6.4. Ustalenie zbioru reprezentatywnych stanów obci¹ enia struktury uk³adu konstrukcyjnego Analiza i przyjêcie parametrów skrawania dla

Transkrypt

1

2 3 SPIS TREŒCI Wykaz wa niejszych oznaczeñ WPROWADZENIE METODY I CELE BADAÑ OBRABIAREK ORAZ STOSOWANE KRYTERIA OCENY Ogólne cele i sposoby badañ Badania obrabiarki w stanie spoczynku Badania dok³adnoœci geometrycznej Badania w³asnoœci statycznych Badania w³asnoœci dynamicznych uk³adu konstrukcyjnego Badania obrabiarki na biegu ja³owym Badania w³asnoœci cieplnych Badania b³êdów kinematycznych i powtarzalnoœci pozycjonowania Badania obrabiarki pod obci¹ eniem roboczym Badania stabilnoœci Badania prac¹ i okreœlanie mo liwoœci technologicznych Przydatnoœæ istniej¹cych rodzajów badañ do oceny w³asnoœci obrabiarek CEL I ZA O ENIA PRACY ANALIZA B ÊDÓW PRZEDMIOTU OBRABIANEGO SPOWODOWANYCH CZYNNIKAMI WYNIKAJ CYMI Z W ASNOŒCI OBRABIAREK I PROCESU SKRAWANIA Czynniki sk³adaj¹ce siê na ca³kowit¹ odchy³kê wymiaru Ustalenie dopuszczalnych odchy³ek sk³adowych ca³kowitej odchy³ki wymiaru METODA OCENY W ASNOŒCI OBRABIAREK Za³o enia metody oceny Kryteria i wskaÿniki oceny w³asnoœci Analiza rozk³adu obci¹ eñ w przestrzeni roboczej i stanów struktury Analiza stosowanych narzêdzi oraz rodzajów i parametrów obróbki Czynniki wp³ywaj¹ce na procedurê oceny w³asnoœci obrabiarek Wyznaczanie wskaÿników oceny w³asnoœci w badaniach prototypu Wyznaczanie wskaÿników oceny w³asnoœci obrabiarek w toku konstruowania WERYFIKACJA METODY OCENY Opis obiektu badañ Baza danych przedmiotów obrabianych i jej funkcje Analiza konstrukcji i zadañ technologicznych

3 Ustalenie zbioru reprezentatywnych stanów obci¹ enia struktury uk³adu konstrukcyjnego Analiza i przyjêcie parametrów skrawania dla reprezentatywnych narzêdzi Program badañ i metoda analizy wyników Przyrz¹dy, uk³ady pomiarowe i oprogramownie Wyznaczanie wskaÿników oceny i analiza wyników badañ Analiza i ocena w³asnoœci statycznych obrabiarek Analiza i ocena b³êdów kszta³tu przedmiotu obrabianego Analiza i ocena chropowatoœci powierzchni obrobionej Globalna ocena tokarki Okreœlenie przydatnoœci zaproponowanej metody badañ do oceny w³asnoœci obrabiarek PODSUMOWANIE I WNIOSKI LITERATURA SUMMARY

4 5 CONTENTS 1. INTRODUCTION METHODS AND AIMS OF MACHINE TOOL TESTING AND ASSESSMENT CRITERIA USED General aims and methods of testing Tests on machine tool at a standstill Geometrical checks Testing of static properties Testing of structural dynamic properties Tests on machine tool running idle Testing of thermal properties Testing of kinematic errors and positioning repeatability Tests on operating machine tools Stability checks Practical tests and determining machining capability Suitability of the existing tests for evaluating machine tool properties AIM AND UNDERLYING ASSUMPTIONS OF THE STUDY ANALYSIS OF THE WORKPIECE ERRORS RELATED TO FACTORS RESULTING FROM MACHINE TOOL PROPERTIES AND THE MACHINING PROCESS Factors contributing to the total dimensional deviation Estimation of the permissible partial deviations of the total dimensional deviation METHOD FOR EVALUATING MACHINE TOOL PROPERTIES Underlying assumptions of the method Criteria and indexes of evaluation Analysis of the load distribution within the working space and of the structure configurations Analysis of the tooling used and machining parameters employed Factors affecting a procedure for evaluation of machine tool properties Determination of evaluation indexes at the prototype stage Determination of evaluation indexes at the design stage VERIFICATION OF THE EVALUATION METHOD Description of the object investigated Workpiece database and its functions Analysis of machine tool structure and manufacturing tasks Determination of a representative set of structure load states

5 6.5. Analysis of machining parameters for a representative set of tools Test program and the method adopted for analyzing the results Measuring devices and the relevant software Determination of the evaluation indexes and analysis of the experimental results Analysis and evaluation of static properties of machine tool Analysis and evaluation of geometrical errors of the workpiece Analysis and evaluation of surface roughness Complete evaluation of the testing machine tool Applicability of the proposed method to evaluating properties of machine tools SUMMARY AND CONCLUDING REMARKS REFERENCES SUMMARY

6 Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Nr 81 Politechniki Wroc³awskiej Nr 81 Monografie Nr obrabiarka, uk³ad konstrukcyjny, ocena w³asnoœci, kryteria i wskaÿniki oceny Wac³aw SKOCZYÑSKI OCENA W ASNOŒCI OBRABIAREK NA PODSTAWIE DOK ADNOŒCI OBRÓBKI PRZEDMIOTÓW PRÓBNYCH Opracowano metodê kompleksowej oceny w³asnoœci uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek i ich walorów eksploatacyjnych na podstawie badania dok³adnoœci obróbki przedmiotów próbnych i z uwzglêdnieniem stawianych maszynie zadañ technologicznych. Metoda ta zak³ada takie obci¹ anie obrabiarki, jakie wystêpuje podczas realizacji stabilnego procesu obróbki wykañczaj¹cej. Dok³adnoœæ obróbki jest oceniana przez pomiar i analizê odchy³ek wymiarów próbnych przedmiotów obrabianych. Wprowadzono wskaÿniki oceny, które uwzglêdniaj¹ zwi¹zek miêdzy ocenianymi w³asnoœciami uk³adu konstrukcyjnego a dok³adnoœci¹ obróbki przedmiotu próbnego. Umo liwiaj¹ one dokonanie zarówno ca- ³oœciowej oceny wp³ywu w³asnoœci obrabiarki na uzyskan¹ klasê dok³adnoœci wymiarowo-kszta³towej tego przedmiotu i jakoœæ jego powierzchni, jak i ocen cz¹stkowych wp³ywu w³asnoœci statycznych, dynamicznych i geometrycznych tej obrabiarki lub procesu skrawania na wspomnian¹ klasê. Wska- Ÿniki te wi¹ ¹ w czytelny sposób w³asnoœci obrabiarki z efektami obróbki w postaci odchy³ek wymiarów, odchy³ek kszta³tu i chropowatoœci powierzchni obrobionego przedmiotu. S¹ one wyra ane iloœciowo i odpowiadaj¹ wartoœciom liczbowym klas dok³adnoœci wymiarów ISO. Ich postaæ zale y od ogólnego celu oceny w³asnoœci obrabiarek, gdy zdefiniowane s¹ w odniesieniu do badañ prototypu i do badañ odbiorczych. Wprowadzone wskaÿniki i kryteria oceny w³asnoœci i walorów eksploatacyjnych obrabiarek nadaj¹ siê do w³¹czenia do komputerowo wspartych procedur projektowania i optymalizacji uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek. Opracowana metoda oceny jest spójna z tymi procedurami, poniewa umo liwia wykorzystanie wspólnych danych wejœciowych i takich samych reprezentatywnych stanów konfiguracji struktury i stanów obci¹ eñ uk³adu konstrukcyjnego. * Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wroc³awskiej, Wybrze e Wyspiañskiego 27, Wroc³aw.

7 8 Wykaz wa niejszych oznaczeñ a, a 1, b, b 1, c, d wspó³czynniki aproksymowanych krzywych, a p g³êbokoœæ skrawania, mm, a pi g³êbokoœæ skrawania odpowiadaj¹ca i-temu naddatkowi, mm, A dolna granica tolerancji wymiaru, µm, B górna granica tolerancji wymiaru, µm, c m wskaÿnik mo liwoœci technologicznych obrabiarki, c mk krytyczny wskaÿnik mo liwoœci technologicznych obrabiarki, D dowolny wymiar lub œrednica, mm, D a maksymalna dopuszczalna œrednica przelotu nad ³o em, mm, D s œrednia geometryczna granic przedzia³ów wymiarów nominalnych, mm, f posuw, mm/obr, F si³a ca³kowita (wywierana przez ostrze), N, F c si³a skrawania, N, F cmax si³a skrawania odpowiadaj¹ca w danych warunkach wykorzystaniu pe³nej mocy lub maksymalnego momentu skrawania na wrzecionie tokarki M c, N, F f si³a posuwowa, N, F N wypadkowa si³a od napêdu g³ównego, N, F No sk³adowa obwodowa si³y od napêdu, N, F Nr sk³adowa promieniowa si³y od napêdu, N, F p si³a odporowa, N, G x podatnoœæ dynamiczna w kierunku x, µm/n, i jednostka tolerancji normalnej dla klas tolerancji normalnych od IT5 do IT18 i wymiarów nominalnych 500 mm, µm, i, j, k, l, m, n indeksy dla wspó³czynników wag i wskaÿników oceny, I jednostka tolerancji normalnej dla klas tolerancji normalnych od IT1 do IT18 i wymiarów nominalnych >500mm, mm, IT tolerancja normalna, mm, l odcinek elementarny (podczas wyznaczania chropowatoœci), mm, odcinek pomiarowy falistoœci, mm, l w

8 L d³ugoœæ przedmiotu obrabianego; rozmiar przestrzeni roboczej w kierunku osiowym, mm, L w odleg³oœæ od powierzchni czo³owej szczêk uchwytu do miejsca, od którego rozpoczynano skrawanie przedmiotu próbnego, mm, M c moment skrawania, N m, M max maksymalny moment skrêcaj¹cy na wrzecionie, N m, n prêdkoœæ obrotowa, obr/min, n R liczba uwzglêdnionych rodzajów obróbki, n M liczba uwzglêdnionych sposobów mocowania, n N liczba uwzglêdnionych narzêdzi, n 1, n 2, n 3 liczby elementów podzia³u przestrzeni roboczej w kierunkach osi 1, 2 i 3, przyjêtego trójwymiarowego uk³adu wspó³rzêdnych, R a œrednie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatoœci, µm, R m maksymalna wysokoœæ chropowatoœci, µm, R t maksymalna wysokoœæ chropowatoœci miêdzy lini¹ wzniesieñ a lini¹ wg³êbieñ profilu w przedziale odcinka elementarnego (oznaczenie równowa ne R m ), µm, R z wysokoœæ chropowatoœci wed³ug 10 punktów, µm, r ε promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ka no a, mm s odchylenie standardowe, s pom odchylenie standardowe œrodków (narzêdzi) pomiarowych, µm, T tolerancja wykonania, µm, T c ca³kowity czas maszynowy, h, T min minimalna tolerancja mierzonej wielkoœci, µm, v c prêdkoœæ skrawania, m/min, v f prêdkoœæ posuwu, m/min, w ijklmn wspó³czynnik wagi, uwzglêdniaj¹cy wyst¹pienie obci¹ enia w pojedynczej podprzestrzeni, n 1 n 2 n 3 -elementowej przestrzeni roboczej, wyznaczony dla okreœlonego n-tego rodzaju obróbki, m-tego sposobu mocowania i l-tego narzêdzia, w M m wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy m-ty sposób mocowania przedmiotu obrabianego, w N l wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy l-ty rodzaj narzêdzia, w R n wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy n-ty rodzaj obróbki, W wskaÿnik oceny, W dop dopuszczalna wartoœæ wskaÿnika oceny, Wdop s wskaÿnik oceny w³asnoœci statycznych, odpowiadaj¹cy obci¹ eniu maksymaln¹ si³¹ skrawania F cmax, 9

9 10 W g globalny wskaÿnik oceny, W c g globalny wskaÿnik oceny chropowatoœci powierzchni, k W g globalny wskaÿnik oceny b³êdów kszta³tu, W OUPN g globalny wskaÿnik oceny uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki, W s g globalny wskaÿnik oceny w³asnoœci statycznych, W ijklmn lokalny wskaÿnik oceny w pojedynczej podprzestrzeni, n 1 n 2 n 3 -elementowej przestrzeni roboczej, wyznaczony dla okreœlonego n-tego rodzaju obróbki, m-tego sposobu mocowania i l-tego narzêdzia, W lmn lokalny wskaÿnik oceny, wyznaczony w miejscu przestrzeni roboczej, odpowiadaj¹cemu po³o eniu maksimum rozk³adu obci¹ eñ, dla okreœlonego n- tego rodzaju obróbki, m-tego sposobu mocowania i l-tego narzêdzia, W m maksymalna wysokoœæ profilu falistoœci, µm, W o odbiorczy wskaÿnik oceny, W c o odbiorczy wskaÿnik oceny chropowatoœci powierzchni, W k o odbiorczy wskaÿnik oceny b³êdów kszta³tu, W OUPN o odbiorczy wskaÿnik oceny uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki, W s o odbiorczy wskaÿnik oceny w³asnoœci statycznych, W t maksymalna wysokoœæ falistoœci miêdzy lini¹ wzniesieñ a lini¹ wg³êbieñ skorygowanego profilu falistoœci w przedziale odcinka pomiarowego, µm, W z wysokoœæ falistoœci, µm, x i wspó³rzêdne wierzcho³ka no a, odpowiadaj¹ce promieniowi toczenia, mm, x œrednia arytmetyczna, z i wspó³rzêdne wierzcho³ka no a odpowiadaj¹ce odleg³oœci od powierzchni czo³owej szczêk uchwytu, mm, α k¹t przy³o enia,, γ k¹t natarcia,, lub funkcja koherencji, δ wzglêdne przemieszczenie miêdzy sto³em i narzêdziem, µm, B tr odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, µm, B okr tr odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, przedmiotu obrabianego umieszczonego na stole okr¹g³oœciomierza, µm, B uch tr odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, przedmiotu obrabianego zamocowanego w uchwycie tokarki, µm, d odchy³ka wymiaru, µm, d s odchy³ka wymiaru spowodowana odkszta³ceniami statycznymi uk³adu, µm, d k odchy³ka wymiaru wywo³ana b³êdami geometrycznymi i drganiami obrabiarki, µm, d c odchy³ka wymiaru zwi¹zana z chropowatoœci¹ powierzchni, µm,

10 d r odchy³ka równoleg³oœci osi wrzeciona do przesuwu suportu wzd³u nego, µm, D ca³kowita odchy³ka wymiaru; ekwiwalentna ca³kowita odchy³ka wymiaru; ca³kowita odchy³ka œrednicy toczenia; ekwiwalentna ca³kowita odchy³ka œrednicy, µm, Z q odchy³ka okr¹g³oœci wzglêdem œrodka okrêgu œredniego, µm, Z 15 q odchy³ka okr¹g³oœci, odzwierciedlaj¹ca wp³yw b³êdów geometrycznych (po zastosowaniu filtra dolnoprzepustowego, przenosz¹cego fale nierównoœci w zakresie od 2 do 15 fal na obrót przedmiotu), µm, Z 150 q odchy³ka okr¹g³oœci, ujmuj¹ca wp³yw drgañ tokarki (po zastosowaniu filtra œrodkowoprzepustowego, przenosz¹cego fale nierównoœci w zakresie od 15 do 150 fal na obrót przedmiotu), µm, κ k¹t przystawienia,, λ F graniczna d³ugoœæ fali filtra kszta³tu, mm, λ R graniczna d³ugoœæ fali filtra chropowatoœci, mm, λ s graniczna d³ugoœæ fali filtra do usuwania z profilu bardzo stromych wzniesieñ, mm, ϕ k¹t przesuniêcia fazowego, lub rad, 11

11 12 1. WPROWADZENIE Obrabiarki skrawaj¹ce s¹ zaliczane do najwa niejszych œrodków wytwórczych w dziedzinie obróbki metali. Z punktu widzenia u ytkownika wspó³czesne obrabiarki powinny spe³niaæ kilka wymagañ, które s¹ czêsto ze sob¹ sprzeczne. Mo na je zdefiniowaæ nastêpuj¹co [10, 92]: osi¹ganie du ej dok³adnoœci wymiarowo-kszta³towej, a szczególnie powtarzalnoœci wymiarowej wyrobów, du a wydajnoœæ, w celu osi¹gniêcia krótkiego czasu wytwarzania (znacznie zwiêkszona prêdkoœæ ruchu roboczego i ruchu ja³owego zespo³ów obrabiarki), du a elastycznoœæ zdolnoœæ do realizacji ró nych zadañ produkcyjnych, szybkie przezbrajanie obrabiarki i szybka wymiana programu sterowania, rozszerzenie mo liwoœci wykonania ró nych zabiegów technologicznych na jednej obrabiarce, zwiêkszona moc silników napêdowych i zwiêkszona liczba silników do ruchów posuwowych (mo liwoœæ jednoczesnej obróbki przedmiotu kilkoma narzêdziami), ma³e koszty wytwarzania, niezawodnoœæ pracy, ograniczenie szkodliwych oddzia³ywañ na œrodowisko i bezpieczna praca. Znaczenie poszczególnych wymagañ zale y przede wszystkim od zakresu zastosowañ obrabiarki. Ostateczne priorytety tych wymagañ i kryteria oceny ustala u ytkownik, a producent jest zazwyczaj zmuszony do nich siê dostosowaæ. Czynnikiem wymuszaj¹cym zmiany w konstrukcji obrabiarek jest zmniejszenie rozmiarów serii produkcyjnych i polepszenie jakoœci partii wyrobów [35]. W przysz³oœci oczekiwania w stosunku do producentów obrabiarek bêd¹ siê skupiaæ na wytwarzaniu wielu typów systemów wytwórczych, z ponoszeniem minimum kosztów, co bêdzie prowadzi³o do budowy obrabiarek tylko z takim wyposa eniem, które bêdzie potrzebne do osi¹gniêcia za³o onej wielkoœci produkcji [35]. Wobec stale rosn¹cych wymagañ dotycz¹cych dok³adnoœci i wydajnoœci obróbki, konstruktorom stawia siê zadania optymalnego projektowania elementów sk³adowych tych maszyn. Wymaga to z jednej strony obszernej wiedzy na temat zwi¹zków miêdzy w³asnoœciami obrabiarki i jej walorami eksploatacyjnymi a konstrukcyjnym ukszta³towaniem jej elementów sk³adowych, z drugiej zaœ dysponowania sposobami oceny kon-

12 1. Wprowadzenie 13 kretnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych. Celowe wydaje siê zatem wprowadzenie jednakowych metod i kryteriów oceny stosowanych w procesie konstruowania i na etapie badañ prototypu lub odbiorczych. Nale y sobie jednak zdawaæ sprawê z tego, e w przypadku metod obliczeniowych modelowania uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek zawsze wyst¹pi¹ nieuniknione b³êdy zwi¹zane z dyskretyzacj¹ struktury, z przyjmowaniem parametrów dysypatywno-sprê ystych i z nieuwzglêdnieniem czynników zwi¹zanych z dok³adnoœci¹ wykonania elementów sk³adowych obrabiarki i ich monta u. Metody eksperymentalne stawiaj¹ z kolei pewne ograniczenia zwi¹zane z metod¹ pomiaru i sposobem obci¹ enia obrabiarki. Trudne jest te odniesienie wyników badañ do konkretnych elementów konstrukcyjnych w celu dokonania po ¹danej modyfikacji ich parametrów. Spójnoœæ metod i kryteriów oceny stosowanych w procesie konstruowania i w badaniach obiektu rzeczywistego umo liwi³aby dodatkowo bezpoœrednie odnoszenie wyników obliczeñ do wyników pomiarów oraz weryfikacjê i doskonalenie modelu obliczeniowego. Szybki rozwój œrodków komputerowego wsparcia konstruowania dostarczy³ wielu narzêdzi do efektywnego kszta³towania konstrukcji maszyn i obliczeniowego wyznaczania w³asnoœci projektowanych elementów. W dziedzinie kryteriów oceny obrabiarek wystêpuj¹ jednak obecnie znaczne braki w porównaniu ze stanem rozwoju metod obliczeniowych [155], co w znacznym stopniu ogranicza mo liwoœci racjonalizacji decyzji konstruktorskich [50]. Ocena rozwi¹zañ konstrukcyjnych przeprowadzana jest najczêœciej na podstawie przyjêtych a priori przez konstruktora wskaÿników lub parametrów odniesienia, czêsto oderwanych od w³aœciwoœci eksploatacyjnych, na które oceniane w³asnoœci maj¹ wp³yw. Pe³na ocena decyzji podjêtych podczas kszta³towania uk³adu jest jednoznaczna z ocen¹ jego w³asnoœci statycznych, dynamicznych i cieplnych [65]. Aby j¹ skutecznie zrealizowaæ konieczne jest jednak dysponowanie modelem oceny uwzglêdniaj¹cym te w³asnoœci oraz systemem mierników i kryteriów [65, 68, 71]. W celu pe³nego wykorzystania technik komputerowego wsparcia konstruowania, konieczne jest wiêc podjêcie prac zmierzaj¹cych do opracowania odpowiednich kryteriów oceny. Technika pomiarowa, w porównaniu z obliczeniow¹, dostarcza wiarygodniejszych danych do oceny konstrukcji maszyny. Badania doœwiadczalne s¹ jednak znacznie kosztowniejsze, gdy wymagaj¹ z jednej strony materializacji konstrukcji w postaci prototypu, a z drugiej dysponowania odpowiedni¹ metod¹ i zestawem aparatury pomiarowej. Uzyskane wyniki umo liwiaj¹ dokonywanie porównañ ró nych wariantów konstrukcyjnych lub ró nych obrabiarek tego samego typu, mog¹ tak e s³u yæ do oceny ich charakterystyk. Na podstawie charakterystyk rzadko jednak dokonuje siê oceny iloœciowej. Niew³aœciwie dobrane wskaÿniki oceny prowadz¹ czêsto do zaskakuj¹cych wyników. Przyk³adem mog¹ byæ wskaÿniki wzglêdnej statycznej i dynamicznej podatnoœci (uwzglêdniaj¹ce moc napêdu g³ównego), wyznaczone na podstawie szeroko zakrojonych badañ prowadzonych w niemieckim przemyœle obrabiarkowym, na próbie kilkuset obrabiarek ró nego typu, których konstrukcje uznano przez producentów za dobre [156]. Wyznaczone wskaÿniki mia³y du y rozrzut i w skrajnych przypadkach w grupie obra-

13 14 1. Wprowadzenie biarek tego samego typu ró ni³y siê od siebie nawet kilkunastokrotnie. Mo e to tylko œwiadczyæ o z³ym doborze metod badañ i wskaÿników, którym przypisano kluczow¹ rolê podczas oceny konstrukcji obrabiarki. Jedynym racjonalnym odniesieniem podczas oceny obrabiarki jest punkt widzenia u ytkownika. Jest on zainteresowany przede wszystkim w³aœciwoœciami eksploatacyjnymi maszyny. Podczas formu³owania kryteriów oceny istotne jest zatem, aby powi¹zane by³y one z osi¹gan¹ dok³adnoœci¹ wykonania przedmiotów obrobionych i z wydajnoœci¹ tej maszyny [156]. Wydajnoœæ jest pochodn¹ zastosowanego rozwi¹zania konstrukcyjnego uk³adu kinematycznego, mocy zainstalowanego silnika napêdu g³ównego, rodzaju i sterowania napêdu posuwów, rodzaju i trwa³oœci ostrza narzêdzia, stopnia automatyzacji oraz rodzaju zainstalowanego oprzyrz¹dowania. Czynniki te niew¹tpliwie wp³ywaj¹ na ukszta³towanie konstrukcji. Osi¹gi obrabiarki mierzy siê, w wypadku oceny wydajnoœci, liczb¹ detali wykonanych w jednostce czasu. W³asnoœci obrabiarki musz¹ jednak umo liwiæ wykonanie wymaganej liczby detali z za³o on¹ dok³adnoœci¹ obróbki. Ze wzglêdów ekonomicznych w³asnoœci obrabiarki nie powinny byæ du o lepsze ni wymagaj¹ tego stawiane warunki technologiczne, gdy obrabiarka powinna byæ tylko tak dobra, jak tego wymaga spektrum przedmiotów, jakie maj¹ byæ na niej obrabiane [156]. Ciekawe motto dotycz¹ce dok³adnoœci wytwarzania podano w podrêczniku Milberga [92]: na tyle zgrubnie, na ile to mo liwe na tyle dok³adnie, na ile to konieczne. Podczas formu³owania kryteriów oceny nale y wiêc po³¹czyæ wskaÿniki oceny obrabiarki z uzyskiwan¹ dok³adnoœci¹ obróbki [65]. Umo liwia to ocenê w³asnoœci obrabiarki ze wzglêdu na mo liw¹ do uzyskania (w przypadku analizy obliczeniowej) lub uzyskiwan¹ (w przypadku badañ doœwiadczalnych) dok³adnoœæ obróbki, jeden z najwa niejszych dla u ytkownika wskaÿników jakoœci obrabiarki. Dotychczas brak jest efektywnych metod umo liwiaj¹cych jednoznaczn¹ ocenê w³asnoœci uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki. Przyczyn¹ tego stanu rzeczy jest nieuwzglêdnianie w procedurach oceny cech charakteryzuj¹cych te uk³ady, które wyraÿnie odró - niaj¹ obrabiarki od innych maszyn roboczych. Nale ¹ do nich [65]: z³o onoœæ uk³adu jest to uk³ad przestrzenny o du ej liczbie stopni swobody i zmiennej strukturze, przy czym struktura ta mo e zmieniaæ siê w szerokich granicach, nie tylko dla ró nych zadañ obróbkowych, ale tak e podczas wykonywaniu jednego zabiegu, z³o onoœæ stanu obci¹ enia uk³adu jest wynikiem z jednej strony tego, e na uk³ad obrabiarki dzia³aj¹ zmienne si³y zwi¹zane zarówno z realizowanym procesem, jak i pochodz¹ce od uk³adów napêdowych, z drugiej strony zaœ jest nastêpstwem ró nych po³o eñ punktu zaczepienia wypadkowej si³y skrawania, w przestrzeni roboczej obrabiarki, zmiennoœæ stanu uk³adu wynika przede wszystkim ze zmian stanu cieplnego uk³adu konstrukcyjnego, zmian intensywnoœci smarowania po³¹czeñ ruchowych, zmiennoœci rozk³adu nacisków na powierzchniach stykowych, co wystêpuje np. podczas realizacji

14 1. Wprowadzenie 15 ró nych zadañ obróbkowych b¹dÿ te mo e byæ wywo³ywane czynnikami zewnêtrznymi, sprzê enia miêdzy uk³adem masowo-sprê ystym i realizowanym procesem skrawania powoduj¹, e pracuj¹ca obrabiarka jest uk³adem zamkniêtym. Z wymienionych cech uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek wynikaj¹ warunki, jakie powinny spe³niaæ technika pomiarowa i metody obliczeniowe, aby uzyskiwane wyniki mog³y zapewniæ mo liwoœæ oceny w³asnoœci tych uk³adów. Nale y przy tym zwróciæ uwagê na to, e obliczeniowa ocena w³asnoœci obrabiarki jest mo liwa, ale nie mo e byæ pe³na ze wzglêdu na niemo noœæ uwzglêdnienia czynników, które s¹ zwi¹zane z rzeczywistymi warunkami pracy tej maszyny, takimi jak warunki obci¹ enia podczas skrawania, stan cieplny i warunki ch³odzenia, smarowanie, rozk³ad nacisków na prowadnicach, luzy w po³¹czeniach itp. Natomiast w odniesieniu do techniki pomiarowej nale y stwierdziæ jednoznacznie, e jedynie badania obrabiarki wykonane w warunkach ruchowych, z jednoczesn¹ realizacj¹ procesu skrawania, umo liwiaj¹ uwzglêdnienie wszystkich wymienionych czynników podczas badania i dokonywania oceny konstrukcji. Dok³adnoœæ obróbki osi¹gan¹ na danej obrabiarce ocenia siê na podstawie porównania zgodnoœci wykonania przedmiotu obrobionego z narzuconymi wymaganiami dotycz¹cymi tolerancji wymiarów, kszta³tu i po³o enia oraz jakoœci powierzchni obrobionej. Oceniane s¹ wiêc wielkoœci zwi¹zane z ró nymi powierzchniami tego przedmiotu. Do diagnozowania stanu obrabiarek mog¹ byæ wykorzystane badania widmowej gêstoœci mocy profilu powierzchni obrobionej. Zak³ada siê w nich, e praca obrabiarki mo e byæ traktowana jako proces kodowania w strukturze geometrycznej powierzchni obrobionej informacji o stanie technicznym jej zespo³ów b¹dÿ funkcjonalnie wa nych elementów [98]. Ze wzglêdu na to, e w³asnoœci obrabiarki wielorako oddzia³uj¹ na jej walory eksploatacyjne, trudno jest oszacowaæ wp³yw pojedynczego czynnika na osi¹gan¹ dok³adnoœæ wymiarowo-kszta³tow¹ przedmiotu obrobionego. Praca zmierzaæ wiêc bêdzie do opracowania takiego zestawu wskaÿników, który pozwoli oceniæ wp³yw w³asnoœci obrabiarki na dok³adnoœæ obróbki uzyskan¹ w rzeczywistych warunkach roboczych i stwierdziæ czy maszyna ta spe³nia wymagania dotycz¹ce dok³adnoœci obróbki wykañczaj¹cej.

15 16 2. METODY I CELE BADAÑ OBRABIAREK ORAZ STOSOWANE KRYTERIA OCENY 2.1. OGÓLNE CELE I SPOSOBY BADAÑ W przemyœle obrabiarek skrawaj¹cych przeprowadza siê badania prototypów i badania odbiorcze. Pierwszy rodzaj badañ obejmuje zespó³ doœwiadczeñ i pomiarów przeprowadzonych wed³ug ustalonej metody, która u³atwia i przyœpiesza dokonanie oceny obiektu badañ na podstawie ustalonego kryterium oceny [140]. Badania prototypu powinny dostarczyæ podstaw do oceny: stopnia spe³nienia za³o eñ konstrukcyjnych i technologicznych, stopnia spe³nienia wymagañ odbiorczych okreœlonych przez: warunki odbioru technicznego, obowi¹zuj¹ce normy i kryteria ustalone przez konstruktora w czasie badañ innych prototypów. Badania odbiorcze wykonuje siê na ka dej seryjnie wyprodukowanej obrabiarce. Ograniczaj¹ siê one czêsto do pomiarów dok³adnoœci geometrycznej, testów obróbkowych i sprawdzenia wymagañ ujêtych w normach. Stanowi¹ one zawê enie badañ prototypu. Badanie obrabiarek mo e nastêpowaæ drog¹ bezpoœredni¹ (przez wyznaczanie w³asnoœci uk³adu) lub poœredni¹ (poprzez testy obróbkowe i próby prac¹) (rys. 2.1). Mo e byæ ono podporz¹dkowane dwu g³ównym celom: sprawdzaniu w³aœciwoœci eksploatacyjnych i ustalaniu sposobów poprawy konstrukcji w razie stwierdzenia nieodpowiednich w³asnoœci. Badania bezpoœrednie umo liwiaj¹ analizê wp³ywu poszczególnych czynników okreœlaj¹cych w³asnoœci statyczne, dynamiczne i cieplne obrabiarki, a tym samym umo liwiaj¹ ustalenie przyczyn niew³aœciwego zachowania siê uk³adu oraz stwarzaj¹ obiektywn¹ podstawê do przeprowadzenia efektywnych zmian konstrukcyjnych. Zastosowanie tego typu badañ do oceny w³asnoœci maszyny technologicznej jest jednak e bardzo pracoch³onne i wymaga dysponowania stosunkowo z³o onymi uk³adami pomiarowymi oraz odpowiednimi kryteriami i miernikami oceny. Badania poœrednie s¹ stosunkowo proste i ³atwe do przeprowadzenia, ale umo liwiaj¹ jedynie sumaryczne ujêcie w³aœciwoœci eksploatacyjnych i zwykle nie pozwalaj¹ na wyci¹ganie wniosków odnosz¹cych siê do œrodków poprawy w³asnoœci uk³adu konstrukcyjnego. Zastosowanie tego typu badañ jest szczególnie efektywne w bada-

16 Sposoby Badania bezpoœrednie w³asnoœci obrabiarek lub sumarycznych w³asnoœci wiêkszej liczby elementów obrabiarki Badania poœrednie najczêœciej wielu, pojedynczych w³asnoœci przez pomiar i ocenê wielu przedmiotów obrobionych na badanej obrabiarce (testy obróbkowe) Cele Ocena w³asnoœci obrabiarek ze wzglêdu na odchy³ki rzeczywiste uzyskane w efekcie obróbki, zale ne od obci¹ eñ roboczych Kryteria odbioru : sprawdzenie czy zmierzone odchy³ki le ¹ w dozwolonym, zadanym zakresie tolerancji, wzglêdnie czy nie s¹ przekroczone wartoœci graniczne Przejrzysty, ogólny test funkcjonalny obrabiarki przez obserwacjê operacji w trakcie obróbki przedmiotu próbnego. S³u y czêsto jako ograniczenie badañ bezpoœrednich. Ocena pojedynczych lub pewnej grupy w³asnoœci obrabiarki, ze wzglêdu na odchy³ki wymiarowe i kszta³tu oraz jakoœæ powierzchni przedmiotu obrobionego. Kryteria odbioru : zadowalaj¹cy przebieg funkcjonowania obrabiarki, jak równie zachowywanie tolerancji wymiarów i kszta³tu oraz jakoœci powierzchni przedmiotu obrobionego 2.1. Ogólne cele i sposoby badañ Poprawa konstrukcji obrabiarki lub konstrukcyjne œrodki poprawy, gdy nie s¹ spe³nione kryteria odbioru Przy niespe³nieniu kryteriów odbioru konieczne jest czêsto przeprowadzenie badañ bezpoœrednich Rys Cele i sposoby badañ obrabiarek i ich ocena [161] Fig Aims and methods of the machine tool testing and evaluation [161] 17

17 18 2. Metody i cele badañ obrabiarek oraz stosowane kryteia oceny niach odbiorczych obrabiarek, podczas gdy badania bezpoœrednie powinny przede wszystkim znaleÿæ zastosowanie w badaniach prototypów. Badania obrabiarek przeprowadza siê na obrabiarce ustawionej i uruchomionej zgodnie z wytycznymi ujêtymi w dokumentacji techniczno-ruchowej (DTR). Ka da obrabiarka powinna odbyæ wstêpne docieranie, po czym ustala siê luzy monta owe i ustawcze do wartoœci podanych przez DTR, warunki odbioru technicznego (WOT) lub stosowane w czasie normalnej eksploatacji [140, 216]. Powinna te byæ ona doprowadzona do stanu stabilizacji termicznej i zabezpieczona przed wp³ywem zewnêtrznych Ÿróde³ ciep³a [187]. W zale noœci od charakteru badañ s¹ one wykonywane na obrabiarce unieruchomionej (bêd¹cej w stanie spoczynku), pracuj¹cej na biegu ja³owym (nieobci¹ onej), obci¹ onej si³ami i momentami zastêpczymi lub w czasie skrawania [140]. Zakres tych badañ podaj¹ ró ne normy (np. [ , , ]), zalecenia, (np.[ , ]), instrukcje (np. [140, 216]), normy bran owe [168] i zak³adowe warunki odbioru technicznego. Zakresy dopuszczalnych zmian parametrów s¹ podawane najczêœciej a priori przez konstruktora lub przyjmowane na podstawie wytycznych z norm albo opracowañ innych producentów obrabiarek. Z punktu widzenia producenta obrabiarek najistotniejsze s¹ dwa aspekty badañ [156]: potrzeba interpretacji wyników pomiarów z u yciem obiektywnych (niezale nych od wytwórcy) metod oceny w odniesieniu do istniej¹cego stanu techniki, mo liwoœæ wykorzystania pe³nej mocy napêdu g³ównego do skrawania, z zachowaniem warunków stabilnej pracy maszyny. W pierwszym przypadku konieczna jest normalizacja wyników pomiarów i wprowadzenie pewnych wielkoœci odniesienia, aby mo liwe by³o w ten sposób dokonywanie porównañ obrabiarek ró nych wielkoœci. W drugim, nale y ograniczyæ badania do mo liwie ma³ej liczby reprezentatywnych pomiarów, na podstawie których dokonana zostanie ocena obrabiarki BADANIA OBRABIARKI W STANIE SPOCZYNKU BADANIA DOK ADNOŒCI GEOMETRYCZNEJ Na odchy³ki geometryczne obrabiarki sk³adaj¹ siê odchy³ki kszta³tu i po³o enia pojedynczych elementów konstrukcyjnych (sto³y, suporty, prowadnice, pinole) [156]. Spowodowane s¹ one b³êdami wykonania elementów korpusowych i ich po³¹czeñ (prowadnice, u³o yskowania, po³¹czenia sta³e i zaciskowe), b³êdami monta owymi (np. luzy ustawcze w prowadnicach i ³o yskach) oraz niedok³adnoœciami wywo³anymi zu yciem. Z³e fundamentowanie i posadowienie maszyny maj¹ tak e wp³yw na b³êdy geometryczne. W przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie przyczyn¹ odchy³ek geometrycznych mo e byæ uk³ad sterowania. Na odchy³ki geometryczne wymiaru przedmiotu obrobionego maj¹ tak e wp³yw odchy³ki od geometrii nominalnej narzêdzia, odkszta³cenia sprê yste narzêdzi, przedmiotów obrabianych, oprzyrz¹dowania i elementów mocuj¹-

18 2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku 19 cych, odchy³ki uwarunkowane technologicznie (np. stêpienie krawêdzi skrawaj¹cej). Ta ostatnia grupa odchy³ek nie zale y jednak bezpoœrednio od geometrii samej obrabiarki. Badania dok³adnoœci geometrycznej obrabiarki w stanie spoczynku polegaj¹ na sprawdzaniu wymiarów, kszta³tu i po³o enia czêœci sk³adowych oraz ich wzajemnych przemieszczeñ [187]. Dotycz¹ one tylko wymiarów i kszta³tów, które mog¹ wp³ywaæ na dok³adnoœæ obrabiarki i dok³adnoœæ obróbki. Pomiary geometryczne mo na równie przeprowadziæ na biegu ja³owym [187]. Badania dok³adnoœci geometrycznej obrabiarki nie nastrêczaj¹ wiêkszych trudnoœci bowiem zarówno w kraju [ , 201, 202], jak i za granic¹ [ , ] s¹ prawie ca³kowicie znormalizowane. Normy odnosz¹ siê do ró nych typów i odmian obrabiarek, podaj¹c dopuszczalne wartoœci najwa niejszych dla danej maszyny odchy³ek geometrycznych, jakie mog¹ wyst¹piæ dla ustalonych warunków pomiaru. Wartoœci te s¹ przyjête a priori dla ka dego rodzaju niedok³adnoœci geometrycznej (np. prostoliniowoœci, p³askoœci, równoleg³oœci, prostopad³oœci, bicia, okr¹g³oœci lub walcowoœci) i odnosz¹ siê do ca³ej przestrzeni roboczej. Na rysunku 2.2. przedstawiono przyk³adowo sposób sprawdzania prostoliniowoœci przesuwu suportu tokarki. Na podstawie oceny dok³adnoœci geometrycznej przyjmuje siê, e obrabiarka jest dobra albo z³a. Ocena ró nych obrabiarek tego samego typu jest mo liwa przez porównanie zmierzonych lub wyznaczonych odchy³ek rzeczywistych. Jednak odchy³ki zwi¹- a) b) Napiêty drut Odchy³ka Rys Sprawdzanie prostoliniowoœci przesuwu suportu tokarki: (a) dla rozstawu k³ów DC<1500 mm, (b) dla dowolnej wartoœci DC [201] Fig Checking of straightness of the lathe carriage movement: (a) by the distance DC between centres DC<1500 mm (b) by another arbitrary value of DC [201]

19 20 2. Metody i cele badañ obrabiarek oraz stosowane kryteia oceny zane z b³êdami geometrycznymi elementów obrabiarki, zmierzone w warunkach spoczynkowych w okreœlonych miejscach przestrzeni roboczej, mog¹ w tych samych miejscach w warunkach ruchowych odzwierciedlaæ siê na przedmiocie obrabianym w zupe³nie inny sposób. Pomiary dok³adnoœci geometrycznej maj¹ najczêœciej na celu wyznaczenie maksymalnej wartoœci odchy³ki, zwi¹zanej z danym rodzajem b³êdu, w ca³ej przestrzeni roboczej lub w ca³ym zakresie zmiennoœci wymiarów badanych elementów. Maksymalne wartoœci odchy³ki mog¹ wystêpowaæ w miejscach, w których bardzo rzadko, ze wzglêdu na zbiór wykonywanych operacji technologicznych, znajd¹ siê elementy przesuwne obrabiarki. Wartoœci te s¹ wiêc niemiarodajne ze wzglêdu na ocenê wykonania okreœlonej maszyny. Dla po³o eñ zespo³ów obrabiarki w miejscach, w których czêsto wykonuje siê operacje technologiczne, maszyna mo e okazaæ siê du o dok³adniejsza, czasem nawet zbyt dok³adna w stosunku do postawionych zadañ obróbkowych. Ocenê dok³adnoœci geometrycznej obrabiarki nale y powi¹zaæ ze spektrum operacji obróbkowych, które maj¹ byæ wykonywane na danej maszynie. Nale y braæ pod uwagê odchy³ki geometryczne wyznaczone dla takich konfiguracji struktury, jakie wyst¹pi¹ w warunkach eksploatacji BADANIA W ASNOŒCI STATYCZNYCH Podstaw¹ do oceny w³asnoœci statycznych konstrukcji jest wp³yw jej odkszta³ceñ, zachodz¹cych pod wp³ywem obci¹ eñ eksploatacyjnych lub zastêpczych, na wzglêdne przemieszczenia miêdzy przedmiotem i narzêdziem. Na obci¹ enia obrabiarki sk³adaj¹ siê si³y uogólnione pochodz¹ce od procesu skrawania i od napêdu oraz si³y ciê koœci i bezw³adnoœci. Cech¹ charakterystyczn¹ obrabiarek jest to, e w warunkach eksploatacyjnych zmienia siê ich struktura, po³o enie punktu zaczepienia wypadkowej si³y skrawania, jej wartoœæ i kierunek dzia³ania oraz wartoœæ i kierunek si³ od napêdu. Wymaga to podjêcia podczas badañ decyzji co do przyjêcia reprezentatywnych po³o eñ zespo- ³ów obrabiarki i reprezentatywnych warunków obci¹ enia. Przyjêty stan obci¹ enia uk³adu (lub zbiór takich stanów) powinien dobrze modelowaæ obci¹ enie, któremu podlegaæ bêdzie badany uk³ad konstrukcyjny w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Powinien te byæ reprezentatywny dla wszystkich mo liwych stanów obci¹ enia, jakie mog¹ wyst¹piæ podczas realizacji zadañ technologicznych. Badania w³asnoœci statycznych obrabiarek nie s¹ znormalizowane, ale spotykane s¹ ró ne zalecenia, np. [140, 163, 168]. W wiêkszoœci spotykanych w literaturze metod tych badañ obrabiarki s¹ obci¹ ane niezale nymi sk³adowymi zastêpczymi modeluj¹cymi wypadkow¹ si³ê skrawania. Wprowadza siê przedmiot i narzêdzie zastêpcze, przez które wywierane jest obci¹ enie na uk³ad noœny. Spotykane s¹ równie metody obci¹- ania struktury ciê arem przedmiotu obrabianego i badania odkszta³ceñ uk³adu dla ró - nych po³o eñ uk³adu [ ]. Przemieszczenia mierzy siê w kierunkach zgodnych z kierunkami g³ównych sk³adowych si³y skrawania [140], przy czym jako kierunek podstawowy przyjmuje siê ten, w którym przemieszczenia wywo³uj¹ najwiêksze zmiany

20 2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku 21 wymiarów lub kszta³tu przedmiotu obrabianego. Charakterystyki statyczne wyznacza siê równie z u yciem tzw. obci¹ eñ quasistatycznych [29], stosuj¹c technikê pomiaru i analizê drgañ o czêstotliwoœci rzêdu kilku herców. Metoda wyznaczania charakterystyk statycznych wykorzystuj¹ca wymuszenia quasistatyczne jest obarczona jednak du ym b³êdem. Badania statyczne maj¹ na celu [140]: wyznaczenie sztywnoœci statycznej niektórych zespo³ów obrabiarki i tzw. wska- Ÿników sztywnoœci sumarycznej, okreœlenie wartoœci wzglêdnych przemieszczeñ narzêdzia i przedmiotu obrabianego (np. rys. 2.3) i oceny ich wp³ywu na dok³adnoœæ obróbki. Sztywnoœæ statyczn¹ okreœla siê na podstawie zmierzonych charakterystyk typu obci¹ enie przemieszczenie. S¹ one równie podstaw¹ do szacowania nieliniowoœci uk³adu. Ocena w³asnoœci statycznych odbywa siê na podstawie zaleceñ zawartych w instrukcjach badañ obrabiarek okreœlonego rodzaju. Wyniki pomiarów porównuje siê z rezultatami badañ podobnych maszyn. Mog¹ byæ one wykorzystane do oceny sztywnoœci dla ró nych nastaw uk³adu konstrukcyjnego maszyny (rys. 2.3). Niemiecka norma przejœciowa [171], odnosz¹ca siê tylko do frezarek, proponuje cykl obci¹ anie odci¹ anie maszyny w dwóch kierunkach (pchanie ci¹gniêcie), przechodz¹c przez punkt zerowy obci¹ enia. W ten sposób mo na okreœliæ luzy i napiêcie wstêpne w ³o yskach (czy jest 5,5 5,0 P z [kn] Si³a obci¹ aj¹ca 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 zacisk sañ i wspornika bez zacisku sañ bez zacisku wspornika Pz δ 1,5 1,0 0,5 0, Wzglêdne przemieszczenia pomiêdzy trzpieniem a sto³em frezarki δ [µm] Rys Schemat obci¹ ania frezarki i jej charakterystyki statyczne w zale noœci od ró nych stanów zacisku zespo³ów przesuwnych Fig Loading diagram of the milling machine and its static characteristics depending on different conditions of the sliding assemblies clamping

21 22 2. Metody i cele badañ obrabiarek oraz stosowane kryteia oceny ono wystarczaj¹ce). Dla wyznaczanych wskaÿników sztywnoœci brak jest jednak wartoœci odniesienia okreœlaj¹cych wartoœci dopuszczalne ze wzglêdu na planowane funkcje obrabiarki. W ograniczonym zakresie mog¹ one byæ stosowane jedynie do oceny porównawczej. Za odniesienie s³u ¹ czasami wyniki badañ prowadzonych od wielu lat z u yciem tej samej metody [156]. Zdaniem zespo³u prowadz¹cego takie badania w Laboratorium Obrabiarkowym RWTH Aachen, wyznaczone w nich podatnoœci statyczne mog¹ s³u yæ za podstawê do oszacowania zwyczajowo wystêpuj¹cych sztywnoœci [156]. W pracy [65] przeprowadzono analizê podatnoœci zespo³u wrzecionowego poddanego ró nym stanom obci¹ enia i wykazano, e stosowanie opisywanych w literaturze wskaÿników sztywnoœci jako kryterium mo e prowadziæ nie tylko do b³êdnej oceny rozpatrywanych wariantów konstrukcyjnych tego zespo³u, lecz tak e do b³êdnego oszacowania wp³ywu elementów sk³adowych tego uk³adu na jego zachowanie siê w warunkach pracy. Druga odmiana badañ statycznych polega na ocenie wzglêdnych przemieszczeñ zachodz¹cych miêdzy narzêdziem a przedmiotem obrabianym pod wp³ywem obci¹ eñ roboczych na obrabiarce pozostaj¹cej w stanie spoczynku lub w warunkach ruchowych. W pierwszym przypadku jako obci¹ enia stosuje siê niezale ne si³y zastêpcze modeluj¹ce poszczególne sk³adowe wypadkowej si³y skrawania. Zwykle nie s¹ uwzglêdniane oddzia³ywania od napêdu obrabiarki. Wyj¹tkiem jest metoda stosowana w pracy [65], w której obci¹ enie w strefie skrawania wywierane by³o za poœrednictwem uk³adu napêdowego. Badania statyczne obrabiarki podczas skrawania przeprowadza siê, stosuj¹c rzeczywiste si³y skrawania i si³y od napêdu, jakie wystêpuj¹ dla zmieniaj¹cych siê parametrów obróbki. Podstaw¹ oceny mog¹ byæ wzglêdne przemieszczenia miêdzy przedmiotem a narzêdziem lub odchy³ki od nominalnego wymiaru, spowodowane zmieniaj¹cymi siê parametrami obróbki. Badania unieruchomionej obrabiarki mo na ³¹czyæ z wielopunktowymi pomiarami przemieszczeñ struktury noœnej maszyny. Wyniki badañ mog¹ byæ wykorzystane do okreœlenia s³abych ogniw uk³adu ze wzglêdu na jego w³asnoœci statyczne. Wyznaczaj¹c udzia³y poszczególnych elementów uk³adu konstrukcyjnego w ca³kowitym wzglêdnym przemieszczeniu miêdzy narzêdziem i przedmiotem obrabianym (rys. 2.4), mo na wskazaæ na zespo³y najbardziej podatne i tylko wœród nich przeprowadzaæ najbardziej efektywne zmiany konstrukcji. W tego typu badaniach czêsto pomija siê oddzia³ywanie narzêdzia. Kompleksow¹ metodê oceny w³asnoœci statycznych obrabiarek w po³¹czeniu z metod¹ badañ, kryteriami, wskaÿnikami oceny i wartoœciami odniesienia opracowano w odniesieniu do tokarek [65]. Na podstawie badañ statystycznego rozk³adu powierzchni obrabianych mo na uwzglêdniaæ rzeczywisty rozk³ad obci¹ eñ w przestrzeni roboczej oraz obci¹ enia pochodz¹ce od si³y napêdowej. Opracowane wskaÿniki s¹ powi¹zane z klas¹ dok³adnoœci wykonania przedmiotu, a wiêc jednym z najwa niejszych parametrów eksploatacyjnych obrabiarki. Przyjête kryterium umo liwia dokonywanie iloœciowej oceny w³asnoœci statycznych tokarki ze wzglêdu na mo liw¹ do uzyskania dok³adnoœæ obróbki.

22 2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku δ [µm] 240 Wzglêdne przemieszczenia miêdzy sto³em i narzêdziem F f = 20 kn F p = 20 kn F c = 20 kn Kierunek i wartoœæ obci¹ enia pozosta³e po³¹czenie wspornik - stojak po³¹cz. stó³ - sanie i sanie - wspornik stojak i wrzeciennik zespó³ wrzecionowy Rys Udzia³y ró nych zespo³ów frezarki wspornikowej w ca³kowitym wzglêdnym przemieszczeniu miêdzy sto³em i narzêdziem, wywo³anym ró nymi sk³adowymi si³y skrawania Fig Contribution of different assemblies of the knee-type milling machine to the total relative displacement between the table and the tool, due to various components of the cutting force BADANIA W ASNOŒCI DYNAMICZNYCH UK ADU KONSTRUKCYJNEGO Pomiary umo liwiaj¹ce analizê i ocenê dynamicznych w³asnoœci obrabiarek pozostaj¹cych w stanie spoczynku mo na podzieliæ na nastêpuj¹ce grupy: wyznaczanie charakterystyk (funkcji przejœcia) poszczególnych cz³onów uk³adu dynamicznego obrabiarki, analizê widmow¹ sygna³u otrzymanego z rejestracji drgañ uk³adu lub odpowiedzi uk³adu na zadany sygna³ wejœciowy (wymuszenie), wyznaczanie postaci drgañ, analizê modaln¹ drgañ uk³adu. Funkcja przejœcia uk³adu przedstawiona jest w formie podatnoœciowej charakterystyki czêstotliwoœciowej. Jej wyznaczenie wymaga wymuszenia drgañ uk³adu zmienn¹ si³¹ oraz pomiaru amplitudy przemieszczenia i fazy, jako odpowiedzi na to wymuszenie (rys. 2.5). Zmienny sygna³ elektryczny, o zadanym przebiegu czasowym, tworzony jest w generatorze, nastêpnie wzmacniany i zadawany do wzbudnika, który wytwarza zmienn¹ si³ê oddzia³uj¹c¹ na badany obiekt. Si³a wymuszaj¹ca jest mierzona przez przetwornik umieszczony na elemencie ³¹cz¹cym wzbudnik z tym obiektem.

23 24 2. Metody i cele badañ obrabiarek oraz stosowane kryteia oceny Rys Stanowisko badawcze do wyznaczania funkcji przejœcia uk³adu wrzecionowego tokarki Fig Experimental set-up for determining the transfer function of the lathe spindle system Drgania uk³adu mierzy siê w ustalonych punktach za pomoc¹ czujników generuj¹cych sygna³y przyspieszenia, prêdkoœci lub przemieszczenia. Sygna³y z przetwornika si³y oraz z czujników drgañ s¹ rejestrowane i nastêpnie przetwarzane w zale noœci od potrzeb zastosowanej metody badañ i oceny. W procesie przetwarzania stosuje siê estymatory widma zale ne od zastosowanego sygna³u wymuszaj¹cego. Analiza widmowa ma zastosowanie do drgañ wymuszonych stochastycznymi lub aperiodycznymi (np. impulsowymi) sygna³ami wymuszaj¹cymi. Spoœród licznych, znanych metod analizy widmowej najczêœciej jest obecnie stosowany cyfrowy algorytm szybkiej transformaty Fouriera, tzw. FFT. OdpowiedŸ uk³adu na wymuszenie, zarejestrowana w dziedzinie czasowej, mo e byæ przetworzona na charakterystykê czêstotliwoœciow¹ (rys. 2.6) i za pomoc¹ oprogramowania u ytkowego przedstawiona w odpowiedniej formie (np. jako przebieg amplitudowy, fazowy lub w uk³adzie biegunowym jako wykres amplitudowo-fazowo-czêstotliwoœciowy) i zarchiwizowana. W przypadku obrabiarek metoda ta jest wykorzystywana do szybkiego wyznaczenia czêstotliwoœci drgañ w³asnych elementów i jest œciœle zwi¹zana z wyznaczaniem postaci drgañ w³asnych i analiz¹ modaln¹.

24 2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku 25 Podatnoœæ dynamiczna Funkcja koherencji Gx 0 10 µm N γ2 0,5 0 0 Maksymalna podatnoœæ dynamiczna Podatnoœæ statyczna γ2 ϕ y x z Hz ϕ K¹t przesuniêcia fazowego [deg] Rys Charakterystyki dynamiczne szlifierki do wa³ków: podatnoœæ dynamiczna (funkcja przejœcia uk³adu) G x, k¹t przesuniêcia fazowego ϕ i funkcja koherencji γ [156] Fig Dynamic characteristics of the cylindrical grinder: dynamic compliance (transfer function of the system) G x, phase shift angle ϕ and coherence function γ [156] Analizê widmow¹ mo na przeprowadziæ w warunkach spoczynkowych obrabiarki z u yciem wymuszeñ wzbudnikiem [5, 30, 31, 34, 59, 60, 93, 123, 133], m³otkiem udarowym [152] lub z wymuszeniem wynikaj¹cym z realizowanego rzeczywistego procesu skrawania [14, 16, 22, 64, 67, 76, 81, 84, 89, 90, 95, 114, 125, 128, ]. Uzyskana informacja ma charakter iloœciowy, ale nie ma najczêœciej bezpoœredniego zwi¹zku z w³aœciwoœciami eksploatacyjnymi obrabiarki. Ocena wyznaczonych charakterystyk, zmierzaj¹ca do optymalnych decyzji w kierunku poprawy w³asnoœci uk³adu konstrukcyjnego, jest bardzo trudna. Mo liwa jest do przeprowadzenia tylko przez bardzo doœwiadczonego konstruktora. Celem zmian parametrów konstrukcyjnych jest najczêœciej zwiêkszenie czêstotliwoœci rezonansowych tego uk³adu i zmniejszenie amplitud drgañ rezonansowych. Niekiedy stosuje siê metody aktywnego t³umienia drgañ [56], realizowane na istniej¹cej fizycznie konstrukcji. Metody te umo liwiaj¹ ograniczenie drgañ maszyny, jednak bez ustalenia ich Ÿród³a. Analiza modalna [4, 31, 34, 36, 48, 97, 122, 123] umo liwia wizualizacjê zmian odkszta³ceñ uk³adu wystêpuj¹cych podczas poszczególnych postaci drgañ rezonansowych. Jest ona obecnie stosowana w badaniach dynamicznych u najwiêkszych producentów obrabiarek. Wykorzystywana jest ona do ustalania s³abych punktów struktury noœnej z³o onych uk³adów drgaj¹cych [78, 79, 156]. Analiza ta wymaga jednak bardzo drogiego systemu pomiarowego i kosztownego oprogramowania, które umo liwia uzyskanie efektu animacji drgañ modelu uk³adu dynamicznego na bazie wprowadzonego

25 26 2. Metody i cele badañ obrabiarek oraz stosowane kryteia oceny do systemu modelu geometrycznego struktury i wielopunktowego pomiaru charakterystyk dynamicznych. Analiza modalna umo liwia znalezienie tych elementów i zespo- ³ów obrabiarki, których drgania maj¹ najwiêkszy udzia³ we wzglêdnych drganiach zachodz¹cych miêdzy przedmiotem i narzêdziem. Ze wzglêdu na powszechnie stosowane wymuszenia sygna³ami stochastycznymi pomija siê wszelkie nieliniowoœci uk³adu dynamicznego, co jest s³abym punktem tej metody. Oprogramowanie do analizy modalnej ma modu³y, które umo liwiaj¹ tak e dokonywanie modyfikacji modeli teoretycznych, zbudowanych na bazie elementów skoñczonych, w najbardziej rozpowszechnionych systemach obliczeniowych (np. ANSYS, COSMOS, PATRAN). Umo liwia to znaczne rozszerzenie mo liwoœci analizy konstrukcji obrabiarki z wykorzystaniem zweryfikowanych doœwiadczalnie modeli obliczeniowych, co jest atutem tej metody. Ocena drgañ obrabiarki ma charakter jakoœciowy i umo liwia podejmowanie efektywnych decyzji konstruktorskich (na podstawie lepszej informacji ni w przypadku analizy widmowej), zmierzaj¹cych do poprawy w³asnoœci dynamicznych uk³adu. W odniesieniu do obrabiarek stosuje siê równie analizê modaln¹, wykorzystuj¹c¹ jako wymuszenie stabilny proces obróbki [48, 122]. Realizowana jest ona pod obci¹- eniem roboczym, a nie w stanie spoczynku obrabiarki. Zalet¹ takiego sposobu wymuszeñ jest zapewnienie rzeczywistych obci¹ eñ struktury noœnej i zamkniêcia pêtli obci¹ eñ przez sprzê enie uk³adu procesem skrawania. Wad¹ natomiast jest zmiennoœæ uk³adu dynamicznego obrabiarki podczas realizacji tego procesu. Wyniki takiej analizy modalnej nale y wiêc interpretowaæ z du ¹ ostro noœci¹. W przypadku badañ w³asnoœci dynamicznych obrabiarek pozostaj¹cych w spoczynku, zasadnicze znaczenie ma przyjêta procedura pomiarowa. Sk³adaj¹ siê na ni¹: przyjêty sposób obci¹ enia uk³adu (rodzaj zastosowanego wzbudnika drgañ i miejsce jego przy³o enia, sygna³ wymuszaj¹cy wykorzystywany do pomiarów i jego amplituda, napiêcie wstêpne uk³adu), reprezentatywne po³o enia elementów struktury uk³adu, miejsca pomiaru drgañ i sposób analizy wyników. Przepisy badania ró nych typów obrabiarek (do stosowania w praktyce) podaj¹ materia³y stowarzyszenia niemieckich producentów obrabiarek VDW [160]. Równie i w tym przypadku autorzy nie podaj¹ kryteriów oceny wyników i wartoœci odniesienia do wyznaczanych charakterystyk. Istniej¹ce normy i zalecenia dotycz¹ce dopuszczalnych wartoœci amplitud drgañ maszyn [191, 203, 204] nie odnosz¹ siê do obrabiarek. Próba normalizacji dopuszczalnych wartoœci parametrów drgañ wymuszonych obrabiarek [204] nie doczeka³a siê realizacji BADANIA OBRABIARKI NA BIEGU JA OWYM BADANIA W ASNOŒCI CIEPLNYCH ród³a ciep³a w obrabiarce s¹ zwi¹zane z wêz³ami strat mocy w silnikach napêdu g³ównego i posuwów, uk³adach hydraulicznych, sprzêg³ach, ³o yskach i przek³adniach oraz z realizowanym procesem skrawania. Na obrabiarkê oddzia³uj¹ równie zewnê-