NADZOROWANIE STANU DYNAMICZNEGO PODCZAS FREZOWANIA SZYBKO CIOWEGO SMUK YMI NARZ DZIAMI

Transkrypt

1 77 NADZOROWANIE SANU DYNAMICZNEGO PODCZAS FREZOWANIA SZYBKOCIOWEGO SMUKYMI NARZDZIAMI Krzysztof KALISKI, Marek GALEWSKI, Stefan SAWIAK Potechnka Gdaska, Wydza Mechanczny, Katedra Mechank Wytrzymaoc Materaów u. G. Narutowcza /, 8-95 Gdask, Streszczene W pracy opsano proces nadzorowana drga wrujcych narzdz w nowoczesnych obrabarkach. Przedmotem rozwaa jest proces frezowana szybkocowego smukym frezem kustym. Zjawskem dynamcznym o stotnym znaczenu s drgana wzgdne narzdze przedmot obrabany, których rozwój, przy okreonych warunkach, moe doprowadz do utraty stabnoc oraz do wystpena drga samowzbudnych typu chatter. Rezutaty zmodyfkowanej metody nadzorowana drga za pomoc sterowana optymano-nowego prdkoc obrotow dowodz, e mona uzyska redukcj drga chatter poprzez zmany prdkoc obrotowej wrzecona. Przeprowadzono badana eksperymentane podczas frezowana na nowoczesnej maszyne Acera Gambn CR, których przykadowe wynk zameszczono w pracy. Uzyskane wynk wykazay praktyczne uzasadnene stosowanej strateg nadzorowana. Sowa kuczowe: obrabark, drgana narzdza, nadzorowane drga, badana eksperymentane A DYNAMIC SAE SURVEILLANCE DURING HIGH SPEED MILLING USING SLENDER OOLS Summary A process of vbraton surveance of rotatng toos n modern workng machnes s descrbed. Here s consdered the hgh speed sender ba end mng process. oo-workpece reatve vbraton means to be a sgnfcanty mportant dynamc phenomenon. Hence t may ead to a oss of stabty and then generate sef-excted chatter vbraton. Based upon a modfed method of vbraton surveance by the near-optma spnde speed contro t s found out, that spnde speed changes sgnfcanty reduce chatter vbraton. Resuts of the mng experments beng performed on modern producton machne Acera Gambn CR are expaned. he obtaned resuts dscosed a practca meanng of apped strategy of surveance. Keywords: machne toos, too vbraton, vbraton surveance, expermenta nvestgaton. WSP Frezowane smukym narzdzam jest czsto stosowane w nowoczesnych centrach obróbkowych wynka z konecznoc dokadnego (obróbka na gotowo ) wykonywana eementów o zoonych ksztaach geometrycznych. watowa tendencja zwkszana w obróbce mechancznej prdkoc skrawana oraz prdkoc posuwu, pozwaa uzyska du jej wydajno przy maych naddatkach. W takch warunkach, zjawskem dynamcznym o stotnym znaczenu s drgana wzgdne narzdze przedmot obrabany. Przy okreonych warunkach ch rozwój moe doprowadz do utraty stabnoc oraz do wystpena drga samowzbudnych typu chatter []. Mog one wystp nawet przy maych gbokocach skrawana. Jednym ze sposobów redukcj drga chatter jest sterowane programowe oraz sterowane optymane prdkoc obrotow wrzecona [, 3, 4]. W pracy proponuje s zmodyfkowan metod nadzorowana drga za pomoc sterowana optymano-nowego prdkoc obrotow wrzecona, dzk czemu mona unkn nadmernego wzrostu wartoc prdkoc obrotowej.. DYNAMIKA PROCESU SKRAWANIA Przeprowadzono anaz dynamk procesu skrawana smukym frezem kustym, przyjmujc nastpujce zaoena []. W strukturze obrabark wyodrbnono wrzecono wraz z narzdzem stó z przedmotem, jako podukady wykonujce zadane ruchy wzgdne. Uwzgdnono jedyne podatno narzdza. Do modeowana procesu skrawana przyjo eementy sprzgajce (ES). Efekt przejca becego ostrza narzdza wzdu warstwy skrawanej powoduje sprzene

2 78 proporcjonane, za efekt przejca ostrza poprzednego dodatkowo sprzene opónajce. Jako rezutat modeowana dyskretnego procesu frezowana otrzymano ukad (rys. ) skadajcy s z eementu skoczonego (OES) nr e typu bekowego o dugoc L c (dugo czynna frez oraz ES, których pooene odpowada chwowym pooenom ostrzy freza. Ponadto oznaczono: k natarca oraz k przyoena, jako eementy geometr ostrza, grubo warstwy skrawanej h, za s dzaajc w jej kerunku F y, gboko skrawana a p, s F y dzaajc w kerunku nomnanej prdkoc skrawana. v f a p L c ES nr F y y D L w. S o x e x OES nr e h x e3 n. Rys.. Schemat frezowana frezem kustym Da umownego punktu styku ostrza z przedmotem obrabanym (ES nr ) przyjo mode proporcjonany dynamk skrawana [, ]. Otrzymano: k d a p h D - () da h h h - F t = D, y da hd -, kdaphd - () da h h h - F t = D, y da hd -, F y 3( t) (3) S o y 3 h D h F y F y B x 3 y B x y x e gdze: k d dynamczny opór skrawana powerzchnowy wacwy, h D (t) nomnana grubo warstwy skrawanej; h D (t) f z cos (t), h (.) dynamczna zmana gruboc warstwy skrawanej, wspóczynnk sy skrawana (oraz sy F y przez s F y ), czas pomdzy dentycznym pooenam ES nr oraz ES nr -, Po transformacj przemeszcze do ukadu wspórzdnych x, x, x 3 otrzymano równane dynamk nestacjonarnego modeu procesu frezowana []: Mq Lq K q f, (4) gdze: za: q K ( t) K D, F D Ow f, wektor przemeszcze uogónonych ukadu, M, L, K macerze bezwadnoc, tumena oraz sztywnoc ukadu mechancznego, F wektor s oddzaywana ES nr, D P, D O macerze sprze proporcjonanych oraz sprze opónajcych ES nr, w wektor odksztace ES nr da chw czasu t-, czba aktywnych eementów sprzgajcych. Macerz transformacj (t) jest funkcj czasu, ponewa w wynku ruchu wrzecona przedmotu obrabanego ostrza freza zmenaj swoje pooene. 3. NADZOROWANIE DRGA ZA POMOC SEROWANEJ PROGRAMOWO PRD- KOCI OBROOWEJ WRZECIONA Rozwamy proces skrawana reazowany przy zmennej prdkoc obrotowej wrzecona n = n(t). Czas opónena da ostrza nr jest wówczas funkcj chwowej prdkoc obrotowej, tj. = (n). W wynku chwowej zmany prdkoc obrotowej n, równane dynamk (4) przyjme posta: Mq Lq K q () F D O P w t 6 d n (5).

3 79 W pracy [] wykazano, e proces skrawana przy zmennej prdkoc obrotowej wrzecona opsuje równane dynamk ukadu sterowanego: Mq Lq K q f B uu, (6) gdze macerz sterowa 6 d Bu t t DOw t n n (7) za wektor (jednowymarowy) sygnaów sterujcych u n (8) Zdefnujemy teraz uzmennony w czase energetyczny wskank jakoc []: J q q QMq q (9) q q Q K q q u Ru, przy czym: Q, Q macerze bezwymarowych wspóczynnków wagowych, R macerz efektu sygnaów sterujcych. Optymany sygna sterujcy otrzymany po mnmazacj wskanka energetycznego ze wzgdu na chwow zman prdkoc n ma posta [, 4]: u R t Bu, t M Q q d K Q Q K q K f gdze: t,t rozwzane równana x At x, xt, I () A(t) macerz stanu ukadu. Sterowane optymane prdkoc obrotow wrzecona poega na generowanu optymanego sygnau sterujcego w postac chwowych zman n prdkoc obrotowej n(t). Po uzyskanu w wynku tego sterowana prdkoc maksymanej n max, zman prdkoc do wartoc nomnanej n opsuje zaeno: t j n nmax nmax n, tj j O, O () przy czym: O czas opadana, t j czas poczku opadana nr j. Ponewa reazacja deanego przebegu optymano-nowego programu zmennej prdkoc obrotowej ne jest mowa na kadej maszyne, zaproponowano jego reazacj przybon. 4. BADANIA EKSPERYMENALNE W ceu wykonana bada dowadczanych na frezarce Acera Gambn CR (ENIM,Metz) zanstaowano aparatur pomarow, w której skad weszy m.n.: sondy wroprdowe, umowajce pomar przemeszcze poprzecznych wrujcego narzdza, ukad optyczny pomaru prdkoc obrotowej, uchwyt do mocowana czujnków pomarowych, ukad kondycjonowana sygnaów, komputer przenony wraz z kart pomarow A/C autorskm programam akwzycj anazy danych. Merzono drgana poprzeczne wrujcego narzdza w kerunku prostopadym do prdkoc posuwu. Przeprowadzono testy modane narzdza. Na podstawe wynków pomarów drga narzdza wymuszonych mpusem sy zdentyfkowano parametry modeu modanego freza. Wynk jednego z eksperymentów przedstawono na rys.. przemeszczene [mm] Rys.. Drgana narzdza przy wymuszenu sowym sygnaem mpusowym Wynk dentyfkacj parametrów bd wykorzystywane do symuacj komputerowej nadzorowana procesu frezowana. Przeprowadzono pomary prdkoc obrotowej wrzecona drga narzdza podczas procesu skrawana. Wykonano próby przy frezowanu penym, wspóbenym przecwbenym próbk z brzu BA3 sta 45, przy staej zmennej prdkoc obrotowej [5]. Wynk pomarów da frezowana penego przedstawono w tabe oraz na rysunkach 3 4. Skrawane przeprowadzono przy nastpujcych parametrach: da brzu BA3: gboko skrawana a p =.3 mm prdko posuwu v f = 3 mm/mn da sta 45: gboko skrawana a p =. mm prdko posuwu v f = 3 mm/mn Frezowano z prdkoc sta 5 oraz 65 obr/mn, a take ze zmennym nowo (przebeg trójkny) prdkocam obrotowym. Wynk pomarów da staej prdkoc obrotowej wykazay, e skrawane pene z gbokoca p =,3 mm (da brzu BA3) a p =, mm (da sta 45) powoduje rozwne drgana chatter (rys. 3).

4 8 abea. Wartoc skuteczne przemeszcze narzdza (RMS) amptudy drga chatter q ch przy frezowanu penym brzu BA3 Reazowany przebeg prdkoc obrotowej Staa prdko obrotowa n= 5 obr/mn (rys. 3) Staa prdko obrotowa n = 65 obr/mn (rys. 4) Prdko zmenna, zmany co,4 s n = obr/mn (rys. 5) Prdko zmenna, zmany co,5 s n = obr/mn (rys. 6) RMS q ch [mm] [mm],334,53,383,438,3535,687,33459,5 abea. Wartoc skuteczne przemeszcze narzdza (RMS) amptudy drga chatter q ch przy frezowanu penym sta 45 Reazowany przebeg RMS q ch prdkoc obrotowej [mm] [mm] Staa prdko obrotowa,3535,353 n= 5 obr/mn Staa prdko obrotowa,37754,449 n = 65 obr/mn Prdko zmenna, zmany,336,93 co,4 s n = obr/mn Prdko zmenna, zmany,37,98 co,5 s n = obr/mn 5. WNIOSKI W wynku nadzorowana drga z zastosowanem programów zmennej prdkoc obrotowej wrzecona zredukowano wartoc RMS do % oraz amptudy drga chatter do 66% (w porównanu z przypadkem skrawana ze sta prdkoc 65 obr/mn). Równe pomary drga podczas frezowana wspóbenego przecwbenego wykazay jakocowo podobne rezutaty, jak w przypadku frezowana penego. przemeszczene [mm] przemeszczene [mm] przemeszczene [mm] przemeszczene [mm] czstotwo [Hz] Rys. 3. Przemeszczene narzdza ( wdmo amptudowe ( przy frezowanu penym brzu BA3 ze sta prdkoc 5 obr/mn czstotwo [Hz] Rys. 4. Przemeszczene narzdza ( wdmo amptudowe ( przy frezowanu penym brzu BA3 ze sta prdkoc 65 obr/mn

5 8 c) obroty [ obr/mn] przemeszczene [mm] przemeszczene [mm] c) przemeszczene [mm] przemeszczene [mm] obroty [ obr/mn] czstotwo [Hz] Rys. 5. Prdko obrotowa (, przemeszczene narzdza ( wdmo amptudowe (c) przy frezowanu penym brzu BA3 ze zmenn prdkoc obrotow od 5 do 65 obr/mn, zmany co,4 s czstotwo [Hz] Rys. 6. Prdko obrotowa (, przemeszczene narzdza ( wdmo amptudowe (c) przy frezowanu penym brzu BA3 ze zmenn prdkoc obrotow od 5 do 65 obr/mn, zmany co,5 s LIERAURA [] omków J.: Wbrostabno obrabarek, Warszawa, WN, 997 [] Kask K.: Nadzorowane drga ukadów mechancznych modeowanych dyskretne, Wyd. Po. Gdaskej, [3] Kask K.J., Kucharsk., Sawak S.: A new method for suppresson of chatter vbraton by programmed spnde speed contro, Metz: Ecoe Natonae d Ingeneurs de Metz, [4] Kask K.J.: he spnde speed optma contro as a mean of chatter vbraton surveance. Int. J. Mech. Prod. Systems Eng., Metz: ENIM 3, Avr 3, ss. 3 4 [5] Kask K., Gaewsk M: Nadzorowane drga procesów obróbkowych z wykorzystanem optymano-nowego sterowana prdkoc obrotow wrzecona, eora maszyn mechanzmów. Red. J. Wojnarowsk,. Uh. Kraków: Katedra Robotyk Dynam. Masz. AGH, 4, t., s Dr hab. n. Krzysztof J. Kask urodz s 956 r. Od 98 r jest zatrudnony w Katedrze Mechank Wytrzymaoc Materaów na Wydzae Mechancznym Potechnk Gdaskej. ytu magstra nynera uzyska w 98 r., doktorat w 988 r., a habtacj w r. W pracy naukowej zajmuje s nadzorowanem drga maszyn urzdze technoogcznych, opsem knematyk dynamk manpuatorów, sterowanem robotam mobnym, anaz modan oraz zastosowanem metody sztywnych eementów skoczonych do modeowanu ukadów mechancznych. Jest autorem ub wspóautorem 9 pubkacj naukowych, 65 nepubkowanych sprawozda referatów oraz 6 programów komputerowych. W chw obecnej opekuje s 4 doktorantam, z których otworzyo przewody doktorske, oraz 3 magstrantam.

6 8 Mgr n. Marek Gaewsk urodz s w 978 r. Od 3 r. zatrudnony w Kates probemam nadzorowana procesów dyna- drze Mechank Wytrzymaoc Materaów na Wydzae Mechancznym Potechnk Gdaskej. ytu magstra nynera uzyska w r., za przewód doktorsk otworzy w 5 r. W pracy naukowej zajmuje mcznych, w szczegónoc frezowana szybkopomarów drga, projekto- cowego, metodam wanem mechatroncznym oraz anaz modan. Jest wspóautorem 5 pubkacj naukowych. Dr n. Stefan Sawak urodz s 949 r w Sopoce. Od 976 r jest zatrudnony w Katedrze Mechank Wytrzymaoc Materaów na Wydzae Mechancznym Potechnk Gdaskej. ytu magstra nynera uzyska 974 r., doktorat w 979 r. W pracy naukowej zajmuje s dynamk maszyn, ze szczegónym uwzgdnenem drga okrowych ukadów napdowych, zastosowanem metody szty- do modeowanu wnych eementów skoczonych ukadów mechancznych. Jest autorem ub wspóautorem 5 pubkacj naukowych, 56 nepubkowanych sprawozda referatów oraz kkunastu programów komputerowych.