ANALIZA KONSTRUKCJI DODATKOWEJ OSI OBRÓBCZEJ TRENINGOWEJ OBRABIARKI CNC

Transkrypt

1 Mgr inż. Agnieszka NIEDŹWIEDZKA Dr inż. Wojciech MIĄSKOWSKI Dr inż. Krzysztof NALEPA Dr inż. Paweł PIETKIEWICZ Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych ANALIZA KONSTRUKCJI DODATKOWEJ OSI OBRÓBCZEJ TRENINGOWEJ OBRABIARKI CNC Streszczenie: W artykule został przedstawiony proces projektowania dodatkowej osi obróbczej treningowej obrabiarki CNC (Computer Numerical Control układy sterowania ze strukturą komputerową). Celem wykonania dodatkowej osi obróbczej było zwiększenie funkcjonalności obrabiarki. Prezentacja przebiegu prac konstruktorskich obejmuje przedstawienie rozpatrywanych koncepcji wykonania dodatkowej osi obróbczej oraz prezentację wyników analizy statycznej wybranego układu. CONSTRUCTION ANALYSIS OF ADDITIONAL WORKING AXIS OF TRAINING CNC MACHINE TOOL Abstract: Designing process of additional working axis of a training CNC machine tool was presented in this article. Machine s functionality increase was the aim of the additional axis realization. Designing course presentation comprises: presentation of considered concepts of additional axis s execution and results presentation of selected system s static analysis. 1. WPROWADZENIE Niniejsze opracowanie przedstawia tok dalszych prac związanych z budową treningowej obrabiarki CNC. Projekt modernizacji tego urządzenia został przedstawiony podczas ubiegłorocznej XIV Międzynarodowej Szkoły Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji w Juracie [2]. Treningowa frezarka CNC została zaprojektowana i zbudowana przez studentów Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu Warmińsko- -Mazurskiego. Użytkowana jest w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn. Dodatkowa oś obróbcza (rys. 1) zaprojektowana została w celu zwiększenia funkcjonalności obrabiarki. Rys. 1. Dodatkowa oś obróbcza zamocowana na stole treningowej obrabiarki CNC 591

2 2. ZAKRES PRAC ZWIĄZANYCH Z BUDOWĄ TRENINGOWEJ FREZARKI CNC Celem wykonania treningowej frezarki CNC było umożliwienie studentom zapoznania się z pełnym cyklem produkcyjnym z wykorzystaniem systemów CAD/CAM/CAE. Zakres dostępnych prędkości obrotowych elektrowrzeciona treningowej obrabiarki CNC wynosi od do obr/min. Frezarka została zaprojektowana do obróbki tworzyw sztucznych, metali kolorowych i lekkich. Na rys. 2 został przedstawiony model obrabiarki CNC. Do głównych elementów tej obrabiarki należą: rama, stół, wrzeciono, trzy silniki krokowe, dwie prowadnice poziome, śruba pociągowa pozioma, dwie prowadnice pionowe, śruba pociągowa pionowa, dwie prowadnice dolne oraz śruba pociągowa dolna. Dotychczasowe prace nad treningową obrabiarką CNC obejmowały zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji, dobór odpowiedniego układu sterowania, przeprowadzenie analiz statycznych naprężeń i przemieszczeń w obrębie wrzeciona oraz analizę stanu dynamicznego obiektu. W czerwcu 2010 roku przeprowadzono modernizację obrabiarki. Miała ona na celu poprawę sztywności konstrukcji. Przedstawiony problem konstrukcyjny rozwiązano poprzez zwiększenie stabilności układu przesuwu odpowiedzialnego za ruch wrzeciona wzdłuż osi x (rys. 2). Modyfikacji uległy prowadnice poziome. Zwiększono ich średnicę z 10 do 20 mm. Konsekwencją tej modyfikacji była wymiana łożysk liniowych i ich opraw, jak również płyty stabilizującej prowadnice i śrubę pociągową poziomą. Śruba pociągowa pionowa Wrzeciono Rama Stół Silnik krokowy Prowadnica pozioma Śruba pociągowa pozioma Prowadnica pionowa Śruba pociągowa dolna Prowadnica dolna Rys. 2. Model obrabiarki CNC 3. PRZEDMIOT I CEL BADAŃ Obiektem badań jest dodatkowa oś obrotowa, która należy do pomocniczego oprzyrządowania treningowej frezarki CNC. Umożliwia ona obrót obrabianego detalu wokół osi z (rys. 3a). Celem wykonania czwartej osi było zwiększenie zakresu wykonywanych na treningowej obrabiarce CNC prac frezerskich, a w szczególności umożliwienie dzielenia obwodu obrabianego przedmiotu na pewną liczbę części, co znajduje zastosowanie np. podczas wykonywania wielowypustu. Dodatkowa oś obróbcza nie należy do stałego oprzyrządowania obrabiarki. Montuje się ją w zależności od potrzeb użytkownika. Podczas analizy koncepcji wykonania dodatkowej osi obróbczej rozpatrywano trzy propozycje konstrukcji urządzenia: 592

3 Pierwsza koncepcja wykonania dodatkowej osi obróbczej (rys. 3a) zakładała zamocowanie trójszczękowego uchwytu samocentrującego do kołnierza bez otworu przelotowego z połączeniem wpustowym w tulei ślimacznicy. Druga koncepcja wykonania dodatkowej osi obróbczej (rys..3b) różniła się od zaprezentowanej pierwszej koncepcji zastosowaniem ślimacznicy o większej średnicy otworu przelotowego. Umożliwiło to użycie do zamocowania trójszczękowego uchwytu samocentrującego kołnierza z otworem przelotowym. Trzecia koncepcja (rys. 3c) to rozbudowana forma prezentowanego w koncepcji pierwszej rozwiązania. Została ona wzbogacona dodatkowo o hydrauliczny hamulec tarczowy, którego zadaniem jest stabilizowanie położenia trójszczękowego uchwytu samocentrującego w czasie obróbki przedmiotu na frezarce z dodatkową osią obrotową. Wyboru optymalnego rozwiązania wykonania dodatkowej osi obróbczej dokonano przy użyciu metody zero-jedynkowej. Zaprezentowane koncepcje zostały przeanalizowane pod względem niezawodności, masy, prostoty wykonania, prostoty budowy, kosztów wykonania, kosztów naprawy oraz estetyki. Ważenie koncepcji mające na celu porównanie proponowanych rozwiązań z uwzględnieniem siedmiu wybranych kryteriów wskazało na przewagę pierwszego projektu. a) b) c) Rys. 3. Koncepcje wykonania dodatkowej osi obróbczej: a) I koncepcja kołnierz bez otworu przelotowego, b) II koncepcja kołnierz z otworem przelotowym, c) III koncepcja układ hamulcowy Głównym podzespołem dodatkowej osi obróbczej (rys. 4) jest przekładnia CHM 40 produkcji włoskiej firmy Chiaravalli Trasmissioni SpA zajmującej się produkcją podzespołów części maszyn. Przekładnia CHM 40 jest przekładnią ślimakową walcową o rozstawie osi (odległości osi ślimaka od osi ślimacznicy) 40 mm i przełożeniu 1.:.10. Sprawność dynamiczna przekładni η d (sprawność urządzenia po ustaleniu prędkości obrotowej i temperatury) wynosi 0,82 przy 1400 obr/min, sprawność statyczna η s (sprawność urządzenia podczas jego rozruchu) wynosi 0,67. Korpus przekładni, jak również kołnierz boczny korpusu, wykonane są z aluminium. Uzębienie ślimaka składa się z trzech zwojów (trzy zęby). Wysokość zębów ślimaka wynosi h = 4,8 mm, a długość ślimaka L = 35 mm. Ślimak jest ułożyskowany w korpusie dwoma łożyskami tocznymi. Ślimacznica wykonana jest w postaci osobnego pierścienia z brązu nasadzanego na tuleję. Średnica zewnętrzna ślimacznicy D = 65,5 mm, szerokość wieńca b = 14 mm. Przekładnia CHM 40 napędzana jest silnikiem krokowym FL57STH A. Obrabiane elementy umieszczane są w samocentrującym uchwycie trójszczękowym marki Fuerda o średnicy zewnętrznej Ø100 mm i średnicy otworu przelotowego Ø20 mm. Zaprojektowane i wykonane zostały cztery elementy: kołnierz, tuleja dystansowa, sprzęgło oraz podstawa. 593

4 Korpus Kołnierz Sprzęgło Uchwyt samocentrujący Silnik krokowy Podstawa Dystans Rys. 4. Widok rozstrzelony dodatkowej osi obróbczej 4. METODOLOGIA BADAŃ Analizę statyczną przeprowadzono w programie SolidWorks z dodatkiem Simulation. Celem analizy statycznej jest ocena sztywności konstrukcji. Dodatkową oś obróbczą przeanalizowano pod kątem naprężeń, przemieszczeń i odkształceń (rys. 5). Jako obciążenie przyjęto siły wynikające z procesu skrawania, które wyznaczono na podstawie poradnika frezera [1]. Do elementów składowych osi z należą ślimacznica z tuleją, łożyska, kołnierz z wpustem oraz samocentrujący uchwyt trójszczękowy. Podczas analizy zostały pominięte elementy łączące (śruby, wkręty, nakrętki oraz podkładki). Siły skrawania Grawitacja Zamocowanie Siła promieniowa Siła wzdłużna Rys. 5. Siatka MES z warunkami brzegowymi 594 Siła obwodowa

5 Rozpiętość standardowej siatki bryłowej, za pomocą której dokonano dyskretyzacji modelu obrabiarki, wynosiła od 6,75 mm (uchwyt trójszczękowy) do 2,14 mm (przykładowy element umieszczony w szczękach uchwytu oraz szczęki). Jako miejsce zamocowania osi z posłużyła zewnętrzna powierzchnia łożysk. W analizie uwzględniono grawitację, składowe siły pochodzącej od skrawania (P y = 21 N i P z = 30 N) oraz składowe sił tarcia działające na uzębienie ślimacznicy (siła obwodowa P 2 = 208,33 N, siła promieniowa P r2 = 183,52 N oraz siła wzdłużna P a2 = 208,33 N). 5. WYNIKI BADAŃ Celem analizy statycznej jest ocena sztywności konstrukcji, która ma decydujący wpływ na jakość obróbki. Ocena stabilności konstrukcji zostanie dokonana na podstawie wartości maksymalnych naprężeń i przemieszczeń. Wyniki analizy statycznej zestawiono w tabeli 1. Tabela 1 Wartości min. Wartości max. Naprężenia [N/mm 2 ] 0 51,407 Przemieszczenia [mm] 0 0,016 Odkształcenia [mm] 4,609e-10 2,84e-04 Miejscem koncentracji największych naprężeń (rys. 6) jest uzębienie ślimacznicy w miejscu przyłożenia składowych sił tarcia, a dokładniej w okolicach stopy zęba i wynosi ono 51,407 N. W elementach takich jak uchwyt, łożyska oraz element obrabiany wartość naprężeń jest bliska zeru. Największe przemieszczenia (rys. 7) w analizie MES o wartości 0,016 mm zaobserwowano w okolicach głowy zębów ślimacznicy, do których zostały przyłożone składowe siły tarcia. W pozostałych elementach składowych osi z dodatkowej osi obróbczej przemieszczenia wynoszą od 0,001 (kołnierz) do 0,003 mm (element obrabiany). Największe odkształcenia (rys. 8) zaobserwowano w okolicach stopy zębów. Wynosiły one 2,84e-04 mm. W pozostałych elementach odkształcenia były bliskie zeru (4,609e-10). 6. UWAGI KOŃCOWE Dodatkowa oś obróbcza zwiększy funkcjonalność treningowej obrabiarki CNC. Wyniki analizy MES wskazują jednoznacznie, że obciążenia, jakim poddana jest dodatkowa oś obróbcza, nie wywołują dużych naprężeń w obiekcie, a także nie przyczyniają się do powstawania nadmiernych przemieszczeń. Uzyskanie odpowiedniej stabilności konstrukcji zadecydowało o zastosowaniu elementów o wymiarach zdecydowanie większych od wymiarów nasuwających się po przeanalizowaniu wyników obliczeń wytrzymałościowych. Wykonanie dodatkowej osi obróbczej nie zamyka toku prac nad treningową obrabiarką CNC, lecz wprost przeciwnie otwiera dalsze możliwości badań. Następnym etapem prac badawczych przewidzianym dla treningowej frezarki CNC jest pomiar drgań konstrukcji i porównanie uzyskanych wyników z wynikami analiz częstości drgań własnych. 595

6 Naprężenia min.: 0 N/mm 2 Naprężenia max.: 51,407 N/mm 2 Rys. 6. Rozkład naprężeń Przemieszczenia min.: 0 mm 2,2 N/mm 2 Przemieszczenia max.: 0,016 mm 2,2 N/mm 2 Rys. 7. Rozkład przemieszczeń Odkształcenia min.: 0 mm Odkształcenia max.: 2,84e-04 Rys. 8. Rozkład odkształceń LITERATURA [1] Górski E.: Poradnik frezera, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [2] Niedźwiedzka A., Miąskowski W., Nalepa K.: Analiza konstrukcji i modernizacja treningowej obrabiarki CNC, Mechanik nr 7/2010, Warszawa 2010, CD, s [3] Samouczek Online programu SolidWorks. 596