Hibrid texnoloji proseslərin inkişafındakı əsas təmayüllər

Hibrid texnoloji proseslərin inkişafındakı əsas təmayüllər (2016)
Müəllif: Rezo Əliyev

Mənbə: Əliyev, R. Hibrid texnoloji proseslərin inkişafındakı əsas təmayüllər. Beynəlxalq elmi-texniki konfrans "Maşınqayırmada intellektual texnologiyalar", Bakı, Sentyabr 2016, S. 200-204.

Xülasə

Müasir dəzgah, lazer sistemləri, proses və idarə texnologiyalarının hibrid emal mərkəzlərində birləşdirilməsi fərdi və kiçik seriyalı istehsalın gələcək inkişafının təməli sayılan çevik texnoloji sistemlər üçün açar rolunu oynayır. Bu sistemlər vaxta qənaət eməklə bərabər bazarın tələbatına uyğun olan texnologi prosesləri qısa zamanda reallaşdırmağa imkan verir. İntellektual idarəetmə sistemlərinin tətbiq ilə belə kompleks texnoloji proseslərin etibarlı işləməsi təmin edilir.

Açar sözlər: hibrid texnoloji proseslər, frezləmə, torna emalı, lazerlə emal

1. Giriş

Mütərəqqi istehsal proseslərinin inkişaf tempinin saxlanılması onun yaradıcılarından və tətbiqedicilərindən yeni-yeni imkanların işlənməsini tələb edir. Qloballaşmış bazar iqtisadiyyatı şəraitində belə texnologiyaların inkişafı, eləcə də daxili və beynəlxalq bazarda mövcud olan rəqabətin qarşısında tap gətirməyə imkan verən texnoloji üstünlük son vaxtlar bir çox Qərb ölkələrində təhlükə qarşısında qalmışdır. Şərqdə elektrotexnika və avtomobil sənayesində baş qaldıran inkişaf klassik maşınqayırmanın vətəni sayılan Qərb ölkələrində çalışan mühəndisləri müasir rəqəmsal texnologiyaların imkanlarından istifadə edərək mövcud texnoloji proseslərin çevikliyini, etibarlılığını və məhsuldarlığını artımağa sövq edir. Yeni texnologiyaların işlənməsində hibrid texnoloji proseslərin yaradılması və tətbiqi önəmli yer tutur. Hibrid texnologiyalar, yəni bir iş yerində bir neçə fərqli texnoloji əməliyyatların birləşməsi çoxdan məlumdur. Keçmişdə texnologiyaların belə inteqrasiyası yalnız qohum prosesləri həyata keçirməyə imkan verirdi. Məsələn emal mərkəzləri torna, frezləmə, deşmə və digər bu kimi mexaniki emal üsullarının bir dəzgahda aparmağa şərait yaradır. Texnologiyaların inteqrasiyasındakı yenilik isə qohum olmayan texnologi proseslərin birləşməsindən ibarətdir. Burada iki təmayül özünü aşkar büruzə verir.

Yardımçı proseslərin inteqrasiyası,
Fərqli texnoloji sistemlərin inteqrasiyası.

2. Hibrid proseslərin özəllikləri

Hibrid proseslər dedikdə, əsas iş zamanı bir neçə prosesin inteqrasiyası və onların paralel və ya ardıcıl həyata keçirilməsi başa düşülür. Burada əsas məqsəd verilmiş prosesin çatışmayan xassələrini digər prosesin köməyi ilə minimallaşdırmaqdan ibarətdir. Buna misal olaraq lazerlə emalın mexaniki emal üsullarına inteqrasiyası artan dərəcədə yayılmaqdadır [1]. Neçə illər öncə yaradılmış, lazer şüası ilə səthlərin termiki və mexaniki emalı müasir texnoloji proseslərin tərkib hissəsidir. Onun köməyi ilə çətin emal olunabilən materialların səthlərində xassə və keyfiyyət dəyişmələrinə nail olmaq üçün çoxlu sayda texnologiyalar işlənmişdir. Bir çox materiallarda mövcud olan yüksək mexaniki göstəricilər onların mexaniki emalını çətinləşdirir və ya ümumiyyətlə imkansız edir. Həmin materialların emalında prosesi müşaiyət edən lazer şüasının köməyi ilə səthdə lokal qızdırma aparılır və bunun sayəsində yonqarın əmələgəlməsi asanlaşır. Bu üsul torna əməliyyatı üçün işlənsə də, sonralar o frezləmədə də, geniş tətbiq tapmağa başlamışdır (şəkil 1).

Torna əməliyyatında lazerin tətbqi

Ilk dəfə lazerin müşaiyəti ilə mexaniki emal 1990-cu ildə torna əməliyyatında aparılmışdır. O dövrdəki araşdırmalar gösərmişdir ki, bu üsulla çətin emal olunan titan və nikel əsaslı xəlitələrin emalında alətin yeyilməsini 30%-ə qədər azaltmaq mümkündür [2]. Qeyd olunan metallarla bərabər silisium əsaslı keramikalarin hazırlanma prosesi də bu yeni hibrid emal üsulunun inkişafına təkan vermişdir. Keramikaların yüksək mexaniki göstəriciləri (bərkliyi, aşağı sıxlığı, istiliyə davamlılığı) onların maşınqayırmada tətbiqini atraktiv etmişdir. Keramik hissələrin tətbiqi çox zaman abraziv emal üsullarına sərf olunan yüksək vaxt əsasında iqtisadi cəhətdən əlverişli olmurdu. Lazerin tətbiqi bu materialdan olan hissələrin torna ilə səmərəli emalı mümkünləşmişdir. Keramikaların frezlənməsi indiyə kimi əsasən miniatur hissələrdə rast gəlinir. İri həsmli keramik hissələrin frezlənməsi isə yalnız yarı-yumşaq halda mümkündür [3].

Lazerlə frezləmə

Çətin emal olunan materiaların (titan xəlitələri və yüksək möhkəmlikli alət poladları) frezlənməsi zamanı yaranan yüksək temperatur və kəsmə qüvvələri prosesə mənfi təsir edir. Adətən belə materiallar pis istilikkeçirmə qabiliyyətinə malik olduqlarından onların kəsilməsində yaranan istiliyin böyük hissəsi alətə keçir və nəticədə onun işləmə qabiliyyətini aşağı salır. Ona görə də, belə materiallar aşağı kəsmə rejimlərində emal olunur ki, bu da məhsuldarlıq baxımından əlverişli deyildir. Bu baxımdan lazerin frezləməyə inteqrasiyası çətin emal olunan materialların frezlənməsinə müsbət təsir etməlidir. Lazerlə frezləmədə şüa bir başa kəsmə zonasına, daha doğrusu kəsici tilin önündə səth üzrə hərəkət edir. Fokuslaşmış lazer şüasından istifadə etmək son zamanlar ən mütərəqqi üsul sayılır. Çünki, bu halda çox kiçicik bir sahədə yüksək temperatur yaratmaq mümkündür. Şüanın yaratdığı istilik materialı lokal yumşaldır və nəticədə kəsmədə alətə təsir edən mexaniki və termiki yükü azaldır. Yaradılmış əlverişli kəsmə şəraiti prosesi soyuducu-yağlayıcı maye tətbiq etmədən aparmağa və maksimal material həcmi çıxartmağa imkan yaradır. Torna əməliyyatından fərqli olaraq lazerin frezləmədə tətbiqi xüsusi qurğu tələb edir. Lazerin alətin fırlanan tili ilə sinxron hərəkətini təmin emtək üçün o dəzgahın şpindelinə inteqrasiya olunur (şəkil 2). Aaxen Universitetinin (AFR) əməkdaşları tərəfindən işlənmiş dəzgah şpindelinin (gücü 38 kV, n=10000 1/dəq.) daxilindəki boşluğa lazer şüasını istiqamətləndirmək üçün optik hissələr (güzgülər) quraşdırılır. Mənbədən sürtünməsiz kontakt yolu ilə enerji alan şüa şpindel daxili ilə aşağıya hərəkət edərək uc hissədəki güzgülər vasitəsilə alətin tilinin qabaq hissəsinə fokuslandırılır. Belə ki, emal prosesində şüa da alətlə birlikdə fırlanır. İşlənmiş bu yeni konsept lazer şüasını tətbiq etməklə çətin emal olunan materiallarda mürəkkəb fəzaformalı səthlərin hazırlanmasına yol açır. Artıq emal olunmuş səthin lazerlə yenidən qızdırılmasının qarşısını almaq üçün şüa ilə alətin tilinin kəsməyə girməsi elə uzlaşdırır ki, yalnız çıxarılan emal qatı qızdırmaya məruz qalır. Lazer şüasının intensivliyi materialdan və çıxarılan emal qatının en kəsiyinin dəyişməsindən asılı olaraq dinamik təyin edilir [4].

Pardaq dairələrinin lazerlə düzləndirilməsi

Pardaqlama əməliyyatında lazerin tətbiqi digərlərindən fərqli olaraq bir başa kəsmə prosesinə yox, daha çox hazırlıq mərhələsinə aiddir.Yüksək dəqiqlikli səthlərin pardaqlanmasında alətin –pardaq dairəsinin işçi səthinin parametrlərinin daim tələb olunan səviyyədə saxlanılması önəmlidir. Yüksək bərkliyə malik dairələrin adi üsullarla düzləndirilməsi müyyən dəqiqlik həddinə qədər aparıla bilir. Bu üsullarla optimal düzləndirmə mümkün olmadıqda lazerin tətbiqi düzləndirmə texnologiyasının imkanlarını genişləndirir. Lazerin tətbiqi ilə ya işçi səth bir başa emal edilir, ya da mexaniki düzləndirmə üsullarının gedişatını asanlaşdırmaq üçün səth lokal olaraq qızdırılır. Onun parametrləri pardaq dairəsində tətbiq olunan birləşdiricinin və abraziv materialdan asılıır. Lazerlə düzləndirmədə abraziv dənəciklər arasındakı piylənmə aradan qaldırılır. Çatışmayan cəhəti ondan ibarətdir ki, proses çox vaxt aparır. Bu üsuldan qətran əsaslı birləşdiriciyə malik almaz dairələrin düzləndirilməsində geniş istifadə edilir. Onun köməyi ilə strukturlaşdırılmış pardaq dairəsinin topoqrafiyası emal zamanı aşağı güc, tangensial qüvvələr və uyğun olaraq aşağı yeyilmə göstəriciləri əldə etmyə imkan verir [5].

Presləmədə lazerin tətbiqi

Metal təbəqələrin adi üsullarla kəsilməsi və preslənməsi prosesləri yüksək möhkəmlikli materialdan (məsələn: korroziyaya davamlı polad) olan mürəkkəb hissələrin yüksək keyfiyyətlə hazırlanmasında müəyyən texniki səddlərlə rastlaşır [1]. Burada da prosesin gedişatını asanlaşdırmaq, hissələrin mürəkkəb həndəsəsini pəstaha köçürmək üçün lazerin tətbiqi qaçılmazdır. Lazerin köməyi ilə metal təbəqənin müəyyən hissələri lokal olaraq qızdırlır və bununla presləmə zamanı həmin hissənin deformasiyası asanlaşıdırlır. Məsələn, yay poladını 600 °C -ə qədər bir başa diod lazeri ilə qızdırdıqda onun möhkəmliyi (Rm) 1500 MPa-dan 600 MPa qədər aşağı düşür. Bu lokal temperaturun dəyişməsi yalnız lazerin tətbiqi ilə dəqiq idarə edilə bilər. İstiliyin intensivliyini və prosesin sürətini tənzimləməklə hissənin mexaniki xassələrini emal zonasından kənarda sabit saxlamaq mümkündür. Şəkil 5-də lazerin müşaiyəti ilə presləmədə əldə olunan üstünlük vizual təsvir olunmuşdur. Adi halda presləmə zamanı material üzüldüyü hissələr lazerlə problemisz lazımi formya slına bililər.

3. Hibrid sistemlər

Dəzgaha robotların inteqrasiyası Hibrid sistemlərin inkişafında dəzgahlara robotla icra olunan emal üsullarının inteqrasiyası maraq doğurur. Son illər hibrid emal mərkəzinin yaranması buna əyani sübutdur. Robotların mexaniki emal dəzgahlarında köməkçi işlərin (pəstahın yüklənməsi və nəqli) icrası üçün tətbiqi çoxdan məlum olsa da, robotun emal proseslərində rolunun artması ilə texnoloji sistemlərin optimallaşdırılması gündəmə gəlmişdir [6]. Robotlar artıq təkcə yükləmə-boşaltma işlərində deyil, eləcə də rəngləmə, qaynaqetmə, kobud pardaqlama və hətta frezləmə işlərində də önəmli yer tuturlar. Robotların konstruktiv inkişafı onun möhkəmliyinin və hərəkət dəqiqliyinin artması ilə müşaiyət olunur. Bu irəliləyiş onun vasitəsilə aparılan: qatçəkməklə qaynaq, səthi strukturlama və səthi tablandırma üsullarının mexaniki emal mərkəzlərinə inteqrasiyasına təkan vermişdir. O da məlumdur ki, lazerlə emal yüksək istiliyin ayrılması ilə baş verir. Ayrılan istiliyin dəzgahın dəqiqliliyinə təsirinin qarşısını almaq üçün bir emal məkəzində mexaniki emal və lazer emalı bir-birindən təcrid olunmuş iki qonşu kameralarda aparılır. Dəzgahda köməkçi vaxtı minimallaşdırmaq üçün robot tən ortada quraşdırılır. Hissə bir kamerada mexaniki emal olunduqdan sonra robotla götürülür digər kameraya keçirilir. Həmin robot ikinci kamerada yerləşən lazer başlığını götürürək hissəni işlənmiş texnoloji ardıcıllıqla emal edir [7]. Hibrid emal mərkəzlərinə daha bir misal olaraq, Almaniyada frez dəzgahlarının istehsalı ilə məşğul olan DMG Mori şirkətinin ilk dəfə olaraq hazırladığı, lazerlə qatbaqat hazırlama üsulunu frez dəzgahına inteqrasiyasını göstərmək olar. İki üsulu birləşdirən dəzgah -Laser -65 3D- hazırlanan hissənin həndəsəsinə uyğun olaraq pəstahı metal tozundan 3D çapetmə üsulu ilə qurur. Yuxarıdakı haldan fərqli olaraq burada hər iki proses bir kamerada icra olunur. İşçi başlıqlar (frez və lazer) eyni şpindellə işlədilir. Yəni şpindeldəki universal tutqac lazer və frez başlıqlarını tutmağa imkan verir. Prosesin idarəsi dəzgahın idarəetmə sistemi tərfindən proqramlaşdırılmış şəkildə icra olunur. Qatbaqat çəkilən metal tozu (polad və ya aluminiumdan) lazer şüasının köməyi ilə lokal qızdırılır və əridilir. Ərimiz metal soyuduqda artıq çəkilmiş qatın üzərində bərkiyir. Addım-addım irəliləyən prosesin sonunda 3D formalı hissə kobud şəkildə başa gəlir. Bu üsulun tətbiqi lazerlə sinterləməyə (bişirməyə) nisbətən asan reallaşdırılabiləndir və 10 dəfə tez sürətlə aparılır. Digər üstün cəhəti onan ibarətdir ki, pəstah heç bir əlavə dayağa ehtiyac duymayır. Alınmış hissənin səthini təmiz emal etmək üçün dəzgahda mövcud olan frez başlığından istifadə edilir. Hissə elə hazırlandığı mövqedə frez alətlərinin köməyi ilə son formaya salınır. Lazerqatçəkmə üsulu ilə frezləmənin bir dəzgahda inteqrasiyası yeni tətbiq sahələri açır. Əsasən də böyük metal hissələri bu hibrid üsulla tez, ucuz və daha dəqiq hazırlamaq mümkündür [8].

4.Hibrid proseslərin idarəsi

Hibrid istehsal dəzgahlarının səciyyəvi göstərici olan, ayrı-ayrılıqda icra olunan mürəkkəb proseslərin bir yerdə aparılması, həmçinin mürəkkəb texnoloji komplekslərin ucuz komponentlərin tətbiq ilə yaradılmasının vacib məsələlərdən biri də ayrı ayrı mexanzimlərin idarəsinin sinxron olaraq icrası və idarəetmə sistemlərinin koordinasiya olunmasıdır. Müxtəlif şirkətlər tərəfindən hazırlanmış idarəetmə sistemlərinin birləşdirilməsi xüsusi konsepsiyanın işlənməsini tələb edir. Robotların dəzgahın NC sisteminə tam inteqrasiyası hələ ki, yüksək xərclə bağlı olduğundan həyata keçirilə bilməyib. Çünki, robotların idarə sistemləri dəzgahdan fərqli olaraq hərəkətləri ölçmə-izləyici sistemləri ilə ciddi qarşılıqlı əlaqədə icra edir və sərbəstlik dərəcəsi nisbətən yüksəkdir. Son zamanlar inteqrasiya olunmuş ayrı-ayrı idarə sistemlərinin bir mərkəzdən idarəsinə imkan verən arxitekturalara üstünlük verilir. Onlar aparılacaq emal əməliyyatının ardıcıllığına riayət edərək prosesi koordinasiya edir [9].

5. Nəticə

Araşdırmalar göstərir ki, multi texnoloji platformalarda cəmləşdirilən mütərəqqi texnoloji proseslər bir tərəfdən emal proses zəncirinin qısaldılmasına, digər tərəfdən isə mövcud texnoloji prosesin imkanlarını genişləndirməyə şərait yaradır. Artan qlobal rəqabət şəraitində inteqrativ texnoloji komplekslər emal texnologiyasının inkişaf istiqamətini müəyyənləşdirir. Lazerlə emalın üstün cəhətlərinin ənənəvi texnoloji proseslərə qoşulması sayəsində daha yüksək möhkəmliyə malik materiallardan olan mürəkkəb formalı hissələrin emalı mümkünləşir.

6. Ədəbiyyat

1. Brecher, Ch. Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer. Verlag: Springer; Auflage: 2011, 1177 S.
2. Deutges D. Harte Keramik laserunterstüztes drehen. WB Werkstatt + Betrieb 09/2011, S. 115 – 118
3. Aliyev, R., Hentschel, B. High-speed milling of dusting materials. Int. J. of Machining and Machinability of Materials, 2010, Vol.8, No.3/4, pp. 249 - 265
4. Brecher, Ch.; Rosen, C. J.; Beegen, L.; Wenzel, C. Systemtechnik zum Fräsen hochfester Werkstoffe. Hybride Spindel-Werkzeugtechnologie für die laserunterstützte Zerspanung. wt Werkstattstechnik online 99 (2009), No.10, pp.793-800
5. Hoffmeister, H., Timmer, J. Laser Conditioning of Superabrasive Grinding Wheels, Industrial Diamond Review 60 (2000) 209–218.
6. Алиев Р. Гусейнов Р. Фрезерные роботы - взгляд на техническое состояние. // Автоматизация и современные технологии. – М., 2011. - N 11. - С. 11-18
7. Rosen, C.-J., Brecher, Ch., Breitbach, T., Karlberger, A. Verfahrensintegration macht Fräsmaschine zu hybridem Bearbeitungszentrum. Maschinenmarkt : MM Volume: 114, Issue: 36, S: 76-80
8. Intelligent kombiniert: Laserauftragsschweißen & Fräsen - Generative Fertigung in Fertigteilqualität. İnternet mənbə: http://de.dmgmori.com/produkte/lasertec/lasertec-additivemanufacturing/lasertec-65-3d. Sonuncu baxış: 27.05.2016
9. Brecher C, Karlberger A. Steuerungskonzept für ein hybrides Bearbeitungs-zentrum. In: Hybride Technologien in der Produktion, Fortschritt-Berichte VDI Reihe 2, Fertigungstechnik.VDI, Düsseldorf, 2010.