Politechnika Gdaska Wydzia Mechaniczny Katedra Mechaniki i Wytrzymaoci

Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Mechaniki i Wytrzymałości Materiałów Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona Marek GALEWSKI Promotor: dr hab. inż. Krzysztof KALIŃSKI, prof. nadzw. PG

Tendencje i problemy nowoczesnej obróbki frezowaniem • Obróbka szybkościowa - duże prędkości skrawania i posuwu • Obróbka „na gotowo”, z małymi naddatkami • Złożona geometria wyrobu • Smukłe narzędzia drgania względne narzędzie-przedmiot obrabiany utrata stabilności drgania samowzbudne typu chatter pogorszenie jakości obrobionej powierzchni, szybsze zużycie narzędzia Ograniczenia – – Prędkość maksymalna Moc napędu głównego Dynamika zmian prędkości obrotowej Większe zużycie narzędzia

HSM – obróbka szybkościowa Prędkość skrawania: • prędkość obrotowa narzędzia • szerokość śladu • kąt pochylenia osi narzędzia 150 -700 m/min 17000 obr/min 4 mm 0°-45°

Przykład procesu obróbkowego Frezowanie szybkościowe frezem kulistym vf = 15 m/min n = 24000 obr/min

Tematyka pracy Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona

Tezy pracy • Nadzorowanie drgań z wykorzystaniem dużej, zmiennej prędkości obrotowej jest efektywne z punktu widzenia obniżenia poziomu wartości skutecznej (RMS) przemieszczeń jak i redukcji amplitudy widma drgań samowzbudnych typu chatter • Nadzorowanie drgań prowadzi do poprawy jakości procesów frezowania szybkościowego na nowoczesnych maszynach technologicznych

Przedmiot i zakres badań • Modelowanie dynamiki procesu skrawania • Prognozowanie rezultatów nadzorowania drgań narzędzia • Nadzorowanie drgań z zastosowaniem zmiennej prędkości przy dużych prędkościach obrotowych wrzeciona • Weryfikacja doświadczalna

Schemat procesu frezowania · Sztywny układ nośny obrabiarki · Małe stałe czasowe napędu · Wrzeciono z frezem i stół z przedmiotem układy wykonujące ruchy względne · Narzędzie wiruje z prędkością obrotową n · Prędkość posuwu przedmiotu obrabianego vf · Chwilowe położenie umownego punktu styku ostrza z przedmiotem – element sprzęgający nr l – bieżący kąt l(t) · Założenie: wypadkowa siła skrawania w płaszczyźnie ortogonalnej · · · Siła główna skrawania Fyl 1 – w kierunku nominalnej prędkości skrawania Siła poprzeczna Fyl 2 – w kierunku zmiany grubości warstwy hl Składowa Fyl 3=0

Modele dynamiki skrawania Model dynamiki skrawania, dla umownego punktu styku ostrza z przedmiotem obrabianym: Model proporcjonalny • efekty wewnętrznej i zewnętrznej modulacji grubości warstwy • wyjście ostrza z przedmiotu obrabianego Model Nosyriewej-Molinariego • wpływ prędkości obrotowej i szybkości zmian grubości warstwy }

Sterowanie optymalne • Równanie dynamiki: • Energetyczny wskaźnik jakości: Q 1, Q 2 – macierze bezwymiarowych współczynników wagowych R – macierz efektu sygnałów sterujących

Sterowanie optymalne • Optymalny sygnał sterujący:

Sterowanie optymalno-liniowe • Gdy n(t)=nmax liniowa zmiana n(t) od nmax do n 0 TO – czas liniowej zmiany prędkości obrotowej tj – czas początku nr j liniowej zmiany prędkości obrotowej

Schemat procedury nadzorowania start Dyskretny model układu mechanicznego Dobór parametrów (nmax, Q 1, Q 2, R, To) Dobór parametrów (kdl, ) Symulacja dla programu zmiennej prędkości obrotowej Symulacja dla stałej prędkości obrotowej Zadowalające? nie tak Porównanie wyników symulacji z pomiarami (porównanie RMS i ach) nie Zadowalające? tak Realizacja programu i pomiary Weryfikacja trafności (porównanie RMS i ach) stop

Symulacje komputerowe • Prowadzone w autorskim programie symulacyjnym MADEM • Parametry przykładowej symulacji: kdl = 1 1010 N/m 2 l = 125 mm l = 0, 3 = 4, 7 104 Ns/m ap = 0, 3 mm n 0 = 16500 obr/min (stała prędkość obrotowa) RMS=0, 0907 mm ach=0, 0491 mm

Symulacje komputerowe RMS=0, 0898 mm ach=0, 0213 mm prędkość obrotowa 15000+1500 obr/min Q 1 = Q 1·I Q 1 = 1 Q 2 = Q 2·I Q 2 = 750000 TO = 0, 5 s

Symulacje komputerowe q. RMS qch T 0 100% = RMS przemieszczeń przy frezowaniu ze stałą prędkością obrotową 100% = ach przy frezowaniu ze stałą prędkością obrotową model proporcjonalny model Nosyriewej-Molinariego badania eksperymentalne

Schemat stanowiska badawczego

Oprogramowanie Pomiary Analiza danych

Badania doświadczalne Alcera Gambin 120 CR + elektrowrzeciono S 2 M sterownik : moc napędu głównego : prędkość obrotowa : Mikron VCP 600 NUM 1060 Heidenhain i. TNC 530 70 KW 30 KW do 35000 obr/min do 20000 obr/min 5 osi 3 osie

Warunki obróbki • Frezowanie pełne, współbieżne i przeciwbieżne • Frez kulisty FETTE ø 16 mm, l = 160 mm • 2 ostrza skrawające • Materiały: stop aluminium EN AW-2017 A brąz CC 331 G, stal C 45 • Prędkość posuwu: vf = 3000 mm/min • Głębokości skrawania (stop aluminium): kąt 0° ap = 0, 3 mm kąty 15°, 30°, 45° ap = 0, 2 mm

Programy prędkości obrotowej wrzeciona wykorzystane podczas badań eksperymentalnych S 15 k – stała prędkość obrotowa 15000 obr/min. S 16 k 5 – stała prędkość obrotowa 16500 obr/min. Z 04 – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 15000 16500 obr/min, czas przełączania co 0, 4 s. Z 05 – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 15000 16500 obr/min, czas przełączania co 0, 5 s. Zl – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 14750 15250 obr/min, przełączanie w chwilach losowych.

Z 04 Programy prędkości obrotowej wrzeciona Z 05 n = 15000 16500 obr/min zmiany co 0, 4 s n = 15000 16500 obr/min zmiany co 0, 5 s

Program prędkości losowo zmiennej • niewielkie zmiany prędkości w otoczeniu wartości nominalnej (‑/+ 250 obr/min) Mniejszy zakres zmian domniemana niższa skuteczność nadzorowania Zl • chwile przełączeń wyznaczane jako ciąg pseudolosowy • konieczność dostosowania programu do możliwości obrabiarki

Frez prowadzony pod kątem = 0° -0, 5 0 0, 25 ach = 0, 067 mm przemieszczenie [mm] 0 czas [s] 5 0 częstotliwość [Hz] 1000 n = 14750÷ 15250 obr/min przełączenia losowe 0, 5 RMS = 0, 076 mm przemieszczenie [mm] 0 0, 5 przemieszczenie [mm] RMS = 0, 088 mm 0 -0, 5 0 0, 25 0 5 czas [s] ach = 0, 023 mm przemieszczenie [mm] 0, 5 n = 15000÷ 16500 obr/min przełączenia co 0, 4 s 0 częstotliwość [Hz] 1000 RMS = 0, 083 mm 0 -0, 5 0 0, 25 0 5 czas [s] ach = 0, 048 mm przemieszczenie [mm] n = 16500 obr/min 0 częstotliwość [Hz] 1000 stop aluminium EN AW-2017 A , frezowanie pełne, vf = 3000 mm/min, = 0°, ap = 0, 3 mm

Frez pochylony pod kątem = 45° -0, 5 0 0, 25 ach = 0, 221 mm przemieszczenie [mm] 0 czas [s] 5 0 częstotliwość [Hz] 1000 n = 14750÷ 15250 obr/min przełączenia losowe 0, 5 RMS = 0, 118 mm przemieszczenie [mm] 0 0, 5 przemieszczenie [mm] RMS = 0, 174 mm 0 -0, 5 0 0, 25 0 5 czas [s] ach = 0, 071 mm przemieszczenie [mm] 0, 5 n = 15000÷ 16500 obr/min przełączenia co 0, 4 s 0 częstotliwość [Hz] 1000 RMS = 0, 121 mm 0 -0, 5 0 0, 25 0 czas [s] 5 ach = 0, 083 mm przemieszczenie [mm] n = 16500 obr/min 0 częstotliwość [Hz] 1000 stop aluminium EN AW-2017 A , frezowanie pełne, vf = 3000 mm/min, = 45°, ap = 0, 2 mm

Rezultaty nadzorowania w odniesieniu do jakości powierzchni =0° S 15 k Z 04 Z 05 Zl Ra=1, 52~3, 90 Ra=1, 88~1, 94 Ra=2, 48~3, 62 =45° S 15 k S 16 k 5 Z 04 Z 05 Zl Ra=1, 50 Ra=1, 38 Ra=1, 32 Ra=7, 60 Ra=1, 46 Ra=1, 34 Ra=0, 98~1, 30 Ra=9, 20 Ra=8, 80 S 16 k 5

Ocena skuteczności stop aluminium EN AW-2017 A , frezowanie pełne q. RMS qch

Ocena skuteczności Inne materiały qch brąz CC 331 G q. RMS stal C 45 q. RMS qch

Wnioski • Poprawa jakości procesu skrawania – Redukcja RMS i maksimum amplitudy widma drgań chatter – Poprawa jakości wykonania powierzchni (obniżenie Ra) • Skuteczność nadzorowania potwierdzona metodami symulacji komputerowych i eksperymentalnie dla różnych materiałów – Programy deterministyczne - lepsze wyniki dla narzędzia prowadzonego prostopadle do powierzchni – Programy losowe - lepsze wyniki przy dużych kątach pochylenia narzędzia - uniknięcie niepożądanych efektów

Wnioski • Możliwość praktycznej realizacji proponowanej metody na nowoczesnych centrach obróbkowych • Ekonomiki badań – Efekt naukowy i stosowany uzyskany przy niskich nakładach • Ograniczenia proponowanej metody – Własności sterowników maszyn – Maksymalna moc napędu i maksymalne prędkości obrotowe

Dziękuję za uwagę • Prace wykonane w ramach: – projektu badawczego MNi. I nr 5 T 07 C 037 25 – projektu badawczego MNi. I nr 4 T 07 D 007 30 – dotacji podmiotowej MNi. I (decyzja 155/E-359/SPB/Współpraca z PR UE/DIE 485/2004) • Badania wykonane we współpracy z: – Université Paul Verlaine - Metz oraz Ecole Nationale d’Ingénieurs de Metz (Francja) – frezarka Alcera-Gambin 120 CR – Zakładem Budowy Maszyn i Oprzyrządowania Produkcji LONZA w Gdańsku – frezarka Mikron VCP 600