WYZNACZANIE PROMIENIOWEJ I STYCZNEJ SIŁY SKRAWANIA DZIAŁAJ - CYCH NA OSTRZE NARZ DZIA W PROCESIE MIKROFREZOWANIA MARCIN MATUSZAK

Transkrypt

1 WYZNACZANIE PROMIENIOWEJ I STYCZNEJ SIŁY SKRAWANIA DZIAŁAJ- CYCH NA OSTRZE NARZDZIA W PROCESIE MIKROREZOWANIA MARCIN MATUSZAK Streszczene Opsano rónce mdzy modelowanem sł skrawana wystpujcych skal makro a modelowanem sł skrawana wystpujcych podczas mkroobróbk. Ze wzgldu na prome ostrza narzdza porównywalny z gruboc warstwy skrawanej klasyczny model sł skrawana ne jest odpowedn do opsu sł skrawana wystpujcych podczas mkrofrezowana. Analza stycznej promenowej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza moe pomóc w ulepszenu modelu sł skrawana. W prezentowanym materale opsano sposób wyznaczana lokalnych sł skrawana dzałajcych na ostrze obracajcego s narzdza. Sły zostały wyznaczone na podstawe sł zmerzonych przez trójosowy słomerz. Do wyznaczena lokalnych sł skrawana koneczna jest znajomo ktowego połoena narzdza. Ktowe połoene narzdza zostało wyznaczone na podstawe modelu sł skrawana. Zaprezentowano wynk pomarów sł oraz wyznaczone przebeg stycznej promenowej sły skrawana. Przedstawono wnosk wynkajce z przeprowadzonych bada oraz plany dalszych prac. Słowa kluczowe: mkroobróbka, mkrofrezowane, sły skrawana, mnmalna grubo warstwy skrawanej 1. Wprowadzene Analza sł skrawana wystpujcych w procese obróbk skrawanem ma znaczene dla poznana procesu oraz znalezena optymalnych parametrów obróbk. Narzdze (frez) wykorzystywane podczas klasycznego frezowana moe zosta uznane za dealne ostre. Wynka to z bardzo duego stosunku gruboc warstwy skrawanej do promena zaokrglena ostrza narzdza. W mkroobróbce grubo warstwy skrawanej jest porównywalna z promenem zaokrglena ostrza narzdza [4, 5, 8]. Mała rónca mdzy promenem zaokrglena ostrza narzdza a gruboc warstwy skrawanej moe prowadz do wystpowana ugnatana obrabanego materału zamast cnana, które wystpuje w procese frezowana w skal makro. Wyej wymenone rónce mdzy klasycznym frezowanem a frezowanem w skal mkro mplkuj koneczno odmennej analzy sł skrawana wystpujcych podczas mkrofrezowana. Ponadto modele sł skrawana uywane do opsu sł skrawana w skal makro s neodpowedne do opsu sł wystpujcych podczas mkrofrezowana. Podczas pomaru sł skrawana wystpujcych w mkrofrezowana pojawa s szereg trudnoc pomarowych. Czstotlwo drga własnych komercyjne produkowanych słomerzy wynos ok. 5 khz. Czstotlwo wymuszena pochodzca od freza o dwóch ostrzach, obracajcego s z prdkoc obr./mn. wynos ok. 4 khz. Czstotlwo ta blska jest

2 216 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana czstotlwoc drga własnych słomerza co moe czyn pomar sł newarygodnym [2, 9]. W takm przypadku mona skorzysta z fltra Kalmana w celu kompensacj drga własnych słomerza [10]. Molwe jest równe zastosowane eksperymentalnych słomerzy, których czstotlwo drga własnych jest wksza n 5 khz [1]. W prezentowanych pomarach wpływ drga własnych słomerza moe zosta pomnty, ponewa prdko obrotowa narzdza wynosła obr./mn., co dopowada czstotlwoc wymuszena równej 600 Hz. 2. Wpływ drga własnych słomerza na przebeg sł skrawana Drgana własne słomerza mog me znaczene podczas pomaru dynamcznych sł skrawana pochodzcych od narzdza obracajcego s z prdkoc obrotow duo mnejsz od prdkoc odpowadajcej czstotlwoc wymuszena. Wynka to z dynamcznego charakteru sły skrawana, pochodzcej od ostrza freza wcnajcego s w materał. W celu weryfkacj wystpowana drga własnych słomerza okrelena ch czstotlwoc wykonano testy mpulsowe słomerza (rys. 1). ródło: Opracowane własne. Rysunek 1. Testy mpulsowe słomerza Czstotlwocow funkcj przejca sygnału sły wymuszajcej sły pochodzcej z słomerza dla kerunku os X (kerunek posuwowy) przedstawono na rys. 2. Do czstotlwoc 4,5 khz warto funkcj przejca jest zblona do 1 sła merzona przez słomerz odpowada sle wymuszana. Dla czstotlwoc 5,8 khz wdoczny jest rezonans. Jel w sygnale sły skrawana pochodzcym z słomerza wdoczna jest czstotlwo o zblonej wartoc ne mona uzna tej czstotlwoc za rzeczywst sł pochodzc od procesu skrawana. Koherencj czstotlwocowej funkcj przejca przedstawono na rys. 3. W całym przedzale czstotlwoc warto koherencj jest zblona do 1, czyl funkcja przejca moe zosta uznana za warygodn w całym przedzale czstotlwoc.

3 Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, Rysunek 2. Czstotlwocowa funkcja przejca sły merzonej przez słomerz do sły wymuszajcej pochodzcej z młotka mpulsowego w kerunku os X ródło: Opracowane własne. Rysunek 3. Koherencja sygnału wymuszajcego merzonego przez słomerz w kerunku os X ródło: Opracowane własne.

4 218 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana 3. Zjawsko mnmalnej gruboc warstwy skrawanej Wystpowane zjawska mnmalnej gruboc warstwy skrawanej zostałoo przedstawone w pracach [3, 4, 5, 6, 7, 8]. W procese mkrofrezowana prome zaokrglena ostrza narzdza moe by porównywalny z gruboc h materału który ma zosta ze skrawany. Ilustracj zjawska mnmalnej gruboc warstwy skrawanej przedstawono na rys. 4. Kedy grubo materału który ma zosta zeskrawany jest mnejsza od mnmalnej gruboc warstwy skrawanej h mn ne wystpuje skrawane. Materał który ne został zeskrawany podlega deformacj elastycznej powraca do poprzednego połoena (rys. 4a). Jel grubo materału który ma zosta zeskrawany przekroczy mnmaln grubo warstwy skrawanej nastpuje formowane s wóra zeskrawane materału na podan głboko (rys. 4b). a) b) Rysunek 4. Ilustracja zjawska mnmalnej gruboc warstwy skrawanej: a) głboko skrawana mnejsza od mnmalnej gruboc warstwy skrawanej, b) głboko skrawana wksza od mnmalnej gruboc warstwy skrawanej ródło: Opracowane własne. Rysunek 5. Ostrze fabryczne nowego narzdza w powkszenu ródło: Opracowane własne.

5 219 Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, 2011 Na rys. 5 przedstawono ostrze fabryczne nowego narzdza o redncy 0,024 cala (0,610 mm) w powkszenu. Zalecany przez producenta posuw na ostrze narzdza wynos ok. 1 µm co jest wartoc porównywaln z promenem zaokrglena ostrza nowego narzdza. Podczas prowadzena obróbk narzdze zuywa s co moe me wpływ na powstawane sł skrawana. Na rys. 6 przedstawono w powkszenu zuyte ostrze tego samego narzdza, które przed zuycem przedstawono na rys. 5. Wdoczne jest wyrane wykruszene fragmentu ostrza narzdza. ródło: Opracowane własne. Rysunek 6. Ostrze zuytego narzdza w powkszenu

6 220 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana 4. Sły skrawana dzałajce na ostrze narzdza Na ostrze narzdza skrawajcego dzałaj trzy sły skrawana [11]: a sła osowa, t sła promenowa, c styczna (główna) sła skrawana. Sły skrawana dzałaj na przedmot obrabany w przecwnym kerunku do sł dzałajcych na narzdze. Sły skrawana dzałajce na przedmot obrabany przedstawono na rys. 7. Głowna sła skrawana oraz promenowa sła skrawana po zsumowanu tworz wypadkow sł skrawana w. Wypadkowa sła skrawana oraz kt dzałana tej sły mog by uyteczne w analze sł skrawana oraz w ulepszenu modelu sł skrawana. Sły dzałajce na -te ostrze narzdza mog zosta wyznaczone z wykorzystanem mechanstycznego modelu sł skrawana [11]: = K s + K a t r = K a gdze: = K tc rc ac te s + K re s + K ae a a = 1. N ( N = 2) (1) 2 s pole powerzchn warstwy skrawanej [ ] mm, a długo styku krawdz skrawajcej z przedmotem obrabanym [ ] K tc, K rc, K ac sły włacwe skrawana N, 2 mm K te, K re, K ae stałe krawdz skrawajcych N, mm N lczba ostrzy narzdza. mm,

7 221 Rysunek 7. Sły skrawana dzałajce na przedmot obrabany ródło: Opracowane własne. Przekształcene sł lokalnych dzałajcych na -te ostrze narzdza do globalnego układu współrzdnych opsane jest zalenoc: ( ) ( ) ( ) ( ) = z r t z y x N N N N cos 2 1 sn sn 2 1 cos π ϕ π ϕ π ϕ π ϕ (2) gdze: x, z, z sły skrawana dzałajce na -te ostrza narzdza, ϕ połoene ktowe freza. Sły dzałajce w kerunkach os X, Y Z s sum sł dzałajcych na wszystke ostrza narzdza: = = = = = = N N z z y y N x x 1 1 1,, (3) Zaprezentowany mechanstyczny model sł skrawana został wykorzystany do symulacj sł skrawana w skal mkro w celu wyznaczena ktowego połoena freza. Połoene ktowe narzdza potrzebne jest w dalszej analze sł skrawana, jednak brak jest molwoc jego bezporednego pomaru. Z tego powodu wykorzystywane jest połoene ktowe narzdza pochodzce z modelu sł skrawana. Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, 2011

8 222 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana 5. Stanowsko pomarowe Badana dowadczalne przeprowadzono z wykorzystanem prototypowej mkrofrezark zbudowanej w Centrum Mechatronk Zachodnopomorskego Unwersytetu Technologcznego w Szczecne. Schemat blokowy układu pomarowego przedstawono na rys. 8. Przedmot obrabany został zamontowany na trójosowym słomerzu Kstler 9256C1, który został wykorzystany do pomaru sł skrawana. Do rejestracj sł skrawana wykorzystano welokanałowy rejestrator analzator LMS Scadas III. Urzdzene pomarowe zostało połczone z komputerem typu PC. Do dalszego przetwarzana zarejestrowanych sygnałów wykorzystano oprogramowane MATLAB. ródło: Opracowane własne. Rysunek 8. Schemat blokowy układu pomarowego

9 223 Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, 2011 Wdok mkroobrabark, wyposaonej w aparatur pomarow przedstawono na rys. 9. ródło: Opracowane własne. 6. Wynk pomarów Rysunek 9. Mkroobrabarka z aparatur pomarow Obróbk przeprowadzono z wykorzystanem narzdza McroCut rednca narzdza wynosła 0,024 cala (0,61 mm). Narzdze posadało dwa ostrza skrawajce. Parametry obróbk były nastpujce: posuw na ostrze: f z = 6 m, prdko skrawana: v c =34 m/mn, prdko obrotowa narzdza: n= RPM, głboko skrawana: a p = 10 m. Mechanstyczny model sł skrawana uwzgldnajcy bce osowe narzdza wykorzystano do symulacj sł skrawana. Współczynnk sł skrawana zostały dopasowane w celu osgnca mnmalnego błdu mdzy symulacj a zarejestrowanym słam skrawana. Ktowe połoene narzdza pochodzce z modelu sł skrawana zostało wykorzystane w pónejszej analze sł skrawana do wyznaczena lokalnych sł skrawana. Na rys. 10. przedstawono pochodzce z eksperymentu symulacj przebeg sł skrawana w kerunku posuwowym. Symulacj dokonano z uwzgldnenem osowego bca narzdza oraz bez uwzgldnena bca osowego narzdza. Na rys. 11. przedstawono pochodzce z eksperymentu symulacj przebeg sł skrawana w kerunku prostopadłym do posuwowego. Na

10 224 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana rys. 12. przedstawono pochodzce z eksperymentu symulacj przebeg sł skrawana w kerunku os narzdza. Rysunek 10. Zarejestrowane pochodzce z symulacj sły skrawana dla bca 0 µm 4,5 µm w kerunku os X (posuwowym) ródło: Opracowane własne. Rysunek 11. Zarejestrowane pochodzce z symulacj sły skrawana dla bca 0 µm 4,5 µm w kerunku os Y (prostopadłym do posuwu) ródło: Opracowane własne.

11 Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, Rysunek 12. Zarejestrowane pochodzce z symulacj sły skrawana dla bca 0 µm 4,5 µm w kerunku os Z (o narzdza) ródło: Opracowane własne. 7. Wyznaczene lokalnych sł skrawana Trójosowy słomerz dokonuje pomaru sł dzałajcych w kerunkach: posuwowym, prostopadłym do posuwowego osowym. Ze wzgldu na zaszumene zarejestrowanych sygnałów w pónejszej analze wykorzystano urednone sły skrawana z 300 obrotów narzdza. Wypadkowa sła skrawana moe zosta wyznaczona bezporedno z sł posuwowej prostopadłej do posuwowej: w 2 x = + 2 y gdze: x sła posuwowa, y sła prostopadła do sły posuwowej. Kt sły wypadkowej moe zosta wyznaczony z funkcj arcustangens: x α = arctan. (5) y Kt wyznaczony z zalenoc (5) jest okrelony w układze współrzdnych słomerza. W celu wyznaczena lokalnych sł skrawana dzałajcych na ostrze narzdza koneczne jest wyznaczene kta sły skrawana w układze współrzdnych ostrza narzdza. Kt sły skrawana w układze narzdza okrelony jest zalenoc: β = α ϕ m (6) gdze: (4)

12 226 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana ϕ m połoene ktowe narzdza pochodzce z modelu sł skrawana. Styczna promenowa sła skrawana dzałajce na ostrze narzdza mog zosta wyznaczone z zalenoc: = sn β (7) c w t = w cosβ (8) Wyznaczone sły skrawana: promenow, styczn oraz wypadkow, dzałajce na jedno ostrza narzdza przedstawono na rys Podsumowane Promenowa sła skrawana dzałajca na ostrze narzdza na pocztku zagłbana s narzdza w przedmot obrabany jest wksza od stycznej sły skrawana. Jest to wynkem wystpowana zjawska mnmalnej gruboc warstwy skrawanej. Kedy zostaje przekroczona mnmalna grubo warstwy skrawanej promenowa sła skrawana maleje. Po przekroczenu mnmalnej gruboc warstwy skrawana maleje równe warto wypadkowej sły skrawana. Dalsze zagłbane s ostrza w materał obrabany powoduje wzrost wartoc stycznej sły skrawana, podczas gdy warto sły promenowej rone neznaczne. Przeprowadzone badana potwerdzaj koneczno uwzgldnena zjawska mnmalnej gruboc warstwy skrawanej podczas modelowana sł skrawana wystpujcych w procese mkrofrezowana. W dalszych pracach badawczych planowana jest dowadczalna weryfkacja wartoc mnmalnej gruboc warstwy skrawanej. Planowane jest równe zbudowane ulepszonego modelu sł skrawana dla procesu mkrofrezowana. ródło: Opracowane własne. Rysunek 13. Wyznaczone sły: styczna, promenowa wypadkowa załajce na ostrze narzdza

13 Studes & Proceedngs of Polsh Assocaton for Knowledge Management Nr 40, [1] Baú A.: Dynamometer for cuttng force measurement n mcro mllng, MSc. Thess, Lyngby [2] Bssacco G., Getzelt T., Hansen H. N.: orce analyss n mcro mllng Al 6082 T6 n varous engagement condtons,. Proceedngs of 4M2008 Conference Mult-Materal Mcro Manufacture, Cardff: Whttles Publshng Ltd., [3] Chae J., Park S.S., rehet T.: Investgaton of mcro-cuttng operatons, Internatonal Journal of Machne Tools and Manufacture, Volume 46, Issues 3 4, Maryland Heghts: Elsever, 2011, s [4] Ducobu., lpp E., Rvère-Lorphèvre E.: Chp formaton and mnmum chp thckness n mcro-mllng, Internatonal Journal of Machne Proceedngs of the 12th CIRP Conference on Modelng of Machnng Operatons, 2009, s [5] Ducobu., lpp E., Rvère-Lorphèvre E.: Investgatons on chp formaton n mcromllng, Proceedngs of the 9th Internatonal Conference on Laser Metrology, CMM and Machne Tool Performance, 2009, s [6] Hu Taek Yun, Segon Heo, Mn Kyu Lee, Byung-Kwon Mn, Sang Jo Lee: Ploughng detecton n mcromllng processes usng the cuttng force sgnal, Internatonal Journal of Machne Tools and Manufacture Volume 51, Issue 5, Maryland Heghts: Elsever, 2011 s [7] Lu X., DeVor R. E., Kapoor S. G.: An Analytcal Model for the Predcton of Mnmum Chp Thckness n Mcromachnng, Journal of Manufacturng Scence and Engneerng, Volume 128, Issue 2, 2006, s [8] Man A.J, Drver N., Matvenga P.T.: Identfcaton of factors that domnate sze effect n mcro-machnng, Internatonal Journal of Machne Tools and Manufacture Volume 51, Issue 5, Maryland Heghts: Elsever, 2011, s [9] Mohammad Malekan, Smon S. Park. Martn B.G. Jun: Modelng of dynamc mcromllng cuttng forces, Internatonal Journal of Machne Tools & Manufacture 49, Maryland Heghts: Elsever, 2009, s [10] Park S.S., Malekan M.: Mechanstc modelng and accurate measurement of mcro end mllng forces, CIRP Annals Manufacturng Technology 58, Maryland Heghts: Elsever, 2009, s [11] Zheng H.Q.,. L X.P, Wong Y.S., Nee A.Y.C.: Theoretcal modellng and smulaton of cuttng forces n face mllng wth cutter runout, Internatonal Journal of Machne Tools and Manufacture, Volume 39, Issue 12, Maryland Heghts: Elsever, 1999, s

14 228 Marcn Matuszak Wyznaczane promenowej stycznej sły skrawana dzałajcych na ostrze narzdza w procese mkrofrezowana CALCULATION O RADIAL AND TANGENTIAL CUTTING ORCES ACTING ON TOOL BLADE IN MICROMILLING PROCESS Summary Dfferences n cuttng forces modellng n mcromllng and mllng n macro scale are descrbed. Due to small tool edge radus comparable to chp thckness classcal cuttng forces model s nadequate for descrbng mcromllng cuttng forces. Study of tangental and radal cuttng forces actng on tool blade can be used for cuttng forces model mprovement. The paper presents method of fndng local cuttng forces actng on each tool blade. Cuttng forces actng on tool blade are calculated from forces measured by three-axal dynamometer. or these calculatons there s a need of knowng angle of mcromllng tool. Tool angle s estmated from cuttng forces model. Calculated radal and tangental cuttng forces are shown. Conclusons arsng from performed experments and further research plans are presented. Keywords: mcromachnng, mcromllng, cuttng forces, mnmum chp thckness Marcn Matuszak Zakład Układów Mechatroncznych Instytut Technolog Mechancznej Wydzał Inyner Mechancznej Mechatronk Zachodnopomorsk Unwersytet Technologczny w Szczecne Al. Pastów 17, Szczecn e-mal: marcn.matuszak@zut.edu.pl