Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 52, ISSN 1896-771X BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH TOCZNEGO POŁĄCZENIA PROWADNICOWEGO STOŁU I ŁOŻA FREZARKI Z ZASTOSOWANIEM WARSTWY TWORZYWA EPY DO MONTAŻU SZYN PROWADNICOWYCH Tomasz Okulik 1a, Marcin Chodźko 1b, Paweł Paśnicki 2c 1 Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie 2 Fabryka Obrabiarek Precyzyjnych AVIA S.A. w Warszawie a tomasz.okulik@zut.edu.pl, b marcin.chodzko@zut.edu.pl, c p.pasnicki@avia.com.pl Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki doświadczalnych badań właściwości dynamicznych tocznego połączenia prowadnicowego: stół łoże frezarki. Badania przeprowadzono dla dwóch wariantów montażu szyn prowadnicowych. W pierwszym wariancie zastosowano klasyczną technologię montażu. W drugim wariancie pomiędzy szyny prowadnicowe a łoże wprowadzono cienką warstwę tworzywa EPY. W pracy zaprezentowano wyznaczone doświadczalnie charakterystyki dynamiczne badanego połączenia. Dokonano oceny wpływu przyjętego sposobu montażu szyn prowadnicowych na zmianę właściwości dynamicznych obiektu. W szczególności istotne było określenie wpływu technologii montażu na drgania względne w punkcie styku narzędzia i przedmiotu obrabianego. Słowa kluczowe: drgania, tworzywo EPY, układ prowadnicowy, badania doświadczalne EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF DYNAMIC PROPERTIES OF A MILLING TABLE - BED GUIDEWAYS WITH A LAYER OF EPY RESIN USED TO MOUNT THE GUIDE RAIL Summary The paper presents results of experimental studies on the dynamic properties of a milling table and bed guideways mount. The investigations were conducted for two variants of an assembly process. First one was based on a commonly used technology, without any intermediate elements between bed and guide rail. Second method consists in application of EPY resin thin layer, implemented between those two surfaces. In the paper dynamic characteristics of the object are presented. Modal analysis was carried out on the basis of those results. The assessment of influence of applied assembly method on the dynamic characteristics is presented as well. The analysis of influence of assembly technique on relative vibrations of tool and workpiece is discussed. Keywords: vibrations, EPY resin, guiding system, experimental investigation 164

Tomasz Okulik, Marcin Chodźko, Paweł Paśnicki 1. WSTĘP Zadaniem układu prowadnicowego jest zapewnienie możliwości wzajemnego ruchu elementów korpusowych z określoną dokładnością. [1,20] Nie mniej istotne są właściwości statyczne oraz dynamiczne tych połączeń. Obecnie, w budowie obrabiarek, obserwuje się trend, polegający na wypieraniu prowadnic ślizgowych przez prowadnice toczne. Obok wielu zalet prowadnic tocznych należy wymienić jedną ich wadę układy te, w porównaniu z układami ślizgowymi, mają bardzo małe tłumienie [3]. Drgania wymuszone, powstające w trakcie obróbki, mogą przenosić się przez słabiej tłumioną strukturę MDS obrabiarki i powodować obniżenie jakości przedmiotów obrabianych oraz wpływać niekorzystnie na trwałość elementów obrabiarki. Szczególnie niepożądane jest przy tym zjawisko drgań samowzbudnych, mogące rozwijać się w dynamicznym systemie obrabiarka proces skrawania [9]. Dlatego też generalnie dąży się do zwiększania tłumienia w układzie lub stosuje się, często dość wyrafinowane, techniki przeciwdziałania drganiom systemu O-PS [10,11,12]. Zwiększanie tłumienia układów prowadnicowych realizuje się poprzez zastosowanie materiałów o lepszych właściwościach tłumiących od stali, np. polimerobetonu [18]. Aby skutecznie kształtować właściwości dynamiczne obrabiarki, konieczny jest etap modelowania, zwykle z zastosowaniem metody sztywnych lub odkształcalnych elementów skończonych [15] oraz etap badań doświadczalnych. Szczególnie przydatne są w tym przypadku metody eksperymentalnej analizy modalnej [4,6], które umożliwiają prognozowanie wibrostabilności systemu O-PS [5]. Oprócz wymienionych aspektów, związanych z właściwościami dynamicznymi systemu O-PS oraz technikami badania i kształtowania tych właściwości, istotne są aspekty praktyczne. Wiążą się one z technologią montażu obrabiarki. Tradycyjny sposób montażu tocznych układów prowadnicowych polega na przykręceniu szyn prowadnicowych do specjalnie przygotowanych powierzchni oporowych na elemencie korpusowym (rys. 1a). Aby osiągnąć wymagane dokładności i chropowatości powierzchni montażowych, należy element korpusowy poddać dokładnej obróbce gładkościowej, co jest kosztowne dla obrabiarek o dużych wymiarach. Dlatego też proponuje się modyfikację tej metody montażu poprzez zastosowanie warstwy pośredniej z tworzywa chemoutwardzalnego EPY, stosowanego z powodzeniem przy posadowieniach silników okrętowych [7]. Na rys. 1b pokazano schematycznie ideę montażu szyn prowadnicowych na warstwie pośredniej w układzie prowadnicowym obrabiarki skrawającej do metali. a) b) Rys. 1. Schemat montażu szyn prowadnicowych a) sposób tradycyjny; b) na warstwie pośredniej Przeprowadzone badania doświadczalne potwierdziły, że zastosowanie cienkiej warstwy tworzywa EPY nie wpływa negatywnie na dynamiczne właściwości układu korpusowego, zaś sztywność utrzymywana jest na tym samym poziomie [13,17]. Możliwe jest również uzyskanie wymaganej dokładności posadowienia szyny prowadnicowej [14]. W pracy przedstawiono wyniki doświadczalnych badań właściwości dynamicznych połączenia prowadnicowego. Celem tych badań było porównanie, czy montaż szyn prowadnicowych z użyciem EPY nie zmienia negatywnie właściwości dynamicznych badanej struktury MDS obrabiarki. 2. STANOWISKO BADAWCZE Badania doświadczalne przeprowadzono dla reprezentatywnego, tocznego połączenia prowadnicowego stołu i łoża frezarki. Badania te przeprowadzono dla dwóch wariantów montażu: klasycznego oraz z użyciem warstwy pośredniej z tworzywa chemoutwardzalnego EPY. Przeprowadzone badania doświadczalne miały za zadanie ocenić zmianę właściwości dynamicznych połączenia prowadnicowego wywołaną zastoso- 165

BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH TOCZNEGO POŁĄCZENIA waniem warstwy tworzywa EPY do montażu szyn prowadnicowych. 2.1 OBIEKT BADAŃ Obiektem badań doświadczalnych było połączenie prowadnicowe stołu i łoża frezarki. Na rys. 2 pokazano model bryłowy badanego obiektu. Elementy korpusowe wykonane były z żeliwa szarego. Na łożu frezarki zamontowano parę szyn prowadnicowych, z którą współpracowały wózki prowadnicowe. Na każdej z szyn prowadnicowych znajdowały się trzy wałeczkowe wózki prowadnicowe. Posuw stołu realizowano za pomocą tocznej śruby pociągowej, która zlokalizowana była pomiędzy szynami prowadnicowymi. Podczas realizacji badań doświadczalnych stół znajdował się w środkowym położeniu. 2.2 PLAN BADAŃ Rys. 2. Widok badanego obiektu Badania doświadczalne zrealizowano jako tzw. klasyczny test impulsowy. Podczas realizacji badań doświadczalnych monitorowano warunki badań, w szczególności temperaturę. Na rys. 3 pokazano schemat stanowiska pomiarowego. Wymuszenie impulsowe realizowano przy użyciu młotka modalnego firmy Kistler o czułości ok. 10 mv/n. Przyspieszenia w punktach pomiarowych rejestrowano za pomocą czujników firmy PCB o czułościach około 5 mv/m/s 2. Sygnały pomiarowe rejestrowano za pomocą urządzenia typu Front-End SCADAS III, wyposażonego w 24 bitowe przetworniki sigma delta oraz filtry antyaliasingowe. Akwizycję sygnałów oraz dalsze przetwarzanie zrealizowano w systemie Test Lab firmy LMS. Do identyfikacji parametrów modelu modalnego użyto algorytmu Polymax [16]. Na badanym obiekcie określono położenie 81 punktów pomiarowych, w każdym z nich mierzono odpowiedź w trzech ortogonalnych kierunkach. Wymuszenie realizowano w trzech punktach na trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach. Tak duża liczba punktów pomiarowych pozwoliła na dokładne odwzorowanie identyfikowanych postaci drgań. Na rys. 4 pokazano rozmieszczenie punktów pomiarowych na badanym obiekcie. Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego Obiekt badano w dwóch wariantach. W obu stosowano tę samą konfigurację aparatury pomiarowej, rozmieszczenie punktów pomiarowych oraz te same parametry akwizycji i przetwarzania sygnałów. Badane warianty różniły się technologią montażu szyn prowadnicowych do korpusu. W pierwszym wariancie zastosowano tzw. montaż klasyczny. Polegał on na dociśnięciu szyny prowadnicowej do powierzchni oporowej poprzez wałeczki dociskowe. Technologia ta wymagała precyzyjnej obróbki współpracujących powierzchni. W dalszej części pracy wariant ten oznaczono jako bez EPY. Drugi wariant polegał na wprowadzeniu pomiędzy szynę prowadnicową a łoże warstwy tworzywa chemoutwardzalnego. Zadaniem tej warstwy było wypełnienie ewentualnych nierówności pozostałych po obróbce skrawaniem oraz zwiększenie właściwości dyssypacyjnych tego połączenia. Ten wariant montażu oznaczono jako z warstwą EPY. W celu uzyskania powtarzalności warunków badań, w obu wariantach, elementy korpusowe ustawiono w takim samym względnym położeniu. Rys. 4. Rozmieszczenie punktów pomiarowych i punktów wymuszenia na badanym obiekcie 2.3 MONTAŻ SZYN PROWADNICOWYCH NA WARSTWIE TWORZYWA EPY Istotnym etapem eksperymentu było zdemontowanie połączenia prowadnicowego oraz ponowne jego zmontowanie z zastosowaniem drugiego wariantu montażu z EPY. Konieczne było zachowanie zarówno reżimów technologicznych, jak i warunków zapewniających powtarzalność eksperymentu. Ograniczono do minimum liczbę operacji demontażu, mogących wpłynąć na właściwości dynamiczne obiektu. Montaż szyn prowadnicowych na warstwie tworzywa EPY 166

Tomasz Okulik, Marcin Chodźko, Paweł Paśnicki zrealizowano w następujący sposób. Otwory gwintowane w elemencie korpusowym zostały zabezpieczone przed przenikaniem płynnego tworzywa EPY za pomocą specjalnych podkładek, dodatkowo zabezpieczono powierzchnie w okolicy montażu szyny prowadnicowej przed rozlaniem się płynnego tworzywa EPY. Następnie wszystkie powierzchnie elementu korpusowego i szyny prowadnicowej, które miały styczność z tworzywem EPY, zostały pokryte cienką warstwą środka adhezyjnego. W kolejnym kroku na powierzchni elementu korpusowego rozprowadzono płynną warstwę tworzywa EPY o grubości ok. 2 mm. Na tak przygotowanym elemencie korpusowym osadzono szynę prowadnicową. Delikatnie dokręcono główne śruby montażowe szyny prowadnicowej. Następnie zamontowano i dokręcono wałeczki dociskowe. Szyna prowadnicowa ustaliła się w ten sposób na bocznej powierzchni oporowej elementu korpusowego. W kolejnym kroku zostały dokręcone główne śruby montażowe szyny prowadnicowej do wartości momentu zalecanego przez producenta szyn prowadnicowych. Zabieg ten spowodował, że z przestrzeni pomiędzy szyną prowadnicową a elementem korpusowym został wypchnięty nadmiar tworzywa EPY. Tworzywo EPY wypełniło nierówności na styku powierzchni montażowych szyny prowadnicowej i elementu korpusowego. Przed montażem wózków prowadnicowych i stołu frezarki odczekano do pełnego utwardzenia się tworzywa EPY. Na rys. 5 przedstawiono widok zamontowanej szyny prowadnicowej po pełnym, trwającym około 24 godziny, utwardzeniu warstwy tworzywa EPY. Założeniem, leżącym u podstaw tej technologii montażu, jest to, że tworzywo EPY można stosować dla powierzchni obrobionych zgrubnie; ewentualne nierówności po frezowaniu wypełnia tworzywo. Jednak w dokonanych badaniach (powierzchnie oporowe elementu łoża były szlifowane) testowany był jedynie wpływ warstwy EPY na właściwości dynamiczne połączenia. Wynikało to z dostępności elementów korpusowych, które można było poddać badaniom. 3. WYNIKI BADAŃ W rezultacie przeprowadzonego eksperymentu otrzymano kilkaset charakterystyk, opisujących dynamikę obiektu, w postaci częstotliwościowych funkcji odpowiedzi (FRF). W pierwszym etapie charakterystyki te poddano procedurze weryfikacji. Na podstawie przebiegu funkcji koherencji określono zakres częstotliwości, w którym uzasadnione jest estymowanie parametrów modelu modalnego. Graficzna prezentacja wszystkich charakterystyk dla układu wielowymiarowego jest dość kłopotliwa. Dlatego na rys. 6 przedstawiono wskaźnik sumfrf, będący uśrednieniem, w dziedzinie częstotliwości, wszystkich wyznaczonych FRF. Wykres ten pozwala jakościowo ocenić zgodność rozkładu częstotliwości rezonansowych porównywanych obiektów. Można zauważyć, że w całym zakresie częstotliwości rozkład rezonansów jest zbliżony. Większe rozbieżności pojawiają się tylko w wąskim zakresie częstotliwości od 740 do 760 Hz. Rys. 6. Funkcja sumfrf dla badanego obiektu Bardziej precyzyjne wnioski wyciągnąć można jedynie na podstawie zbudowanych modeli modalnych. Wyznaczony model dla montażu bez EPY ma 28 biegunów, zaś model dla montażu z EPY 31 biegunów. Każdy z tych modeli był walidowany niezależnie z użyciem kryterium automac. Natomiast oba te modele porównano ze sobą za pomocą kryterium MAC rys. 7. Rys. 5. Szyna prowadnicowa zamontowana poprzez warstwę EPY Rys. 7. Macierz MAC dla obu wariantów badań doświadczalnych 167

BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH TOCZNEGO POŁĄCZENIA Należy zauważyć, że znacząca liczba elementów na głównej diagonali ma wartości większe od 80%. Świadczy to o tym, że porównywane postacie drgań odpowiadają sobie, co jest korzystną informacją. Nie zmienia się bowiem znacząco model modalny obiektu, zależnie od wariantu montażu. Model dla montażu z EPY wykazuje trzy postacie drgań, przy częstotliwościach 213 Hz, 550 Hz, 821 Hz, których nie zidentyfikowano dla modelu bez EPY. Jednoznaczne zidentyfikowanie przyczyny tego faktu jest problematyczne. Mogły się bowiem nałożyć na siebie pewne czynniki związane, z doskonaloną jeszcze, technologią montażu z EPY. Ze względu na fakt, że najistotniejszy wpływ na drgania samowzbudne, ale również na jakość obróbki, mają drgania względne przedmiotu obrabianego i narzędzia, sprawdzono poziomy amplitud rezonansowych w punkcie leżącym w geometrycznym środku stołu. Rys. 9. Skrajne kadry animacji postaci drgań przy częstotliwości 821 Hz. Rys. 8. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na kierunku X Na rys. 8 pokazano charakterystykę amplitudowoczęstotliwościową dla wymuszenia działającego na kierunku X i odpowiedzi na tym samym kierunku. W zakresie częstotliwości od 5 Hz do ok. 700 Hz przebiegi charakterystyk amplitudowoczęstotliwościowych dla montażu bez EPY i z EPY są bardzo zbliżone. Różnicą jest rezonans przy częstotliwości 821 Hz, występujący dla przypadku z EPY. Na rys. 9 pokazano skrajne kadry animacji postaci drgań przy tej częstotliwości. Znaczące wartości przemieszczeń, przy częstotliwości rezonansowej, zaobserwować można wyłącznie w przypadku punktów pomiarowych zlokalizowanych na stole frezarki. Ta postać drgań, przy częstotliwości 821 Hz, znacząco różni się od postaci, wyznaczonej na podstawie wyników badań dla pierwszego wariantu montażu. Najprawdopodobniej tak duże przemieszczenia stołu na kierunku X wywołane zostały zmniejszoną sztywnością połączenia: stół - wózki prowadnicowe. Przypuszcza się, że zjawisko to wyniknęło z losowej zmiany właściwości dyssypacyjno-sprężystych połączenia tych elementów, powstałej w trakcie montażu stanowiska i przygotowywania go do drugiego wariantu badań doświadczalnych. Na rys. 10 pokazano charakterystykę amplitudowoczęstotliwościową obiektu, wyznaczoną na kierunku Y. Poziomy amplitud są na tym kierunku o rząd wielkości mniejsze od tych, wyznaczonych na kierunku X. Praktycznie w całym badanym zakresie częstotliwości, charakterystyka dla modelu z EPY ma niższe wartości niż bez EPY. 168

Tomasz Okulik, Marcin Chodźko, Paweł Paśnicki 4. WNIOSKI Rys. 10. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na kierunku Y Na rys. 11 pokazano charakterystykę amplitudowoczęstotliwościową wyznaczoną na kierunku Z. Obserwowana zgodność wyznaczonych częstotliwościowych funkcji przejścia na tym kierunku świadczy o tym, że zastosowanie warstwy tworzywa EPY do montażu szyn prowadnicowych nie wpłynęło znacząco na zmianę właściwości dynamicznych badanego obiektu. Jest to korzystna informacja, drgania na tym kierunku mają bowiem duży wpływ na chropowatość powierzchni obrobionej. Możliwość zastosowania tańszej technologii montażu, bez utraty korzystnych właściwości dynamicznych, świadczyć może o uzasadnionym jej stosowaniu. Przeprowadzony eksperyment dowiódł, że zastosowanie technologii montażu szyn prowadnicowych z EPY nie wpływa znacząco na zmianę właściwości dynamicznych połączenia prowadnicy tocznej z łożem. Jedyna istotna różnica, objawiająca się znaczącym rezonansem przy częstotliwości 821 Hz, wynika ze zmian właściwości połączenia wózek stół. Nie obarcza zatem niekorzystnie połączenia z zastosowaniem tworzywa EPY. Fakt ten jest niezwykle istotny. Pozwala on bowiem wnioskować o użyteczności tego wariantu montażu w praktyce przemysłowej. Jeśli tworzywo nie modyfikuje znacząco właściwości dynamicznych połączenia, to może się okazać, że jego stosowanie spowoduje znaczące oszczędności, wynikające z braku konieczności szlifowania dużych powierzchni. Jest to szczególnie istotne w obrabiarkach o większych wymiarach. Konieczne jest obecnie prowadzenie dalszych prac w kierunku doskonalenia tej technologii montażu, ze zwróceniem szczególnej uwagi na dokładność pozycjonowania elementów oraz trwałość połączenia. Rys. 11. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na kierunku Z Literatura 1. Aczerkan N.S.: Obliczanie i konstruowanie obrabiarek do metali. Wyd. 1. Warszawa: PWT, 1957. 2. Chang S.H., Kim P.J., Lee D.G. and Choi J.K.: Steel-composite hybrid headstock for high-precision grinding machine. Composite Structures 2001, 53, p. 1-8. 3. Dhupia J., Powałka B., Ulsoy G., Katz R.: Experimental identification of the nonlinear parameters of an industrial translational guide for machine performance evaluation. Journal of Vibration and Control 2008, 14, p. 645-668. 4. Chodźko M., Pajor M.: Badania modalne prototypu frezarki FV2 oraz prognoza jej wibrostabilności. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2011, vol. 31, nr 2, s.143 151. 5. Chodźko M., Parus A.: Wpływ wyznaczania funkcji FRF obrabiarki na prognozę jej wibrostabilności. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2011, vol. 31, nr 4, s. 145 154. 169

BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH TOCZNEGO POŁĄCZENIA 6. Chodźko M., Marchelek K.: Doświadczalne badania właściwości dynamicznych układów korpusowych obrabiarek. Wybrane zagadnienia. inżynieria maszyn 2011, vol. 16, nr 1-2, s.67 81. 7. Grudziński K., Jaroszewisz W.: Posadawianie maszyn i urządzeń na podkładkach fundamentowych odlewanych z tworzywa EPY. Wyd. II; Szczecin: Zapol., 2005. 8. Lee D.G., Chang S.H., Ki., Kim H.S.: Damping improvment of machine tool columns with polymer matrix fiber composite material. Composite Structures 1998, 43, p. 155-163. 9. Marchelek K. Dynamika obrabiarek. Wyd. 2. Warszawa: WNT, 1991. 10. Marchelek K., Pajor M., Powałka B.: Vibrostability of the milling process described by the time-variable parameters model. Journal of Vibration and Control 2002, Vol. 8, p. 467-479. 11. Marchelek K., Tomków J.: Vibrostability of a multidimensional machine tool-workpiece system. Part. I: Modeling the mechanical structure and cutting process. Journal of Vibration and Control 1998, Vol. 4, p. 99-112. 12. Marchelek K., Tomków J.: Vibrostability of a multidimensional machine tool-workpiece system. Part II: An example of vibrostability analysis made on a vertical lathe. Journal of Vibration and Control 1998, Vol. 4, p. 113-130. 13. Okulik T., Powałka B., Marchelek K.: Parametry sztywnościowe i dyssypacyjne posadowienia tocznej szyny prowadnicowej na warstwie tworzywa EPY. Modelowanie Inżynierskie 2009, t.7, nr 38, s. 139-146. 14. Okulik T., Powałka B.: Wpływ warstwy tworzywa EPY na dokładność posadowienia tocznej szyny prowadnicowej. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009, Vol. 29, nr. 2, s. 153-162. 15. Pajor M., Okulik T., Marchelek K., Chodźko M.: Badania właściwości dynamicznych układów korpusowych obrabiarek w procesie projektowo-konstrukcyjnym. Modelowanie Inżynierskie 2008, nr 35, s. 85 92. 16. Peeters B., Van Der Auweraer H., Guillaume P., Leuridan J.: The PolyMax frequency-domain method: a new standard for modal parameter estimation? Shock and Vibration 2004, 11 (3 4), p. 395-409. 17. Powałka B., Okulik T.: Dynamics of the guideway system founded on casting compound. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2012, Vol. 59, Iss. 1-4, p. 1-7. 18. Rahman M., Mansur M.A., Lee L.K., Lum J.K.: Development of a polymer impregnated concrete damping carriage for linear guideways for machine tools. International Journal Machine Tools and Manufacture 2001, 41, p. 431-441. 19. Suh J.D., Chang S.H., Lee D.G., Choi J.K., Park B.S.: Damping characteristics of composite hybrid spindle covers for high speed machine tools. Journal of Materials Processing Technology 2001, 113, p. 178-183. 20. Wrotny L.T.: Projektowanie obrabiarek zagadnienia ogólne i przykłady obliczeń. Wyd. 3. Warszawa: WNT, 1986. 170