WP YW WARSTWY TWORZYWA EPY NA DOK ADNO POSADOWIENIA TOCZNEJ SZYNY PROWADNICOWEJ

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 TOMASZ OKULIK, BARTOSZ POWA KA WP YW WARSTWY TWORZYWA EPY NA DOK ADNO POSADOWIENIA TOCZNEJ SZYNY PROWADNICOWEJ W artykule zaprezentowano analiz dok adno ci posadowienia tocznej szyny prowadnicowej na warstwie tworzywa EPY. Porównano odchy k prostoliniowo ci dla dwóch przypadków monta u tych szyn. W pierwszym przypadku szyna by a montowana na powierzchni szlifowanej wed ug dotychczas stosowanej technologii, natomiast w drugim przypadku powierzchnia monta owa by a obrobiona zgrubnie w operacji frezowania i posadowiona na cienkiej warstwie tworzywa EPY. Prostoliniowo powierzchni szyny badano za pomoc wspó rz dno ciowej maszyny pomiarowej. Otrzymane wyniki porównano z analitycznymi modelami belek na pod o u spr ystym. S owa kluczowe: szyna prowadnicowa, tworzywo EPY, belka na pod o u spr ystym 1. WPROWADZENIE W nowoczesnych obrabiarkach skrawaj cych coraz powszechniej stosuje si toczne prowadnice liniowe, które wypieraj stosowane wcze niej prowadnice lizgowe. Zastosowanie tocznych uk adów prowadnicowych polepszy o w a ciwo ci eksploatacyjne uk adu korpusowego obrabiarki: zmniejszy o opory ruchu, zwi kszy o dopuszczaln pr dko posuwu oraz u atwi o technologi monta u w porównaniu ze lizgowym uk adem prowadnicowym. Jednak g ówn wad tocznego uk adu prowadnicowego jest wyst powanie niewielkiego t umienia, dlatego konstruktorzy obrabiarek próbuj na ró ne sposoby polepszy parametry dyssypacyjne uk adu korpusowego obrabiarki [1, 3, 4, 6]. Tworzywo EPY jest cz sto stosowane w budowie maszyn do posadawiania silników i innych du ych urz dze [2]. W celu zmniejszenia kosztów produkcji oraz poprawy w a ciwo ci dyssypacyjnych elementów korpusowych obrabiarki postanowiono wprowadzi warstw tworzywa EPY pomi dzy o e a szyn prowadnicow uk adu korpusowego obrabiarki. Warstwa tworzywa EPY ma jedynie wype ni nierówno ci powsta e w wyniku zgrubnej obróbki powierzchni monta owych pod szyny prowadnicowe. W pracy [5] wykazano, e zastosowa- Mgr in. Dr hab. in. Instytut Technologii Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

2 154 T. Okulik, B. Powa ka nie cienkiej warstwy tworzywa polepsza w a ciwo ci dynamiczne uk adu prowadnicowego. Poniewa warstwa tworzywa EPY pomi dzy szyn prowadnicow a o em zmienia charakter kontaktu, postanowiono sprawdzi, w jakim stopniu przyj te rozwi zanie wp ynie na dok adno geometryczn zamontowanej szyny prowadnicowej. W artykule przedstawiono wyniki bada dok adno ci posadowienia tocznej szyny prowadnicowej posadawianej tradycyjnie i na warstwie tworzywa EPY. 2. STANOWISKO DO BADA DO WIADCZALNYCH W badaniach dok adno ci posadowienia szyny prowadnicowej wykorzystano wspó rz dno ciow maszyn pomiarow. Badano dwie próbki ró ni ce si sposobem obróbki powierzchni o a. Próbka A mia a powierzchni szlifowan zgodnie ze stosowan obecnie technologi monta u szyn prowadnicowych, natomiast próbka B mia a powierzchni frezowan. W tablicy 1 zaprezentowano parametry chropowato ci próbek. Tablica 1 Parametry chropowato ci próbek Samples roughness Parametr chropowato ci [µm] Próbka A Próbka B Ra 0,126 4,095 Rz 1,27 21,804 Na badanych próbkach zamontowany by fragment szyny prowadnicowej rozmiaru 45 przeznaczonej do wspó pracy z wa eczkowym wózkiem tocznym. D ugo fragmentu szyny prowadnicowej wynosi a 196 mm. Na szynie rozmieszczono symetrycznie 4 ruby monta owe M12. Moment dokr cania rub monta owych wynosi, zgodnie z zaleceniami katalogowymi, 135 N m. Schemat próbki badawczej przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat próbki pomiarowej: a) widok z przodu, b) przekrój poprzeczny Fig. 1. Scheme of the sample: a) front view, b) cross-section

3 Wp yw warstwy tworzywa EPY na dok adno posadowienia 155 Badania do wiadczalne podzielono na dwa etapy. Etap pierwszy polega na pomiarze dok adno ci geometrycznej monta u szyn prowadnicowych bezpo- rednio na przygotowanej powierzchni monta owej (w przypadku próbki A szlifowanej, a w przypadku próbki B frezowanej). Na drugim etapie pomi dzy powierzchni monta ow szyny prowadnicowej a próbk o a wylano zerow warstw tworzywa EPY. Przez poj cie warstwa zerowa nale y rozumie cienk warstw tworzywa, która w procesie monta u wype ni a ca powierzchni monta ow. Po zamontowaniu szyny prowadnicowej wst pnie dokr cono j w taki sposób, aby nadmiar tworzywa zosta wyci ni ty i by wype ni o ono jedynie nierówno ci wynikaj ce z obróbki powierzchni monta owej (rys. 1b). Po utwardzeniu tworzywa EPY próbka by a dokr cona z zadanym momentem. Rys. 2. Schemat pomiaru próbki na maszynie wspó rz dno ciowej Fig. 2. CMM measurements scenario Dok adno geometryczn monta u tocznych szyn prowadnicowych mierzono na maszynie wspó rz dno ciowej Eclipse firmy Carl Zeiss. Schemat tego pomiaru zaprezentowano na rys. 2. Na szynie prowadnicowej zdefiniowano dwie p aszczyzny pomiarowe. Na ka dej z nich by y rozmieszczone trzy rz dy punktów pomiarowych w odst pach co 2 mm w rz dzie. Dodatkowo na rys. 2 pokazano po o enie osi rub w przyj tym uk adzie wspó rz dnych.

4 156 T. Okulik, B. Powa ka 3. WYNIKI BADA DO WIADCZALNYCH Na podstawie pomiarów dla p aszczyzn pomiarowych wyznaczono odchy k prostoliniowo ci. Dla danej p aszczyzny pomiarowej u redniono warto ci wspó rz dnych punktów z trzech rz dów. Aby wyeliminowa wp yw lokalnej niedok adno ci powierzchni szyny (np. rysy), zastosowano filtr medianowy. Dla tak przygotowanego zestawu danych pomiarowych metod najmniejszych kwadratów wyznaczono lini rodkow (zerow ). Odchy k obliczono jako ró nic mi dzy warto ci zmierzon a warto ci estymowan. Ró nica pomi dzy skrajnymi warto ciami okre la b d prostoliniowo ci danej p aszczyzny pomiarowej. Na rysunku 3 zaprezentowano odchy k prostoliniowo ci próbki A bez warstwy tworzywa EPY, co odpowiada o dotychczasowej technologii monta u tocznych uk adów prowadnicowych. Na wykresie mo na zauwa y wyra ne odkszta cenia szyny w miejscach mocowania rub. Wynosz one odpowiednio 19, 71,5, 124, 176,5 mm dla osi odci tych (por. rys. 2). Na rysunku 4 przedstawiono odchy k prostoliniowo ci próbki A z zerow warstw tworzywa EPY. Mo na tu zaobserwowa wi ksz warto b du prostoliniowo ci ni w przypadku próbki bez warstwy tworzywa (rys. 3). Ró nica ta mo e wynika z wi kszej podatno ci warstwy tworzywa. Ponadto w badaniach wykorzystano fragment szyny o d ugo ci 196 mm, który by przykr cony tylko czterema rubami. Szyna prowadnicowa zachowuje si jak belka, w której swobodne ko ce unosz si pod wp ywem przy o onych si zacisku. W rzeczywistych zastosowaniach szyny prowadnicowe maj znacznie wi ksz d ugo i przykr cone s wi ksz liczb rub. W przybli eniu odpowiednikiem takiego stanu monta u w próbce pomiarowej jest odcinek pomi dzy drug a trzeci rub (odci ta w zakresie od 71,5 do 124 mm). Kolejnym czynnikiem wp ywaj cym na ilo ciow warto zmierzonej odchy ki prostoliniowo ci mo e by zmienna warto si y zacisku, wynikaj ca z dok adno ci klucza dynamometrycznego u ytego podczas bada. Klucz by skalibrowany z dok adno ci 4%, st d maksymalny b d przy o onego momentu mia warto 5,4 N m, co odpowiada osiowej sile zacisku o warto ci oko o 2719 N. Na rysunku 4 mo na zauwa y zmniejszenie odkszta ce wynikaj cych z monta u rub w rodkowym zakresie pomiarowym (odci ta w zakresie od 71,5 do 124 mm). W przypadku zastosowania warstwy tworzywa EPY napr enia w punkcie styku pomi dzy szyn prowadnicow a o em maj agodniejszy przebieg, przez co odkszta cenia monta owe s porównywalne z odkszta ceniami próbki bez warstwy tworzywa.

5 Wp yw warstwy tworzywa EPY na dok adno posadowienia 157 Rys. 3. Odchy ka prostoliniowo ci próbki A Fig. 3. Straightness deviation of the A sample Rys. 4. Odchy ka prostoliniowo ci próbki A posadowionej na warstwie tworzywa EPY Fig. 4. Straightness deviation of the A sample on the EPY layer Na rysunku 5 zaprezentowano odchy k prostoliniowo ci próbki B (frezowanej) bez warstwy tworzywa EPY. Otrzymane wyniki s jako ciowo zgodne (ekstrema odkszta ce wyst puj w okolicy rub monta owych) z wynikami dla próbki A (rys. 3).

6 158 T. Okulik, B. Powa ka Rys. 5. Odchy ka prostoliniowo ci próbki B Fig. 5. Straightness deviation of the B sample Zaprezentowana na rys. 6 odchy ka prostoliniowo ci próbki B z warstw tworzywa EPY jest jako ciowo zgodna z zaprezentowan na rys. 4 odchy k próbki A z warstw tworzywa. Mo na zauwa y podobny charakter odkszta ce w rodkowej cz ci pomiarowej pomi dzy drug i trzeci rub (odci ta o warto ci 71,5 i 124 mm). Rys. 6. Odchy ka prostoliniowo ci próbki B posadowionej na warstwie tworzywa EPY Fig. 6. Straightness deviation of the B sample on the EPY layer

7 Wp yw warstwy tworzywa EPY na dok adno posadowienia WYNIKI OBLICZE ANALITYCZYCH Badania eksperymentalne dok adno ci posadowienia wykonano na dost pnym krótkim odcinku szyny prowadnicowej, nieb d cej wiernym odwzorowaniem szyn stosowanych w obrabiarkach. Zaobserwowane w badaniach do wiadczalnych unoszenie si swobodnych ko ców, decyduj ce o zwi kszonej odchy ce prostoliniowo ci, w przypadku próbek z warstw tworzywa EPY mo e by wyja- nione przez analiz belki na pod o u spr ystym. Wyznaczono lini ugi cia belki, której obci enie i geometria odpowiada y szynie wykorzystywanej w badaniach do wiadczalnych. Przyj to si y zacisku wyznaczone na podstawie warto ci momentu. Zastosowanej rubie M12 odpowiada a si a zacisku o warto ci N. Na rysunku 7 zaprezentowano lini ugi cia belki symuluj cej wspó prac z pod o em o znacznej sztywno ci, co odpowiada posadowieniu szyny bezpo rednio na powierzchni o a (bez tworzywa). Mo na zauwa y jako ciow zgodno otrzymanych oblicze z badaniami do wiadczalnymi (por. rys. 7 z rys. 3 i 5). Rys. 7. Linia ugi cia belki obci onej 4 si ami skupionymi na pod o u o du ej sztywno ci Fig. 7. Deflection of a beam on a foundation having large stiffness loaded with 4 concentrated forces Na rysunku 8 zaprezentowano lini ugi cia belki obci onej czterema si ami skupionymi, posadowionej na pod o u spr ystym o sztywno ci odpowiadaj cej cienkiej warstwie tworzywa EPY. W tym przypadku, podobnie jak w badaniach do wiadczalnych, wyst puje wi ksze przemieszczenie linii ugi cia belki, jednak e charakter odkszta ce w rodkowej cz ci ma podobny przebieg. Pokazana na rys. 8 linia ugi cia belki jest jako ciowo zgodna z odchy k prostoliniowo ci szyny na warstwie tworzywa EPY (rys. 4 i 6).

8 160 T. Okulik, B. Powa ka Rys. 8. Linia ugi cia belki obci onej czterema si ami skupionymi na pod o u o sztywno ci odpowiadaj cej cienkiej warstwie tworzywa EPY Fig. 8. Deflection of a beam on the EPY resin loaded with 4 concentrated forces Uzyskano jako ciow zgodno rozwi zania modelu analitycznego z wynikami bada do wiadczalnych dla fragmentu szyny niewielkiej d ugo ci. Mo na zatem twierdzi, e analityczne rozwi zanie belki o d ugo ci odpowiadaj cej szynie prowadnicowej stosowanej w obrabiarkach b dzie poprawnie odwzorowywa odkszta cenie monta owe rzeczywistej konstrukcji. Rys. 9. Linia ugi cia belki obci onej 16 si ami skupionymi na pod o u o du ej sztywno ci Fig. 9. Deflection of a beam on a foundation having large stiffness loaded with 16 concentrated forces

9 Wp yw warstwy tworzywa EPY na dok adno posadowienia 161 Na rysunkach 9 i 10 zaprezentowano lini ugi cia belki na pod o u spr ystym o du ej sztywno ci oraz na pod o u odpowiadaj cym warstwie tworzywa EPY obci onej 16 si ami skupionymi (si y pochodzi y od rub monta owych). W obu przypadkach odkszta cenia belki z pomini ciem ko cowych fragmentów maj zbli one warto ci, niezale nie od sztywno ci pod o a. Warto ci te s zbli one do odkszta ce krótkich belek na odcinku pomi dzy drug a trzeci rub i wynosz oko o 3 µm (rys. 4 i 6). Mo na zatem twierdzi, e w przypadku szyny prowadnicowej o wi kszej d ugo ci (stosowanej w obrabiarkach) posadowionej na warstwie tworzywa EPY wyst pi analogiczne zjawisko i odkszta cenia w obszarze pracy wózków tocznych b d porównywalne z odkszta ceniami szyny posadowionej wed ug dotychczasowej technologii monta u. Rys. 10. Linia ugi cia belki obci onej 16 si ami skupionymi na pod o u o sztywno ci odpowiadaj cej cienkiej warstwie tworzywa EPY Fig. 10. Deflection of a beam on the EPY resin loaded with 16 concentrated forces 5. PODSUMOWANIE Z bada do wiadczalnych i oblicze analitycznych mo na wysun nast puj ce wnioski. Zastosowanie cienkiej warstwy tworzywa EPY pomi dzy szyn prowadnicow a o em maszyny zmienia charakter kontaktu w punkcie styku. Wp ywa ono na zwi kszenie odkszta ce obserwowanych na swobodnych ko cach szyny. Jednak w obszarze pracy wózków tocznych odkszta cenia monta owe s porównywalne z analogicznymi odkszta ceniami szyn montowanych wed ug dotychczasowej technologii. Prowadzi to do ostatecznego wniosku, e w wyniku zastosowania tworzywa EPY na powierzchni frezowan mo na uzyska porów-

10 162 T. Okulik, B. Powa ka nywaln odchy k prostoliniowo ci szyn prowadnicowych. Pozwoli to wyeliminowa kosztown obróbk wyka czaj c. LITERATURA [1] Chang S. H., Kim P. J., Lee D. G., Choi J. K., Steel-composite hybrid headstock for high- -precision grinding machine, Composite Structures, 2001, 53, s [2] Grudzi ski K., Jaroszewicz W., Posadawianie maszyn i urz dze na podk adkach fundamentowych odlewanych z tworzywa EPY, Szczecin, Zapol [3] Kim D. I., Jung S. C., Lee S. H., Chang S.H., Parametric study on design of composite foam resin concrete sandwich structures of precision machine tool structures, Composite Structures, 2006, 75, s [4] Kim H. S., Jeong K. S., Lee D. G., Design and manufacture of a three-axis ultra-precision CNC grinding machine, Journal of Materials Processing Technology, 1997, 71, s [5] Okulik T., Powa ka B., Marchelek K., Parametry sztywno ciowe i dyssypacjne posadowienia tocznej szyny prowadnicowej na warstwie tworzywa EPY, Modelowanie In ynierskie (w druku). [6] Rahman M., Mansur M. A., Lee L. K., Lum J. K., Development of polymer impregnated concrete damping carriage for linear guideways for machine tools, International Journal of Machine Tools and Manufacturing, 2001, 41, s Praca wp yn a do Redakcji Recenzent: dr hab. in. Roman Staniek INFLUENCE OF THE EPY EPOXY RESIN LAYER ON THE ACCURACY OF GUIDE RAIL ASSEMBLY S u m m a r y Paper presents accuracy analysis of the guide rail mounted to a machine tool bed via EPY resin layer. Straightness deviation of the rail is compared for two analyzed cases, i.e. rail mounted using current technology and rail mounted on the milled surface via a thin layer of the EPY material. The rail was measured using CMM. Obtained results are compared to the solution of the beam on elastic foundation. The results show that the straightness error of the guide rail founded on the EPY is comparable with the guide mounted using current assembly technology. Key words: guide rail, EPY resin, beam on elastic foundation