UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Peter FAJS KONSTRUIRANJE IN IZDELAVA ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, september 2016
KONSTRUIRANJE IN IZDELAVA ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES Študent: Študijski program: Peter FAJS univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo Smer: Mentor: Somentor: Proizvodne tehnologije in sistemi izr. prof. dr. Matej VESENJAK doc. dr. Mirko FICKO Maribor, september 2016 ii
iii
I Z J A V A Podpisani Peter FAJS, izjavljam, da: je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela, da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze, da so rezultati korektno navedeni, da nisem kršil a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih, da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela. Maribor, 12.06.2016 Podpis: iv
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Mateju Vesenjaku in somentorju doc. dr. Mirku Ficku za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi zaposlenim v podjetju Pišek Vitli Krpan, d.o.o. za pomoč in strokovne nasvete pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. v
KONSTRUIRANJE IN IZDELAVA ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES Ključne besede: konstruiranje, ščipalne klešče za les, razrez pločevine, metoda končnih elementov UDK: 621.881.4-11(043.2) POVZETEK Pri obstoječi konstrukciji ščipalnih klešč za podiranje hlodovine do premera 18 cm smo se srečevali s problemom odstopanja rezila in krakov klešč od vodoravnega položaja. Posledično je bila povečana možnost poškodb klešč zaradi vstopa tujkov v rezalno območje. S spremembo obstoječe konstrukcije in izboljšanjem težišča smo problem odpravili. V diplomskem delu sta opisani obstoječa in posodobljena konstrukcija ter njune medsebojne spremembe. Izveden je trdnostni preračun najbolj obremenjenih elementov in opisan postopek priprave programa za laserski in plazemski razrez pločevine. Rezultati potrjujejo ustreznost nove konstrukcije in nosilnih elementov ščipalnih klešč za les. vi
DESIGN AND PRODUCTION OF ENERGY WOOD HEAD Key words: design, energy wood head, metal sheet cutting, finite element method UDK: 621.881.4-11(043.2) ABSTRACT With the existing construction of energy wood head for cutting trees in diameter 18 cm or less, we encountered the problem of blade and grapple jaws not being horizontal. Consequently, the possibility of damage due to the entry of improper matter in the cutting area was increased. We fixed the problem by changing the current construction and improving the center of gravity of the cutters. In the thesis are described the current and the new construction, along with the corresponding changes. Calculation of load capacity was done for the most loaded parts and we described the procedure of preparing a program for cutting the metal sheets with a laser and plasma cutter. Results imply adequacy of new construction and structural parts of the energy wood head. vii
KAZALO 1 UVOD... 1 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela... 1 1.2 Opredelitev problema... 2 1.3 Cilji diplomskega dela... 2 1.4 Struktura diplomskega dela... 2 2 OPIS OBSTOJEČE KONSTRUKCIJE ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES... 5 2.1 Ščipalne klešče za les... 5 2.2 Pomanjkljivosti obstoječe konstrukcije... 6 3 KONSTRUIRANJE NOVE KONSTRUKCIJE ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES... 9 3.1 Posodobljena konstrukcija ščipalnih klešč za les... 10 3.2 Spremembe v konstrukciji v primerjavi z obstoječimi kleščami... 12 4 TRDNOSTNI PRERAČUN NOSILNIH ELEMENTOV... 15 4.1 Trdnostni preračun priklopnega sornika... 15 4.2 Trdnostni preračun rezila... 18 4.3 Analiza numeričnih rezultatov... 20 5 IZDELAVA ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES KS 200... 21 5.1 Postopek izdelave programa za razrez pločevine z laserjem... 24 5.2 Postopek izdelave programa za plazemski razrez pločevine... 26 6 ZAKLJUČKI... 29 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV... 31 Priloga 1: Seznam sestavnih delov ščipalnih klešč KS... 32 Priloga 2: CNC koda za razrez z laserjem... 34 Priloga 3: CNC kodi za razrez z laserjem... 36 Priloga 4: Priloga CNC kodi za razrez s plazmo... 38 viii
KAZALO SLIK Slika 2.1: Obstoječa konstrukcija ščipalnih klešč za les... 5 Slika 2.2: Prikaz težišča obstoječe konstrukcije in nevzporednosti rezila in horizontale... 7 Slika 3.1: Posodobljena konstrukcija ščipalnih klešč za les... 10 Slika 3.2: Eksplozijski pogled posodobljene konstrukcije... 11 Slika 3.3: Težišče posodobljene konstrukcije... 12 Slika 3.4: Obstoječa in posodobljena konstrukcija manjšega kraka klešč... 13 Slika 3.5: Obstoječi in posodobljeni priklop ščipalnih klešč... 13 Slika 3.6: Obstoječa in posodobljena ojačitev priklopa... 14 Slika 3.7: Obstoječa in posodobljena zunanja plošča ščipalnih klešč... 14 Slika 4.1: Določanje robnih pogojev in mreženje priklopnega sornika... 16 Slika 4.2: Primerjalne von Mises napetosti v sorniku... 16 Slika 4.3: Pomiki v sorniku... 17 Slika 4.4: Obremenitev sornika [7]... 18 Slika 4.5: Robni pogoji in mreža rezila... 19 Slika 4.6: Primerjalne napetosti po Misesu na rezilu... 19 Slika 4.7: Pomiki na rezilu... 20 Slika 5.1: Princip laserskega rezanja [6]... 22 Slika 5.2: Princip rezanja s plazmo [6]... 23 Slika 5.3: Določanje lastnosti izbranega modela v programu Lantek... 24 Slika 5.4: Kvaliteta reza je razdeljena na 12 stopenj... 25 Slika 5.5: Gnezdenje in določanje vrstnega reda rezanja kosov... 26 Slika 5.6: Gnezdenje in določanje vrstnega reda rezanja kosov za plazemski razrez... 27 ix
UPORABLJENE KRATICE CAD DXF Ar He N2 CO2 O2 TIG Computer Aided Design Drawing Interchange Format Argon Helij Dušik Ogljikov dioksid Kisik Tungsten Inert Gas x
1 UVOD Podjetje Pišek Vitli Krpan d.o.o. iz Šmarja pri Jelšah je najstarejši proizvajalec gozdarskih vitlov v Sloveniji. Njihovi začetki segajo v leto 1977. Z več kot 160 zaposlenimi na 11.000 m 2 delovne površine proizvedejo 8000 kosov vitlov na leto. S tem veljajo za največjega proizvajalca vitlov na svetu [10]. Poleg 28 različnih modelov eno in dvo-bobenskih vitlov, ki so njihov paradni izdelek, proizvodni program obsega tudi hidravlične cepilce, krožne žage, traktorske platoje, razmetalnike silaže, rezalno-cepilne stroje, povezovalnike drv, gozdarske prikolice in ščipalne klešče za les. Slednje bomo v diplomskem delu podrobneje obravnavali. Podjetje proizvaja vse podsklope gozdarskih strojev, s čimer nadzirajo kakovost izdelave in materialov, ki jih uporabljajo. Njihov strojni park vključuje: lasersko-rezalna stroja, plazemski rezalnik s tremi glavami, stroje za krivljenje, stroje za izdelavo verižnikov in kardanskih gredi, CNC frezalna stroja, CNC stružnice, varilne robote CLOOS in OTC, prašno lakirnico in peskalni stroj. Posledično zaradi lastne izdelave vseh podsklopov in nižjih proizvodnih stroškov lahko ponudijo cenejši končni produkt [11]. 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela Ob vedno večji konkurenci in povpraševanju na področju gozdarske opreme je podjetje primorano k izboljševanju obstoječih produktov in razvoju novih. Eden izmed novih produktov, ki jih razvijajo, so ščipalne klešče za les. Namenjene so za sečnjo lesa v energetske namene, redčenje gozda, odstranjevanje posledic neviht in ostalih nepredvidljivih dogodkov, čiščenje zaraslih gozdnih poti in vzdrževanje parkov. Primerne so za podiranje dreves do premera 18 cm. Zaradi relativno visokih cen fosilnih goriv v primerjavi s cenovno ugodnim ogrevanjem na lesna goriva, so ščipalne klešče za les zanimiv produkt, saj predstavljajo cenovno učinkovito rešitev za podiranje dreves. Z odstranitvijo rezila se lahko klešče uporabljajo tudi kot običajne nakladne klešče za nakladanje energetskega lesa in hlodovine [2]. 1
1.2 Opredelitev problema Podjetje izdeluje ščipalne klešče za les KS180, ki so primerne za podiranje dreves do debeline 18 cm. Obstoječa konstrukcija ima pomanjkljivost, saj v delovni legi klešče niso v željeni ravnovesni legi. Zaradi neustreznega težišča, kraka ščipalnih klešč in rezilo niso v vodoravnem položaju, s čimer je povečana možnost poškodb klešč zaradi vstopa tujkov v rezalno območje. 1.3 Cilji diplomskega dela V okviru diplomskega dela so zastavljeni trije glavni cilji. Najpomembnejši je sprememba obstoječe konstrukcije, s katero bi zagotovili pravilno težišče in s tem vodoravnost rezila. Na podlagi priporočil kupcev in konkurenčnosti izdelka na trgu smo konstrukcijo spreminjali tudi z ozirom na povečanje zmogljivosti klešč, s katerimi bi lahko podirali drevesa do premera 20 cm. Za varno, dolgotrajno in uspešno uporabo produkta je potrebno imeti podatke o nosilnosti klešč in obremenitvah, ki jih prenesejo. Te podatke preverimo s končno kontrolo produkta, že prej pa s pomočjo preračunov. Za ščipalne klešče bomo v programskem paketu Solidworks izvedli preračun delov, ki so po našem mnenju najbolj obremenjeni, po metodi končnih elementov. Obstoječi model ščipalnih klešč želimo čim manj spremeniti. S tem želimo privarčevati čas in denar pri uresničevanju našega tretjega cilja, izdelavi nove tehniške dokumentacije in programov za razrez pločevine. Za uspešno trženje izdelka je poleg funkcionalnosti, primerne cene in kvalitete potrebno izstopati iz povprečja in s tem pridobiti zanimanje kupcev, kar je na trgu z zelo veliko ponudniki zahtevno. Podjetje želi zanimanje pridobiti z modernejšo obliko klešč. 1.4 Struktura diplomskega dela je sestavljeno iz šestih poglavij. V uvodnem poglavju je predstavljeno splošno področje diplomske naloge, podjetje, njihov proizvodni program in strojni park. Opisan je problem, ki ga rešujemo in cilji, ki jih želimo doseči. 2
V drugem poglavju je opisana obstoječa konstrukcija ščipalnih klešč za les KS 180, njene glavne komponente, tehnični podatki in pomanjkljivosti, ki jih želimo odpraviti. V naslednjem poglavju je predstavljeno konstruiranje novega modela, opisane so spremembe v primerjavi z obstoječimi kleščami, prikazan je eksplozijski pogled za nazoren prikaz razporeditve vseh sestavnih delov ščipalnih klešč. V četrtem poglavju smo izvedli statični preračun najbolj obremenjenih in za preizkus zanimivih delov klešč. Z metodo končnih elementov v programskem paketu Solidworks 2016 smo izbranim delom določili robne pogoje in spremljali različne geometrijske parametre. V petem poglavju smo predstavili postopek priprave računalniškega programa za laserski in plazemski razrez pločevine s programom Lantek. V šestem poglavju je predstavljen sklep diplomske naloge in spoznanja, ki smo jih med opravljanjem diplomske naloge dosegli. 3
4
2 OPIS OBSTOJEČE KONSTRUKCIJE ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES Nega gozda je pomembna gozdarska dejavnost, s katero skušamo optimizirati rastne razmere in kvalitetnim drevesom omogočiti hitrejšo rast, okrepiti odpornost in zagotoviti boljšo kvaliteto lesa. Da je nega gozda pomembna, se morajo zavedati tudi lastniki gozdov in z redno sečnjo poskrbeti za ustrezno akumulacijo lesne zaloge v gozdu [12]. Za redčenje gozdov se še vedno v veliki meri uporablja motorna žaga. Delo z njo je fizično naporno in nevarno, storilnost pa v primerjavi z modernejšimi mehanskimi orodji nizka. Zato je razvoj poskrbel za inovacije naprav za sečnjo dreves, kot so procesorske glave in ščipalne klešče za les. Slednje bomo v nadaljevanju opisali. 2.1 Ščipalne klešče za les Ščipalne klešče podjetja Pišek - Vitli Krpan so narejene iz visokokakovostnega drobnozrnatega jekla DOMEX 700, z rezilom iz obstojnega drobnozrnatega jekla HARDOX 450. Optimalne so za uporabo za male gozdarje, kakor tudi za večja gozdarska in komunalna podjetja. Nosilnost klešč je ocenjena na 3000 kg. Grabež na običajnih kleščah traktorja ali gozdarske prikolice se brez večjih sprememb zamenja s ščipalnimi kleščami, saj namestitev ne zahteva dodatne hidravlične ali električne napeljave [2]. Tehnični podatki obstoječe konstrukcije ščipalnih klešč so podani v preglednici 2.1. Slika 2.1: Obstoječa konstrukcija ščipalnih klešč za les 5
Ščipalne klešče sestavlja 47 različnih delov. Razdelili smo jih na standardne strojne elemente (podložke, matice, vskočniki, vijaki), ki jih je 21 in nestandardne dele, ki jih je 26. Klešče skupno sestavlja 110 kosov. Te smo združili v 7 sklopov: velik krak klešč (sklop 1), majhen krak klešč (sklop 2), povezava krakov klešč (sklop 3), vpetje ščipalnih klešč (sklop 4), nosilec rotatorja (sklop 5), manjši hidravlični cilinder (sklop 6), večji hidravlični cilinder (sklop 7). Natančnejši seznam vseh sestavnih delov ščipalnih klešč je podan v Prilogi 1: Seznam sestavnih delov ščipalnih klešč KS. Preglednica 2.1: Tehnični podatki obstoječe konstrukcije Tehnične karakteristike KS 180 Največja širina odpiranja (mm) 650 Največjii premer rezanja z enim rezom (mm) 180 Višina odprte/zaprte (mm) 1200/790 Širina odprte/zaprte (mm) 960/690 Višina med delovanjem (mm) 571 Masa (kg) 170 Priporočen tlak (bar) 170-215 Priporočen pretok olja (L/min) Več kot 20 2.2 Pomanjkljivosti obstoječe konstrukcije Obstoječa konstrukcija ščipalnih klešč, kot je bilo vidno na končnem produktu in simulaciji gibanja, v delovni legi ni bila v ustreznem ravnovesnem položaju. Simulacijo smo izvedli v programskem paketu Solidworks. Ščipalne klešče smo postavili v delovno lego, jih pri rotatorju vpeli in z upoštevanjem gravitacije izvedli simulacijo nihanja. Po iznihanju rezilo in kraka klešč nista bila vodoravna zaradi neustreznega težišča, ki si ga lahko ogledamo na sliki 2.3. Ko smo narisali skozi središče vpenjalne točke rotatorja navpičnico, je vidno, da težišče ne leži na njej, temveč je pomaknjeno proti središču krakov ščipalnih klešč. Posledica neustreznega težišča je 6
vidna na sliki 2.2. Posledično je bila povečana možnost poškodb rezila klešč in cilindra zaradi vstopa tujkov v rezalno območje ščipalnih klešč. Slika 2.2: Prikaz težišča obstoječe konstrukcije in nevzporednosti rezila in horizontale 7
8
3 KONSTRUIRANJE NOVE KONSTRUKCIJE ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES Konstruiranje je ustvarjalen proces dela, kjer iščemo racionalne rešitve za naloge, ki so po tehnični plati povezane z določeno človekovo potrebo. Med procesom konstrukter pri iskanju najbolj ustreznih rešitev uporablja različna naravoslovna znanja, izkušnje in sistemska orodja. Primarno vlogo igra poleg izdelovalnosti in vzdržljivosti funkcionalnost izdelka [5]. Poznamo več vrst konstruiranja. Za katero vrsto konstruiranja se bomo odločili, je odvisno od količine informacij o izdelku, ki ga želimo skonstruirati. Če podobnega izdelka trg še ne pozna, govorimo o konstruiranju povsem novega izdelka. Pri tej vrsti se vso dogajanje odvija v mislih vizionarjev, ki so zaznali določeno težavo in dojeli potrebo po novem izdelku. Tukaj se znajdemo na odločilnem razpotju, namreč vsaka ideja ni dobra in smiselna za nadaljnji razvoj. Zato je ta vrsta konstruiranja najkompleksnejša, najnevarnejša za zgrešeno investicijo, lahko pa nam prinese tudi največji dobiček z izdelkom, ki ga trg še ne pozna [5]. Nasprotje te vrste konstruiranja je zgolj osvežitev dokumentacije. V tem primeru končni produkt natančno poznamo, potrebno je samo poiskati obstoječo dokumentacijo, jo po potrebi osvežiti, da bo zopet aktualna. Vse skupaj poznamo 5 vrst konstruiranja, ki si jih lahko podrobneje ogledamo v preglednici 3.1. Preglednica 3.1: Vrste konstruiranja po Pehanu [5] Spremembe v strukturi izdelka na nivoju Št. Vrsta konstruiranja Element Sklop Izdelek 1 Osvežitev dokumentacije. Konstruiranje, tako da se ponavlja že znana konstrukcija. - - - 2 Minimalna modifikacija. Konstruiranje novega izdelka z minimalnimi spremembami. + - - 3 Obsežna modifikacija. Konstruiranje nove in boljše variante že znanega izdelka. 4 Nova varianta. Konstruiranje novega izdelka, pri katerem je treba narediti res velike spremembe. 5 Konstruiranje čisto novega izdelka. Razvojni proces v tem primeru teče od začetka do konca. + + - + + + + + + Legenda: - ni sprememb; + spremenijo se mere, tolerance, materiali 9
3.1 Posodobljena konstrukcija ščipalnih klešč za les Za odpravljanje problema neustreznega težišča in modernejšega izgleda ščipalnih klešč je bila potrebna manjša sprememba izdelka. Osnovni princip delovanja in funkcionalnost izdelka sta v celoti ostala nespremenjena. Prav tako je ostalo nespremenjeno število vseh delov in sestavov, ki smo jih navedli v poglavju 2.1. Tudi materialne lastnostni klešč in rezila so ostale glede na obstoječo verzijo nespremenjene. Pred začetkom posodabljanja konstrukcije omejitev, katere dele lahko in katerih ne smemo spreminjati, ni bilo. Cilj, ki smo si ga zadali, je bil spremeniti čim manj delov, saj bi s tem prihranili čas pri izdelavi novih delavniških risb in izdelavi programov za laserski in plazemski razrez. Da smo izboljšali težišče konstrukcije, smo spremenili 4 dele (slika 3.4 3.6), za privlačnejši videz pa smo posodobili zunanjo ploščo ščipalnih klešč za les (slika 3.7). Posodobljena konstrukcija je zaradi zmanjšanja mase grabežev rok lažja za 14 kg. Ocenjena nosilnost 3000 kg se s tem ni zmanjšala. Povečala se je največja širina odpiranja za 80 mm in največji premer rezanja klešč za 20 mm. Ostali tehnični podatki so podani v preglednici 3.2. Preglednica 3.2: Tehnični podatki posodobljene konstrukcije Tehnične karakteristike KS 200 Največja širina odpiranja (mm) 730 Največji premer rezanja z enim rezom 200 Višina odprte/zaprte (mm) 1200/790 Širina odprte/zaprte (mm) 960/690 Višina med delovanjem (mm) 571 Teža (kg) 156 Priporočen tlak (bar) 170-215 Priporočen pretok olja (L/min) Več kot 20 Slika 3.1: Posodobljena konstrukcija ščipalnih klešč za les 10
Sklop 6 Sklop 4 Sklop 5 Sklop 2 Sklop 7 Sklop 3 Sklop 1 Slika 3.2: Eksplozijski pogled posodobljene konstrukcije 11
Slika 3.3: Težišče posodobljene konstrukcije 3.2 Spremembe v konstrukciji v primerjavi z obstoječimi kleščami Na sliki 3.3 vidimo, da je težišče posodobljene konstrukcije v primerjavi z obstoječim težiščem (slika 2.3) pomaknjeno proti navpičnici, ki poteka skozi središče vpenjalne točke rotatorja.. Težišče smo premaknili proti liniji tako, da smo zmanjšali maso obeh krakov rok (slika 3.2, št.: 14 in 17), nosilec rotatorja (slika 3.2, št.: 3) smo premaknili proti središču, prav tako tudi luknji na stranski ojačitvi priklopa za zgornji sornik. Na posodobljeni stranski ojačitvi priklopa (slika 3.6) smo dodali tudi novo izvrtino, ki je namenjena omejitvenemu sorniku. Z njim preprečimo morebitni dotik med nosilcem rotatorja in vpetjem klešč. Po našem mnenju ključna sprememba za dosego vzporednosti med rezilom ščipalnih klešč in horizontalo je bilo povečanje hoda stranskega cilindra (slika 3.2, št: 7), s čimer smo dosegli bolj zaprto pozicijo grabežev klešč in rezila glede na nosilec rotatorja. Omejitev pri povečanju hoda cilindra je predstavljal dotik nosilca rotatorja (slika 3.2, št.: 3) in vpetja ščipalnih klešč (slika 3.2, št.: 1). Proces izbolšanja težišča konstrukcije smo klešč smo preverjali s pomočjo modula»motion Analysis«v programskem paketu Solidworks. Posodobljeno konstrukcijo ščipalnih klešč smo tako, kot je opisano v poglavju 2.2 postavili v delovno lego, jih pri rotatorju ponovno vpeli in z upoštevanjem gravitacije izvedli simulacijo nihanja. Po iznihanju sta rezilo in kraka klešč 12
morala biti v vodoravnem položaju. Proces smo ponavljali tako dolgo, dokler nismo zadostili zastavljenemu pogoju. Opomba: debelina pločevine je 15 mm Slika 3.4: Obstoječa in posodobljena konstrukcija manjšega kraka klešč Opomba: debelina pločevine je 15 mm Slika 3.5: Obstoječi in posodobljeni priklop ščipalnih klešč 13
Opomba: debelina pločevine je 12 mm Slika 3.6: Obstoječa in posodobljena ojačitev priklopa Opomba: debelina pločevine je 12 mm Slika 3.7: Obstoječa in posodobljena zunanja plošča ščipalnih klešč 14
4 TRDNOSTNI PRERAČUN NOSILNIH ELEMENTOV Trdnostni preračun najbolj obremenjenih delov smo s pomočjo modula "Simulation" izvedli v programskem paketu SolidWorks po metodi končnih elementov. Metoda temelji na diskretizaciji modela s končnimi elementi. Med seboj so povezani z vozlišči, v katerih vrednotimo neznane spremenljivke. Med procesom podiranja drevesa cilinder ščipalnih klešč s potisno silo posredno preko debla obremenjuje rezilo. Zaradi visoke potisne sile in relativno tankega rezila (slika 3.2., št.: 27) debeline 10 mm smo se odločili za numerični preračun, da preverimo njegovo ustreznost. Poleg rezila smo izvedli numerični in analitični preračun za priklopni sornik (slika 3.2, št.: 4). Na podlagi nosilnosti klešč, ki znaša 3000 kg nas je zanimalo, kako velike strižne in upogibne napetosti se v sorniku pojavijo, ko so klešče najbolj obremenjene in če so dobljene napetosti manjše od napetosti tečenja materiala 42CrMo4. 4.1 Trdnostni preračun priklopnega sornika Sornik je narejen iz jekla za poboljšanje 42CrMo4 po ISO (1.7225 po SIST EN 10027-2) z modulom elastičnosti 210000 MPa in Poissonovim količnikom 0,28, ostale lastnosti materiala najdemo v preglednici 4.1. Dobljen rezultat smo preverili tudi z analitičnim izračunom. Preglednica 4.1: Mehanske lastnosti jekla 42CrMo4 [7] Premer d [mm] Natezna trdnost R m [MPa] Napetost tečenja R o0,2 [MPa] Razteznost A [%] < 16 1100-1300 900 10 16 40 1000-1200 750 11 40-100 900-1100 650 12 Izvedli smo numeričen izračun primerjalnih napetosti za sornik premera 25 mm in dolžine 174,4 mm. Sornik je najbolj obremenjen v nakladni poziciji med prenašanjem tovora. Nosilnost ščipalnih klešč je 3000 kg, kar smo upoštevali pri določanju robnih pogojev. Sornik smo obremenili z zgornje strani s silo 29 430 N (slika 4.1. vijolična barva puščic). Ob robovih, kjer priklop pritiska na sornik, smo ga togo vpeli (slika 4.1. zelene puščice). Sornik smo zamrežili z mrežo, ki je vsebovala 20050 elementov, ki so se stikali v 30300 vozliščih. Program je podal rezultate, vidne na slikah 4.2 in 4.3. 15
F 1 = m g = 3000 9,81 = 29 430 N, (4.1.) kjer je: F 1 [N] - sila, m [kg] - masa, g [m/s 2 ] - gravitacijski pospešek. Slika 4.1: Določanje robnih pogojev in mreženje priklopnega sornika Slika 4.2: Primerjalne von Mises napetosti v sorniku 16
Slika 4.3: Pomiki v sorniku Analitična kontrola priklopnega sornika [7]: τ S = F S A = F 1 4 2πD 2 = 29430 4 2π 25 2 = 30 N/mm2 (4.2.) F S = F 1 2 (4.3.) σ u = M u max = 4F 1 (l 1 +2 l 2 ) = 4 29430 141 = 338 N/mm 2 (4.4.) W u πd 3 π 25 3 σ p = σ 2 x + 3τ 2 xy = 338 2 + 3 30 2 = 342 N/mm 2 (4.5.) σ dop = Re 0.9 = 675 MPa (4.6.) σ p σ dop, (4.7.) kjer je: τ S [N/mm 2 ] - strižna napetost v sorniku F s [N] - strižna napetost A σ u M u max W u D σ p [mm 2 ] [N/mm 2 ] [Nmm] [mm 3 ] [mm] [N/mm 2 ] - površina med sornikom in pušo - upogibna napetost - največji upogibni moment - odpornostni moment - premer sornika - primerjalna napetost po Misesu 17
Slika 4.4: Obremenitev sornika [7] Izračunana primerjalna napetost po Misesu je manjša od dopustne, zato je priklopni sornik trdnostno ustrezen. Največja primerjalna napetost pri numeričnem preračunu je 322 MPa, pri analitičnem pa 342 MPa. Analitični in numerični preračun se razlikujeta za približno 5%. Do odstopanja pride predvsem zaradi poenostavitve analitičnega izračuna. 4.2 Trdnostni preračun rezila Trdnostni preračun smo izvedli tudi za rezilo ščipalnih klešč, ki je narejeno iz drobnozrnatega jekla HARDOX 450 (preglednica 4.2). Pri izvedbi preračuna rezila smo za določanje sile, s katero smo obremenili rezilo, izhajali iz potisne sile cilindra. Na podlagi tlaka črpalke (215 bar), pretoka črpalke (20 litrov), notranjega premera cilindra (110 mm), premera batnice (60 mm) in dolžine hoda (180 mm) smo izračunali, da je potisna sila cilindra 204,3 kn. F = p A = 215 9503,3 = 204,3 kn (4.8.) A = π r 2 = π 55 2 = 9503,3 mm 2 (4.9.) p = 215 bar kjer je: F [N] - potisna sila cilindra p [bar] - delovni tlak črpalke A [mm 2 ] - površina bata 18
Preglednica 4.2: Mehanske lastnosti HARDOX-a 450 [14] Premer d [mm] Natezna trdnost R m [MPa] Napetost tečenja R o0,2 [MPa] Razteznost A [%] 3.2-80 1500 1100-1300 / S silo, ki jo proizvede cilinder, smo obremenili rezilo (slika 4.5 - vijolična barva puščic) in ga vpeli na 3 delih (slika 4.5 zelena barva puščic). Mrežo smo zgostili na delih, kjer prihaja do rezanja debla (slika 4.5). Slika 4.5: Robni pogoji in mreža rezila Slika 4.6: Primerjalne napetosti po Misesu na rezilu 19
4.3 Analiza numeričnih rezultatov Slika 4.7: Pomiki na rezilu Rezultati preračuna so pokazali, da sta tako sornik, kot tudi rezilo predimenzionirana in so napetosti, ki se pojavljajo manjše od dopustnih. Na sliki 4.2 vidimo, da se največje napetosti pojavljajo ob robovih sornika, kjer je togo vpet. Pomiki, reda velikosti sedemdeset mikrometrov so največji na sredini sornika, natančneje v točki, ki je od vpetja na levi in desni strani najbolj oddaljena. Pomiki so zanemarljivo majhni in s prostim očesom niso vidni. Na podlagi rezultatov sklepamo, da sornik prenaša obremenitve. Na robovih rezila so rezultati preračuna pokazali (slika 4.6), da so obremenitve v primerjavi s sornikom večje. Vendar mehanske lastnosti rezila materiala dopuščajo visoke obremenitve zaradi visoke obrabne odpornosti Hardox-a 450. Napetosti in pomiki so največji na začetku rezila in se z oddaljevanjem od vpetja zmanjšujejo. Napetost, ki jo dosežemo, ne presega 500 MPa in je za izbran material ustrezna. Prav tako so pomiki zanemarljivo majhni (slika 4.7), zato dodatna ojačitev rezila ni potrebna. 20
5 IZDELAVA ŠČIPALNIH KLEŠČ ZA LES KS 200 Hiter razvoj novih materialov in izdelkov najrazličnejših oblik je povzročil na področju izdelovalnih procesov premik naprej. V visoko tehnološko razvitih podjetjih so konvencionalne izdelovalne procese zamenjali nekonvencionalni, ki jih glede na vrsto uporabljene energije delimo na: mehanske procese, elektrokemijske in elektro-potopne [6]. Med njih spadata tudi lasersko in plazemsko rezanje, ki sta tako imenovana toplotna procesa. Njuno delovanje temelji na vnosu toplotne energije, ki povzroči izredno visoko temperaturo. Posledično se material raztopi oziroma upari. Takšen material nato odstranimo mehansko s curkom plina. Pred začetkom rezanja je material potrebno prebiti. Uveljavljena postopka prebijanja sta: pulzirajoče prebijanje: pločevina se prebije s pomočjo konice laserskega žarka, ki z impulzi reže material in odnaša delce kovine, kar povzroči malo izvrtino; zrak sodeluje z nalogo, da prepreči razširjanje izvrtine z eksotermično oksidacijo, eksplozijsko prebijanje: preboj nastane takoj, prebita izvrtina je večja od rezalne linije, raztopljen material pa težko nadzorujemo; ta vrsta prebijanja se vrši z mirujočim žarkom in curkom kisika [6]. Izvor toplotne energije pri laserskemu rezanju (slika 5.1.) je fokusiran žarek na površino obdelovanca. V širši industrijski uporabi je od leta 1980 in velja za najbolj precizen postopek rezanja materialov med termičnimi postopki rezanja. Uporabljamo ga predvsem za rezanje tanjših pločevin do 25 mm. Podoben je plamenskemu in plazemskemu rezanju, razlikuje se po izvoru toplote in porazdelitvi energije na obdelovanec. Z njim lahko obdelujemo širok spekter materialov. Pomembno je, da imajo ustrezne termične lastnosti, kot je nizka toplotna prevodnost, saj je od tega odvisna učinkovitost laserske obdelave [6]. V podjetju z laserjem režemo material do debeline 15 mm in ko je zahtevana visoka kakovost reza. Uporabljamo ga tudi za materiale, ki niso elektroprevodni, saj s plazmo teh materialov ni mogoče rezati. Poleg laserskega žarka praviloma sodeluje tudi rezalni plin oziroma asistenčni plin, ki ga navadno vodimo soosno z žarkom, lahko pa tudi od strani ali s spodnje strani obdelovanca. Plin hladi obdelovanec in preprečuje, da bi se toplotni vpliv širil po širši okolici reza, odpihuje talino in paro in ščiti napravo pred odrezanim materialom. Ob uporabi plina, ki deluje kot 21
oksidant (O2), lahko z dodatno oksidacijo materiala pospešimo proces rezanja, ravno obratno pa z reducenti (N2, C02) ali internim plinom (Ar, He) ščitimo pred nezaželeno oksidacijo. Glede na kombinacijo intenzitete žarka in vrste ter tlaka rezalnega plina ločimo osnovne tri načine laserskega rezanja: lasersko sublimacijsko rezanje (potrebna je visoka moč žarka v kratkem času, majhno toplotno prizadeto območje, uporablja se za rezanje lesa, papirja, umetnih materialov), lasersko talilno rezanje (večje toplotno prizadeto območje, uporablja se za visoko legirana jekla, nikljeve legure, titanove zlitine), lasersko plamensko rezanje (rezalni plin je kisik, posledično prihaja do oksidacije materiala in visokih hitrosti reza) [6]. Slika 5.1: Princip laserskega rezanja [6] V 50. letih prejšnjega stoletja so v Ameriki iskali boljše načine spajanja kovin za potrebe vojaške industrije. Tako se je razvil nov način varjenja TIG (Tungsten Inert Gas). Izvor toplotne energije pri TIG varjenju je električni oblok, skoncetriran tok ioniziranega in disociiranega plina, ki staja kovino. Z dodajanjem inertnega plina se ustvari zaščita, ki preprečuje oksidacijo staljene kovine. Po letu 1950 so z nadaljnjim razvijanjem TIG postopka odkrili, da se z oženjem usmerjevalne šobe plina iz gorilca k obdelovancu lastnosti obloka izboljšajo. Z zmanjšanjem preseka šobe se zoži tudi premer električnega obloka in s tem 22
poveča hitrost in temperatura plazme. S povišanjem temperature in hitrosti curka je staljeno kovino odpihnilo in tako se je razvilo plazemsko rezanje [6]. Plazemsko rezanje (slika 5.2.) je namenjeno predvsem za elektro-prevodne materiale. Omogoča visoke hitrosti rezanja, v primerjavi z laserjem pa je kvaliteta reza slabša. V podjetju uporabljamo plazemski razrez za pločevine, ki so debelejše od 10 mm in visoka kakovost reza ni zahtevana. Poznamo različne postopke rezanja s plazmo: konvencionalno plazemsko rezanje (uporablja se samo en plin zrak ali dušik, uporablja se za rezanje materialov do 15 mm), dvoplinsko plazemsko rezanje (uporabljata se dva plina, en za tvorbo plazme in drug za zaščito pred atmosfero), plazemsko rezanje z vodno zaveso (zaščitnemu plinu se doda voda, s čimer izboljšamo hlajenje šobe in obdelovanca), plazemsko rezanje z vbrizgavanjem vode (uporablja se rezalni plin in vodni curek, ki je radialno ali spiralno vbrizgan na smer obloka in pripomore k zožitvi obloka), precizno plazemsko rezanje (z zoženjem obloka in povečanjem njegove gostote pri manjših hitrostih rezanja dosegamo vrhunsko kakovost reza) [6]. Slika 5.2: Princip rezanja s plazmo [6] 23
5.1 Postopek izdelave programa za razrez pločevine z laserjem Podjetje uporablja za izdelavo programa za razrez pločevine z laserjem program Lantek, interaktivni program za grafično programiranje CNC strojev. Ko odpremo program, izberemo tehnološki postopek rezanja, za katerega se bo izdelal program. Nato uvozimo DXF modele kosov, ki jih želimo postaviti na ploščo in izrezati. Pazljivi moramo biti, da izberemo kose z isto debelino in materialom. Slika 5.3: Določanje lastnosti izbranega modela v programu Lantek Nato vsem izbranim kosom izberemo napravo, s katero bodo izrezani, material in debelino, ki je za vse kose enaka in število kosov (slika 5.3). Sledi določanje kvalitete reza za določen kos. Program ima kvaliteto reza razdeljeno na 12 enot (slika 5.4). Z večanjem zaporedne številke narašča kvaliteta reza. Tako je številka 1 (rdeča barva) namenjena hitremu rezanju zunanjih kontur, nasprotje temu pa je številka 12 (roza), ki se uporablja za natančno rezanje tankih pločevin zahtevnejših oblik. Program lahko glede na dane podatke kvaliteto reza določi samodejno. Slednjo opcijo smo izbrali tudi mi, lahko pa to storimo tudi ročno. 24
Slika 5.4: Kvaliteta reza je razdeljena na 12 stopenj V naslednjem koraku je sledilo določanje prebojev lukenj in gnezdenje na ploščo. Gnezdenje (nesting) lahko program opravi samodejno, vendar se je izkazalo, da z ročnim razporejanjem izdelkov na ploščo dosežemo boljši izkoristek in je posledično manj odpadnega materiala. Pri gnezdenju upoštevamo, da je najmanjši razmak med sosednjima kosoma enak debelini plošče, ki jo režemo. Za izboljšanje izkoristka lahko razmak med kosi tudi zmanjšamo za približno 10 %, še posebej v primeru ko tako dosežemo, da pridejo vsi kosi na ploščo. Upoštevati moramo tudi parnost kosov, npr. da izrežemo 4 kose velikih krakov klešč in 4 kose majhnih krakov klešč, da ne prihaja do čakanja na oddelku montaže. Nato sledi določanje izteka laserja in vrstni red rezanja. Pri tem smo pozorni, da je pot rezanja čim krajša. Da smo zapolnili celotno ploščo s kosi, smo na desno stran položili 5 ozkih kosov s cepilca, saj pri ščipalnih kleščah tako ozkih kosov ni. Pred izpisom CNC kode se odpre pojavno okno, na katerem označimo, da želimo brizg olja za potrebe hlajenje, ker je debelina plošče nad 8 mm. 25
Slika 5.5: Gnezdenje in določanje vrstnega reda rezanja kosov Nato smo s simulacijo preverili ustreznost rezanja ter izvozili CNC kodo (priloga 2), ki smo jo prenesli na ključek in jo predali operaterju stroja. Kot prilogo smo v pomoč operaterju natisnili tudi A4 list, na katerem so vidne dimenzije osnovne plošče (3000 x 1500 x 12 mm), čas trajanja programa, število kosov in teža ipd (priloga 3). 5.2 Postopek izdelave programa za plazemski razrez pločevine Pri pripravi plazemskega programa je postopek podoben laserskemu. Stroj za lasersko rezanje zamenjamo s strojem za plazemsko razrez. Sledijo identični koraki, kot v poglavju 5.1, uvozimo vse DXF modele kosov, ki jih bomo postavili na ploščo. Vsak posamezen kos odpremo, mu določimo stroj, debelino in material in število kosov. Sledi določanje prebojev in gnezdenje na ploščo. V primerjavi z laserskim rezanjem je dimenzija osnovne plošče dvakrat večja (6000 x 1500 mm), prav tako je večja tudi debelina plošče (15 mm), ki jo režemo. Naš plazemski stroj ima možnost rezanja z več plazemskimi glavami hkrati, kar moramo upoštevati pri gnezdenju in optimizaciji hitrosti programa. Nato sledi postopek gnezdenja kosov na ploščo in določanje vrstnega reda rezanja. Podobno kot pri programu za laserski razrez postavimo kose na ploščo in smo pozorni na izkoristek plošče. Ko imamo celotno ploščo zapolnjeno s kosi, jih polovico izbrišemo in v nastavitvah izberemo možnost rezanja z dvema gorilnikoma ter izbrisano polovico nadomestimo z 26
identično, ki je druge barve, kot je vidno na sliki 5.8. Spodnji temnejši del se reže istočasno, kot zgornji svetlejše barve, kar bistveno vpliva na čas trajanja programa. Slika 5.6: Gnezdenje in določanje vrstnega reda rezanja kosov za plazemski razrez Enako, kot v prejšnjem poglavju je sledila simulacija rezanja, izvoz CNC kode in priloga v pomoč operaterju. 27
28
6 ZAKLJUČKI V diplomski nalogi je predstavljena obstoječa in posodobljena konstrukcija ščipalnih klešč za les in njune medsebojne spremembe. Naše zastavljene cilje nam je uspelo izpolniti. S posodobljeno konstrukcijo smo dosegli vodoravnost rezila in krakov klešč. Največji premer rezanja debla smo povečali za 20 cm in maso klešč zmanjšali za 14 kg. Izvedli smo trdnostni preračun najbolj obremenjenih delov, ki nam je potrdil ustreznost konstrukcijskih delov. Naredili in opisali smo izdelavo programa za laserski in plazemski razrez pločevine. Podjetje je posodobljeno konstrukcijo ščipalnih klešč že izdelalo in prodalo prvim kupcem. V nadaljnjem delu bi bilo smotrno izvesti trdnostni preračun tudi za druge konstrukcijske dele. S tem bi lahko optimizirali dele, ki so predimenzionirani in dodatno zmanjšali maso ščipalnih klešč. Posledično bi prihranili na količini uporabljenega materiala, ščipalne klešče pa bi bile primerne tudi za naprave manjših nosilnosti. Hkrati bi se prepričali, da so vsi deli trdnostno ustrezni. Za ustrezno delovanje ščipalnih klešč KS 200 je priporočen pretok olja več kot 20 l/min, za kar se potrebuje dovolj zmogljiva črpalka in primeren osnovni stroj. Lahko bi razvili različne izvedenke obstoječih ščipalnih klešč, ki bi delovale na istem principu, razlikovale pa bi se v masi, nosilnosti, zahtevanem pretoku olja in potisni sili cilindra. S tem bi razširili trg potencialnih kupcev, saj bi imeli ščipalne klešče, primerne za mini bagre in traktorje z manjšim nakladalnikom, kot tudi zmogljivejše bagre in traktorje z večjim nakladalnikom za bolj profesionalno rabo. 29
30
SEZNAM UPORABLJENIH VIROV [1] Z. Ren, S. Glodež, Strojni elementi, 1. del: univerzitetni učbenik. Maribor: Fakulteta za strojništvo,2001. [2] Pišek Vitli Krpan d.o.o. Navodila za uporabno in varno delo za ščipalne klešče za les KS 180. Šmarje pri Jelšah, 2015. [3] P. Stanislav, Metodika konstruiranja. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2005. [4] S. Glodež. Tehnično risanje, 5. natis. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije, 2012. [5] P. Stanislav, Osnove konstruiranja. Maribor: Fakulteta za strojništvo 2014 [6] Moderno proizvodno strojništvo, priročnik. Grosuplje 2010 [7] V. Mulec. Preračun jeklene konstrukcije vrtljivega žerjava. Maribor, 2009. [diplomsko delo] [8] T. Kolsek. Metoda koncnih elementov (1.1998). Dosegljivo: http://www2.lecad.si/~kolsek/student_area/osnove_mke/index.html [Datum dostopa: 16.05.2016]. [9] Nisula Forest Oy [online]. Dosegljivo: http://nisulaforest.com/en/products/energywood-heads/nisula-205e [Datum dostopa: 16.05.2016] [10] Pišek Vitli Krpan d.o.o. (2015). Dosegljivo: http://www.vitlikrpan.com/front/templates/krpan/katalogi/si/index.html?t=120416 [Datum dostopa: 16.05.2016]. [11] Pišek Vitli Krpan d.o.o. [online]. Dosegljivo: http://www.vitlikrpan.com/o_podjetju/proizvodnja [Datum dostopa: 14.06.2016] [12] Gozd in gozdarstvo [online]. Dosegljivo: http://www.gozd-les.com/upravljanjegozdov/gospodarjenje-gozdom/skupinsko-postopno-gospodarjenje [Datum dostopa: 16.06.2016] [13] Varstroj. Rezalna tehnika [online]. Dosegljivo: http://www.daihenvarstroj.si/shared_files/katalogi/katalog_2012_trk_slo.pdf [Datum dostopa: 5.8.2016] [14] SSAB [online]. Dosegljivo: http://www.ssab.com/products/brands/hardox/products/hardox-450 [Datum dostopa 5.8.2016] 31
Priloga 1: Seznam sestavnih delov ščipalnih klešč KS 32
33
Priloga 2: CNC koda za razrez z laserjem 34
35
Priloga 3: CNC kodi za razrez z laserjem 36
37
Priloga 4: Priloga CNC kodi za razrez s plazmo 38
39