metoda de compactare, folosită în special la piesele de dimesiuni mari, este presarea izostatică. Pulberele sunt plasate intr-un container flexibil închis, care apoi imersat intr-un lichid, într-un vas de presiune închis. Acest sistem este avantajos pentru presarea pieselor mari, deoarece presiunea care acționează asupra pulberilor, este uniform distribuită, rezultând o densitate a piesei uniform compactată [].

Sinterizarea: Sinterizarea carburii de Wolfram cu liantul de Cobalt (WC-Co),(vezi fig.7) este efectuat cand , liantul de cobalt se afla in stare lichidă. Amestecul este încălzit în atmosfera de hidrogen sau cuptoare cu vacum, la temperaturi cuprinse între 1370 °C si 1590 °C, în functie de compoziție. Atat timpul cât și temperatura, trebuiesc ajustate pentru a putea obține controlul optim asupra propietăților salecat și controlul asupra geometriei. Produsul compactat se va miscșora cu 16% pe dimensinile liniare sau își va micșora volumul cu 40%. Cantitatea exacta a micșorării depinde de câțiva factori ce includ si marimea particulelor existente în pulbere și compozitia acestuia. Controlul asupra mărimii si a formei este foarte importanta și este factorul cel mai puțin predictibil, în timpul procesului de răcire. În fig.7 este prezentat un echipament folosit în procesul de sinterizare [].

Fig.7 – Cuptor pentru sinterizare []

O descriere schematică a procesului de fabricare a carburilor cementate o reprezinta fig.8

Fig.8 []

Clasificarea carburilor pentru scule

Carburile cementate sunt clasificate in 3 grupe principale:

Grupa materialelor rezistente la uzura. Aceste materiale sunt folosite in special la matrițe, ghidaje pentru construcția de mașini; oriunde este necesară o buna rezistență la uzură [].

Grupa materialelor rezistente la impact. Material folosit la confecțtionarea matrițelor folosite la stanțare sau in industria miniera pentru capul frezelor [].

Grupa materialelor folosite pentru scule aschietoare. Aceasta grupă de materiale de carburi cementate, este și ea împărțită în doua grupe, în functie de aplicabilitatea lor primară. Daca carbura este destinată, prelucrării fontelor, care este un material casant atunci carbura este clasificată ca fiind o carbura pentru fonte. Daca carbura este destinată prelucrării oțelurilor, atunci este clasificată, ca fiind o carbura pentru oteluri [].

Este foarte importantă alegerea si folosirea corecta a carburii metalice pentru fiecare grupa de material ce trebuie prelucrat. Sunt câțiva factori ce trebuie luați in considerare. În fig.9 este ilustrat cum carbura este formata, folosind carbura de Wolfram pură și Cobaltul ca și liant. Carbura de Wolfram formeaza baza sculei aschietoare și de multe ori este folosită in starea aceasta la prelucrarea fontelor, deoarece carbura de wolfram in stare pura, este foarte dură și oferă o bună rezistență la uzura abraziva [].

Adaugarea altor metale de aliere precum : carbura de tantal sau carbura de titaniu ofera beneficii multiple:

pentru carbura de titaniu, cel mai important este ca se reduce tendinta de erodare a suprafetei scule prin preventia formarii de span lung [].

pentru carbura de tantal, creste rezistenta la temperaturi inalte in timpul prelucrarii, reducand astfel deformarile termice [].

Un alt factor ce duce la diferentierea diferitelor carburi pentru diferite grupe de material este marimea grauntelui. Marimea grauntilor carburilor, este controlat in procesul de formare a pulberei in tamburul cu bile( vezi fig.3). In principiu, marimea grauntelui este direct proportionala cu rezistenta sculei aschietoare. In fig.10 si fig 11 sunt prezentate diferite marimi ale grauntilor pentru carbura de wolfram [].

Fig.10 Marimea grauntelui a carburii de Wolfram (0.8 microni poza marita 1500x) compozitie 90%WC si 10% Co []

Fig.11 Marimea grauntelui a carburii de Wolfram (7 microni poza marita 1500x) compozitie 90%WC si 10% Co []

Tipuri de scule

Scule din carburi cu acoperire

Carburile prevazute cu acoperiri speciale există înca din anii 1960. Ele nu si-au atins potentialul maxim pana la mijlocul anului 1970. Primele carburi acoperite, nu erau nimic altceva decat carburi standard care erau supuse unui proces de acoperire. Pe masura ce producatorii de scule au capatat experienta in fabricarea pastilelor amovibile, au inceput sa realizeze că acoperirea era la fel de buna ca si carbura de bază, cunoscut și sub numele de substrat []. Este recomandata luarea in considerare alegerea pastilelor amovibile acoperite pentru majoritatea aplicatiior. Când este folosita o carbura potrivita cu acoperirea potrivită și cu muchiile potrivite, folosite in conditiile pentru care a fost prevazuta carbura, va depasi ca si performanța, sculele neacoperite []. Microstructura unei pastile amovibile este prevazuta în imaginea marita de 1500x din fig.12.

Fig.12 Microstructura unei pastile Fig.13 Microstructura unei pastile

amovibile cu acoperire [] amovibile cu acoperire multistrat []

Numeroase tipuri de materiale pentru acoperiri sunt folosite, fiecare pentru aplicatii specifice. Cele mai comune tipuri de materiale pentru acoperiri sunt:

Carbura de titan.

Nitrura de titan.

Acoperiri ceramice.

Acoperiri diamantate.

Carbonitrura de titaniu.

Este posibila asezarea acestor materiale, în combinații de straturi multiple. Microstructura unei astfel de pastile amovibile marită de 1500x, cu acoperire multistrat este ilustrată în fig.13 de mai sus.

În general, acest proces de acoperire este efectuat printr-un procedeu chimic de depunere a vaporilor (CVD – Chemical Vapour Deposition) fig 14. Substratul de carbura este plasat într-un mediu controlat la temperaturi ridicate. Materialul folosit pentru acoperire este adaugat ca si vapori chimici. Materialul este atras si depozitat in jurul materialului de baza( substratul) de un camp magnetic din jurul acestuia [].

Un alt procedeu de acoperire a carburilor este Depunerea fizica a vaporilor ( PVD – Physical Vapour Deposition) fig 14 [].

Fig.14 Procedeele de acoperire CVD si PVD []

Acoperirea cu carbura de titan. Dintre toate tipurile de acoperiri, acoperirea cu carbura de titan este cea mai des utilizata. Carbura de titan este folosita ca acoperire la foarte multe substraturi (material de baza) pentru diferite aplicatii si prelucrarea materialelor diferite. Acoperirea cu carbura de titan, permite folosirea unor regimuri de aschiere mai ridicate, datorita rezistentei superioare la uzura abraziva, formarea cavitatilor in pastila amovibila, si o rezistenta ridicata la temperaturi ridicate in timpul prelucrarii [].

Acoperirea cu nitrura de titan. Sculele acoperite cu nitrura de titan pot fi usor indentificate datorita aspectului, ele prezinta o culoare aurie la suprafata. Avantajul oferit de catre aceasta acoperire sunt similare cu ale sculelor acoperite cu carbura de titan. Niturura de titan este mai alunecoasa, permitand astfel spanului sa fie sa treaca pe deasupra in zona taisului cu o forta de frecare mai mica.[]

Fig.15. Scula cu acoperire de nitrura de titaniu (TiN)

[ http://swlaind.com/products/cutting-tools/end-mills/]

Acoperirea ceramica.Deoarece oxidul de aluminiu (ceramica), este extrem de dur si casant, nu este indicat pentru prelucrarile intrerupte. Chiar si cu aceste limitari, oxidul de aluminiu, este cel mai mare contribuitor la carburile acoperite. Ceramicile pe baza de oxid de aluminiu, ofera posibilitatea prelucrarilor metalice la regimuri de aschiere mai ridicate decat celalate tipuri de carburi acoperite, deoarece au o rezistenta superioara la uzura abraziva, si o rezistenta mare la temperaturi ridicate si interactiuni chimice [].

Fig.16. Scule cu acoperire ceramica (Oxid de alauminiu)

[http://www.alibaba.com/product-detail/alumina-ceramic-cutting-blade-ceramic-tip_1461646763.html]

Acoperirea diamantata. O dezvoltare recenta, ce se preocupa cu utilizarea diamantului policristalin sub forma de acoperire pentru sculele pe baza de carbura de titaniu. Probleme sunt legate de aderenta filmului de diamant la substrat sau la materialul de baza si diferenta dilatarii termice dintre diamant si materialul de baza. Acoperiri diamantate cu strat subtire sunt deja disponibile (fig.17), folosind procedeul de acoperire PVD sau CVD. Sculele acoperite cu strat de diamant sunt foarte eficiente in prelucrarea materialelor abrazive cum ar fi aliajele de aluminiu ce contin silicon, material din fibre de ranforsare si grafit. Imbunatatiri in durata din viata a sculei, pana la de 10 ori mai mult fata de sculele cu alte tipuri de acoperiri [].

Fig.17. Scule cu acoperire diamantata []

Acoperirea cu carbonitrura de titaniu. (Acoperiri multistrat de culoare neagra). Carbonutrura de titaniu apare de obicei, ca strat intermediar intre doua sau trei straturi de acoperiri. Rolul acestei acoperiri este unul neutru, de a ajuta celalate tipuri de acoperiri sa adere la suprafata si sa formeze o strucutra tip sandvis, structura prezentata in fig.13. Alte combinatii de acoperiri multi-strat sunt in curs de dezvoltare, pentru a putea prelucra aliaje de otel inoxidabil si aliaje folosite in industria aerospatiala. Acoperiri pe baza de crom cum ar fi carbura de crom sa dovedit a fi foarte avantajoasa in prelucrarea materialelor mai moi precum aluminiu, cupru sau titaniu [].

Sunt cativa factori ce trebuie luati in considerare atunci cand se folosesc carburile acoperite. Carburile acoperite nu mereu vor depasi ca si performata carburile neacoperite, dar din cauza beneficiilior oferite, ele ar trebui luate in considerare ca si prima optiune cand vine vorba de selectarea sculelor pentru prelucrari. Cand comparam preturile carburilor, va exista o mica diferenta atunci cand sunt considerate beneficiile carburilor acoperite. Deoarece ele sunt mai rezistente la uzura abraziva, rezistente la formarea cavitatiilor si rezistente la temperaturi ridicate de prelucrare astfel, viata sculei este extinsa, reducand totodata inlocuirea sculelor Carburile acoperite permit prelucrarea metalelor la regimuri de lucru superioare, reducand astfel costurile de productie. [].

Scule ceramice și cermet

Oxidul de aluminiu ceramic (Al2O3), material pentru sculele aschietoare, a fost prima oara produs in Germania in jurul anului 1940. In timp ce ceramicele au avut o dezvoltare lenta in materie de materiale pentru scule, cele mai multe imbunatatiri au fost facute la mijlocul anului 1970. Cermeturile sunt o combinatie de materiale ceramice si carbura de titaniu. Cuvantul cermet deriva din cuvintele "ceramic" si "metal" [].

Sculele ceramice. Sculele ceramice sunt fabricate din materiale non-metalice. Acest lucru pune aceste scule intr-o categorie diferita fata de sculele de tip HSS sau sculele din carbura metalica fig.18. Folosirea ceramicelor ca si scula de prelucrat, prezinta avantaje distincte, dar si dezavantaje. Aplicabilitatea sculelor ceramice este limitata deoarece sunt extrem de fragile si casante. Sunt doua tipuri de materiale ceramice; material ceramic presat la cald si material ceramic presat la rece [].

Fig.18. Scule ceramice []

La ceramicele presate la cald, de obicei prezinta o culoare gri sau neagra, grauntii oxizior de aluminiu sunt presati la presiuni extrem de ridicate, la temperaturi foarte mari sub forma unui lingou, dupa care este adus la forma de pastila de strung [].

Ceramicele presate la rece, de obicei prezinta o culoare alba, grauntii oxizilor de aluminiu sunt presati si ei la presiuni extrem de ridicate dar la o temperatura scazuta. Lingourile apoi sunt sinterizate pentru a putea asigura lipirea. Aceasta procedura este similara cu producerea carburilor, doar ca nu se foloseste liant [].

Sculele cermet. Procesul de fabricare a sculelor cermet, este similar cu cel al producerii sculelor ceramice presate la cald. Materialele folosite sunt 70% material ceramic si 30% carbura de titaniu si presate in lingouri sub actiunea presiunei si a temperaturilor extrem de ridicate. Dupa sinterizare, lingourile sunt taiate in forma geometrica a sculei dorita, ulterior operatii de rectificare pentru forma geometrica finala si prepararea muchiilor vin in completarea procesului de productie a pastilelor cermet. Rezistenta sculelor cermet este superioara celor ceramice, asadar cermeturile sunt pretabile si pentru prelucrarile intrerupte si [].

Scule diamantate. CBN. Scule Whisker

Materialele descrise aici nu sunt folosite in mod uzual in prelucrarea grea a metalelor. Ele sunt folosite mai mult in prelucrarea metalelor cu sisteme de productie automate ce folosesc regimuri de aschiere ridicate pentru finisarea suprafetelor de precizie [].

Fig.19. Scule din diamant []

Diamantul. Cele doua tipuri de diamante folosite in industrie ca si scula aschietoare sunt diamantele industriale naturale si diamantele sintetice denumite si diamante sintetice policristaline. Din cauza ca diamantele sunt formate din carbon pur, ele prezinta o afinitate pentru carbonul prezent in materialele metalice, fapt ce face prelucrarea metalelor destul de dificila, asadar este pretabil doar pentru materialele non-metalice [].

Nitrura cubica de bor (CBN- Cubic Boron Nitride). Nitrura cubica de bor este similara cu diamantul in structura sa policristalina, dar prezinta legaturi si cu o baza din carbura. Exceptand titaniul si aliajele pe baza de titan, CBN, va functiona ca si scula aschietoare aproximativ pe toate tipurile de material. Totusi folosirea nitrurii cubice de bor la materialele ce se prelucreaza greu nu este recomandata. CBN lucreaza cu regimuri de aschiere joase, in jur de 600 SFPM. Totusi CBN ar trebui considerat ca scula folosita la prelucrarile de finitie. Rigiditatea machinii si a setarii dispozitivului este un factor important atunci cand se folosesc scule CDN sau scule diamantate [].

Scule tip Whisker cu material de ranforsare ( Whisker-reinforced Materials). Pentru a putea imbunatati performantele sculelor aschietoare in materie de uzura, la prelucrarea materialelor noi si materialelor composite, sculele tip whisker cu material de ranforsare au fost dezvoltate. Ele includ ca si material de baza nitrura de silicon si oxid de aluminiu, ranforsat cu carbura de silicon ( SiC). Astfel de scule sunt foarte performante in prelucrarea materialelor composite si non metalice. Ele nu sunt potrivite pentru prelucrarea otelului sau a fontelor [].

Mașini CNC

Introducere

Tehnologia "Controlul numeric" așa cum o știm astăzi, își are începutul la mijlocul secolului 20, tehnologie dezvoltată de Statele Unite ale Americii, Armata americană și Institutul tehnologic din Massachussets (MIT) în 1952. Această tehnologie a fost folosita în producție abia la începutul anului 1960. Adevarata revoluție in domeniul mașinilor CNC a fost în jurul anului 1980 cand au început să apară pe piață componente electronice ieftine și micro calculatoarele la preturi accesibile [].

Definiție: Ce înseamnă controlul numeric?

Controlul numeric poate fi definit ca pe o operație a mașinii-unealtă ce are la baza un set de instrucțiuni ce sunt comandate/ procesate de către unitatea de control a mașinii [].

Instrucțiunile, sunt o combinație de litere ale alfabetului, numere și un set de simboluri. Toate instrucțiunile sunt scrie într-o ordine logica cu o forma predeterminată. Colecția tuturor instrucțiunilor pentru realizarea unei piese, poartă numele de program numeric, program CNC, sau programul piesei. El poate fi stocat pe ori ce suport electronic și se pot obține același rezultate ori de câte ori este rulat pe mașina unealtă [].

Avantajele mașinilor CNC

Creșterea productivității

Sunt de înaltă precizie și repetabilitate

Reducerea costurilor de producție

Reducerea costurilor de operare indirecte

Facilitarea operațiunilor de prelucrare complexe.

Flexibilitate ridicată

Planificarea producției, îmbunătățire și control

Nu necesită calificare superioară a operatorului

Facilitarea de automatizare

Dezavantajele mașinilor CNC

O investiție inițială mare.

Cerințe întreținere ridicată.

Nu sunt eficiente pentru costurile reduse de producție

Necesită programare

Clasificare

Mașinile CNC acoperă o gama variată de tipuri. Numărul lor este în creștere odată cu avansul tehnologic în domeniu. Este imposibilă indentificarea tuturor aplicațiilor mașinilor CNC dar cele mai utilizate sunt clasificate astfel:

Freze și centre de prelucrare prin frezare

Strunguri și centre de prelucrare prin strunjire

Mașini de gaurit

Mașini de profilat, și alezat

Mașini cu prelucrare prin electro-eroziune

Mașini de rectificat

Mașini de sudat

Elemente constructive

Configurații de mașină

Foarte multe tipuri de mașini-unealta, sunt utilizate în industrie. Majoritatea mașinilor, sunt centre de prelucrare și strunguri CNC. Ele sunt urmate de mașinile cu prelucrare prin electro-eroziune, și mașini configurate special pentru prelucrari complexe. Această lucrare se va axa doar pe doua tipuri de mașini CNC. Centrul de prelucrare CNC și strungul CNC [].

Masina CNC- frezare

Descrierea mașinilor unelte este atât de vastă, încât se poate scrie o carte numai despre ele. Toate mașinile de prelucrari mecanice, de la cele mai simple pana la cele în 5 axe, pot fi incșuse in aceasta categorie. Ele variaza in dimensiuni, capabilitati care se preteaza pe diferite tipuri de prelurări, etc. Dar toate au in comun un singur lucru – axele primare X si Y și datorită acestului lucru ele se mai numesc si mașini XY. []

În aceastra categorie de masini XY, intra si masinile ce pot efectua prelucrari prin electroeroziune, laser, si masini de debitare cu jet de apa, etc. Deși ele nu intra in categorial masinilir ce pot efectua prelucrari de frezare, ele sunt mentionate deoarece programarea lor este similara cu cea a unui centru de prelucrari. Cel mai bun exemplu ar fi operatia de conturare (contouring), process similar multor mașini CNC.[]

Masina CNC pentru frezare poate fi definita astfel:

"Masina de frezat, este o masina capabila să execute miscari de taiere simultane, folosind o freza dreapta ca si scula aschietoare primara, impreuna cu cel putin doua axe în acelasi timp []."

Configurațiile centrului de prelucrare CNC se împart în trei categorii

Dupa numarul de axe ( doua, trei sau mai multe)

Dupa orientarea axei ( verticală, orizontală)

Dupa prezența sau absența schimbătorului de sculă

Masinile de frezat care care au miscarea brosei principale in sus sau jos, sunt catalogate ca fiind masini verticale fig 20, iar cele care au miscarea brosei de tip intrare sau iesire, sunt catalogate ca fiind masini orizontale fig21.

Fig.20. Masina de frezat verticala [] Fig.21. Masina de frezat orizontala []

Masinile orizontale. Masinile orizontale, sunt foarte avantajoase pentru prelucrarea componentelor de tip cutie cum ar fi carcasele pentru cutiile de viteza, ce au foarte multe trasaturi geometrice ce necesita prelucrari pe suprafetele laterale. Masina orizontala , suporta cu usurinta componente grele de prelucrat pt acest tip. Daca este adaugata o masa rotativa, cele 4 fete laterale pot fi prelucrate fara a mai fi necesara repozitionarea piesei. Sistemul de paletare este folosit pentru permutarea pieselor fig 22 [].

Fig.22. Centru de frezat orizontal cu sistem de paletare – Cincinnati []

Masinile verticale. Masinile verticale sunt in general preferate pentru prelucrarile componentelor plate care au gauri strapunse. Fixarea acestor componente pe dispozitiv este relativ usoara. Masina de prelucrat vertical, este preferata atunci cand cele 3 axe sunt folosite la prelucrarea unei singure fete, cum ar fi pentru o matrita [ ]. Un centru vertical de prelucrare este ilustrat in fig 23.

Fig.22. Centru de frezat vertical []

Strungul CNC

Strungul este una dintre cele mai utilizate mașini-unelte, este foarte versatil atunci când este utilizat de către un mecanic calificat. Totuși, acesta nu este deosebit de eficient atunci multe părți identice trebuie prelucrate cât mai repede posibil. Încă din 1850 au fost facute eforturile de a dezvolta variante ale unui strung care ar putea fi operat de o persoană necalificată pentru piesele produse în masă [].

Tipuri de strunguri

In principiu, strungurile CNC pot fi clasificate dupa modul de proiectare sau dupa numarul de axe. Cele doua tipuri de baza sunt strungurile CNC verticale fig.22 si strungul CNC orizontal fig.23. Din cele doua cel mai comun strung folosit este cel orizontal. Un strung vertical nu este atat de mult folosit dar este de neinlocuit cand vine vorba de prelucrarea diametrelor foarte mari. Pentru un porgramator CNC, nu sunt diferente majore in programarea acestor doua tipuri de strunguri [].

Fig.22. Strung CNC vertical []

Fig.23. Strung CNC orizontal []

Numarul de axe

Diferenta cea mai comuna dintre strungurile CNC, este numarul de axe programabile. Strungurile CNC verticale are doua axe in toate variantele proiectate valabile. Strungul cel mai comun, cel orizontal, cu doua axe programabile, dar el vine si in varianta cu trei axe, patru axe si sase axe, adaugandu-se astfel o flexibilidate prelucrarii pieselor complexe [].

Optimizarea variantelor tehnologice de prelucrare

Introducere

De ce este necesara optimizarea?

“4½ hours of programmer time spent on optimization saved us $75,000!”

"4½ ore petrecute pe optimizare, ne-a economisit 75,000$! "

Brian Carlson, Programming Manager,Aerospace Dynamics, International

Procesul de așchiere ocupă o pondere însemnată în ansamblul metodelor de fabricație. Din acest motiv cercetările privind optimizarea proceselor de prelucrare mecanică prin așchiere necesită o dezvoltare continuă. Valorile optime ale parametrilor procesului de așchiere trebuiesc obținute în raport cu condițiile tehnice și economice impuse, fără a impune condiții generale pentru procesul de așchiere [].

Astfel cunoașterea valorilor parametrilor procesului de așchiere este o condiție necesară pentru ca procesul de așchiere să se desfășoare în condiții de stabilitate iar productivitatea, precizia prelucrării, consumurile de scule și energie, etc. să se obțină în final la valori prescrise. Majoritatea cercetărilor efectuate până în prezent au avut ca obiectiv determinarea parametrilor procesului de așchiere în funcție de un singur criteriu. Valorile obținute sunt optime din punct de vedere al acelui criteriu considerat, dar aceste valori obținute nu pot fi aplicate în practică deoarece nu s-au avut în vedere și alte criterii [].

Rezolvarea, din punct de vedere matematic, nu este conformă deoarece se pun probleme de maxim și de minim (forțe, rugozitate minime, durabilitate maximă). Satisfacerea maximală a tuturor criteriilor de optimizare ar presupune obținerea unor valori optime absolute pentru parametrii procesului. Acest lucru este imposibil deoarece parametrii de lucru influențează diferit asupra criteriilor de optimizare considerate. Astfel, apare necesitatea dezvoltării unei metodologii de optimizare a parametrilor procesului de așchiere luând în considerare cât mai multe criterii. În acest sens este necesar să se studieze influența fiecărui parametru asupra criteriilor, care permite ulterior o ordonare a ponderii influențelor exercitate de parametrii procesului asupra criteriilor [].

Metode de optimizare

Pentru ca procesul de așchiere să se desfășoare în condiții de stabilitate iar productivitatea, costurile, precizia prelucrării, consumul de scule și energie să aibă valorile prescrise, se impune realizarea unor optimizări.

În orice situație reală, pentru prelucrarea unui anumit reper pot fi utilizate mai multe variante tehnologice. Chiar dacă toate aceste variante ar fi valabile, numai una din acestea este optimă. Se preconizează în tehnologia modernă căutarea pe bază științifică a soluției sau soluțiilor care duc la desemnarea variației optime.

Orice tendință de optimizare trebuie să plece de la anumite cerințe numite în cazul de față criterii. Acestea pot fi de natură diferită, în funcție de specificul procesului de fabricație. Astfel de criterii ca: precizia dimensională și calitativă, costul de prelucrare, productivitatea, recuperarea investițiilor s.a. sunt cele mai des întâlnite.

Metoda PSO (Particle Swarm optimization).

Introducere. Metoda PSO (Particle Swarm optimization), este o tehnologie relativ noua, pentru optimizarea functiilor ne-liniare. Prima wara a fost prezentata in 1995. Jim Kennedy a descoperit o metoda prin simularea unui model social simplificat, unui grup strans de pasari. PSO este un concep simplu, iar paradigmele sunt implementate in cateva linii de cod de calculator [].

Este necesar doar de cativa operatori matematici primitivi, asadar face computarea foarte ieftina si cu un consum scazut legat de cerintele de viteza si memorie. Partea specifica a metodei PSO este una din avantajele sate in comparatie cu alte metode de optimizare. Fiintele naturale de obicei au comportament de grup(roi). Unul din obiectivele principale a vietii artificiale este a da cerceta si examina cum vietatile au comportament de roi si isi a replica principiul intr-un calculator [].

Metoda PSO este o alternativă eficientă față de alte metode stocastice și algoritmi de căutare bazate pe populație , mai ales atunci când se ocupă cu probleme de optimizare de tip multi- obiectiv . Este relativ ușoara punerea în aplicare și are mai puțini parametri de a ajusta, comparativ cu algoritmi genetici. După cum s-a menționat mai sus, retelele neuronale sunt utilizate pentru a modela relațiile complexe în proces de și un sistem de optimizare integrat de rețele neuronale și particule de tip roi, sunt utilizate în rezolvarea problemelor multi- obiectiv observate în operatiile de frezare (fig . 1 ) .

Fig.24.Metoda PSO bazata pe schema neuronala de optimizare []

Adaptarea metodei PSO, la optimizarea operatiilor de frezare. Prentru a putea cauta parametrii optimi de proces,modelul retelei neurnoale a fortelor de aschiere, au fost integrare cu un optimizator de particule de tip roi.

Arhitectura sistemului este aratata in fig.24. Procesul de optimizare executa doua faze. In prima faza, modelul de predictie neuronal, avand ca baza conditiile recomandate de prelucrare, genereaza o suprafata 3D a fortelor de aschiere, ce reprezinta spatiul fezabil pentru solutia algoritmului PSO. Suprafata fortelor de aschiere este limitata de plane ce reprezinta constrangerile a procesului de aschiere. Sapte constrangeri, ce sunt indetificate in specificatiile tehnologice sunt considerate in timpul procesului.

Algoritmul PSO genereaza un roi de particule pe suprafata fortelor de aschiere in timpul fazei a doua. Roiul de particule, zboara deasupra fortelor de aschiere si cauta valorile maximale a fortelor de aschiere. Coordonatele unei particule ce a gasit valoarea maxima(acceptata) reprezinta valoarea optima a conditiilor de prelucrare. fig. 25 reprezinta o schema logica a metodei PSO pentru operatia de frezare.

Fig.25.Metoda PSO bazata pe schema neuronala de optimizare []

Tipizarea proceselor tehnologice.

Prin tipizarea proceselor tehnologice trebuie înțeles generalizarea unor soluții tehnologice la cât mai multe piese, putând efectua la nivel intern (de întreprindere, centrală, ramură etc.) o normalizare a tehnologiilor.

Tipizarea presupune:

gruparea pieselor pe familii de piese

proiectarea piesei reprezentative a familiei, numită piesă complexă. Piesa complexă poate fi o piesă reală sau fictivă.

proiectarea unui proces tehnologic-tip, optim pentru piesa complexă

procesul tehnologic optim pentru fiecare piesă reală din familie se poate deduce ușor din procesul tehnologic tip al piesei complexe.

este necesară utilizarea unui anumit sistem de codificare (cum ar fi de exemplu cotarea literară a pieselor din familie).

În concluzie, tipizarea proceselor tehnologice, cere un proces tehnologic unic pentru piese asemănătoare.

Avantajele proceselor tehnologice tip s-au dovedit a fi:

proiectare rapidă, ușoară și eficientă

se scurtează mult timpii de proiectare a tehnologiilor și S.D.V.-urilor

execuția S.D.V.-urilor este optimizată astfel prin câștigul de experiență obținut anterior.

Tehnologia de grup.

Este una din cele mai eficiente metode de tipizare a tehnologiilor, verificate în practică. De data aceasta însă, principiile tipizării sunt aplicate în cadrul producțiilor de serie mică, ducând la o considerabilă creștere a productivității și a costului prelucrării. Într-un fel se poate afirma că astfel se împrumută producțiilor de serie mică avantajele fabricației organizate conform producțiilor de serie mare și masă.

Tehnologia de grup urmărește următoarele:

reducerea necesarului de variante tehnologice existente;

folosirea avantajelor proceselor tehnologice din producția de serie mare și masă, prin utilizarea unor echipamente tehnologice de mare productivitate.

Tehnologia de grup permite mărirea loturilor de fabricație, precum și lucrul în flux. Trebuiesc realizate următoarele etape:

– clasificarea pieselor pe grupe și tipuri (pornind de la clase și subclase);

proiectarea și realizarea dispozitivelor de grup și schema lor de reglare a sculelor;

modernizarea echipamentelor existente sau proiectarea și realizarea mașinilor unelte speciale, în vederea creșterii productivității;

normalizarea semifabricatelor.

Fig.26. Grupare de piese similare []

În fig. 26. se arată o grupă de piese, iar fig. 27. conține un grup de piese cu piesă convențională (complexă).

Există diverse sisteme de clasificare a pieselor, dintre care amintim cele mai semnificative: OPTIZ (Germania), VPTIT, LITMO, PTNII (Rusia), BRISH-COMBINSKI (Anglia), ZAFO-ZAOME (Franța) și UHBv (România). Toate au la bază o clasificare pe bază de coduri.

Întregului sistem de tipizare a proceselor tehnologice, inclusiv tehnologiei de grup trebuie acordată o mare importanță. Motivul principal este acela că în condițiile actuale, chiar și în țările puternic industrializate, producțiile de serie mare și masă nu sunt predominante. (De exemplu în S.U.A., producția de serie mică are o pondere de cca. 75% – în industria construcțiilor de mașini – ceea ce permite schimbarea cu rapiditate a produsului fabricat).

Fig.27. Grup de piesa conventionala []

Optimizarea parametrilor de operare, pentru frezare si strunjire.

Majoritatea metodelor utilizate în prezent au în vedere de regulă doar un singur criteriu de optimizare, cele mai multe probleme abordând optimizarea regimului de așchiere. Optimizarea clasică a parametrilor regimului de așchiere se rezumă la rezolvarea unui model matematic, format dintr-o singură relație care exprimă un criteriu în funcție de care se urmărește realizarea optimizării [].

Literatura mai veche propunea inițial o optimizare a geometriei sculei și apoi a parametrilor regimului de așchiere, considerându-se parametrii geometrici constanți, neținându-se seama de influențele cumulate ale parametrilor geometrici și a parametrilor regimului de așchiere asupra procesului de așchiere. Analiza valorilor constantelor, exponenților sau a coeficienților de corecție care se regăsesc în diversele modele propuse relevă existența unor diferențe mari de la un model la altul sau dimpotrivă, domeniul de valori recomandat este foarte larg [].

Unele relații cuprind în structură contribuția mai multor factori de influență ca elemente comune fiind: viteza de aschiere, avansul de aschiere, natura materialului așchietor etc. Simultan cu cerințele de productivitate maximă, așchierea trebuie să satisfacă și cerințe privind precizia de prelucrare, costurile de prelucrare, consumul de energie, materiale și scule, etc. Optimizarea parametrilor procesului de aschiere nu poate fi realizată dacă nu se cunoaște influența fiecărui parametru și influența de ansamblu asupra criteriilor [].

Criterii de optimizare

În acest capitol s-a realizat o trecere în revistă și o analiză succintă a criteriilor utilizate la optimizarea parametrilor procesului de așchiere. Realizarea optimizării parametrilor procesului de așchiere presupune însă cunoașterea criteriile în funcție de care se dorește această optimizarea și valorile care se doresc a fi obținute. în acest sens, cursul de față evidențiază valorile de referință și mărimile reprezentative pentru aceste criterii [].

Mulțimea obiectivelor este direct legată de mulțimea criteriilor, un obiectiv desemnând o anumită valoare impusă sau extremă (minimă sau maximă) dintr-un anumit domeniu al valorii posibile pentru criteriul considerat. în tabelul 2.1 sunt prezentate criteriile și obiectivele care în general se doresc a fi obținute[].

Tabelul 2.1

Pentru fiecare criteriu considerat trebuie să se stabilească mărimile de referință precum și valorile de referință care se doresc a fi obținute pentru criteriile considerate în urma optimizării. Astfel funcția economică, funcția scop sau funcția criteriu va fi evaluată după caz în unități bănești, în unități de timp, de energie, de distanță, etc, (tabelul 2.2) în orice acțiune de producție pot exista mai multe obiective care trebuiesc atinse, dar funcția economică de optimizat, atașată acțiunii respective trebuie să fie unică. [14, 85]

Tabelul 2.2

Productivitatea prelucrării prin așchiere este de dorit să atingă valori cât mai mari, dar această dorință la prelucrare este limitată de prelucrabilitatea materialului așchiat, de calitățile așchietoare ale sculei, de organizarea producției, de calitatea și gradul de automatizare ale sistemelor tehnologice, respectiv de calificarea operatorilor/executanților cît și de pregătirea și experiența profesională a inginerilor tehnologi [].

Optimizarea procesului funcție de criteriul productivității necesită cunoașterea valorilor posibile care pot fi realizate, cât și dependența productivității de parametrii procesului de așchiere. Productivitatea poate fi considerată funcție obiectiv, căreia i se va pune condiția de maxim. De obicei dintr-un anumit domeniu al valorii posibile pentru criteriul considerat se alege valoarea extremă maximă [].

Pentru criteriul costul prelucrării poate fi impusă condiția de minim, deoarece tendința actuală este aceea de reducere a costurilor de prelucrare, respectiv condițiile de lucru optimizate trebuie să asigure obținerea unei prelucrări cu cheltuieli minime, respectiv manoperă redusă și consum cât mai mic de energie, scule și alte materiale. Astfel costul prelucrării prin așchiere trebuie să fie cât mai mic pentru ca optimizarea așchierii să devină eficientă [].

Calitatea și precizia suprafețelor prelucrate reprezintă un criteriu de maximă importanță în condițiile eforturilor generale de ridicare a calității producției, mai ales în cazul operațiilor de finisare[].

În cazul alegerii pentru optimizare a criteriului calitatea și precizia suprafețelor prelucrate, se stabilește ca mărime de referință valorile parametrilor de rugozitate Ra sau Rz iar valoarea de referință va fi cea prevăzută de proiectant pe desenul de execuție al piesei. O valoare inferioară celei indicate pentru aceste mărimi se dovedește a fi nejustificată, deoarece scopul final al așchierii este acela de a genera suprafețe în conformitate cu cerințele de calitate și precizie prevăzute pe desenul de execuție. Din acest punct de vedere impunerea în cazul metodelor actuale de optimizare (care de cele mai multe ori pun problema strict matematic), a unei valori minime pentru aceste mărimi de referință se dovedesc a fi neindicate[].

Realizarea optimizării trebuie să țină seama și de caracterul prelucrării. De exemplu, în cazul degroșării când valoarea obținută pentru rugozitate nu prezintă interes, nu este necesar a se realiza o optimizare considerând drept criteriu de eficiență rugozitatea minimă. Pentru operația de finisare când rugozitatea este un element important este necesar ca optimizarea să se realizeze în funcție de valoarea impusă de desenul de execuție al piesei, deci va avea o valoare impusă și nu o valoare de maxim sau minim[].

În concluzie rugozitatea nu trebuie considerată minimă ci egală cu cea de pe desenul de execuție al piesei. Criteriul precizia și calitatea suprafeței așchiate devine astfel o condiție (criteriu) restrictivă [].

Principiul matematic a parametrilor de optimizare alesi

Introducere

Strunjirea este un proces de prelucrare utilizat pe scară largă în fabricarea componentelor mecanice. Prin urmare, o selecție optimă a parametrilor de tăiere, joacă un rol foarte important pentru a satisface un obiectiv economic în cadrul constrângerilor operatiilor de strunjire. Pentru a determina parametrii optimi de tăiere, modele matematice de încredere trebuie să fie formulate pentru a asocia parametrilor de tăiere cu performanța de tăiere. Cu toate acestea, este de asemenea bine cunoscut faptul că modelele matematice de încredere nu sunt ușor de obținut. În orice problemă de optimizare, este foarte important să se identifice un prim obiectiv numit funcția obiectiv sau criteriu de optimizare [].

In procesele de fabricație, pentru funcția obiectiv este mai frecvent utilizat costul specific. Walvekar și Lambert au utilizat programarea geometrica pentru selectarea variabilelor de prelucrare. Valorile optime atât viteza de tăiere și viteză de avans au fost găsite ca o funcție de adâncime de tăiere în operatiile de strunjire multi-pas. Practic, această procedură de optimizare, ori de câte ori este efectuată, implică diferențierea parțială pentru minimizarea costului unitar, maximizarea ratei de producție sau de maximizarea ratei profitului []. Aceste condiții de fabricație sunt exprimate în funcție de viteza de taiere. Apoi, viteza optimă de tăiere este determinată prin egalarea diferențierea parțială a funcției exprimat la zero. Aceasta nu este o abordare ideală pentru problema obținerii unei așchieri economice. Celelalte variabile de tăiere, în special viteza de avans au, de asemenea, un efect important asupra prelucrarii economice. Prin urmare pentru a realiza o inlaturare economica de material este necesara optimizarea vitezei de aschiere și viteza de avans simultan. Procesul de așchiere depinde de caracteristicile sculelor, materiale de lucru și setările parametrilor mașinii ce influențează eficiența procesului și caracteristica de calitate [].

O îmbunătățire semnificativă a eficienței procesului poate fi obținută prin optimizarea parametrilor de proces care identifică și determină regiunile factorilor critici pentru controlul proceselor care conduc la ieșiri sau răspunsuri cu variații acceptabile ce asigură un cost mai mic de fabricație [].

Scopul acestui capitol este de a construi unui model matematic care descrie funcția obiectiv în ceea ce privește parametrii de tăiere cu unele constrângeri de operare, apoi; modelul matematic a fost optimizat prin folosirea programarii geometrice. Modelul dezvoltat poate fi folosit pentru a determina parametrii optimi de tăiere pentru a satisface obiectivul principal de a obține un timp minim de producție a procesului de strunjire. Rezultatele modelului matematic sunt prezentate in lucrarea lui S.S.K Deepk [].

Modelul prezentat e un mod foarte simplu , eficace și eficient de optimizare a timpului de producție a procesului de strunjire cu în unele constrângeri de operare , cum ar fi viteza maximă de tăiere , rata maximă de alimentare , cerința de putere , rugozitatea suprafeței [].

Modelarea matematica pentru optimizare.

Nomenclator

𝐶01= constanta =

𝐶02= constanta =

𝐶11= constanta =

𝐶0= costul masinii / unitate de timp ($/min.)

𝐶𝑚= costul masinii / piesa ($/piesa)

𝐶𝑡= costul total ($/prelucrari)

d = diametrul piesei de prelucrat (mm.)

𝑓 = rata avansului (mm/revolutie)

F = Forta de aschiere (N)

l = lungimea piesei de prelucrat (mm.)

n and p = constante

𝑃𝑡= timpul de prod./piesa (min./piesa)

R= raza varfului sculei (mm)

𝑅𝑎=media rugozitatii suprafetei (μm)

𝑡𝑐 = timpul de schimbare a sculei (min.)

𝑡ℎ = timpul de manevrare a sculei (min.)

𝑡𝑚= timpul necesar de prelucrare a unei piese

T = viata sculei (min.)

𝑣 = viteza de aschiere (m/min.)

Z = constanta

η = eficienta prelucrarii

𝜆01,𝜆02 𝑎𝑛𝑑 𝜆11 sunt multiplicatori lagrange

.

Timpul de productie a unei singure piese prin operatia de strunjire poate fi exprimată dupa cum urmează:

(1)

(2)

Ecuatia lui Taylor de viata a sculei (T) folosit in ecuatia 2 este data de expresia:

(3)

Unde, n, p si Z depind de foarte multi factori cum ar fi , geoametria sculei, materialul sculei, materialul semifabricatului etc. Substituind Ec. (3) in Ec. (2), se obtine:

(4)

th nu depinde de viteza de aschiere sau rata de avans. Asadar modificarea functiei obiectiv de la Ec. (4) poate fi scrisa ca:

(5)

Constrangerile de prelucrare

Există multe constrângeri care afectează selectarea parametrilor de tăiere . Aceste constrângeri apar din diferite considerente , cum ar fi viteza maximă de tăiere , rata maximă de alimentare , limitările de putere , de finisare a suprafețelor , rugozitate de suprafață, etc.

Viteza maxima de aschiere.

Cresterea vitezei de aschiere influenteaza uzarea sculei, asadar, viteza de aschiere trebuie pastrata sub o anumita limita, denumita viteza maxima de aschiere, exprimata dupa cum urmează:

(6)

(7)

unde

(8)

Prin metoda primara sau duala de programare geometrica, valoarea maxima a functiei duale sau valuarea minima a functiei primara este data de urmatoarea ecuatie:

(9)

Supusa la urmatoarele constrangeri

(10)

(11)

(12)

Constrangerile de non-negativitate sunt:

, (13)

Adaugand la Ec.(10) si Ec.(12), obtinem:

(14)

Din Ec. (10) si Ec.(14), obtinem:

(15)

Din Ec.(11),(14) si (15), obtinem:

(16)

Asadar valoarea maxima a functiei duale si valoarea minima a functiei primare este data de:

(17)

Acum, (18)

Din Ec.(17) si Ec.(18), obtinem valorile optime a vitezei de aschiere sub forma:

(19)

si, (20)

Asadar, din Ec.(19) si Ec.(18), obtinem rata avansului optim exprimata sub forma :

(21)

Rata maximă a avansului de lucru.

In operatiile de prelucrare de degrosare, rata avansului este luata ca si constrangere pentru a obtine rata maxima de productie.

(22)

(23)

Unde, (24)

Urmarind aceasi procedura descriusa pentru prima consrangere, obtinem urmatoarele valori:

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

Constrangerea legata de putere.

Puterea maxima disponibila pentru operatia de strunjire, va fi o constrangere, de care trebuie tinut cont. Puterea disponibila pentru operatia de strunjire este data de urmatoarele ecuatii:

(30)

(31)

Unde, (32)

Urmarind aceasi procedura descriusa pentru prima consrangere, obtinem urmatoarele valori:

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

Rugozitatea suprafetei.

Rugozitatea suprafetii poate fi folosita ca ci constrangere in operatia de finisare. Asadar, ea devine un factor foarte important in determinarea conditiilor de prelucrare de finsare. Rugozitatea suprafetei poate fi exprimata in termeni de avans de prelucrare dupa cum urmeaza:

(38)

(39)

Urmarind aceasi procedura descriusa pentru prima consrangere, obtinem urmatoarele valori:

(40)

(41)

(42)

(44)

(45)

Analiza rezultatelor.

Curbele obținute in fig. 26 între timpul de producție și viteză de aschiere arata ca o valoare mai mică de viteză de tăiere a rezultat un timp mai mare producție. Aceasta se datorează faptului că viteză de tăiere mică mărește timpul de producție a pieselor. De asemenea , acesta va duce la scăderea profitului datorită producerii unui număr mic de piese. Cu toate acestea , dacă viteza de aschiere este prea mare, aceasta va conduce, de asemenea, la un moment de producție ridicata iar datorită uzurii sculelor duce la creșterea timpului in care mașină nu lucreaza. Viteza optimă de tăiere este undeva între " prea lent " și " prea repede " viteza ce arata timpul minim de productie.

Curbele obtinute dintre timpul de producție și viteza de avans indică faptul că o rată de alimentare mica va duce la o marire a timpului de productie . O viteză de avans mai mica înseamnă ca numărul de revoluții ar trebui să crească. Cu cat este mai mare numărul de revoluții, timpul de productie va creste si el.

Nici marirea avansului de lucru nu este recomandabil , deoarece va crește uzura sculei și rugozitatea suprafeței va fi mare, rezultand creșterea timpului de prelucrare și a timpului in care masina nu lucreaza. Asadar , rata optimă a avansului de lucru este undeva între " prea mic " și " prea mare ", care va duce la timpul minim de producție .

Fig.25. Grup de piesa conventionala []

Fig.25. Grup de piesa conventionala []

Optimizarea reperului 062816B-00 din cadrul firmei Motorstar S.R.L

Introducere

Modelarea 3D a reperului

Tehnologia de prelucrare

Variante de semifabricat

Simularea asistata de calculator

Costuri

Analiza optimizarii

Concluzii

Bibliografie

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

Anexe