ROK WYD. LXVIII � ZESZYT 11/200930

Praktyka ostatnich lat wskazuje, ˝e zagadnieniawykrawania, zw∏aszcza dok∏adnego, wcià˝ jeszczewymagajà badaƒ i doskonalenia metod symulacji.W fabrykach przemys∏u elektrotechnicznego nie-zmiennie od wielu lat elementy obwodów magne-tycznych maszyn elektrycznych wykrawane sà zapomocà wykrojników na szybkotnàcych prasach.Podczas ci´cia i wykrawania blach elektrotech-nicznych nast´puje zmiana w∏asnoÊci eksploatacyj-nych wykrojnika na skutek procesów zu˝ycia [1]. JeÊliluz pomi´dzy kraw´dziami tnàcymi powi´ksza si´– w efekcie odsuwania si´ wzajemnego kraw´dzitnàcych – zwi´ksza si´ moment zginajàcy, powodu-jàc zwi´kszenie wygi´cia brzegów materia∏u ci´tego.W efekcie wraz ze Êcinaniem wyst´puje tak˝e nad-mierne rozciàganie materia∏u w szczelinie pomi´dzykraw´dziami tnàcymi. Te deformacje z kolei przy-czyniajà si´ do powstania w g∏´bi materia∏u strefynapr´˝eƒ spr´˝ystych przylegajàcej do obszaru od-kszta∏conego plastycznie. ObecnoÊç wymienionychstref wp∏ywa na w∏aÊciwoÊci magnetyczne blachy.Uwa˝a si´, ˝e powodujà one pogorszenie si´ w∏aÊ-ciwoÊci magnetycznych wykrawanego elementu

Ocena stanu stempla w procesie wykrawania

PIOTR CZY˚EWSKILESZEK MOSZCZY¡SKISTANIS¸AW OSOWSKITOMASZ MARKIEWICZ

nawet w strefie kilku milimetrów od kraw´dzi. Nie-korzystne zjawiska wyst´pujà tak˝e wówczas, gdyw wykrojniku na kraw´dziach tnàcych sà zaokràgle-nia i wyszczerbienia. Powstaje wówczas zadzior, któryutrudnia pakietowanie blach i pogarsza w∏asnoÊcimagnetyczne stosu. Blachy, o wi´kszych ziarnachi wi´kszej zawartoÊci Si (wysokokrzemowe), sà bar-dziej podatne na pogorszenie si´ w∏aÊciwoÊci mag-netycznych wskutek wykrawania i ci´cia.

Wskazane procesy sà trudne do badaƒ, wymagajàbowiem wykonania setek tysi´cy nadzorowanychwykrawaƒ. Stàd celowe jest prowadzenie symulacjikomputerowych tego procesu.

W artykule przedstawiono wyniki symulacji procesuwykrawania dla przypadków wyst´powania ró˝nychluzów mi´dzy stemplem i matrycà, dla ró˝nych stopniich st´pienia. St´pienie modelowano jako zmian´

Dr in˝. Piotr Czy˝ewski i dr in˝. Leszek Moszczyƒskisà pracownikami Instytutu Technik Wytwarzania PW,prof. dr hab. in˝. Stanis∏aw Osowski jest pracownikiemWojskowej Akademii Technicznej, a dr in˝. Tomasz Mar-kiewicz jest pracownikiem Wojskowego Instytutu Me-dycznego.

Rys. 1. Widok wykrojnika badawczego do analizy procesu wy-krawania

ROK WYD. LXVIII � ZESZYT 11/2009 31

szej odkszta∏calnoÊci, a o wy˝szej wytrzyma∏oÊci(blachy transformatorowe). Emisja wysokocz´sto-tliwoÊciowa spowodowana jest nie tylko samym pro-cesem p´kania materia∏u, ale tak˝e ruchem cz´Êciwykrojnika oraz samej prasy [4, 5].

Te mikrodrgania, przetwarzane na sygna∏ za po-mocà uk∏adu przetworników pomiarowych (emisjii przyspieszeƒ), pozwalajà dobrze lokalizowaç chwil´czasowà rozdzielania materia∏u. Schemat uk∏adupomiarowego i rozmieszczenie sensorów ilustrujerys. 2.

Wykorzystanie dyskretnej transformacji falkowejdo weryfikacji wyników symulacji

Rozpoznanie i identyfikacja procesu p´kania wy-maga precyzyjnego ustalenia chwili, w której roz-poczyna si´ proces rozdzielania materia∏u. Trzebazdawaç sobie spraw´, ˝e przebieg procesu wykra-wania na prasie mechanicznej jest bardzo z∏o˝ony,gdy˝ mamy do czynienia z dynamicznym obcià˝eniemwykrawanego elementu. Nie zawsze towarzyszy temuzjawisku wyraêny, gwa∏towny spadek wartoÊci si∏ywykrawania. Okazuje si´ jednak, ˝e stosujàc specjal-na technik´ dekomponowania sygna∏u, mo˝na za-obserwowaç niestacjonarnoÊci analizowanego prze-biegu. Takà technikà jest analiza falkowa [6]. W od-

geometrii kraw´dzi tnàcych przez zwi´kszenie ichpromieni zaokràglenia. Proces doÊwiadczalny reali-zowano na specjalnym wykrojniku badawczym (rys. 1)pozwalajàcym na prostà wymian´ stempli i matryc.

Weryfikacja doÊwiadczalnawyników symulacji

Aby mo˝na by∏o uznaç przeprowadzone symulacjeza prawid∏owe, konieczna jest weryfikacja doÊwiad-czalna analizowanego procesu. Oprócz odpowiedniejdok∏adnoÊci pomiarów, równie wa˝ne jest dostar-czenie wystarczajàco du˝ej liczby próbek badanegosygna∏u, gwarantujàcej uzyskanie dobrej rozdziel-czoÊci w dziedzinie czasu i cz´stotliwoÊci.

W tym celu zastosowano system akwizycji firmyNational Instruments z modu∏em bazowym cDAQ-9172[2]. Maksymalna cz´stotliwoÊç próbkowania wynosi∏a3,2 MS/s. Komunikacj´ z komputerem klasy PC zrea-lizowano za poÊrednictwem magistrali USB w wer-sji 2.0, gwarantujàcej (teoretycznà) przepustowoÊçna poziomie 480 Mbps (60 MB/s). Rejestrowano si∏´wykrawania, przemieszczenie stempla prasy orazemisj´ akustycznà i przyspieszenia z sensorówumieszczonych w matrycy wykrojnika. Do pomiarówsi∏y zastosowano specjalny, piezoelektryczny prze-

Rys. 2. Schemat uk∏adu akwizycji danych dla procesu wykrawania

Rys. 3. Wynik dekompozycji falkowejsygna∏u si∏y

twornik 204C (PCB) o czu∏oÊci27 mV/kN. Sensor ten poprawnierejestruje przebiegi si∏y o cha-rakterze impulsowym i wyró˝niasi´ szerokim pasmem przeno-szenia.

Procesowi wykrawania towa-rzyszy wyzwalanie si´ energii sku-mulowanej w materiale. Mo˝ebyç ona rejestrowana poprzezzapis wysokocz´stotliwoÊciowejemisji akustycznej [3].

O ile same odkszta∏cenia plas-tyczne metali wytwarzajà niezbytintensywnà emisj´ akustycznà,o tyle powstawaniu i wzrostowip´kni´ç zazwyczaj towarzyszysilna emisja, zw∏aszcza w ma-teria∏ach kruchych, czyli o mniej-

ROK WYD. LXVIII � ZESZYT 11/200932

ró˝nieniu od analizy Fouriera, analiza falkowa do-konuje rozbicia sygna∏u na sygna∏y elementarnezwane falkami. Sà to przebiegi ciàg∏e oscylacyjneo ró˝nych czasach trwania i o zró˝nicowanym widmie.W odró˝nieniu od transformacji cz´stotliwoÊciowejanaliza falkowa pozwala na umiejscowienie procesuw czasie.

Do analizy sygna∏u si∏y wykrawania wykorzystanospecjalnie utworzonà falk´ typu Daubechies i szeÊçpoziomów skali [7]. Na rys. 3 pokazano poszczególnepoziomy dekompozycji analizowanego sygna∏u.Na poziomie S widoczny jest sygna∏ oryginalny, zaÊpoziomy rozwini´cia falkowego od D1 do D5 sàprzedstawione w wyjÊciowej rozdzielczoÊci. Mo˝nazauwa˝yç, ˝e s∏abo zaznaczony spadek si∏y na zboczuopadajàcym przebiegu jest rzeczywistym momen-tem zapoczàtkowujàcym proces rozdzielania si´materia∏u. Potwierdza to poziom D4, na którym wy-raênie zaznacza si´ rozwój pojedynczego zaburzeniao charakterze gasnàcym. Uzyskano zatem obrazzgodny z opisanymi wczeÊniej symulacjami kom-puterowymi.

Model numeryczny procesu wykrawaniaWszystkie modele zosta∏y wykonane z u˝yciem

pakietu MSC.Marc. Celem przeprowadzonych obli-czeƒ by∏o okreÊlenie zale˝noÊci pomi´dzy prze-biegami si∏, jakie wystàpià w procesie wykrawania,a parametrami tego procesu, takimi jak luz mi´dzystemplem a matrycà i promieƒ zaokràglenia kraw´-

dzi tnàcych stempla i matrycy. Zmiana zaokràgleniakraw´dzi tnàcych odpowiada∏a przybli˝onemu zu˝y-ciu narz´dzi, tj. st´pieniu kraw´dzi tnàcej zarównona stemplu, jak i na matrycy. Do badaƒ modelowychkonieczne by∏o wykonanie dok∏adnych pomiarówposiadanych stempli i matryc. Pomiary stempli wy-krojnika wykonano na maszynie wspó∏rz´dnoÊcio-wej Mahr-MeasCard. Przyk∏adowy profilogram przed-stawiono na rys. 4.

Wykonano modele numeryczne dla czterech wy-branych wariantów procesu wykrawania. W ka˝-dym przypadku Êrednica otworu matrycy pozosta-wa∏a niezmieniona i wynosi∏a 20 mm. ZmienianoÊrednice stempla (odpowiednio Ø 19,60 i Ø 19,92 mm)i promieƒ zaokràglenia kraw´dzi tnàcej stempla(odpowiednio R 0,0 i R 0,1 mm). Dane modelu nu-merycznego narz´dzia zamodelowano jako cia∏adoskonale sztywne, w∏asnoÊci materia∏u blachy od-powiada∏y stali 10YA. Warunki kontaktowe opisa-no przy u˝yciu modelu Coulomba, wprowadzajàcczynnik tarcia pomi´dzy stemplem i blachà τ = 0,3,natomiast czynnik tarcia pomi´dzy blachà a po-zosta∏ymi narz´dziami wynosi∏ τ = 0,2. Ze wzgl´duna specyfik´ geometrycznà model zosta∏ wykonanyjako 2D osiowosymetryczny. Pr´dkoÊç przemiesz-czania stempla by∏a sta∏a i wynosi∏a 1 mm/s (touproszczenie wprowadzono ze wzgl´du na niewiel-kà czu∏oÊç stali 10YA na pr´dkoÊç odkszta∏cania).Przyj´to sta∏à si∏´, z jakà dzia∏a dociskacz, równà2000 N. Do zamodelowania rozdzielenia materia∏uwybrano model zniszczenia bazujàcy na modeluOyane.

Na rys. 5 przedstawiono fragment modelu wy-krawania po zakoƒczeniu procesu. Model ten odno-si∏ si´ do procesu wykrawania z u˝yciem stemplao Êrednicy 19,92 mm. Na tym rysunku pokazanodwa przypadki wykrawania. W pierwszym do wy-krawania u˝yty by∏ stempel ostry (promieƒ zaokràg-lenia kraw´dzi bliski zeru), w drugim przypadkuanalizowano proces wykrawania ze st´pionym stem-plem. St´pienie stempla zosta∏o zamodelowane jakozaokràglenie kraw´dzi stempla. WartoÊç zaokràgle-nia wynosi∏a 0,1 mm.

Na rys. 6 zosta∏y przedstawione wyniki mode-lowania procesu wykrawania dla przypadku proce-su z du˝ym luzem. W tym modelu Êrednica stemplawynosi∏a 19,60 mm. Podobnie jak dla poprzednie-go przypadku zamodelowano dwa warianty proce-Rys. 4. Przyk∏adowy profilogram kraw´dzi stempla

Rys. 5. Widok modeli wykrawania po zakoƒczeniu wykrawania dla procesu z u˝yciem stempla o Êrednicy 19,92: a) stempel ostry,b) stempel st´piony

ROK WYD. LXVIII � ZESZYT 11/2009 33

su odpowiadajàce wykrawaniu stemplem ostrymi st´pionym.

W obu modelach widaç, ˝e „st´pienie” stemplapowoduje zmian´ warunków wykrawania. Objawiasi´ to m.in. tym, ˝e rozdzielenie materia∏u wykrawa-nego od blachy nast´puje wczeÊniej w przypadkuprocesu wykrawania stemplem „st´pionym”. Uwi-docznia si´ to tym, ˝e w zale˝noÊci od warunkówprocesu zmienia si´ wielkoÊç strefy p´kania. St´pieniestempla powoduje zwi´kszenie strefy p´kania bezwzgl´du na luz pomiedzy stemplem a matrycà.

Podsumowanie

W pracy podj´to prób´ symulacji stopnia zu˝y-cia wykrojnika. Wykazano, ˝e stosujàc stosowneoprogramowanie, jesteÊmy w stanie prognozowaçproces wykrawania z dobrà dok∏adnoÊcià. Symula-cje wsparto badaniami na specjalnym wykrojnikuprzystosowanym do zamontowania sensorów po-miarowych. Zastosowana wysokorozdzielcza apa-ratura pomiarowa pozwoli∏a na u˝ycie w analiziedanych multirozdzielczej transformacji falkowej.

Badajàc tà technikà pozornie g∏adki przebieg si∏y,mo˝liwe by∏o wyodr´bnienie takiego poziomu de-kompozycji sygna∏u, na którym widoczne jest p´ka-nie blachy. Przeprowadzone badania sà znacznymkrokiem w kierunku lepszego poznania procesówwykrawania blach transformatorowych i w dalszymetapie automatycznej diagnostyki tego procesu.

LITERATURA

1. Marciniak Z.: Konstrukcja wykrojników. OÊrodek TechnicznyA. Marciniak, Warszawa 2002.

2. Instrukcje firmy National Instruments, 2008.3. Mallick G.T.: Acoustic Die Monitoring Technical Report

TE77502. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn,Michigan 1977.

4. Miguel Vaz Jr, Josse Divo Bressan: A computationalapproach to blanking processes, Journal of MaterialsProcessing Technology, 125 – 126, 2002, pp. 206 – 212.

5. Wadi I.M.: The Assessment of Blanking Process Charac-teristics using Acoustic Emission. Thesis Phd, Glasgow,July 1998.

6. Mallat S.: A theory for multiresolution signal decomposition:the wavelet representation. IEEE Trans. PAMI, 1989, Vol. 11.

7. Wavelet toolbox for Matlab. User manual. MathWorks.Natick, USA 2007.

Rys. 6. Widok modeli wykrawania po zakoƒczeniu wykrawania dla procesu z u˝yciem stempla o Êrednicy 19,60: a) stempel ostry,b) stempel st´piony