Σχεδιασμός της κοπής σκαφιδίου υδροστροβίλου Pelton σε σύστημα Cam

Abstract

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη βελτιστοποίηση της στρατηγικής της κοπής σε μηχανή CNC ενός σκαφιδίου υδροστροβίλου Pelton. Η βελτιστοποίηση αναφέρεται στην ελαχιστοποίηση του χρόνου κατεργασίας καθώς και στη μεγιστοποίηση της ποιότητας της επιφάνειας δηλαδή ελαχιστοποίηση του όγκου του υλικού που απομένει. Εξετάζονται με επαρκή δειγματοληψία, όπως εξασφαλίζεται από το σχεδιασμό πειραμάτων κατά Taguchi, τα δυνατά σενάρια κοπής του τεμαχίου. Γίνεται προσομοίωση της κοπής μέσω του προγράμματος SolidCam, ώστε να λαμβάνονται τα αποτελέσματα χωρίς να χρησιμοποιηθεί η εργαλειομηχανή και, παρόλα αυτά, εφαρμόζοντας πραγματικές συνθήκες κοπής. Επιλέγονται τα εργαλεία κοπής καθώς και οι συνθήκες κοπής. Για μεγαλύτερη ευκολία και ακρίβεια της βελτιστοποίησης το σκαφίδιο χωρίστηκε σε έντεκα τμήματα έτσι ώστε να επεξεργαστεί το κάθε ένα ξεχωριστά. Κριτήριο του διαχωρισμού ήταν η γεωμετρία της κάθε περιοχής. Εξετάζεται τόσο η εκχόνδριση όσο και η αποπεράτωση του κάθε τμήματος καθώς αναλύονται οι στρατηγικές κοπής αυτών. Επιλέγονται οι παράγοντες και τα επίπεδα των παραγόντων που τοποθετούνται σε ορθογώνιους πίνακες DoE και επηρεάζουν την κοπή σε κάθε μία από τις δύο φάσεις της κοπής. Αφότου ολοκληρωθεί η συλλογή των μετρήσεων-αποτελεσμάτων εφαρμόζεται η μέθοδος της ανάλυσης της διακύμανσης (Analysis of variance - ANOVA) για την ανάλυση των δεδομένων. Ο κύριος στόχος της ANOVA είναι να αναλύσει την συνολική μεταβλητότητα που παρατηρείται στα αποτελέσματα σε επιμέρους, ανεξάρτητες, συνιστώσες. Οι συνιστώσες αυτές αποδίδονται στο ένα ή το άλλο αίτιο προκειμένου στη συνέχεια να εξεταστεί πόσο σημαντικό είναι το αίτιο αυτό. Προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη λύση κοπής χρησιμοποιείται η συνάρτηση ποινής. Στην εκχόνδριση δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στον χρόνο κοπής ενώ στην αποπεράτωση στον εναπομείναντα όγκο του υλικού. Έτσι, χρησιμοποιείται διαφορετική συνάρτηση ποινής ανάλογα με την φάση της κοπής. Εφαρμόζοντας τις βέλτιστες στρατηγικές κοπής σε κάθε περιοχή προκύπτει ο συνολικός χρόνος κοπής του τεμαχίου και ο όγκος του υλικού που απομένει. Ολοκληρώνοντας τη σειρά των πειραμάτων και αναλύσεων, συμπεραίνεται ότι εφαρμόζοντας τις μεθόδους Taguchi-DoE και ANOVA στο τεμάχιο όχι ως σύνολο αλλά στις επιμέρους περιοχές που το συναποτελούν μπορεί να επιτευχθεί μείωση του συνολικού χρόνου της κατεργασίας και βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας.

This thesis aims to optimise the machining strategy for a Pelton hydro-turbine bucket-blade on a CAM system. Optimization refers to minimizing the machining time and the remaining volume of the material thus maximizing the quality of the surface. Possible scenarios are examined with sufficient sampling, as guaranteed by the design of experiments according to Taguchi method, for machining the workpiece. Simulation of real cutting conditions is implemented using the program SolidCam including selection of cutting tools and cutting conditions. For the sake of both ease and accuracy of the optimisation the bucket-blade is divided into eleven regions in order to process each one separately. The criterion of separation was the geometry of each part. Both roughing and finishing of each part are examined, as well as the machining strategies for each part. The factors and their levels that influence the machining are selected in roughing and finishing of each region. After completion of the collection of simulation results, the method of analysis of variance (Analysis of variance - ANOVA) is implemented for data analysis. The main objective of ANOVA is to analyze the total variability observed in the results, in individual, independent components. These components are attributed to specific reasons in order to judge their importance. To find the optimal machining solution the penalty function is used. In the roughing process greater importance is given to machining time while in the finishing process the remaining volume is more important. Hence, a different penalty function is used for each phase. Applying the best machining strategy in each region of the bucket-blend results in the total machining time and the remaining volume. Overall, it was demonstrated that by applying Taguchi-DoE and ANOVA techniques not to the whole workpiece but to each one of its constituent regions individually reduces machining time and improves finished surface quality