POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT TECHNOLOGII MECHANICZNEJ ZAKŁAD UKŁADÓW MECHATRONICZNYCH DYNAMIKA OBRABIAREK Badania wibrostabilności obrabiarek Opracował: Mirosław Pajor Władysław Lisewski
1. Ogólna koncepcja metody. Algorytm postępowania przy prowadzeniu badań wibrostabilności obrabiarek W wyniku wielu prac badawczych poświęconych wibrostabilności dynamicznego układu OUPN ustalono, że jest ona przede wszystkim zależna od dynamicznych właściwości układu masowo-dysypacyjno-sprężystego (MDS) obrabiarki, w znacznie mniejszym zaś stopniu od charakterystyki dynamicznej procesu skrawania (siły skrawania). Stąd też najlepsze efekty w zakresie wzrostu wibrostabilności systemu O-PS (obrabiarka-proces skrawania) osiąga się przez odpowiednią modyfikację właściwości dynamicznych układu MDS obrabiarki. Modyfikacja ta polega przede wszystkim na eliminacji z tego układu słabych ogniw ze względu na jego wibrostabilność. Aby zatem praktycznie takiej modyfikacji dokonać niezbędne jest ich wykrycie w układzie MDS oraz ustalenie kierunków i zakresu zmian w zastosowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych tych ogniw. Ogólną koncepcję metody doświadczalnego poszukiwania słabych ogniw w układzie OUPN przedstawia rys.1 Rys.1 Algorytm metody doświadczalnego poszukiwania słabych ogniw w układzie OUPN Przyjęto, że wchodzące w zakres metody badania doświadczalne układu OUPN prowadzone będą podczas skrawania, czyli normalnej pracy obrabiarki. Zaletą takiego podejścia jest naturalny udział podczas badań wszystkich zespołów obrabiarki (pracujący napęd, przemieszczający się zespół ruchu posuwowego itp.) oraz brak urządzeń wprowadzanych z zewnątrz, które mogłyby zmieniać jej własności. Ponadto przyjęto, że
badania prowadzone będą w stanie niestabilnym. Liczyć się należy z tym, że siły skrawania występujące podczas pracy niestabilnej znacznie różnią się od tych jakie były podczas pracy obrabiarki w okresie poprzedzającym utratę stabilności. Tak więc zachowanie się obrabiarki może być także inne - nie tylko w sensie ilościowym. W tej sytuacji diagnoza postawiona na podstawie badań podczas drgań samowzbudnych obrabiarki może być trafniejsza. Ważną zaletą badania w stanie niestabilnym jest znaczne ułatwienie analizy mierzonych sygnałów. W stanie niestabilnym drgania obrabiarki wskutek dominacji jednej postaci zawierają składową okresową o znacznej intensywności wyróżniającą się wyraźnie na tle szumów i zakłóceń. Te ostatnie stanowią główny problem w dynamicznych badaniach obrabiarek pracujących w strefie stabilnej. Przykładowe widma sygnałów zarejestrowanych podczas stabilnej i niestabilnej pracy obrabiarki pokazano na rys. 2. O skłonności do utraty stabilności obrabiarki decyduje często pojedynczy jej element lub zespół będący najsłabszym z tego punktu widzenia ogniwem całej konstrukcji. Oznacza to, że podczas drgań samowzbudnych element konstrukcyjny obrabiarki, który jest słabym ogniwem będzie miał decydujący udział we względnych drganiach występujących między narzędziem i przedmiotem obrabianym. W przypadku wielu obrabiarek zwłaszcza uniwersalnych - istnieje możliwość wystąpienia drgań samowzbudnych o kilku różnych częstotliwościach, którym odpowiadają różne postacie drgań. Kompleksowość opracowanej metody polega na tym, że badaniu podlega każda postać drgań odpowiadająca każdej ujawnionej w czasie skrawania częstotliwości drgań samowzbudnych. O praktycznym wykorzystywaniu proponowanej metody w dużej mierze decydować będzie czasochłonność badań. Wymogi, by badania miały charakter kompleksowy a jednocześnie były szybkie są wymogami przeciwstawnymi. Trzeba więc plan badań tak rozwiązać by obejmował on tylko niezbędne próby. Zbiór powtórzeń badań musi być równoliczny ze zbiorem częstotliwości drgań samowzbudnych uznanych za różniące się. Stąd wynika koncepcja dwuetapowych badań. Zasadnicze badania powinny być poprzedzone przez prostsze i szybsze testy umożliwiające wyznaczanie zbioru częstotliwości drgań samowzbudnych. Rys 2 Widma sygnałów zarejestrowanych podczas stabilnej (a) i niestabilnej (b) pracy obrabiarki
Ogólny algorytm realizacji badań związanych z poszukiwaniem słabego ogniwa w układzie OUPN pokazano na rys. 1. Jak wynika z algorytmu całość prac związanych z wyznaczaniem słabego ogniwa można podzielić na trzy etapy. W pierwszym etapie prowadzone są badania wstępne rozpoczynające się od studium badanego obiektu, które realizowane jest w dużej mierze w oparciu o dane literaturowe. Informacje z tego etapu służą do opracowania programu badań wstępnych (pierwszy etap badań) oraz badań, zasadniczych (drugi etap badań). Badania wstępne mają na celu ujawnienie wszystkich możliwych częstotliwości drgań samowzbudnych, które mogą wystąpić w badanej obrabiarce oraz zawężenie planu badań zasadniczych do niezbędnego minimum. Są to badania podczas obróbki w warunkach pracy niestabilnej. W przypadku, gdy badana obrabiarka jest pierwszym egzemplarzem danego typu, niezbędne mogą okazać się badania testowe zarówno na etapie badań wstępnych jak i zasadniczych. Ich głównym celem jest dobór takich parametrów pomiarowych jak: czas realizacji próby, wartości sygnałów itp. Celem badań zasadniczych jest wyznaczenie postaci drgań oraz ilościowa analiza udziałów drgań poszczególnych zespołów obrabiarki w drganiach względnych między narzędziem i przedmiotem obrabianym. Analiza ta ujawniając słabe ogniwa daje wskazania konstruktorowi jakich zmian i w obrębie których elementów układu OUPN powinien dokonać. 2. Programowanie badań 2.1. Zasady tworzenia planu badań wstępnych Program badań uzależniony jest od: informacji o istniejących i dostępnych metodach badawczych, informacji nt. wpływu geometryczno-technologicznych parametrów skrawania na stabilność pracy, cech charakterystycznych obrabiarki, technicznych możliwości realizacji badań. Analizując wpływ różnych czynników na zachowanie się częstotliwości drgań samowzbudnych stwierdzono, że nie jest ona wrażliwa na zmiany większości parametrów geometryczno technologicznych. Zmianę częstotliwości drgań samowzbudnych obserwuje się głównie w wypadkach określonej zmiany wzajemnego położenia narzędzia i przedmiotu obrabianego, czyli zmiany kierunków siły skrawania. Wynika to z dużej wrażliwości granicy stabilności na strukturę modelu; zmiana w przestrzeni orientacji siły skrawania może spowodować zmianę struktury modelu. Informacja ta stanowi podstawę do zasad tworzenia programu badań wstępnych. Wynika z niej, że kierunek siły skrawania powinien być głównym kryterium wyboru wariantów obróbki do tych badań. Różnorodność obrabiarek sprawia jednak, że sformułowanie przepisu umożliwiającego tworzenie takiego programu nie jest łatwe. Proces tworzenia planu badań wstępnych przedstawić można na przykładzie obrabiarki abstrakcyjnej, która skupia w sobie możliwości obróbkowe wielu obrabiarek, przy takim założeniu, że siły skrawania występujące w czasie obróbki mogą przyjmować dowolny kierunek. Dla zobrazowania rozważań przyjęto, że reprezentantem każdego z wariantów obróbki jest wektor jednostkowy równoległy do kierunku wypadkowej siły skrawania. Punkt zaczepienia wszystkich takich wektorów jest wspólny.
Rys 3 Rysunek objaśniający proces zawężenia planu badań wstępnych Jeśli zatem punktem A planu badań jest koniec takiego wektora, to obszarem badań jest cała sfera S (rys. 3.) 2 2 2 { A( x, y, z) : x y = 1} S = z (1) Proces minimalizacji liczby punktów badań wstępnych polega na nakładaniu na sferę S ograniczeń oraz jej dyskretyzowaniu. Bardzo pomocne na tym etapie są programy obliczeniowe umożliwiające wyznaczanie kierunków sił skrawania. Przy ich braku, niezbędna jest umiejętność szacowania tych kierunków. Szczególna precyzja w wyznaczaniu tych kierunków nie jest konieczna. Pierwsze ograniczenie pojawia się z chwilą podania typu obrabiarki. Inny będzie plan badań wstępnych dla tokarki kłowej a inny dla karuzelowej, inny dla frezarki, której konstrukcja pozwala na frezowanie współbieżne, a inny dla tej, w której możliwości takiej nie przewidziano. Kolejny etap zawężenia obszaru badań to ograniczenie się do narzędzi znormalizowanych. Trudno bowiem przewidzieć jakie narzędzia specjalne może zastosować przyszły użytkownik. Pomocne w tym wyborze mogą być opracowania podające dane statystyczne o wykorzystaniu różnych rodzajów narzędzi na obrabiarce danego typu. Dalsze zawężenie planu następuje w wyniku wyboru po jednym egzemplarzu z całych typoszeregów narzędzi (różniących się szczegółami, które nie wpływają na kierunek
siły skrawania np. średnica freza). W wypadku narzędzi tego samego typu o ostrzach wykonanych z różnych materiałów, należy rozważyć potrzebę zastosowania obu tych narzędzi (różnice w geometrii ostrza wpływają na kierunek siły skrawania). Wybrane w ten sposób narzędzia powinny charakteryzować się dostatecznie dużą sztywnością by uniknąć przypadków, kiedy to właśnie one są najsłabszym ogniwem (frezy trzpieniowe o małej średnicy, noże wytaczaki itp.). Przy wnikliwej analizie różnych przypadków obróbki zwykle uzyskuje się możliwość ograniczenia się do 2-3 narzędzi w badaniach wstępnych. Pewną trudność sprawia podanie ogólnych zasad stopniowania wariantów obróbki (dyskretyzacji planu) w przypadku możliwości praktycznie ciągłej zmiany kierunku siły skrawania. Pomocna może się tu okazać możliwość pomiaru częstotliwości drgań samowzbudnych bezpośrednio podczas badań, pozwalająca na podejmowanie decyzji na bieżąco. Wówczas można przyjąć wstępnie plan o mniejszej liczbie punktów, a następnie ewentualnie zagęszczać stopniowanie w niektórych przedziałach. Powyższe zasady tworzenia planu badań dotyczą jednego punktu przestrzeni roboczej obrabiarki. Innym istotnym czynnikiem mogącym wpływać na zmianę częstotliwości drgań samowzbudnych jest zmiana warunków współpracy połączeń prowadnicowych wskutek innego wzajemnego ustawienia zespołów obrabiarki (zmiana struktury fizycznego modelu układu MDS-OUPN). Stworzony wg powyższych zasad program powinien być więc powtórzony także w innych punktach przestrzeni roboczej obrabiarki zapewniając w ten sposób kompleksowość badań. Program badań, który powstanie w wyniku powyższych działań zawiera już skończoną liczbę punktów planu A. Dla pojedynczego punktu przestrzeni roboczej obrabiarki niech to będzie zbiór P S; P = { A i }; i = 1,2... n. Uwzględniając fakt, że do zbadania obrabiarki w całej przestrzeni roboczej badania należy powtórzyć m-krotnie, program badań opisuje zbiór: m W = U P (2) j=1 j Jak wynika z tych rozważań, plan badań wstępnych powinien być opracowywany oddzielnie dla każdego typu obrabiarki i powinien uwzględniać cechy zarówno jej jak i stosowanych narzędzi. Po zdobyciu doświadczeń podczas badań różnych typów obrabiarek z pewnością zaistnieje możliwość opracowania dla nich standardowych testów. Nie będzie więc potrzeby rozwiązywania tego zadania przed rozpoczęciem badań każdej z nich. Sformułowane w tej pracy ogólne zasady służyć będą wówczas przy ustalaniu planów badań obrabiarek specjalnych lub specjalizowanych. Wyraźnie trzeba stwierdzić, że celem badań wstępnych jest wyznaczenie tylko częstotliwości drgań samowzbudnych. Nie trzeba poszukiwać granicy stabilności (granicznych parametrów skrawania, po przekroczeniu których następuje utrata stabilności). Bez znaczenia dla metody, a więc i wyniku jest to, na ile parametry skrawania, przy których prowadzony jest pomiar, przekraczają wartości graniczne. Wynikają stąd znaczne oszczędności czasowe. Pracochłonność tych badań nie jest więc duża. Do pomiaru częstotliwości użyć można np. pojedynczego czujnika sejsmicznego zainstalowanego możliwie blisko strefy skrawania. Oczywiście nie w każdych warunkach wytypowanych do badań musi nastąpić utrata stabilności. Może to być strefa stabilnej pracy obrabiarki, w której jedynym ograniczeniem jest moc silnika napędowego. Celowe jest więc kontrolowanie podczas badań poboru mocy przez silnik, by uniknąć zbędnego przeciążania go. Końcowy wynik badań wstępnych to przede wszystkim informacja o tym w jakich warunkach obrabiarka pracuje stabilnie a w jakich nie. Zbiór W dzieli się wówczas na dwa podzbiory: W i W. Zbiór W zawiera warianty obróbki gwarantujące pracę stabilną, natomiast W" - przypadki pracy niestabilnej. Dla dalszych badań istotna jest zawartość zbioru W". Wszystkie należące do niego warianty obróbki rozdziela się na klasy podlegające dalszemu rozpoznaniu (w badaniach zasadniczych). Do pojedynczej klasy należą warianty
obróbki charakteryzujące się tą samą częstotliwością drgań samowzbudnych: k W" = U W (3) i = 1 i gdzie: W j ={A i f=const};w W=Ø k liczba klas f częstotliwość drgań samowzbudnych 1 Liczba klas w podzbiorze wariantów niestabilnych W jest równa liczbie różnych częstotliwości drgań samowzbudnych, a więc liczbie ewentualnych słabych ogniw obrabiarki. Rys.4. Badania wstępne frezarki Badania wstępne przeprowadza się dla dużej liczby wariantów wytypowanych według opisanego algorytmu. Badania te realizowane są przy ograniczonej liczbie czujników (zwykle jeden czujnik rys.4). Efektem pomiarów są zarejestrowane charakterystyki widmowe dla różnych wariantów pomiarowych, na podstawie których klasyfikuje się wykryte częstotliwości drgań samowzbudnych i przypisuje się je określonym wariantom pomiarowym. Na tej podstawie dokonuje się selekcji wariantów do dalszych bardziej szczegółowych badań doświadczalnych. 1 Zastosowano zamiennie dwa oznaczenia częstotliwości f i ω. Pomiędzy tymi wielkościami zachodzi związek ω=2πf.
2.2. Badania zasadnicze Program badań zasadniczych, których celem jest znalezienie wszystkich słabych ogniw obrabiarki powinien przewidywać wykonanie badań dla reprezentatywnego (jednego) wariantu obróbki z każdej klasy W j, j=1, 2,..,k. Ponieważ w każdym z wariantów należących do jednej klasy stwierdzono tę samą częstotliwość, więc także odpowiadać jej powinna ta sama postać drgań. Wyznaczona postać dla jednego z wariantów obróbki jest reprezentatywna dla całej klasy. Sposób wyboru reprezentanta klasy do badań zasadniczych jest dowolny. Badania zasadnicze polegają na pomiarze przestrzennego ruchu (drgań) poszczególnych elementów korpusowych obrabiarki tak jak to pokazano na rys.5. Rys.5. Badania zasadnicze wybranych wariantów. Ze względu na ograniczoną liczbę kanałów pomiarowych, zwykle pomiar taki prowadzi się sekwencyjnie przenosząc czujniki na kolejne elementy korpusowe obrabiarki. Szczegółowy opis pomiaru drgań bryły sztywnej jest tematem oddzielnego laboratorium i tam jest szerzej omówiony. Efektem takich badań jest komplet zarejestrowanych charakterystyk z poszczególnych czujników dla wszystkich elementów korpusowych obrabiarki. W następnym etapie przeprowadza się analizę zarejestrowanych danych eksperymentalnych.
3. Opracowanie wyników pomiaru, wyznaczenie słabych ogniw obrabiarki Proponowana metoda opracowania wyników badań opiera się na założeniach metody sztywnych elementów skończonych (SES). Obrabiarki naogół zbudowane są ze zwartych, sztywnych zespołów połączonych ze sobą stykowo (kontaktowo) za pomocą połączeń prowadnicowych. Znaczna przewaga odkształceń stykowych nad postaciowymi pozwala na traktowanie obrabiarki jako układu utworzonego ze sztywnych elementów połączonych elementami sprężysto-tłumiącymi (EST). Możliwość wprowadzenia dodatkowo podziałów pomyślanych stwarza warunki dobrego modelowania także podatnych postaciowo elementów. Na rys.6 przedstawiono schematycznie poszczególne etapy opracowywania wyników badań zasadniczych. Rys.6. Etapy analizy wyników badań zasadniczych W pierwszym etapie wyznaczane jest po sześć charakterystyk drgań (trzy translacyjne i trzy rotacyjne) poszczególnych elementów korpusowych obrabiarki. Szczegółowy opis metody transformacji charakterystyk z poszczególnych czujników do wybranego układu odniesienia przedstawiony jest w instrukcji do laboratorium Pomiar przestrzennego ruchu
bryły sztywnyej. Na podstawie przetransformowanych charakterystyk pomiarowych można wyznaczyć ruch poszczególnych elementów korpusowych i dokonać jego animacji. Wygenerowany w ten sposób film komputerowy pozwala dokonać analizy jakościowej drgań obrabiarki i wstępnie wytypować tzw. słabe ogniwo (czyli element wykazujący największe drgania). Następnie charakterystyki opisujące ruch poszczególnych elementów korpusowych transformowane są do umownego punktu styku narzędzia i przedmiotu obrabianego (N-PO). Na tej podstawie wyznacza się udział drgań poszczególnych elementów korpusowych oraz względnych przemieszczeń połączeń prowadnicowych (par kinematycznych tworzących dane połączenie) na drgania względne N-PO. Jest to tzw. analiza ilościowa, która na podstawie histogramów wpływów pozwala dokładnie zlokalizować słabe ogniwo w układzie korpusowym i wytyczyć kierunki zmian konstrukcyjnych w celu poprawy wibrostabilności obrabiarki. 4. Przykłady praktycznego stosowania metody planowania badań wstępnych obrabiarki Sposób postępowania przy prowadzeniu badań doświadczalnych, których celem jest wskazanie w układzie MDS obrabiarki słabego ogniwa ze względu na jej wibrostabilność będzie pokazany na przykładzie frezarek FWD-32JU. Zgodnie z przedstawionymi w pkt. 2.1 zasadami opracowano program badań wstępnych. Frezarka FWD-32JU jest uniwersalną frezarką poziomą z belką z własnym napędem. Stopień uniwersalności tej frezarki jest bardzo wysoki. Zaprezentowany przykład badania obrabiarki o tak wysokim stopniu uniwersalności pozwala dobrze zilustrować sformułowane w pkt. 2.1 zasad tworzenia programu badań wstępnych (szczególnie w zakresie ograniczania liczby doświadczeń). Podczas frezowania na frezarce FWD-3 2JU przy użyciu napędu umieszczonego w belce zaobserwowano w pewnych warunkach zwiększoną skłonność układu OUPN do utraty wibrostabilności. Zachodziła więc potrzeba dokonania odpowiednich zmian konstrukcyjnych w jej układzie MDS, aby uzyskać odpowiedni wzrost wibrostabilności. Aby zmian tych nie dokonywać w sposób przypadkowy, zastosowano metodę doświadczalnego poszukiwania słabego ogniwa dla ustalenia jakie zmiany i w którym miejscu będą najkorzystniejsze. Przekazana do badań obrabiarka była egzemplarzem prototypowym, zatem istniała praktyczna możliwość wprowadzenia zmian konstrukcyjnych wynikających z badań. Frezarka FWD-32JU przeznaczona jest do przeciwbieżnego frezowania przy obu kierunkach ruchu stołu. Możliwa jest też praca przy lewym i prawym kierunku obrotów wrzeciona. Przyjmując, że podstawowym kryterium doboru wariantów obróbki badanej frezarki jest kierunek i zwrot siły skrawania, oraz struktura obrabiarki, ustalono następujące etapy budowy programu badań wstępnych: wybór narzędzi skrawających, wybór parametrów skrawania, wybór wariantów położenia zespołów roboczych obrabiarki, wybór przedmiotów obrabianych. Narzędzia jakie mogą być stosowane na takiej frezarce to przede wszystkim głowice frezowe oraz frezy walcowo-czołowe, a także frezy tarczowe, kątowe itp. Każde z nich mogą być trzpieniowymi lub nasadzanymi. Skojarzenie sposobów obróbki z możliwymi narzędziami prowadzi do ogromnej liczby przypadków skrawania. Przy zachowaniu pionowej osi wrzeciona obrabiarki pierwsze ograniczenia sfery S są bardzo oczywiste. Trudno bowiem wyobrazić sobie rodzaj obróbki na frezarce pionowej, w którym siły skrawania są dokładnie pionowe lub w pobliżu pionu. Ze sfery pozostaje więc tylko jej część środkowa (rys. 3). Ograniczanie liczby narzędzi rozpocząć można od odrzucenia wszystkich narzędzi trzpieniowych. Są one bowiem narzędziami o małej sztywności, a więc potencjalnymi słabymi ogniwami.
Niezbyt sztywne są także typowe trzpienie służące do mocowania frezów tarczowych. Rezygnacja z obu tych grup narzędzi możliwa jest także dlatego, że kierunki sił skrawania występujących przy pracy nimi są zbliżone do tych jakie występują przy obróbce frezami walcowo-czołowymi oraz głowicami frezowymi. W tej sytuacji do dalszych rozważań pozostają już tylko te dwie ostatnie grupy narzędzi. Rezygnacja z jednej z nich na rzecz tylko głowic lub tylko frezów walcowo-czołowych nie jest możliwa ze względu na różnice w kierunkach siły skrawania (różne zwroty składowej pionowej siły skrawania). Wynikają one z różniących się kątów przystawienia, natarcia i pochylenia głównej krawędzi skrawającej. W związku z tym, że głębokość skrawania nie wpływa istotnie na kierunek sił skrawania, konsekwencją wyboru frezów walcowo-czołowych i głowic jest pozostawienie w sferze S tylko dwóch okręgów odpowiadających obu typom narzędzi (rys.3). Kierunek siły skrawania przy pracy tymi narzędziami nie zależy od ich średnicy, lecz od stosunku średnicy do szerokości frezowania. Do badań można więc użyć tylko po jednym reprezentancie z każdego typu. Opierając się na danych zawartych w dokumentacji techniczno-ruchowej badanej obrabiarki wybrano głowicę frezową φ125mm typu 257.20-125 oraz frez walcowo-czołowy NFCa 63. Po wyborze narzędzi przeznaczonych do badań należy dobrać parametry skrawania tak, aby uzyskać możliwie szeroki plan kierunków siły skrawania. Dla wytypowanych narzędzi parametrem mającym wpływ na kierunek siły skrawania jest szerokość frezowania. Zmiana kierunku siły skrawania przez zmianę szerokości frezowania (przy stałej średnicy narzędzia) możliwa jest w sposób praktycznie ciągły (rys.7). Dla obrabiarek, w których nie jest zalecane frezowanie współbieżne uzyskanie pełnego planu (w zakresie 360 ) możliwe jest dzięki zastosowaniu także narzędzi lewotnących. W celu zapewnienia poprawnego wyboru szerokości frezowania przeprowadzono obliczenia sił skrawania dla obu wytypowanych narzędzi. Obliczenia te zrealizowano dla przypadków znajdujących się po prawej stronie rysunku 7. W wariancie oznaczonym numerem 1 szerokość frezowania odpowiada 1,5 podziałki między zębnej. W kolejnych wariantach szerokość ta zmienia się co 0,5 podziałki aż do B=D (wariant 5) i dalej maleje do 1,5 podziałki w przypadku 9. Wyniki obliczeń dla obu narzędzi przedstawiono na rys. 8. Rys. 8a pokazuje kierunki sił skrawania obliczone dla głowicy frezowej, natomiast rys. 8b dla freza. Kierunki wypadkowych sił skrawania w poszczególnych przypadkach frezowania obrazują promienie okręgów oznaczone numerami zgodnymi z numeracją wariantów pracy przedstawionymi na rys.7. Na każdym kierunku - promieniu zaznaczono przedziały zmienności chwilowych kierunków siły skrawania wynikające z faktu wirowania narzędzia. Bezpośrednio z obliczeń określono kierunki sił tylko dla przypadków od 1 do 9. Pozostałe wyniki skonstruowano wykorzystując zasadę inwersji biegunowej. Symetrycznie względem środka okręgu do pierwszego wariantu frezowania usytuowany jest wariant dziesiąty itd. Kierunki sił skrawania w odpowiadających sobie przypadkach są do siebie równoległe a zwroty przeciwne. Z rysunku 8 wynika, iż w pewnych obszarach okręgu różnica kierunków sił skrawania w kolejnych przypadkach jest niewielka i wynosi 10-13. Wystarczy więc do programu badań włączyć tylko część obliczonych wariantów, natomiast w strefach pustych (między wariantem 9 i 10 oraz 18 i 1) istnieje potrzeba zagęszczenia planu badań. Bezwzględnie należy zrezygnować z tych wariantów frezowania, w których składowa posuwowa siły skrawania może zmienić zwrot. Przy pracy głowicą frezową są to warianty oznaczone numerami 6, 7, 8 i symetryczne do nich 15, 16 i 17. Frez walcowy nie powinien pracować w sposób odpowiadający wariantom 6, 7, 15 i 16. Do badań wstępnych wybrano więc 1, 4, 10 i 13 wariant obróbki dla obu narzędzi. Celem zapełnienia luk w planie między dziewiątym i dziesiątym oraz osiemnastym i pierwszym wariantem (rys. 8) włączono do badań dodatkowo narzędzia lewotnące. Ustalony w ten sposób zbiór wariantów obróbki przedstawiono na rys. 9. W związku z ograniczeniem liczby wariantów badań do ośmiu, na rysunku 9 wprowadzono nową numerację od 1-8. Narzędziami prawotnącymi realizowane są przypadki oznaczone numerami od 1-4 natomiast 5-8 - narzędziami lewotnącymi. Zatem kierując się sformułowanymi w rozdziale 2.1
wytycznymi dotyczącymi tworzenia programu badań wstępnych, z bardzo dużej liczby możliwych wariantów obróbki wybrano tylko 16 (rys. 3) (po osiem dla freza i głowicy). Wynika stąd, że zbiór P jest zbiorem szesnastoelementowym. Dla określonego punktu przestrzeni roboczej jest to zbiór reprezentatywny w sensie możliwości obróbkowych obrabiarki i przebadanie jej zgodnie z tym planem powinno zapewnić kompleksową informację o skłonności do powstawania drgań samowzbudnych. Rys. 7 warianty ustawienia głowicy frezowej lub freza walcowo-czołowego względem przedmiotu obrabianego Rys. 8 Strefy, w których zawarte są kierunki sił skrawania, numery stref zgodna są z numeracja wariantów na rys. 7 :a) frezowanie głowica frezową, b) frezowanie frezem walcowo-czołowym
Rys. 9 Warianty obróbki typowane do badań wstępnych Poza ustaleniem liczności zbioru P powyższe rozważania pozwoliły na wybór szerokości frezowania właściwych dla prowadzonych badań. Głębokość skrawania ustalić można dopiero w trakcie badań. Powinna ona być taka, by wystąpiły drgania samowzbudne obrabiarki. Pozostałe parametry skrawania zestawione zostały w tablicy 1. Prędkości skrawania wybrano zgodnie z zaleceniami dla obu typów narzędzi. Posuwy na ostrze są niewielkie (poniżej 0,1 mm/ostrze) ze względu na większą skłonność obrabiarki do utraty stabilności przy takich posuwach. Tablica 1 Rodzaj Narzędzia Frez NFCa 63 NFCb 63 Głowica frezowa vl257.20-125 vr257.20-125 n [obr/min] p t [mm/min] B 1,3,5,7 [mm] B 2,4,6,8 [mm] 112 71 20 53 355 180 40 107 Powyższy plan badań zrealizować można przy ruchach roboczych stołu frezarki. Pozostałe połączenia prowadnicowe powinny być zaciśnięte. We frezarce FWD-32JU oprócz tradycyjnych możliwości przemieszczenia elementów zespołu ruchu posuwowego (trzy wzajemnie prostopadłe ruchy) istnieje możliwość: wysuwania belki, obracania głowicy wrzecionowej belki wokół osi obu obrotnic, zmiany położenia głowicy wrzecionowej belki względem osi symetrii belki. Istnieje zatem potrzeba uwzględnienia tych możliwości obrabiarki w przygotowywanym programie badań. Przy wyborze wariantów położenia zespołów roboczych należy kierować się potrzebą przebadania możliwie całej przestrzeni roboczej obrabiarki. Zestaw wariantów obróbki określonych przez zbiór P należy powtórzyć w odpowiednio wybranych jej miejscach. Przestrzeń tę określa zakres przemieszczeń poszczególnych zespołów obrabiarki. Zdecydowano więc do programu badań włączyć: dwa położenia głowicy belki (oznaczone A i B), pięć wariantów skręcenia głowicy belki (oznaczone O,P,T,L i R), trzy położenia stołu (oznaczone I, II, III) gdzie: O - oś wrzeciona belki prostopadła do płaszczyzny stołu,
P - oś wrzeciona belki obrócona do przodu o kąt 45 T - oś wrzeciona belki obrócona do tyłu o kąt 30, L - oś wrzeciona belki obrócona w lewo o kąt 45, R - oś wrzeciona belki obrócona w prawo o kąt 45. Zrezygnowano w programie z możliwości wariantowania wysunięcia belki. Zakres przesuwu poprzecznego stołu w badanej frezarce jest niewielki. Rys. 10 Zbiór wariantów położeń zespołów roboczych frezarki FWD-32JU przyjętych do badań wstępnych Wartości kątów skręcenia głowicy wrzecionowej w obrotnicach ustalono z myślą o wprowadzeniu wyraźnych zmian kierunków sił skrawania. Jedynie w przypadku T zmniejszono kąt obrotu ze względu na ograniczenia konstrukcyjne. Podczas badań wstępnych powinny być przebadane wszystkie kombinacje przyjętych wyżej wariantów. W praktyce jednak z części z nich można zrezygnować. Ze względu na asymetryczne położenie głowicy względem belki, przy położeniu A tajże głowicy skrawanie możliwe jest tylko wtedy, gdy stół znajduje się w pozycji II lub III. Nie jest więc możliwa kombinacja AI. Z tych samych
względów nie jest możliwa kombinacja BIII. Odrzucić można również przypadki, kiedy to w pozycji A głowica obrócona jest w lewo, natomiast w pozycji B - w prawo. Ograniczeniem w powyższych przypadkach jest zakres przesuwu stołu w kierunku pionowym. Zbiór wszystkich przyjętych do badań wariantów różniących się położeniem elementów roboczych przedstawiono na rys.10. Celem uniknięcia pomyłek w trakcie badań, każdy z wariantów przewidzianych w programie otrzymał symbol. Symbol ten składa się z pięciu znaków. Przykładowo GAOI1 to wariant, w którym narzędziem skrawającym jest głowica frezowa (G). Głowica wrzecionowa belki znajduje się po lewej stronie belki (A). Oś wrzeciona belki jest prostopadła do płaszczyzny stołu (O), stół przesunięty w skrajne prawe położenie (I) i realizowany jest pierwszy wariant skrawania (1) tzn. głowica prawotnąca pracuje przeciwbieżnie, a szerokość frezowania wynosi 40 mm (kąt styku narzędzia z przedmiotem obrabianym odpowiada ok. 1,5 podziałki międzyrębnej). Jak już wcześniej podano, wszystkie warianty pracy narzędzia (1-8) realizowane są przy przesuwie stołu względem sań. Prowadnice między korpusem i wspornikiem oraz między wspornikiem i saniami są w czasie pracy zaciśnięte. Zdecydowano program badań dodatkowo rozszerzyć o warianty 9 i 10. Są to przypadki pracy narzędziem prawotnącym odpowiadające szerokością frezowania wariantom 2 i 4. Przy ich realizacji muszą pracować. prowadnice poprzeczne (przesuw sań względem wspornika). W ten sposób program badań obejmuje warianty, które odpowiadają pracy przy równoczesnym przesuwie zespołów roboczych w dwóch połączeniach prowadnicowych. Oczywiście warianty 9 i 10 mogą być realizowane tylko wtedy, gdy oś wrzeciona jest prostopadła do płaszczyzny stołu, a więc w tych przypadkach, gdy trzecim znakiem w symbolu wariantu jest litera O. Ostatecznie do badań wstępnych wytypowano 240 prób, w tym 104 przy użyciu głowicy frezowej i 136 przy użyciu freza walcowo-czołowego. Wymagania dotyczące przedmiotu obrabianego związane są z jego wymiarami oraz mocowaniem. Maksymalna szerokość frezowania przewidziana w programie badań wynosi 107 mm (wariant 2,4,6 i 8 przy pracy głowicą frezarską). Szerokość próbki musi być nieco większa od tego wymiaru. Jej długość wynika z przewidywanych czasów rejestracji mierzonych sygnałów podczas badań. W badaniach wstępnych do poprawnego opracowania wyników wymagane są trzydziestosekundowe pomiary. Proces rejestracji sygnałów poprzedzony musi być dopasowaniem wzmocnień torów pomiarowych do mierzonych sygnałów. Czas tej operacji może dochodzić do 10 s. Ustalając długość próbki należy także uwzględnić czas wcinania oraz wychodzenia z materiału obrabianego, podczas których zmienia się szerokość frezowania i nie można w tym czasie ani regulować aparatury, ani tym bardziej prowadzić pomiarów. Wynika stąd, że długość próbki powinna wynosić ok. 300mm. Sposób mocowania przedmiotu obrabianego ma decydujący wpływ na sztywność jego połączenia ze stołem frezarki. Należy uniknąć sytuacji w której to właśnie połączenie będzie wpływało na obniżenie granicy stabilności (będzie najsłabszym ogniwem obrabiarki). Wybrano więc bezpośrednie mocowanie czterema śrubami. Badania wstępne, przeprowadzono zgodnie z uprzednio opracowanym programem. W trakcie badań wstępnych, po wprowadzeniu frezarki FWD-32JU w obszar pracy niestabilnej, dokonywano przy użyciu czujników KD20 pomiaru drgań w pobliżu narzędzia skrawającego i przedmiotu obrabianego. Dla rejestrowanych sygnałów wyznaczono ich gęstości widmowe mocy. 6. Zadania do zrealizowania na ćwiczeniach 1. Dokonać analizy konstrukcji i możliwości technologicznych obrabiarki wskazanej przez prowadzącego. 2. Zgodnie z procedurami opisanymi w instrukcji (ilustrowanymi przykładem) zaprojektować plan badań wstępnych obrabiarki. 3. Przeprowadzić pomiary dla kilku wybranych wariantów z opracowanego planu badań.