Ride the Storm: Navigating Through Unstable Periods / Katerina Rudko (Belka G...
SR-PTP-Jusuf Agic.pdf
1. Univerzitet u Tuzli
Mašinski fakultet
Proizvodno mašinstvo
SEMINARSKI RAD
Projektovanje tehnoloških postupaka
Tema: Greške toplotnih deformacija
Student: Agić Jusuf Profesor:Dr.sc.Alan Topčić,red.prof
Br. Indeksa: II-48/16
Tuzla, januar 2022.god.
2. Sadrzaj:
1. Uvod .................................................................................................................................................... 1
2.Greške obrade...................................................................................................................................... 2
2.1 Toplotne deformacije........................................................................................................................ 2
2.2 Greške toplinskih deformacija........................................................................................................... 3
2.3 Termičko opterećenje alatne mašine................................................................................................ 4
2.4 Toplotna opterećenja nastala na izratku........................................................................................... 6
2.5 Uticaj toplote na alat......................................................................................................................... 7
3. Toplotne deformacije kod zavarivanja................................................................................................ 8
4. Zaključak............................................................................................................................................ 10
5.Literatura............................................................................................................................................ 11
3. Popis slika:
Slika 1.1 Faktori koji utiču na tačnost obrade .........................................................................................1
Slika 2.1 Klasifikacija gresaka obrade ......................................................................................................2
Slika 2.1: Primjer pojave toplotnog širenja ............................................................................................ 3
Slika 2.2.1 Promjena položaja elemenata mašine uslijed toplinskih deformacija; a) glodalica, b)
bušilica..................................................................................................................................................... 4
Slika 2.3.1. Termovizijski snimak navojnog vretena i pripadajuće navrtke .............................................4
Slika 2.3.2 Greška pozicioniranja poluzatvorenog sistema uzrokovana lokalnim zagrijavanjem
navojnog vretena..................................................................................................................................... 5
Slika 2.4.1 Greške nastale u izratku......................................................................................................... 6
Slika 2.4.2. Greška obratka usljed prekomjernog unosenja toplote ....................................................... 7
Slika2.5.1. Toplotna deformacija alata.................................................................................................... 8
Slika 2.5.2 Zavisnost temperature (slika a) i toplotne deformacije (slika b) strugarskog noža od
vremena rezanja i hlađenja..................................................................................................................... 8
Slika 3.1 Greške usljed toplotnih deformacija tokom procesa zavarivanja............................................. 9
4. 1
1. Uvod
Bez obzira na metodu koja se primjenjuje u procesu proizvodnje, ne može se garantovat apsolutna
tačnost proizvoda.Odstupanje se ne može eliminisati, ali se može kontrolisati.Da bi se kontrolisala
odstupanja potrebno je poznavati metodologiju, proceduru kako nastaju ostupanja i njihove
karakteristike.
Tačnost izrađenog proizvoda predstavlja odstupanje realnog predmeta od gometrijski idealnog
prototipa.
Uslovi koji treba ispunit da bi dio bio tačan:
- Veća tačnost obradnog proizvoda
- Smanjiti uticaj čovjeka na proces obrade
- Tačnost programa
Slika 1.1 Faktori koji utiču na tačnost obrade
Lokacije mašine ne smije biti blizu izvora toplote.Temeljenje opreme, uzimaju se u obzir vibracije koje
se javljaju tokom procesa obrade i na kraju sve ono što može da izaozove neke uslove koji mogu da
naruše tačnost.
Alat usljed habanja dolazi do greške pozicijoniranja.
Toplotne deformacije usljed ne kontinuiranog zagrijavanja i hlađenja dolazi do promjena dimenzija što
utiče na tačnost izrade.
5. 2
2.Greške obrade
Stepen odstupanja stvarnih karakteristika kvaliteta obratka dobiveni u procesu obrade od vrijednosti
karakteristika kvaliteta modela definisanih tehničkim crzežom za dati dio.
Greske obrade su stalna pojava u svakom procesu obrade, gdje se mijenja geometrijski oblik, dimenzije
iIi struktura materijala. Osnovni kriterij tacnosti izrade je da nastala greska obrade mora biti manja od
dozvoljene tolerancije tj., △≤T.
Ukoliko proizvedeni izradak ima grešku △ ≪ T, on tehnološki i tehnički zadovoljava dok bi, ekonomski
trebao imati veće troškove izrade, te ne bi mogao ispuniti trzišne kriterije. Za izradak čija je greška
obrade △ > T ne ispunjava ni tehnološke niti ekonomske kriterije .
Slika 2.1 Klasifikacija grešaka obrade
2.1 Toplotne deformacije
Sve pojave vezane za unos i rasprostiranje toplote u metalu opisuju osnovni zakoni termodinamike i
fizike.U rastopljenom materijalu se usljed toplotnih efekata dešavaju strukturne promjene pri
zagrijavanju i hlađenju, te uzajamno difuzno dejstvo između osnovnog i dodatnog materijala.
Toplotna dilatacija predstavlja proces u kojem prilikom povećanja temperature dolazi do smanjenja
mehaničkih karakteristika materijala, ali i deformacije tijela koja je popraćena promjenom zapremine,
zavisno od temperature. Sa promjenom temperature materijala, vibracije atoma u čvrstom tijelu
postaju anharmonične u odnosu na njihove ravnotežne polžaje.S porastom temperature povećava se
itenzitet toplotnog kretanja atoma, udaljenost izmedju susjednih atoma je povećana,pri čemu na taj
način dolazi do povećanja dimenzija tijela.
6. 3
Pojava toplotnih dilatacija normalna je za čvrsta, tečna i gasovita tijela.Širenje tijela proporcijonalna je
promjeni temperature, a odnos koji postoji između ove dvije veličine zove se koeficijent toplotnog
istezanja i razlikuje se između čvrstih, tečnih i gasovitih materijala.
Kod svih čeličnih konstrukcija potrebno je uzeti u obzir pojavu toplotnih deformacija, tako se na primjer
mostovi učvršćuju samo na jednoj strani temelja, dok se drugi kraj može slobodno pomjerati usljed
toplotnih dilatacija.
Slika 2.1: Primjer pojave toplotnog širenja
2.2 Greške toplinskih deformacija
Toplinske deformacije utiču na pojavu greške obrade. Pri zagrijavanju dolazi do promjene dimenzija
alata, obratka, te nekih elemenata mašine.
Greške nastale toplotnom deformacijom procesnog sistema. Toplotna deformacija procesnog sistema
ima veliki uticaj na tačnost obrade. Naročito kod precizne obrade i mašinske obrade velikih dijelova,
greške obrade uzrokovana termičkom deformacijom ponekad može predstavljati 50% ukupne
pogreške obradnog predmeta. Strojni alati, alati i radni dijelovi podvrgavaju se različitim izvorima
toplote, a temperatura se postepeno povećava. Oni istovremeno zrače toplotu na okolne materijale i
prostore različitim metodama prenosatoplote.Kod altnih mašina najveći nosioci ukupne greške obrade
usljed toplotne deformacije su:
- Obradak
- Alat
- Glavno vreteno
Ukupna greška obrade uslijed toplinskih deformacija iznosi:
Δt=Δt S + Δt A + Δt P +Δt O ,
gdje je:
S – obradna mašina;
A – alat;
P – pribor;
O – obradak
7. 4
Slika 2.2.1 Promjena položaja elemenata mašine uslijed toplotnih deformacija; a) glodalica, b)
bušilica
2.3 Termičko opterećenje alatne mašine
Kod alatnih mašina postoji veći broj lokalnih toplotnih izvora koji povećavaju toplotni gradijent unutar
mašine.
Neki od toplotnih izvora su:
- električni motor,
- trenje u mehaničkom pogonu i prenosnicima,
- proces obrade,
- temperatura okoline, itd.
Ovi toplotni izvori prouzrokuju lokalne deformacije, što za posljedicu ima značajno pogoršanje
performansi mašine. Da bi se smanjilo termičko opterećenje treba se generalno pridržavati sledećih
pravila:
- pogon (motor i prenosnik) treba montirati na spoljnom dijelu mašine,
- adekvatnim podmazivanjem otkloniti temperaturu nastalu usled trenja u ležajevima i vođicama,
- adekvatnim sredstvom za hlađenje i sistemom za otklanjanje strugotine otkloniti temperaturu
nastalu tokom obrade,
- strukturu mašine izraditi u termo-simetričnom dizajnu, itd
Alatna mašina se nalazi u okruženju u kojem se temperatura u bilo kojem trenutku mijenja, sama alatna
mašina će tokom rada nužno trošiti energiju, a dio te energije pretvorit će se u toplotu na različite
načine, uzrokujući fizičke promjene u raznim komponentama alatne mašine.
Slika 2.3.1. Termovizijski snimak navojnog vretena i pripadajuće navrtke
8. 5
Na slici je prikazan termovizijski snimak navojnog vretena nakon višesatnog reverzibilnog rada između
dvije tačke koje su međusobno udaljene 150 mm. Brzina pri radu je bila 24 m/min. Na snimku je je
prikazana remenica sa koje se dobija pogon, učvršćeni (fiksirani) ležaj kao i navojno vreteno sa
pripadajućom navrtkom. Sa slike se jasno vidi da je pojačano zagrevanje nakon višesatnog rada u zoni
kroz koju prolazi pripadajuća navrtka u toku rada. Iz tog razloga je zagrijavanje kao i termičko istezanje
navojnog vretena lokalno ograničeno na gore pomenutu zonu.
Slika 2.3.1 Greška pozicioniranja poluzatvorenog sistema uzrokovana lokalnim zagrijavanjem
navojnog vretena
Lokalno zagrijavanje od oko 10 K odgovara crvenoj isprekidanoj liniji na slici 2.3.1. Ono bi na navojnom
vretenu dužine 1 m sa učvrsnim ležajem na jednoj strani uslovilo grešku pozicioniranja koje odgovara
zelenoj krivi na istoj slici. U slučaju da je isto navojno vreteno uležišteno obostrano sa učvršćenim
ležajima (fiksirani ležaji), sa krutošću ležaja od 700 N/μm, uslovila bi se greška pozicioniranja koja
odgovara plavoj liniji (slika 2.3.1). Sile koje uslovljavaju ležaji, će usloviti da se navojno vreteno „sabije“
na svojim krajevima koji nisu zagrejani. Srednji deo navojnog vretena će se izdužiti usled zagrevanja sa
približno istim korakom, kao u slučaju fiksiranog / slobodnog uležištenja. Maksimalna greška
pozicioniranja u slučaju uležištenja (fiksirani / fiksirani ležaj) dostiže sa 22 μm nešto oko 2/3 greške koja
se javlja u slučaju uležištenja (fiksiran / slobodan ležaj).
9. 6
2.4 Toplotna opterećenja nastala na izratku
Toplota koja nastaje tokom obrade mogla bi imati pozitivne i negativne uticaje na obradak materijal.
Toplota nastala tokom obrade mogla bi rezultirati smanjenjem čvrstoće/tvrdoće materijala obratka,
čime su smanjene sile rezanja. Više smanjenje sila rezanja često rezultira smanjenjem potrošnje
energije i poboljšanjem obradivosti materijal obratka.Međutim, veća temperatura u zoni rezanja zbog
hemikalija reaktivnost obratka i reznog alata na visokoj temperaturi, rezultira prianjanjem i difuzijom.
Neki drugi problemi s generisanjem toplote u obradak uključuje netočnost dimenzija u proizvodima
kao posljedica toplotnog izobličenja zajedno s širenjem-kontrakcijom u procesu i nakon strojne obrade,
površinskim oštećenjima oksidacija, gorenje i brza korozija
Volumen čelika se povećava zagrijavanjem, tako da nejednoliko zagrijavanje može dovesti do lokalnih
razlika u rastu volumena, što dovodi do pojave naprezanja i deformacija. Kod većih komada, i komada
sa složenijim geometrijskim oblicima faza grijanja može se odraditi u fazi predgrijavanja da se izjednači
temperatura na pojedinim dijelovima. Grijanje bi se trebalo odvijati dovoljno sporo da temperatura
ostane jednolika na svim dijelovima koliko god je moguće. Ovo sve vrijedi i za fazu gašenja. Velika
naprezanja se javljaju prilikom gašenja tako da bi ga trebalo odraditi što sporije, a s time će se pojaviti
manje deformacija na komadu.
Dakle, zaostalo naprezanje je rezultat raznih mehaničkih i toplinskih događaja koji se javljaju na
površini obratka tijekom obrade. Apsolutni iznos zaostalih naprezanja najveći je na površini obratka i
smanjuje se povećanjem dubine. Zahvaćeni slojevi mogu imati više dubina
Kad se materijal slobodno zagrijava ili hladi (naprezanje σ = 0), on se produžuje ili skraćuje te proširuje
ili skuplja. Kad je temperatura T> 400 ° C, vrijednost toplinske deformacije iznimno je visoka.
Slika 2.4.1 Greške nastale u izratku
10. 7
Slika 2.4.2. Greska obratka usljed prekomjernog unosenja toplote
Prilikom obrade postupkom kovanja, izradak se zagrijava na temperaturu 1050-1150 °C. Ukoliko se
komad zagrije iznad temperature 1150 °C uzrokovat ce potpuno raspadanje polaznog materijala usljed
porocesa sabijanja, što se može prepisat greški toplotne deformacije izradka (slika 2.4.2).
2.5 Uticaj toplote na alat
Ako imamo strugarski nož, određenog poprečnog presjeka pri čemu vršimo stadardu obradu rezanja
sa optimalnim režimima rezanja, usljed kojeg dolazi do generisanja toplote.Obzirom da se dio toplote
pri rezanju odvodi na alat, to mu se povećava toplota.Rezultat unošenja toplote u alat je toplotna
deformaacija pri kojoj dolazi do izruženja alata za △l usljed čega dolazi do smanjenja veličine obratka,
koji se moze pripisati greški obrade usljed toplotne deformacije.
Linijska toplinska deformacija nekog elementa ili alata iznosi:
Δl = λ * L * Δt,
gdje je: λ [ 1/℃] - linearni koeficijent temperaturnog izduženja,
L [ mm] – početna dužina elementa ili alata,
Δt [℃] - porast temperature,
11. 8
Slika2.5.1. Toplotna deformacija alata
Slika 2.5.2 Zavisnost temperature (slika a) i toplotne deformacije (slika b) strugarskog noža od
vremena rezanja i hlađenja
3. Toplotne deformacije kod zavarivanja
Kod zavarenih konstrukcija tokom i nakon zavarivanja javljaju se zaostala naprezanja. Glavni uzrok
nastanka zaostalog naprezanja jest lokalno unošenje toplote. Kada se pri zagrijavanju ili hlađenju
javljaju naprezanja u bilo kojoj zoni preko granice razvlačenja (Re) dolazi do pojave trajnih deformacija,
a nakon potpunog hlađenja u tom dijelu kao rezultat će se pojaviti zaostala naprezanja. Naprezanja se
mogu podijeliti na toplinska i strukturna naprezanja
Toplotna naprezanja: pri grijanju i hlađenju termodinamički masivnijih obradaka pojavljuje se
temperaturna razlika između jezgre i ruba obratka. Odnosno dolazi do neravnomjernog zagrijavanja i
hlađenja, te tako u tom području dolazi do nastanka različitih onemogućenih rastezanja i stezanja.
Strukturna naprezanja: iz razloga što se proces hlađenja odvija vremenski i mjestimice vrlo različito,
dolazi do različitih promjena strukture, te one uzrokuju povećanje volumena.
12. 9
Deformacije kod zavarivanja predstavljaju odstupanja konstrukcijskog elementa od definisanog oblika
nakon unošenja toplote, te potom hlađenja na sobnu temperaturu. Kod nejednoliko zagrijanog metala
dolazi do širenja toplog dijela, dok se hladni dio tome opire, uslijed toga dolazi do plastične deformacije
toplog dijela. Nakon hlađenja, zagrijani dio se skraćuje i nastaju zaostala naprezanja i deformacije.
Zaostala naprezanja uslijed zavarivanja uzrokuju deformacije u konstrukciji koje mogu biti trajnog ili
privremenog karaktera.
Slika 3.1 Greške usljed toplotnih deformacija tokom procesa zavarivanja
13. 10
4. Zaključak
Tačnost izrađenog proizvoda predstavlja odstupanje realnog predmeta od gometrijski idealnog
prototipa.Greske obrade su stalna pojava u svakom procesu obrade, gdje se mijenja geometrijski
oblik, dimenzije iIi struktura materijala. Osnovni kriterij tacnosti izrade je da nastala greska obrade
mora biti manja od dozvoljene tolerancije. Bez obzira na metodu koja se primjenjuje u procesu
proizvodnje, ne može se garantovat apsolutna tačnost proizvoda.Odstupanje se ne može eliminisati,
ali se može kontrolisati.
Toplotna deformacija procesnog sistema ima veliki uticaj na tačnost obrade Pri zagrijavanju dolazi do
promjene dimenzija alata, obratka, te nekih elemenata mašine.Toplotni izvori poput elektro
motora,trenja i temperature okoline predstavljaju toplotne izvore koji prouzrokuju lokalne
deformacije, sto direktno utiče na performanse mašine i tačnost obrade.Toplota koja se unosi u
predmet obrade uzrokuje produžuje ili skraćuje te proširuje ili skuplja što dovodi do nastanka toplotnih
deformacija.Dio toplote koji se tokom porcesa rezanja odvodi na alat dolazi do izduženja alata usljed
čega dolazi do smanjenja veličine obratka, pri čemu dolazi do greske obrade prouzrokovane toplotnom
deformacijom.
Kako bi se smanjile greške obrade, usljed toplotnih deformacija, potrebno je poduzeti niz aktivnosti
kako bi se smanjilo generisanje toplote na masinu,alat i predmet obrade.U tu svrhu elektro motor se
postavlja na vanjski dio mašine, pored toga potrebno je adekvatno koristenje sredstava za hladjenje i
podmazivanje, te lokacija mašine ne smije biti blizu izvora toplote.
