POMIARY LDV AMPLITUDY PROMIENIOWYCH DRGAŃ TOWARZYSZĄCYCH OBRÓBCE ZE WSPOMAGANIEM ULTRADŹWIĘKOWYM

Transkrypt

1 11 POMIARY LDV AMPLITUDY PROMIENIOWYCH DRGAŃ TOWARZYSZĄCYCH OBRÓBCE ZE WSPOMAGANIEM ULTRADŹWIĘKOWYM Roman WDOWIK 1, Janusz PORZYCKI 1, Piotr NAZARKO 2 Streszczenie: Artykuł przedstawia pomiary amplitudy promieniowych drgań towarzyszących obróbce ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Do badań zastosowano laserowy wibrometr skanujący. Pomiary wykonywano dla diamentowej ściernicy trzpieniowej z uwzględnieniem różnych wartości częstotliwości operacyjnych dostępnych dla obrabiarki Ultrasonic 20 linear. Słowa kluczowe: szlifowanie, szlifowanie ze wspomaganiem ultradźwiękowym, drgania ultradźwiękowe, promieniowe drgania ultradźwiękowe Summary: The paper presents amplitude measurements of radial vibrations for ultrasonic assisted machining processes. Laser scanning vibrometer is applied for investigations. Different frequency values available for Ultrasonic 20 linear machine tool were taken into consideration during measurements of diamond grinding tool vibrations. Key words: grinding, ultrasonic assisted grinding, ultrasonic vibrations, radial ultrasonic vibrations WSTĘP Rezultaty hybrydowej obróbki ściernej ze wspomaganiem ultradźwiękowymi oscylacjami (drganiami) narzędzia zależą od przyjętych danych wejściowych procesu. Do tych danych zalicza się, między innymi, parametry technologiczne określane dla procesu konwencjonalnego, takie jak prędkość posuwu i prędkość skrawania oraz charakterystyczne dla procesu hybrydowego parametry związane z ruchem oscylacyjnym. Ruch oscylacyjny jest opisywany, między innymi, przez amplitudę oraz częstotliwość drgań narzędzia w założonym kierunku. Parametry te wpływają na przebieg procesu obróbki [1, 3, 4]. Powodują zmianę mikrostruktury powierzchni [1, 4], wpływają na wykruszenia materiału oraz zużycie ściernicy [4]. W ramach niniejszej pracy przedstawione zostały badania ukierunkowane na pomiary amplitudy promieniowych drgań narzędzia towarzyszących pożądanym oscylacjom osiowym przy zadanych wartościach częstotliwości operacyjnych prądu generatora ultradźwięków. Określenie wartości amplitudy możliwe jest przez zastosowanie różnych metod pomiarowych. Stosowane mogą być czujniki wiroprądowe, indukcyjne, pojemnościowe, kamery do rejestrowania procesów szybkozmiennych [4] oraz pomiary mikroskopowe [1, 4]. Techniką umożliwiającą rejestrowanie i analizę drgań narzędzi jest także wibrometria laserowa [2, 4]. W zależności od analizowanego zagadnienia stosuje się wibrometry jednopunktowe lub skanujące, rejestrujące prędkości drgań lub przemieszczenia. W odniesieniu do pomiarów drgań wibrometry skanujące (zarówno 2D, jak i 3D) okazują się bardzo 1 Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji 2 Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Katedra Mechaniki Konstrukcji Adres: Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy

2 przydatne, ponieważ pozwalają rejestrować ruch całej skanowanej powierzchni (zdefiniowanej przez siatkę punktów pomiarowych), co umożliwia wizualizację drgań badanego obiektu, a tym samym lepsze zrozumienie zachodzących zjawisk. Podczas pomiaru skanującym wibrometrem laserowym LDV (Laser Doppler Vibrometer) wykorzystywany jest efekt Dopplera, który polega na powstawaniu różnicy częstotliwości fali wysyłanej przez jej źródło (głowicę laserową) oraz fali odbitej od obserwowanego obiektu, poruszającego się względem źródła fali [2]. W przypadku drgań narzędzia zamocowanego w oprawce ze wzbudnikiem drgań ultradźwiękowych, przeznaczonej dla obrabiarki Ultrasonic 20 linear, można rejestrować za pomocą wibrometru laserowego drgania, zarówno w kierunku zgodnym z osią narzędzia (drgania osiowe), jak też w kierunku prostopadłym do tej osi (drgania promieniowe). Zostało to przedstawione na rys. 1. Podczas pomiaru drgań osiowych wiązka laserowa może być odbita w kierunku powierzchni czołowej narzędzia lub nakrętki przez zastosowanie lustra ustawionego w stosunku do wiązki laserowej oraz osi narzędzia w sposób umożliwiający rejestrowanie przemieszczeń w tym kierunku. Podczas pomiaru drgań promieniowych wiązka laserowa może padać bezpośrednio na powierzchnię sonotrody lub ściernicy. Przedstawione sposoby wykonywania pomiarów wynikają z ograniczeń spowodowanych konstrukcją obrabiarki oraz głowicy laserowej (np. brak możliwości zmiany położenia oprawki ze wzbudnikiem drgań znajdującej się we wrzecionie, względnie duże wymiary gabarytowe głowicy laserowej). Pomiary skanującym wibrometrem laserowym mogą odbywać się po określeniu siatki punktów pomiarowych wzdłuż osi narzędzia (rys. 1b, 2), dla których wyznaczana będzie w jednym kierunku (dla przykładu z rys. 2 prostopadle do osi narzędzia) wartość amplitudy drgań. Rys. 1. Podstawowe możliwości w zakresie pomiarów drgań narzędzi przeznaczonych do realizacji obróbki ze wspomaganiem ultradźwiękowym skanującym wibrometrem laserowym: a) pomiar amplitudy drgań osiowych, b) pomiar amplitudy drgań promieniowych

3 Rys. 2. Siatka punktów pomiarowych utworzona wzdłuż osi obrotu sonotrody i narzędzia oraz przykładowy wykres amplitudy drgań promieniowych 2. KONFIGURACJA STANOWISKA BADAWCZEGO Do pomiarów amplitudy drgań promieniowych zastosowano skanujący wibrometr laserowy Polytec PSV-400. Wzbudzanie drgań ultradźwiękowych jest możliwe dzięki zastosowaniu hybrydowej obrabiarki Ultrasonic 20 linear, wyposażonej w układ wzbudzania drgań narzędzia. Konfiguracja maszyny oraz wibrometru została przedstawiona na rys. 3. Amplituda badana była w całym dostępnym dla obrabiarki zakresie częstotliwości operacyjnych prądu generatora (tj. od do Hz). Badania wykonywane były dla wybranych częstotliwości z tego zakresu, zmienianych co 100 Hz, od dolnej, granicznej częstotliwości Hz. Dla każdej częstotliwości prądu generatora ustawianej w nakładce układu CNC Sinumerik 840D sl włączano generator oraz uruchamiano pomiar wibrometrem. Oprogramowanie wibrometru na podstawie prędkości ruchu oscylacyjnego pozwala wyznaczyć widma częstotliwości (FFT) (rys. 3), z których obliczane są wartości parametrów ruchu, między innymi amplituda drgań. Zapisane dla każdej częstotliwości operacyjnej wyniki pomiaru mogą być przedstawione w formie wykresu, który widoczny jest na rys. 2 oraz rysunkach składających się na mapę amplitudy

4 Rys. 3. Konfiguracja stanowiska badawczego 3. MAPY AMPLITUDY Na podstawie wykonanych pomiarów w dostępnym zakresie częstotliwości operacyjnych, dla wybranych częstotliwości prądu generatora utworzone zostały wykresy amplitudy drgań promieniowych odniesione do sonotrody i ściernicy diamentowej firmy Schott o średnicy 6 mm z otworem drążonym. Zbiór wykresów utworzonych dla różnych częstotliwości nazwano mapą amplitudy drgań promieniowych, która pozwala wnioskować o wielkości przemieszczeń w kierunku promieniowym dla poszczególnych punktów siatki w szerokim zakresie częstotliwości operacyjnych. Na rys. 4, 5 i 6 przedstawiono przemieszczenia (odniesione do poszczególnych punktów siatki) w zakresie częstotliwości od do Hz. Każdy wykres (widoczny wzdłuż obrazu sonotrody i narzędzia zarejestrowanego kamerą, w którą wyposażona jest głowica laserowa) pokazuje jak zmienia się amplituda wzdłuż osi obrotu narzędzia. Wartość amplitudy może być odczytana ze skali Magnitude w jednostkach przemieszczeń, a dla wybranego punktu (znajdującego się dla przedstawionych wykresów na końcu narzędzia ściernego) przedstawiono jej wartość po prawej stronie wykresu. Pokazana na rys. 4-6 mapa amplitudy drgań promieniowych utworzona została poprzez skanowanie każdego punktu siatki w trybie FFT oprogramowania wibrometru z uwzględnieniem 10 uśrednień pomiarów wykonywanych dla każdego punktu. Przedstawione przemieszczenia odczytane zostały dla częstotliwości drgań zgodnej z częstotliwością prądu generatora, która ustawiona była w nakładce układu Sinumerik 840D sl

5 Rys. 4. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz W zakresie częstotliwości Hz maksymalne amplitudy drgań promieniowych osiągają wartości kilkuset nanometrów. Podobne wartości maksymalnej amplitudy obserwuje się dla zakresu Hz. W zakresie Hz wartości amplitudy maksymalnej są mniejsze i osiągają wartości kilkudziesięciu nanometrów. Dla większości pomiarów z zakresu Hz

6 oraz wszystkich pomiarów z zakresu Hz wartości maksymalne amplitudy drgań promieniowych wynoszą kilkanaście nanometrów. Wartość maksymalną (649,6 nm) dla punku leżącego na końcu ściernicy, odczytano dla częstotliwości wynoszącej Hz, natomiast najmniejszą wartość (2,623 nm) dla częstotliwości Hz. Rys. 5. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz

7 Rys. 6. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz Podobne pomiary wykonano zmieniając częstotliwość prądu generatora od do Hz z ustawioną opcją pomiaru FastScan oprogramowania wibrometru przy założeniu 30 uśrednień pomiarów dla danego punktu siatki. Pomiary te wykonywane były przed badaniami przedstawionymi na rys.4-6. Ich wyniki przedstawiono na rys Pominięto w tym przypadku wyświetlanie obrazu narzędzia zarejestrowanego kamerą wibrometru. Punkt leżący na dole danego wykresu odpowiada punktowi końca ściernicy diamentowej, natomiast punkt leżący na górze wykresu odpowiada punktowi leżącemu bezpośrednio przy obudowie wzbudnika drgań. Na podstawie przedstawionych wykresów można stwierdzić, że największa amplituda drgań promieniowych występuje dla końcówki narzędzia przy częstotliwości Hz, natomiast najmniejsza dla Hz. W przypadku punktu leżącego przy wzbudniku drgań największa amplituda została zarejestrowana dla zakresu częstotliwości od około do Hz. Można zauważyć, że w tych częstotliwościach amplituda drgań promieniowych końcówki ściernicy jest zbliżona do tej, którą odczytano dla częstotliwości Hz. Duże wartości amplitudy świadczą o istnieniu w tym zakresie, częstotliwości rezonansowej drgań. Przedstawione na wykresach zjawiska są wynikiem rozchodzenia się fali generowanej przez wzbudnik piezoelektryczny, z uwzględnieniem budowy poszczególnych części składających się na falowód. Zmiany amplitudy charakterystyczne dla podobnego falowodu przedstawiono także w innych pracach badawczych, np. w pracy [3]

8 Rys. 7. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz

9 Rys. 8. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz W częstotliwościach od około Hz do mniej więcej Hz obserwowano nagrzewanie się nakrętki, którą dokręcana jest ściernica, a także sonotrody i samej ściernicy. Stwierdzenie o nagrzewaniu się sonotrody zamieszczone jest także przez autorów pracy [4]. Pomiar występujących zmian temperatury możliwy jest przez zastosowanie kamery termowizyjnej

10 Rys. 9. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz Należy także zaznaczyć, że podczas wykonywanych w Politechnice Rzeszowskiej badań obserwowano wpływ temperatury na mierzone wartości amplitudy. Dlatego pomiary dla wszystkich wykresów przedstawionych w niniejszej pracy począwszy od częstotliwości Hz wykonywano z chłodzeniem narzędzia i sonotrody sprężonym powietrzem o ciśnieniu 6 bar doprowadzanym z dyszy na powierzchnie sonotrody i narzędzia. Nie jest możliwe zastosowanie cieczy chłodząco-smarującej

11 Rys. 10. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz z uwagi na występujące podczas wykonywania pomiarów zakłócenia spowodowane cząsteczkami cieczy. Dla punktów siatki leżących wzdłuż nasypu diamentowego ściernicy zaobserwowano różnice w wartościach amplitudy drgań promieniowych. Występowanie różnych wartości przemieszczeń w obrębie powierzchni roboczej ściernicy może wpływać na wyniki obróbki (np. uzyskiwane parametry chropowatości powierzchni)

12 Rys. 11. Mapa amplitudy drgań promieniowych od częstotliwości do Hz 4. PODSUMOWANIE Na podstawie wykonanych pomiarów należy stwierdzić, że w całym zakresie częstotliwości operacyjnych możliwych do ustawienia przez operatora obrabiarki występują drgania w kierunku promieniowym. Wartości amplitudy tych drgań zmieniają się w zależności od ustawionej częstotliwości prądu generatora (zmiany przedstawiono na mapach amplitudy). Analiza wszystkich przedstawionych w pracy wykresów pozwala zauważyć, że przemieszczenia w kierunku promieniowym wzrastają od dolnej częstotliwości prądu generatora, aż do częstotliwości przy której występuje rezonans. Następnie wartości przemieszczeń maleją do częstotliwości, dla której zakończono pomiary. Analiza promieniowych drgań narzędzia będzie przydatna podczas określania wpływu tych drgań na zjawiska powstające podczas realizacji procesu oraz rezultaty obróbki, w tym na jakość powierzchni przedmiotu. LITERATURA [1] CONG W. L., PEI Z. J., MOHANTY N., VAN VLEET E., TREADWELL C., Vibration Amplitude in Rotary Ultrasonic Machining: A Novel Measurement Method and Effects of Process Variables, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 133, June 2011, [2] NAZARKO P., Ocena stanu konstrukcji. Detekcja uszkodzeń z zastosowaniem sztucznych sieci neuronowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, [3] TAWAKOLI T., RASIFARD A., AZARHOUSHANG B., New Developments in Ultrasonic-assisted Grinding and Dressing, 4th International Multi-Conference on Engineering and Technological Innovation: IMETI 2011, , Orlando, Florida, ISBN , pp [4] Ultrasonic Assisted Grinding of brittle hard materials, final technical report, CORNET project, Austria, April