Ocena własności obrabiarek na podstawie dokładności obróbki przedmiotów próbnych

3

SPIS TREŒCI

Wykaz wa¿niejszych oznaczeñ . . . 8

1. WPROWADZENIE . . . 12

2. METODY I CELE BADAÑ OBRABIAREK ORAZ STOSOWANE KRYTERIA OCENY . . 16

2.1. Ogólne cele i sposoby badañ . . . 16

2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku . . . 17

2.2.1. Badania dok³adnoœci geometrycznej . . . 17

2.2.2. Badania w³asnoœci statycznych . . . 19

2.2.3. Badania w³asnoœci dynamicznych uk³adu konstrukcyjnego . . . 23

2.3. Badania obrabiarki na biegu ja³owym . . . 26

2.3.1. Badania w³asnoœci cieplnych . . . 26

2.3.2. Badania b³êdów kinematycznych i powtarzalnoœci pozycjonowania . . . 28

2.4. Badania obrabiarki pod obci¹¿eniem roboczym . . . 31

2.4.1. Badania stabilnoœci . . . 31

2.4.2. Badania prac¹ i okreœlanie mo¿liwoœci technologicznych . . . 34

2.5. Przydatnoœæ istniej¹cych rodzajów badañ do oceny w³asnoœci obrabiarek . . . 37

3. CEL I ZA£O¯ENIA PRACY . . . 40

4. ANALIZA B£ÊDÓW PRZEDMIOTU OBRABIANEGO SPOWODOWANYCH CZYNNIKAMI WYNIKAJ¥CYMI Z W£ASNOŒCI OBRABIAREK I PROCESU SKRAWANIA . . . 42

4.1. Czynniki sk³adaj¹ce siê na ca³kowit¹ odchy³kê wymiaru . . . 42

4.2. Ustalenie dopuszczalnych odchy³ek sk³adowych ca³kowitej odchy³ki wymiaru . . . 49

5. METODA OCENY W£ASNOŒCI OBRABIAREK . . . 57

5.1. Za³o¿enia metody oceny . . . 58

5.2. Kryteria i wskaŸniki oceny w³asnoœci . . . 61

5.3. Analiza rozk³adu obci¹¿eñ w przestrzeni roboczej i stanów struktury . . . 70

5.4. Analiza stosowanych narzêdzi oraz rodzajów i parametrów obróbki . . . 74

5.5. Czynniki wp³ywaj¹ce na procedurê oceny w³asnoœci obrabiarek . . . 77

5.6. Wyznaczanie wskaŸników oceny w³asnoœci w badaniach prototypu . . . 81

5.7. Wyznaczanie wskaŸników oceny w³asnoœci obrabiarek w toku konstruowania. . . 83

6. WERYFIKACJA METODY OCENY . . . 86

6.1. Opis obiektu badañ . . . 86

6.2. Baza danych przedmiotów obrabianych i jej funkcje . . . 88

6.8.1. Analiza i ocena w³asnoœci statycznych obrabiarek . . . 116

6.8.2. Analiza i ocena b³êdów kszta³tu przedmiotu obrabianego . . . 125

6.8.3. Analiza i ocena chropowatoœci powierzchni obrobionej . . . 131

6.8.4. Globalna ocena tokarki . . . 132

6.9. Okreœlenie przydatnoœci zaproponowanej metody badañ do oceny w³asnoœci obrabiarek . . . 135

7. PODSUMOWANIE I WNIOSKI . . . 137

LITERATURA . . . 144

5

CONTENTS

1. INTRODUCTION . . . 12

2. METHODS AND AIMS OF MACHINE TOOL TESTING AND ASSESSMENT CRITERIA USED . . . 16

2.1. General aims and methods of testing . . . 16

2.2. Tests on machine tool at a standstill . . . 17

2.2.1. Geometrical checks . . . 17

2.2.2. Testing of static properties . . . 19

2.2.3. Testing of structural dynamic properties . . . 23

2.3. Tests on machine tool running idle . . . 26

2.3.1. Testing of thermal properties . . . 26

2.3.2. Testing of kinematic errors and positioning repeatability . . . 28

2.4. Tests on operating machine tools . . . 31

2.4.1. Stability checks . . . 31

2.4.2. Practical tests and determining machining capability . . . 34

2.5. Suitability of the existing tests for evaluating machine tool properties . . . 37

3. AIM AND UNDERLYING ASSUMPTIONS OF THE STUDY . . . 38

4. ANALYSIS OF THE WORKPIECE ERRORS RELATED TO FACTORS RESULTING FROM MACHINE TOOL PROPERTIES AND THE MACHINING PROCESS . . . 42

4.1. Factors contributing to the total dimensional deviation . . . 42

4.2. Estimation of the permissible partial deviations of the total dimensional deviation . . . . 49

5. METHOD FOR EVALUATING MACHINE TOOL PROPERTIES . . . 57

5.1. Underlying assumptions of the method. . . 58

5.2. Criteria and indexes of evaluation. . . 61

5.3. Analysis of the load distribution within the working space and of the structure configurations . . . 70

5.4. Analysis of the tooling used and machining parameters employed . . . 74

5.5. Factors affecting a procedure for evaluation of machine tool properties . . . 77

5.6. Determination of evaluation indexes at the prototype stage . . . 81

5.7. Determination of evaluation indexes at the design stage . . . 83

6. VERIFICATION OF THE EVALUATION METHOD . . . 86

6.1. Description of the object investigated . . . 86

6.2. Workpiece database and its functions . . . 88

6.3. Analysis of machine tool structure and manufacturing tasks . . . 89

6.9. Applicability of the proposed method to evaluating properties of machine tools . . . 135

7. SUMMARY AND CONCLUDING REMARKS . . . 137

REFERENCES . . . 144

obrabiarka, uk³ad konstrukcyjny, ocena w³asnoœci, kryteria i wskaŸniki oceny

Wac³aw SKOCZYÑSKI∗

OCENA W£ASNOŒCI OBRABIAREK

NA PODSTAWIE DOK£ADNOŒCI OBRÓBKI

PRZEDMIOTÓW PRÓBNYCH

Opracowano metodê kompleksowej oceny w³asnoœci uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek i ich wa-lorów eksploatacyjnych na podstawie badania dok³adnoœci obróbki przedmiotów próbnych i z uwzglê-dnieniem stawianych maszynie zadañ technologicznych. Metoda ta zak³ada takie obci¹¿anie obrabiarki, jakie wystêpuje podczas realizacji stabilnego procesu obróbki wykañczaj¹cej. Dok³adnoœæ obróbki jest oceniana przez pomiar i analizê odchy³ek wymiarów próbnych przedmiotów obrabianych. Wpro-wadzono wskaŸniki oceny, które uwzglêdniaj¹ zwi¹zek miêdzy ocenianymi w³asnoœciami uk³adu kon-strukcyjnego a dok³adnoœci¹ obróbki przedmiotu próbnego. Umo¿liwiaj¹ one dokonanie zarówno ca-³oœciowej oceny wp³ywu w³asnoœci obrabiarki na uzyskan¹ klasê dok³adnoœci wymiarowo-kszta³to-wej tego przedmiotu i jakoœæ jego powierzchni, jak i ocen cz¹stkowych wp³ywu w³asnoœci statycznych, dynamicznych i geometrycznych tej obrabiarki lub procesu skrawania na wspomnian¹ klasê. Wska-Ÿniki te wi¹¿¹ w czytelny sposób w³asnoœci obrabiarki z efektami obróbki w postaci odchy³ek wy-miarów, odchy³ek kszta³tu i chropowatoœci powierzchni obrobionego przedmiotu. S¹ one wyra¿ane iloœciowo i odpowiadaj¹ wartoœciom liczbowym klas dok³adnoœci wymiarów ISO. Ich postaæ zale¿y od ogólnego celu oceny w³asnoœci obrabiarek, gdy¿ zdefiniowane s¹ w odniesieniu do badañ proto-typu i do badañ odbiorczych. Wprowadzone wskaŸniki i kryteria oceny w³asnoœci i walorów eksplo-atacyjnych obrabiarek nadaj¹ siê do w³¹czenia do komputerowo wspartych procedur projektowania i optymalizacji uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek. Opracowana metoda oceny jest spójna z tymi procedurami, poniewa¿ umo¿liwia wykorzystanie wspólnych danych wejœciowych i takich samych reprezentatywnych stanów konfiguracji struktury i stanów obci¹¿eñ uk³adu konstrukcyjnego.

Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji

Nr 81 Politechniki Wroc³awskiej Nr 81

Monografie Nr 25 2001

* _{Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wroc³awskiej, Wybrze¿e Wyspiañskiego 27,} 50-370 Wroc³aw.

Wykaz wa¿niejszych oznaczeñ

a_pi – g³êbokoœæ skrawania odpowiadaj¹ca i-temu naddatkowi, mm, A – dolna granica tolerancji wymiaru, µm,

B – górna granica tolerancji wymiaru, µm,

c_m – wskaŸnik mo¿liwoœci technologicznych obrabiarki,

c_mk – krytyczny wskaŸnik mo¿liwoœci technologicznych obrabiarki, D – dowolny wymiar lub œrednica, mm,

D_a – maksymalna dopuszczalna œrednica przelotu nad ³o¿em, mm,

D_s – œrednia geometryczna granic przedzia³ów wymiarów nominalnych, mm, f – posuw, mm/obr,

F – si³a ca³kowita (wywierana przez ostrze), N, F_c – si³a skrawania, N,

F_cmax – si³a skrawania odpowiadaj¹ca w danych warunkach wykorzystaniu pe³nej mocy lub maksymalnego momentu skrawania na wrzecionie tokarki M_c, N, F_f – si³a posuwowa, N,

F_N – wypadkowa si³a od napêdu g³ównego, N, F_No – sk³adowa obwodowa si³y od napêdu, N, F_Nr – sk³adowa promieniowa si³y od napêdu, N, F_p – si³a odporowa, N,

G_x – podatnoœæ dynamiczna w kierunku x, µm/N,

i – jednostka tolerancji normalnej dla klas tolerancji normalnych od IT5 do IT18 i wymiarów nominalnych ≤500 mm, µm,

i, j, k, l, m, n – indeksy dla wspó³czynników wag i wskaŸników oceny,

I – jednostka tolerancji normalnej dla klas tolerancji normalnych od IT1 do IT18 i wymiarów nominalnych >500mm, mm,

IT – tolerancja normalna, mm,

l – odcinek elementarny (podczas wyznaczania chropowatoœci), mm, l_w – odcinek pomiarowy falistoœci, mm,

9 L – d³ugoœæ przedmiotu obrabianego; rozmiar przestrzeni roboczej w kierunku

osiowym, mm,

L_w – odleg³oœæ od powierzchni czo³owej szczêk uchwytu do miejsca, od którego rozpoczynano skrawanie przedmiotu próbnego, mm,

M_c – moment skrawania, N·m,

M_max – maksymalny moment skrêcaj¹cy na wrzecionie, N·m, n – prêdkoœæ obrotowa, obr/min,

n_R – liczba uwzglêdnionych rodzajów obróbki, n_M – liczba uwzglêdnionych sposobów mocowania, n_N – liczba uwzglêdnionych narzêdzi,

n₁, n₂, n₃ – liczby elementów podzia³u przestrzeni roboczej w kierunkach osi 1, 2 i 3, przyjêtego trójwymiarowego uk³adu wspó³rzêdnych,

R_a – œrednie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatoœci, µm, R_m – maksymalna wysokoœæ chropowatoœci, µm,

R_t – maksymalna wysokoœæ chropowatoœci miêdzy lini¹ wzniesieñ a lini¹ wg³ê-bieñ profilu w przedziale odcinka elementarnego (oznaczenie równowa¿ne R_m), µm,

R_z – wysokoœæ chropowatoœci wed³ug 10 punktów, µm, r_ε – promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ka no¿a, mm s – odchylenie standardowe,

s_pom – odchylenie standardowe œrodków (narzêdzi) pomiarowych, µm, T – tolerancja wykonania, µm,

T_c – ca³kowity czas maszynowy, h,

T_min – minimalna tolerancja mierzonej wielkoœci, µm, v_c – prêdkoœæ skrawania, m/min,

v_f – prêdkoœæ posuwu, m/min,

w_ijklmn – wspó³czynnik wagi, uwzglêdniaj¹cy wyst¹pienie obci¹¿enia w pojedynczej podprzestrzeni, n₁ × n₂ × n₃-elementowej przestrzeni roboczej, wyznaczony dla okreœlonego n-tego rodzaju obróbki, m-tego sposobu mocowania i l-tego narzêdzia,

w_mM _{– wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy m-ty sposób mocowania przedmiotu}

obrabianego,

w_lN _{– wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy l-ty rodzaj narzêdzia,}

w_nR _{– wspó³czynnik wagi uwzglêdniaj¹cy n-ty rodzaj obróbki,}

W – wskaŸnik oceny,

W_dop – dopuszczalna wartoœæ wskaŸnika oceny, Ws

dop – wskaŸnik oceny w³asnoœci statycznych, odpowiadaj¹cy obci¹¿eniu

W_ijklmn – lokalny wskaŸnik oceny w pojedynczej podprzestrzeni, n₁ × n₂ × n₃ -elemen-towej przestrzeni roboczej, wyznaczony dla okreœlonego n-tego rodzaju obróbki, m-tego sposobu mocowania i l-tego narzêdzia,

W_lmn – lokalny wskaŸnik oceny, wyznaczony w miejscu przestrzeni roboczej, od-powiadaj¹cemu po³o¿eniu maksimum rozk³adu obci¹¿eñ, dla okreœlonego n-tego rodzaju obróbki, m-n-tego sposobu mocowania i l-n-tego narzêdzia, W_m – maksymalna wysokoœæ profilu falistoœci, µm,

W_o – odbiorczy wskaŸnik oceny,

W_oc _{– odbiorczy wskaŸnik oceny chropowatoœci powierzchni,}

W_ok _{– odbiorczy wskaŸnik oceny b³êdów kszta³tu,}

W_oOUPN _{– odbiorczy wskaŸnik oceny uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki,}

W_os _{– odbiorczy wskaŸnik oceny w³asnoœci statycznych,}

W_t – maksymalna wysokoœæ falistoœci miêdzy lini¹ wzniesieñ a lini¹ wg³êbieñ sko-rygowanego profilu falistoœci w przedziale odcinka pomiarowego, µm, W_z – wysokoœæ falistoœci, µm,

x_i – wspó³rzêdne wierzcho³ka no¿a, odpowiadaj¹ce promieniowi toczenia, mm, x– – œrednia arytmetyczna,

z_i – wspó³rzêdne wierzcho³ka no¿a odpowiadaj¹ce odleg³oœci od powierzchni czo³owej szczêk uchwytu, mm,

α – k¹t przy³o¿enia, °,

γ – k¹t natarcia, °, lub funkcja koherencji,

δ – wzglêdne przemieszczenie miêdzy sto³em i narzêdziem, µm,

∆B_tr – odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, µm,

∆B_trokr _{– odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, przedmiotu obrabianego}

umie-szczonego na stole okr¹g³oœciomierza, µm,

∆B_truch _{– odchy³ka bicia promieniowego ca³kowitego, przedmiotu obrabianego}

zamo-cowanego w uchwycie tokarki, µm,

∆d – odchy³ka wymiaru, µm,

∆ds _{– odchy³ka wymiaru spowodowana odkszta³ceniami statycznymi uk³adu, µm,}

∆dk _{– odchy³ka wymiaru wywo³ana b³êdami geometrycznymi i drganiami}

obrabiar-ki, µm,

11

∆dr _{– odchy³ka równoleg³oœci osi wrzeciona do przesuwu suportu wzd³u¿nego, µm,}

∆D – ca³kowita odchy³ka wymiaru; ekwiwalentna ca³kowita odchy³ka wymiaru; ca³kowita odchy³ka œrednicy toczenia; ekwiwalentna ca³kowita odchy³ka œre-dnicy, µm,

∆Z_q – odchy³ka okr¹g³oœci wzglêdem œrodka okrêgu œredniego, µm,

∆Z_q15 _{– odchy³ka okr¹g³oœci, odzwierciedlaj¹ca wp³yw b³êdów geometrycznych (po}

zastosowaniu filtra dolnoprzepustowego, przenosz¹cego fale nierównoœci w zakresie od 2 do 15 fal na obrót przedmiotu), µm,

∆Z_q150 _{– odchy³ka okr¹g³oœci, ujmuj¹ca wp³yw drgañ tokarki (po zastosowaniu filtra}

œrodkowoprzepustowego, przenosz¹cego fale nierównoœci w zakresie od 15 do 150 fal na obrót przedmiotu), µm,

κ – k¹t przystawienia, °,

λ_F – graniczna d³ugoœæ fali filtra kszta³tu, mm,

λ_R – graniczna d³ugoœæ fali filtra chropowatoœci, mm,

λ_s – graniczna d³ugoœæ fali filtra do usuwania z profilu bardzo stromych wznie-sieñ, mm,

1. WPROWADZENIE

Obrabiarki skrawaj¹ce s¹ zaliczane do najwa¿niejszych œrodków wytwórczych w dziedzinie obróbki metali. Z punktu widzenia u¿ytkownika wspó³czesne obrabiarki powinny spe³niaæ kilka wymagañ, które s¹ czêsto ze sob¹ sprzeczne. Mo¿na je zdefi-niowaæ nastêpuj¹co [10, 92]:

• osi¹ganie du¿ej dok³adnoœci wymiarowo-kszta³towej, a szczególnie powtarzalno-œci wymiarowej wyrobów,

• du¿a wydajnoœæ, w celu osi¹gniêcia krótkiego czasu wytwarzania (znacznie zwiêk-szona prêdkoœæ ruchu roboczego i ruchu ja³owego zespo³ów obrabiarki),

• du¿a elastycznoœæ – zdolnoœæ do realizacji ró¿nych zadañ produkcyjnych, szybkie przezbrajanie obrabiarki i szybka wymiana programu sterowania,

• rozszerzenie mo¿liwoœci wykonania ró¿nych zabiegów technologicznych na jed-nej obrabiarce,

• zwiêkszona moc silników napêdowych i zwiêkszona liczba silników do ruchów posuwowych (mo¿liwoœæ jednoczesnej obróbki przedmiotu kilkoma narzêdziami),

• ma³e koszty wytwarzania, • niezawodnoœæ pracy,

• ograniczenie szkodliwych oddzia³ywañ na œrodowisko i bezpieczna praca. Znaczenie poszczególnych wymagañ zale¿y przede wszystkim od zakresu zastoso-wañ obrabiarki. Ostateczne priorytety tych wymagañ i kryteria oceny ustala u¿ytkow-nik, a producent jest zazwyczaj zmuszony do nich siê dostosowaæ.

Czynnikiem wymuszaj¹cym zmiany w konstrukcji obrabiarek jest zmniejszenie roz-miarów serii produkcyjnych i polepszenie jakoœci partii wyrobów [35]. W przysz³oœci oczekiwania w stosunku do producentów obrabiarek bêd¹ siê skupiaæ na wytwarzaniu wielu typów systemów wytwórczych, z ponoszeniem minimum kosztów, co bêdzie pro-wadzi³o do budowy obrabiarek tylko z takim wyposa¿eniem, które bêdzie potrzebne do osi¹gniêcia za³o¿onej wielkoœci produkcji [35].

Wobec stale rosn¹cych wymagañ dotycz¹cych dok³adnoœci i wydajnoœci obróbki, konstruktorom stawia siê zadania optymalnego projektowania elementów sk³adowych tych maszyn. Wymaga to z jednej strony obszernej wiedzy na temat zwi¹zków miêdzy w³asnoœciami obrabiarki i jej walorami eksploatacyjnymi a konstrukcyjnym ukszta³to-waniem jej elementów sk³adowych, z drugiej zaœ dysponowania sposobami oceny

kon-13 kretnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych. Celowe wydaje siê zatem wprowadzenie jedna-kowych metod i kryteriów oceny stosowanych w procesie konstruowania i na etapie badañ prototypu lub odbiorczych. Nale¿y sobie jednak zdawaæ sprawê z tego, ¿e w przy-padku metod obliczeniowych modelowania uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek za-wsze wyst¹pi¹ nieuniknione b³êdy zwi¹zane z dyskretyzacj¹ struktury, z przyjmowa-niem parametrów dysypatywno-sprê¿ystych i z nieuwzglêdnieprzyjmowa-niem czynników zwi¹-zanych z dok³adnoœci¹ wykonania elementów sk³adowych obrabiarki i ich monta¿u. Metody eksperymentalne stawiaj¹ z kolei pewne ograniczenia zwi¹zane z metod¹ pomiaru i sposobem obci¹¿enia obrabiarki. Trudne jest te¿ odniesienie wyników badañ do kon-kretnych elementów konstrukcyjnych w celu dokonania po¿¹danej modyfikacji ich para-metrów. Spójnoœæ metod i kryteriów oceny stosowanych w procesie konstruowania i w badaniach obiektu rzeczywistego umo¿liwi³aby dodatkowo bezpoœrednie odnoszenie wyników obliczeñ do wyników pomiarów oraz weryfikacjê i doskonalenie modelu obli-czeniowego.

Szybki rozwój œrodków komputerowego wsparcia konstruowania dostarczy³ wielu na-rzêdzi do efektywnego kszta³towania konstrukcji maszyn i obliczeniowego wyznaczania w³asnoœci projektowanych elementów. W dziedzinie kryteriów oceny obrabiarek wystê-puj¹ jednak obecnie znaczne braki w porównaniu ze stanem rozwoju metod obliczenio-wych [155], co w znacznym stopniu ogranicza mo¿liwoœci racjonalizacji decyzji kon-struktorskich [50]. Ocena rozwi¹zañ konstrukcyjnych przeprowadzana jest najczêœciej na podstawie przyjêtych a priori przez konstruktora wskaŸników lub parametrów od-niesienia, czêsto oderwanych od w³aœciwoœci eksploatacyjnych, na które oceniane w³a-snoœci maj¹ wp³yw. Pe³na ocena decyzji podjêtych podczas kszta³towania uk³adu jest jednoznaczna z ocen¹ jego w³asnoœci statycznych, dynamicznych i cieplnych [65]. Aby j¹ skutecznie zrealizowaæ konieczne jest jednak dysponowanie modelem oceny uwzglê-dniaj¹cym te w³asnoœci oraz systemem mierników i kryteriów [65, 68, 71]. W celu pe³-nego wykorzystania technik komputerowego wsparcia konstruowania, konieczne jest wiêc podjêcie prac zmierzaj¹cych do opracowania odpowiednich kryteriów oceny.

Technika pomiarowa, w porównaniu z obliczeniow¹, dostarcza wiarygodniejszych danych do oceny konstrukcji maszyny. Badania doœwiadczalne s¹ jednak znacznie ko-sztowniejsze, gdy¿ wymagaj¹ z jednej strony materializacji konstrukcji w postaci pro-totypu, a z drugiej dysponowania odpowiedni¹ metod¹ i zestawem aparatury pomiaro-wej. Uzyskane wyniki umo¿liwiaj¹ dokonywanie porównañ ró¿nych wariantów konstruk-cyjnych lub ró¿nych obrabiarek tego samego typu, mog¹ tak¿e s³u¿yæ do oceny ich charakterystyk. Na podstawie charakterystyk rzadko jednak dokonuje siê oceny iloœcio-wej. Niew³aœciwie dobrane wskaŸniki oceny prowadz¹ czêsto do zaskakuj¹cych wyni-ków. Przyk³adem mog¹ byæ wskaŸniki wzglêdnej statycznej i dynamicznej podatnoœci (uwzglêdniaj¹ce moc napêdu g³ównego), wyznaczone na podstawie szeroko zakrojonych badañ prowadzonych w niemieckim przemyœle obrabiarkowym, na próbie kilkuset obra-biarek ró¿nego typu, których konstrukcje uznano przez producentów za „dobre” [156]. Wyznaczone wskaŸniki mia³y du¿y rozrzut i w skrajnych przypadkach w grupie

ne by³y one z osi¹gan¹ dok³adnoœci¹ wykonania przedmiotów obrobionych i z wydaj-noœci¹ tej maszyny [156]. Wydajnoœæ jest pochodn¹ zastosowanego rozwi¹zania kon-strukcyjnego uk³adu kinematycznego, mocy zainstalowanego silnika napêdu g³ównego, rodzaju i sterowania napêdu posuwów, rodzaju i trwa³oœci ostrza narzêdzia, stopnia automatyzacji oraz rodzaju zainstalowanego oprzyrz¹dowania. Czynniki te niew¹tpli-wie wp³ywaj¹ na ukszta³towanie konstrukcji. Osi¹gi obrabiarki mierzy siê, w wypadku oceny wydajnoœci, liczb¹ detali wykonanych w jednostce czasu. W³asnoœci obrabiarki musz¹ jednak umo¿liwiæ wykonanie wymaganej liczby detali z za³o¿on¹ dok³adnoœci¹ obróbki. Ze wzglêdów ekonomicznych w³asnoœci obrabiarki nie powinny byæ du¿o lep-sze ni¿ wymagaj¹ tego stawiane warunki technologiczne, gdy¿ „obrabiarka powinna byæ tylko tak dobra, jak tego wymaga spektrum przedmiotów, jakie maj¹ byæ na niej obrabiane” [156]. Ciekawe motto dotycz¹ce dok³adnoœci wytwarzania podano w pod-rêczniku Milberga [92]: na tyle zgrubnie, na ile to mo¿liwe – na tyle dok³adnie, na ile to konieczne.

Podczas formu³owania kryteriów oceny nale¿y wiêc po³¹czyæ wskaŸniki oceny biarki z uzyskiwan¹ dok³adnoœci¹ obróbki [65]. Umo¿liwia to ocenê w³asnoœci obra-biarki ze wzglêdu na mo¿liw¹ do uzyskania (w przypadku analizy obliczeniowej) lub uzyskiwan¹ (w przypadku badañ doœwiadczalnych) dok³adnoœæ obróbki, jeden z naj-wa¿niejszych dla u¿ytkownika wskaŸników jakoœci obrabiarki.

Dotychczas brak jest efektywnych metod umo¿liwiaj¹cych jednoznaczn¹ ocenê w³a-snoœci uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki. Przyczyn¹ tego stanu rzeczy jest nieuwzglê-dnianie w procedurach oceny cech charakteryzuj¹cych te uk³ady, które wyraŸnie odró¿-niaj¹ obrabiarki od innych maszyn roboczych. Nale¿¹ do nich [65]:

• z³o¿onoœæ uk³adu – jest to uk³ad przestrzenny o du¿ej liczbie stopni swobody i zmiennej strukturze, przy czym struktura ta mo¿e zmieniaæ siê w szerokich granicach, nie tylko dla ró¿nych zadañ obróbkowych, ale tak¿e podczas wykonywaniu jednego zabiegu,

• z³o¿onoœæ stanu obci¹¿enia uk³adu – jest wynikiem z jednej strony tego, ¿e na uk³ad obrabiarki dzia³aj¹ zmienne si³y zwi¹zane zarówno z realizowanym procesem, jak i pochodz¹ce od uk³adów napêdowych, z drugiej strony zaœ jest nastêpstwem ró¿nych po³o¿eñ punktu zaczepienia wypadkowej si³y skrawania, w przestrzeni roboczej obra-biarki,

• zmiennoœæ stanu uk³adu – wynika przede wszystkim ze zmian stanu cieplnego uk³adu konstrukcyjnego, zmian intensywnoœci smarowania po³¹czeñ ruchowych, zmiennoœci rozk³adu nacisków na powierzchniach stykowych, co wystêpuje np. podczas realizacji

15 ró¿nych zadañ obróbkowych b¹dŸ te¿ mo¿e byæ wywo³ywane czynnikami zewnêtrz-nymi,

• sprzê¿enia miêdzy uk³adem masowo-sprê¿ystym i realizowanym procesem skra-wania – powoduj¹, ¿e pracuj¹ca obrabiarka jest uk³adem zamkniêtym.

Z wymienionych cech uk³adów konstrukcyjnych obrabiarek wynikaj¹ warunki, ja-kie powinny spe³niaæ technika pomiarowa i metody obliczeniowe, aby uzyskiwane wyniki mog³y zapewniæ mo¿liwoœæ oceny w³asnoœci tych uk³adów. Nale¿y przy tym zwróciæ uwagê na to, ¿e obliczeniowa ocena w³asnoœci obrabiarki jest mo¿liwa, ale nie mo¿e byæ pe³na ze wzglêdu na niemo¿noœæ uwzglêdnienia czynników, które s¹ zwi¹za-ne z rzeczywistymi warunkami pracy tej maszyny, takimi jak warunki obci¹¿enia pod-czas skrawania, stan cieplny i warunki ch³odzenia, smarowanie, rozk³ad nacisków na prowadnicach, luzy w po³¹czeniach itp. Natomiast w odniesieniu do techniki pomiaro-wej nale¿y stwierdziæ jednoznacznie, ¿e jedynie badania obrabiarki wykonane w wa-runkach ruchowych, z jednoczesn¹ realizacj¹ procesu skrawania, umo¿liwiaj¹ uwzglê-dnienie wszystkich wymienionych czynników podczas badania i dokonywania oceny konstrukcji.

Dok³adnoœæ obróbki osi¹gan¹ na danej obrabiarce ocenia siê na podstawie porów-nania zgodnoœci wykoporów-nania przedmiotu obrobionego z narzuconymi wymaganiami do-tycz¹cymi tolerancji wymiarów, kszta³tu i po³o¿enia oraz jakoœci powierzchni obrobio-nej. Oceniane s¹ wiêc wielkoœci zwi¹zane z ró¿nymi powierzchniami tego przedmiotu. Do diagnozowania stanu obrabiarek mog¹ byæ wykorzystane badania widmowej gê-stoœci mocy profilu powierzchni obrobionej. Zak³ada siê w nich, ¿e praca obrabiarki mo¿e byæ traktowana jako proces kodowania w strukturze geometrycznej powierzchni obrobionej informacji o stanie technicznym jej zespo³ów b¹dŸ funkcjonalnie wa¿nych elementów [98]. Ze wzglêdu na to, ¿e w³asnoœci obrabiarki wielorako oddzia³uj¹ na jej walory eksploatacyjne, trudno jest oszacowaæ wp³yw pojedynczego czynnika na osi¹-gan¹ dok³adnoœæ wymiarowo-kszta³tow¹ przedmiotu obrobionego. Praca zmierzaæ wiêc bêdzie do opracowania takiego zestawu wskaŸników, który pozwoli oceniæ wp³yw w³a-snoœci obrabiarki na dok³adnoœæ obróbki uzyskan¹ w rzeczywistych warunkach robo-czych i stwierdziæ czy maszyna ta spe³nia wymagania dotycz¹ce dok³adnoœci obróbki wykañczaj¹cej.

2. METODY I CELE BADAÑ OBRABIAREK

ORAZ STOSOWANE KRYTERIA OCENY

2.1. OGÓLNE CELE I SPOSOBY BADAÑ

W przemyœle obrabiarek skrawaj¹cych przeprowadza siê badania prototypów i ba-dania odbiorcze. Pierwszy rodzaj badañ obejmuje zespó³ doœwiadczeñ i pomiarów prze-prowadzonych wed³ug ustalonej metody, która u³atwia i przyœpiesza dokonanie oceny obiektu badañ na podstawie ustalonego kryterium oceny [140]. Badania prototypu po-winny dostarczyæ podstaw do oceny:

• stopnia spe³nienia za³o¿eñ konstrukcyjnych i technologicznych,

• stopnia spe³nienia wymagañ odbiorczych okreœlonych przez: warunki odbioru tech-nicznego, obowi¹zuj¹ce normy i kryteria ustalone przez konstruktora w czasie badañ innych prototypów.

Badania odbiorcze wykonuje siê na ka¿dej seryjnie wyprodukowanej obrabiarce. Ograniczaj¹ siê one czêsto do pomiarów dok³adnoœci geometrycznej, testów obróbko-wych i sprawdzenia wymagañ ujêtych w normach. Stanowi¹ one zawê¿enie badañ pro-totypu.

Badanie obrabiarek mo¿e nastêpowaæ drog¹ bezpoœredni¹ (przez wyznaczanie w³a-snoœci uk³adu) lub poœredni¹ (poprzez testy obróbkowe i próby prac¹) (rys. 2.1). Mo¿e byæ ono podporz¹dkowane dwu g³ównym celom: sprawdzaniu w³aœciwoœci eksploata-cyjnych i ustalaniu sposobów poprawy konstrukcji w razie stwierdzenia nieodpowie-dnich w³asnoœci.

Badania bezpoœrednie umo¿liwiaj¹ analizê wp³ywu poszczególnych czynników okre-œlaj¹cych w³asnoœci statyczne, dynamiczne i cieplne obrabiarki, a tym samym umo¿li-wiaj¹ ustalenie przyczyn niew³aœciwego zachowania siê uk³adu oraz stwarzaj¹ obiek-tywn¹ podstawê do przeprowadzenia efektywnych zmian konstrukcyjnych. Zastosowa-nie tego typu badañ do oceny w³asnoœci maszyny technologicznej jest jednak¿e bardzo pracoch³onne i wymaga dysponowania stosunkowo z³o¿onymi uk³adami pomiarowy-mi oraz odpowiednipomiarowy-mi kryteriapomiarowy-mi i pomiarowy-miernikapomiarowy-mi oceny.

Badania poœrednie s¹ stosunkowo proste i ³atwe do przeprowadzenia, ale umo¿li-wiaj¹ jedynie sumaryczne ujêcie w³aœciwoœci eksploatacyjnych i zwykle nie pozwala-j¹ na wyci¹ganie wniosków odnosz¹cych siê do œrodków poprawy w³asnoœci uk³adu konstrukcyjnego. Zastosowanie tego typu badañ jest szczególnie efektywne w

bada-17 2.1. Ogólne cele i sposoby badañ

Rys. 2.1. Cele i sposoby badañ obrabiarek i ich ocena [161] Fig. 2.1. Aims and methods of the machine tool testing and evaluation [161] Badania bezpoœrednie w³asnoœci obrabiarek

lub sumarycznych w³asnoœci wiêkszej liczby elementów obrabiarki

Badania poœrednie najczêœciej wielu, pojedynczych w³asnoœci przez pomiar i ocenê wielu przedmiotów obrobionych na badanej obrabiarce (testy obróbkowe)

Ocena w³asnoœci obrabiarek ze wzglêdu na odchy³ki rzeczywiste uzyskane w efekcie obróbki, zale¿ne od obci¹¿eñ roboczych

Kryteria odbioru : sprawdzenie czy zmierzone odchy³ki le¿¹ w dozwolonym, zadanym zakresie tolerancji, wzglêdnie czy nie s¹ przekroczone

wartoœci graniczne

Poprawa konstrukcji obrabiarki lub konstrukcyjne œrodki poprawy, gdy nie s¹ spe³nione kryteria odbioru

Przejrzysty, ogólny test funkcjonalny obrabiarki przez obserwacjê operacji w trakcie obróbki przedmiotu próbnego. S³u¿y czêsto jako ograniczenie badañ bezpoœrednich. Ocena pojedynczych lub pewnej grupy w³asnoœci obrabiarki, ze wzglêdu na odchy³ki wymiarowe i kszta³tu oraz jakoœæ powierzchni

przedmiotu obrobionego. Kryteria odbioru : zadowalaj¹cy przebieg

funkcjonowania obrabiarki, jak równie¿ zachowywanie tolerancji wymiarów

i kszta³tu oraz jakoœci powierzchni przedmiotu obrobionego

Przy niespe³nieniu kryteriów odbioru konieczne jest czêsto przeprowadzenie

badañ bezpoœrednich Sposoby

sowane w czasie normalnej eksploatacji [140, 216]. Powinna te¿ byæ ona doprowadzona do stanu stabilizacji termicznej i zabezpieczona przed wp³ywem zewnêtrznych Ÿróde³ ciep³a [187].

W zale¿noœci od charakteru badañ s¹ one wykonywane na obrabiarce unierucho-mionej (bêd¹cej w stanie spoczynku), pracuj¹cej na biegu ja³owym (nieobci¹¿onej), obci¹¿onej si³ami i momentami zastêpczymi lub w czasie skrawania [140]. Zakres tych badañ podaj¹ ró¿ne normy (np. [169–183, 187–189, 200–202]), zalecenia, (np.[206–208, 210–215]), instrukcje (np. [140, 216]), normy bran¿owe [168] i zak³adowe warunki odbioru technicznego. Zakresy dopuszczalnych zmian parametrów s¹ podawane naj-czêœciej a priori przez konstruktora lub przyjmowane na podstawie wytycznych z norm albo opracowañ innych producentów obrabiarek.

Z punktu widzenia producenta obrabiarek najistotniejsze s¹ dwa aspekty badañ [156]: • potrzeba interpretacji wyników pomiarów z u¿yciem obiektywnych (niezale¿nych od wytwórcy) metod oceny w odniesieniu do istniej¹cego stanu techniki,

• mo¿liwoœæ wykorzystania pe³nej mocy napêdu g³ównego do skrawania, z zacho-waniem warunków stabilnej pracy maszyny.

W pierwszym przypadku konieczna jest „normalizacja” wyników pomiarów i wpro-wadzenie pewnych wielkoœci odniesienia, aby mo¿liwe by³o w ten sposób dokonywa-nie porównañ obrabiarek ró¿nych wielkoœci. W drugim, nale¿y ograniczyæ badania do mo¿liwie ma³ej liczby „reprezentatywnych” pomiarów, na podstawie których dokona-na zostanie ocedokona-na obrabiarki.

2.2. BADANIA OBRABIARKI W STANIE SPOCZYNKU

2.2.1. BADANIA DOK£ADNOŒCI GEOMETRYCZNEJ

Na odchy³ki geometryczne obrabiarki sk³adaj¹ siê odchy³ki kszta³tu i po³o¿enia po-jedynczych elementów konstrukcyjnych (sto³y, suporty, prowadnice, pinole) [156]. Spo-wodowane s¹ one b³êdami wykonania elementów korpusowych i ich po³¹czeñ (prowa-dnice, u³o¿yskowania, po³¹czenia sta³e i zaciskowe), b³êdami monta¿owymi (np. luzy ustawcze w prowadnicach i ³o¿yskach) oraz niedok³adnoœciami wywo³anymi zu¿yciem. Z³e fundamentowanie i posadowienie maszyny maj¹ tak¿e wp³yw na b³êdy ne. W przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie przyczyn¹ odchy³ek geometrycz-nych mo¿e byæ uk³ad sterowania. Na odchy³ki geometryczne wymiaru przedmiotu obro-bionego maj¹ tak¿e wp³yw odchy³ki od geometrii nominalnej narzêdzia, odkszta³cenia sprê¿yste narzêdzi, przedmiotów obrabianych, oprzyrz¹dowania i elementów

mocuj¹-19 cych, odchy³ki uwarunkowane technologicznie (np. stêpienie krawêdzi skrawaj¹cej). Ta ostatnia grupa odchy³ek nie zale¿y jednak bezpoœrednio od geometrii samej obra-biarki.

Badania dok³adnoœci geometrycznej obrabiarki w stanie spoczynku polegaj¹ na sprawdzaniu wymiarów, kszta³tu i po³o¿enia czêœci sk³adowych oraz ich wzajemnych przemieszczeñ [187]. Dotycz¹ one tylko wymiarów i kszta³tów, które mog¹ wp³ywaæ na dok³adnoœæ obrabiarki i dok³adnoœæ obróbki. Pomiary geometryczne mo¿na równie¿ przeprowadziæ na biegu ja³owym [187]. Badania dok³adnoœci geometrycznej obrabiar-ki nie nastrêczaj¹ wiêkszych trudnoœci bowiem zarówno w kraju [187–189, 201, 202], jak i za granic¹ [169–170, 174–183] s¹ prawie ca³kowicie znormalizowane. Normy odnosz¹ siê do ró¿nych typów i odmian obrabiarek, podaj¹c dopuszczalne wartoœci naj-wa¿niejszych dla danej maszyny odchy³ek geometrycznych, jakie mog¹ wyst¹piæ dla ustalonych warunków pomiaru. Wartoœci te s¹ przyjête a priori dla ka¿dego rodzaju niedok³adnoœci geometrycznej (np. prostoliniowoœci, p³askoœci, równoleg³oœci, prosto-pad³oœci, bicia, okr¹g³oœci lub walcowoœci) i odnosz¹ siê do ca³ej przestrzeni roboczej. Na rysunku 2.2. przedstawiono przyk³adowo sposób sprawdzania prostoliniowoœci prze-suwu suportu tokarki.

Na podstawie oceny dok³adnoœci geometrycznej przyjmuje siê, ¿e obrabiarka jest dobra albo z³a. Ocena ró¿nych obrabiarek tego samego typu jest mo¿liwa przez porów-nanie zmierzonych lub wyznaczonych odchy³ek rzeczywistych. Jednak odchy³ki

zwi¹-2.2. Badania obrabiarki w stanie spoczynku

Rys. 2.2. Sprawdzanie prostoliniowoœci przesuwu suportu tokarki: (a) dla rozstawu k³ów DC<1500 mm, (b) dla dowolnej wartoœci DC [201]

Fig. 2.2. Checking of straightness of the lathe carriage movement: (a) by the distance DC between centres DC<1500 mm

(b) by another arbitrary value of DC [201]

=

>

Napiêty drut

boczej lub w ca³ym zakresie zmiennoœci wymiarów badanych elementów. Maksymal-ne wartoœci odchy³ki mog¹ wystêpowaæ w miejscach, w których bardzo rzadko, ze wzglêdu na zbiór wykonywanych operacji technologicznych, znajd¹ siê elementy prze-suwne obrabiarki. Wartoœci te s¹ wiêc niemiarodajne ze wzglêdu na ocenê wykonania okreœlonej maszyny. Dla po³o¿eñ zespo³ów obrabiarki w miejscach, w których czêsto wykonuje siê operacje technologiczne, maszyna mo¿e okazaæ siê du¿o dok³adniejsza, czasem nawet zbyt dok³adna w stosunku do postawionych zadañ obróbkowych. Ocenê dok³adnoœci geometrycznej obrabiarki nale¿y powi¹zaæ ze spektrum operacji obróbko-wych, które maj¹ byæ wykonywane na danej maszynie. Nale¿y braæ pod uwagê odchy³-ki geometryczne wyznaczone dla taodchy³-kich konfiguracji struktury, jaodchy³-kie wyst¹pi¹ w warun-kach eksploatacji.

2.2.2. BADANIA W£ASNOŒCI STATYCZNYCH

Podstaw¹ do oceny w³asnoœci statycznych konstrukcji jest wp³yw jej odkszta³ceñ, zachodz¹cych pod wp³ywem obci¹¿eñ eksploatacyjnych lub zastêpczych, na wzglêdne przemieszczenia miêdzy przedmiotem i narzêdziem. Na obci¹¿enia obrabiarki sk³adaj¹ siê si³y uogólnione pochodz¹ce od procesu skrawania i od napêdu oraz si³y ciê¿koœci i bezw³adnoœci. Cech¹ charakterystyczn¹ obrabiarek jest to, ¿e w warunkach eksploa-tacyjnych zmienia siê ich struktura, po³o¿enie punktu zaczepienia wypadkowej si³y skra-wania, jej wartoœæ i kierunek dzia³ania oraz wartoœæ i kierunek si³ od napêdu. Wymaga to podjêcia podczas badañ decyzji co do przyjêcia reprezentatywnych po³o¿eñ zespo-³ów obrabiarki i reprezentatywnych warunków obci¹¿enia. Przyjêty stan obci¹¿enia uk³adu (lub zbiór takich stanów) powinien dobrze modelowaæ obci¹¿enie, któremu pod-legaæ bêdzie badany uk³ad konstrukcyjny w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Powinien te¿ byæ reprezentatywny dla wszystkich mo¿liwych stanów obci¹¿enia, jakie mog¹ wyst¹piæ podczas realizacji zadañ technologicznych.

Badania w³asnoœci statycznych obrabiarek nie s¹ znormalizowane, ale spotykane s¹ ró¿ne zalecenia, np. [140, 163, 168]. W wiêkszoœci spotykanych w literaturze metod tych badañ obrabiarki s¹ obci¹¿ane niezale¿nymi sk³adowymi zastêpczymi modeluj¹-cymi wypadkow¹ si³ê skrawania. Wprowadza siê przedmiot i narzêdzie zastêpcze, przez które wywierane jest obci¹¿enie na uk³ad noœny. Spotykane s¹ równie¿ metody obci¹-¿ania struktury ciê¿arem przedmiotu obrabianego i badania odkszta³ceñ uk³adu dla ró¿-nych po³o¿eñ uk³adu [171–173]. Przemieszczenia mierzy siê w kierunkach zgodró¿-nych z kierunkami g³ównych sk³adowych si³y skrawania [140], przy czym jako kierunek pod-stawowy przyjmuje siê ten, w którym przemieszczenia wywo³uj¹ najwiêksze zmiany

21 wymiarów lub kszta³tu przedmiotu obrabianego. Charakterystyki statyczne wyznacza siê równie¿ z u¿yciem tzw. obci¹¿eñ quasistatycznych [29], stosuj¹c technikê pomiaru i analizê drgañ o czêstotliwoœci rzêdu kilku herców. Metoda wyznaczania charaktery-styk statycznych wykorzystuj¹ca wymuszenia quasistatyczne jest obarczona jednak du¿ym b³êdem.

Badania statyczne maj¹ na celu [140]:

• wyznaczenie sztywnoœci statycznej niektórych zespo³ów obrabiarki i tzw. wska-Ÿników sztywnoœci sumarycznej,

• okreœlenie wartoœci wzglêdnych przemieszczeñ narzêdzia i przedmiotu obrabiane-go (np. rys. 2.3) i oceny ich wp³ywu na dok³adnoœæ obróbki.

Sztywnoœæ statyczn¹ okreœla siê na podstawie zmierzonych charakterystyk typu ob-ci¹¿enie–przemieszczenie. S¹ one równie¿ podstaw¹ do szacowania nieliniowoœci uk³a-du. Ocena w³asnoœci statycznych odbywa siê na podstawie zaleceñ zawartych w instruk-cjach badañ obrabiarek okreœlonego rodzaju. Wyniki pomiarów porównuje siê z rezul-tatami badañ podobnych maszyn. Mog¹ byæ one wykorzystane do oceny sztywnoœci dla ró¿nych nastaw uk³adu konstrukcyjnego maszyny (rys. 2.3). Niemiecka norma przej-œciowa [171], odnosz¹ca siê tylko do frezarek, proponuje cykl obci¹¿anie–odci¹¿anie maszyny w dwóch kierunkach (pchanie–ci¹gniêcie), przechodz¹c przez punkt zerowy obci¹¿enia. W ten sposób mo¿na okreœliæ luzy i napiêcie wstêpne w ³o¿yskach (czy jest

Rys. 2.3. Schemat obci¹¿ania frezarki i jej charakterystyki statyczne w zale¿noœci od ró¿nych stanów zacisku zespo³ów przesuwnych

Fig. 2.3. Loading diagram of the milling machine and its static characteristics depending on different conditions of the sliding assemblies clamping

Wzglêdne przemieszczenia pomiêdzy trzpieniem a sto³em frezarki

Si³a obci¹¿aj¹ca 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 δ [µm] δ Pz zacisk sañ i wspornika bez zacisku sañ bez zacisku wspornika Pz [kN]

tyczne mog¹ s³u¿yæ za podstawê do oszacowania zwyczajowo wystêpuj¹cych sztyw-noœci [156]. W pracy [65] przeprowadzono analizê podatsztyw-noœci zespo³u wrzecionowe-go poddanewrzecionowe-go ró¿nym stanom obci¹¿enia i wykazano, ¿e stosowanie opisywanych w literaturze wskaŸników sztywnoœci jako kryterium mo¿e prowadziæ nie tylko do b³êdnej oceny rozpatrywanych wariantów konstrukcyjnych tego zespo³u, lecz tak¿e do b³êdnego oszacowania wp³ywu elementów sk³adowych tego uk³adu na jego zachowa-nie siê w warunkach pracy.

Druga odmiana badañ statycznych polega na ocenie wzglêdnych przemieszczeñ za-chodz¹cych miêdzy narzêdziem a przedmiotem obrabianym pod wp³ywem obci¹¿eñ roboczych na obrabiarce pozostaj¹cej w stanie spoczynku lub w warunkach ruchowych. W pierwszym przypadku jako obci¹¿enia stosuje siê niezale¿ne si³y zastêpcze modelu-j¹ce poszczególne sk³adowe wypadkowej si³y skrawania. Zwykle nie s¹ uwzglêdniane oddzia³ywania od napêdu obrabiarki. Wyj¹tkiem jest metoda stosowana w pracy [65], w której obci¹¿enie w strefie skrawania wywierane by³o za poœrednictwem uk³adu na-pêdowego. Badania statyczne obrabiarki podczas skrawania przeprowadza siê, stosu-j¹c rzeczywiste si³y skrawania i si³y od napêdu, jakie wystêpuj¹ dla zmieniastosu-j¹cych siê parametrów obróbki. Podstaw¹ oceny mog¹ byæ wzglêdne przemieszczenia miêdzy przedmiotem a narzêdziem lub odchy³ki od nominalnego wymiaru, spowodowane zmie-niaj¹cymi siê parametrami obróbki.

Badania unieruchomionej obrabiarki mo¿na ³¹czyæ z wielopunktowymi pomiarami przemieszczeñ struktury noœnej maszyny. Wyniki badañ mog¹ byæ wykorzystane do okreœlenia s³abych ogniw uk³adu ze wzglêdu na jego w³asnoœci statyczne. Wyznacza-j¹c udzia³y poszczególnych elementów uk³adu konstrukcyjnego w ca³kowitym wzglêd-nym przemieszczeniu miêdzy narzêdziem i przedmiotem obrabiawzglêd-nym (rys. 2.4), mo¿na wskazaæ na zespo³y najbardziej podatne i tylko wœród nich przeprowadzaæ najbardziej efektywne zmiany konstrukcji. W tego typu badaniach czêsto pomija siê oddzia³ywa-nie narzêdzia.

Kompleksow¹ metodê oceny w³asnoœci statycznych obrabiarek w po³¹czeniu z me-tod¹ badañ, kryteriami, wskaŸnikami oceny i wartoœciami odniesienia opracowano w odniesieniu do tokarek [65]. Na podstawie badañ statystycznego rozk³adu powierzchni obrabianych mo¿na uwzglêdniaæ rzeczywisty rozk³ad obci¹¿eñ w przestrzeni roboczej oraz obci¹¿enia pochodz¹ce od si³y napêdowej. Opracowane wskaŸniki s¹ powi¹zane z klas¹ dok³adnoœci wykonania przedmiotu, a wiêc jednym z najwa¿niejszych parame-trów eksploatacyjnych obrabiarki. Przyjête kryterium umo¿liwia dokonywanie iloœcio-wej oceny w³asnoœci statycznych tokarki ze wzglêdu na mo¿liw¹ do uzyskania dok³ad-noœæ obróbki.

23

2.2.3. BADANIA W£ASNOŒCI DYNAMICZNYCH

UK£ADU KONSTRUKCYJNEGO

Pomiary umo¿liwiaj¹ce analizê i ocenê dynamicznych w³asnoœci obrabiarek pozo-staj¹cych w stanie spoczynku mo¿na podzieliæ na nastêpuj¹ce grupy:

• wyznaczanie charakterystyk (funkcji przejœcia) poszczególnych cz³onów uk³adu dynamicznego obrabiarki,

• analizê widmow¹ sygna³u otrzymanego z rejestracji drgañ uk³adu lub odpowiedzi uk³adu na zadany sygna³ wejœciowy (wymuszenie),

• wyznaczanie postaci drgañ, • analizê modaln¹ drgañ uk³adu.

Funkcja przejœcia uk³adu przedstawiona jest w formie podatnoœciowej charaktery-styki czêstotliwoœciowej. Jej wyznaczenie wymaga wymuszenia drgañ uk³adu zmien-n¹ si³¹ oraz pomiaru amplitudy przemieszczenia i fazy, jako odpowiedzi na to wymu-szenie (rys. 2.5). Zmienny sygna³ elektryczny, o zadanym przebiegu czasowym, two-rzony jest w generatorze, nastêpnie wzmacniany i zadawany do wzbudnika, który wytwarza zmienn¹ si³ê oddzia³uj¹c¹ na badany obiekt. Si³a wymuszaj¹ca jest mierzo-na przez przetwornik umieszczony mierzo-na elemencie ³¹cz¹cym wzbudnik z tym obiektem.

pozosta³e po³¹czenie wspornik - stojak po³¹cz. stó³ - sanie i sanie - wspornik stojak i wrzeciennik zespó³ wrzecionowy Kierunek i wartoœæ obci¹¿enia

Wzglêdne przemieszczenia miêdzy

sto³em i narzêdziem 0 40 80 120 160 200 240 280 Ff = 20 kN Fp = 20 kN Fc = 20 kN δ [µm]

Rys. 2.4. Udzia³y ró¿nych zespo³ów frezarki wspornikowej w ca³kowitym wzglêdnym przemieszczeniu miêdzy sto³em i narzêdziem, wywo³anym ró¿nymi sk³adowymi si³y skrawania

Fig. 2.4. Contribution of different assemblies of the knee-type milling machine to the total relative displacement between the table and the tool, due to various components of the cutting force

Rys. 2.5. Stanowisko badawcze do wyznaczania funkcji przejœcia uk³adu wrzecionowego tokarki Fig. 2.5. Experimental set-up for determining the transfer function of the lathe spindle system

Drgania uk³adu mierzy siê w ustalonych punktach za pomoc¹ czujników generuj¹cych sygna³y przyspieszenia, prêdkoœci lub przemieszczenia. Sygna³y z przetwornika si³y oraz z czujników drgañ s¹ rejestrowane i nastêpnie przetwarzane w zale¿noœci od potrzeb zastosowanej metody badañ i oceny. W procesie przetwarzania stosuje siê estymatory widma zale¿ne od zastosowanego sygna³u wymuszaj¹cego.

Analiza widmowa ma zastosowanie do drgañ wymuszonych stochastycznymi lub aperiodycznymi (np. impulsowymi) sygna³ami wymuszaj¹cymi. Spoœród licznych, zna-nych metod analizy widmowej najczêœciej jest obecnie stosowany cyfrowy algorytm szybkiej transformaty Fouriera, tzw. FFT. OdpowiedŸ uk³adu na wymuszenie, zareje-strowana w dziedzinie czasowej, mo¿e byæ przetworzona na charakterystykê czêstotli-woœciow¹ (rys. 2.6) i za pomoc¹ oprogramowania u¿ytkowego przedstawiona w odpo-wiedniej formie (np. jako przebieg amplitudowy, fazowy lub w uk³adzie biegunowym jako wykres amplitudowo-fazowo-czêstotliwoœciowy) i zarchiwizowana. W przypad-ku obrabiarek metoda ta jest wykorzystywana do szybkiego wyznaczenia czêstotliwo-œci drgañ w³asnych elementów i jest czêstotliwo-œciœle zwi¹zana z wyznaczaniem postaci drgañ w³a-snych i analiz¹ modaln¹.

25

Analizê widmow¹ mo¿na przeprowadziæ w warunkach spoczynkowych obrabiarki z u¿yciem wymuszeñ wzbudnikiem [5, 30, 31, 34, 59, 60, 93, 123, 133], m³otkiem uda-rowym [152] lub z wymuszeniem wynikaj¹cym z realizowanego rzeczywistego proce-su skrawania [14, 16, 22, 64, 67, 76, 81, 84, 89, 90, 95, 114, 125, 128, 132–134]. Uzy-skana informacja ma charakter iloœciowy, ale nie ma najczêœciej bezpoœredniego zwi¹zku z w³aœciwoœciami eksploatacyjnymi obrabiarki. Ocena wyznaczonych charakterystyk, zmierzaj¹ca do optymalnych decyzji w kierunku poprawy w³asnoœci uk³adu konstruk-cyjnego, jest bardzo trudna. Mo¿liwa jest do przeprowadzenia tylko przez bardzo do-œwiadczonego konstruktora. Celem zmian parametrów konstrukcyjnych jest najczêœciej zwiêkszenie czêstotliwoœci rezonansowych tego uk³adu i zmniejszenie amplitud drgañ rezonansowych. Niekiedy stosuje siê metody aktywnego t³umienia drgañ [56], realizo-wane na istniej¹cej fizycznie konstrukcji. Metody te umo¿liwiaj¹ ograniczenie drgañ maszyny, jednak bez ustalenia ich Ÿród³a.

Analiza modalna [4, 31, 34, 36, 48, 97, 122, 123] umo¿liwia wizualizacjê zmian odkszta³ceñ uk³adu wystêpuj¹cych podczas poszczególnych postaci drgañ rezonanso-wych. Jest ona obecnie stosowana w badaniach dynamicznych u najwiêkszych produ-centów obrabiarek. Wykorzystywana jest ona do ustalania s³abych punktów struktury noœnej z³o¿onych uk³adów drgaj¹cych [78, 79, 156]. Analiza ta wymaga jednak bardzo drogiego systemu pomiarowego i kosztownego oprogramowania, które umo¿liwia uzy-skanie efektu animacji drgañ modelu uk³adu dynamicznego na bazie wprowadzonego

Maksymalna podatnoœæ dynamiczna 180 150 120 90 60 30 0 y x z -30 -60 -90 ϕ ϕ γ γ K ¹t p rz esun iê ci a fa zo w eg o [d eg ] Pod at no œæ dyna m ic zna Podatnoœæ statyczna Fun kcj a ko he re nc ji -120 -150 -180 0 0 0,5 1 10 10 10 G 2 2 2 2N m µ -2 -1 0 x 4 200 400 600 800 Hz 1000

Rys. 2.6. Charakterystyki dynamiczne szlifierki do wa³ków: podatnoœæ dynamiczna (funkcja przejœcia uk³adu) Gx, k¹t przesuniêcia fazowego ϕ i funkcja koherencji γ [156]

Fig. 2.6. Dynamic characteristics of the cylindrical grinder: dynamic compliance (transfer function of the system) Gx, phase shift angle ϕ and coherence function γ [156]

Oprogramowanie do analizy modalnej ma modu³y, które umo¿liwiaj¹ tak¿e doko-nywanie modyfikacji modeli teoretycznych, zbudowanych na bazie elementów skoñ-czonych, w najbardziej rozpowszechnionych systemach obliczeniowych (np. ANSYS, COSMOS, PATRAN). Umo¿liwia to znaczne rozszerzenie mo¿liwoœci analizy konstruk-cji obrabiarki z wykorzystaniem zweryfikowanych doœwiadczalnie modeli obliczenio-wych, co jest atutem tej metody. Ocena drgañ obrabiarki ma charakter jakoœciowy i umo¿liwia podejmowanie efektywnych decyzji konstruktorskich (na podstawie lep-szej informacji ni¿ w przypadku analizy widmowej), zmierzaj¹cych do poprawy w³a-snoœci dynamicznych uk³adu.

W odniesieniu do obrabiarek stosuje siê równie¿ analizê modaln¹, wykorzystuj¹c¹ jako wymuszenie stabilny proces obróbki [48, 122]. Realizowana jest ona pod obci¹-¿eniem roboczym, a nie w stanie spoczynku obrabiarki. Zalet¹ takiego sposobu wymu-szeñ jest zapewnienie rzeczywistych obci¹¿eñ struktury noœnej i zamkniêcia pêtli ob-ci¹¿eñ przez sprzê¿enie uk³adu procesem skrawania. Wad¹ natomiast jest zmiennoœæ uk³adu dynamicznego obrabiarki podczas realizacji tego procesu. Wyniki takiej anali-zy modalnej nale¿y wiêc interpretowaæ z du¿¹ ostro¿noœci¹.

W przypadku badañ w³asnoœci dynamicznych obrabiarek pozostaj¹cych w spoczyn-ku, zasadnicze znaczenie ma przyjêta procedura pomiarowa. Sk³adaj¹ siê na ni¹: przy-jêty sposób obci¹¿enia uk³adu (rodzaj zastosowanego wzbudnika drgañ i miejsce jego przy³o¿enia, sygna³ wymuszaj¹cy wykorzystywany do pomiarów i jego amplituda, na-piêcie wstêpne uk³adu), reprezentatywne po³o¿enia elementów struktury uk³adu, miej-sca pomiaru drgañ i sposób analizy wyników. „Przepisy” badania ró¿nych typów obra-biarek (do stosowania w praktyce) podaj¹ materia³y stowarzyszenia niemieckich pro-ducentów obrabiarek VDW [160]. Równie¿ i w tym przypadku autorzy nie podaj¹ kryteriów oceny wyników i wartoœci odniesienia do wyznaczanych charakterystyk. Ist-niej¹ce normy i zalecenia dotycz¹ce dopuszczalnych wartoœci amplitud drgañ maszyn [191, 203, 204] nie odnosz¹ siê do obrabiarek. Próba normalizacji dopuszczalnych war-toœci parametrów drgañ wymuszonych obrabiarek [204] nie doczeka³a siê realizacji.

2.3. BADANIA OBRABIARKI NA BIEGU JA£OWYM

2.3.1. BADANIA W£ASNOŒCI CIEPLNYCH

ród³a ciep³a w obrabiarce s¹ zwi¹zane z wêz³ami strat mocy w silnikach napêdu g³ównego i posuwów, uk³adach hydraulicznych, sprzêg³ach, ³o¿yskach i przek³adniach oraz z realizowanym procesem skrawania. Na obrabiarkê oddzia³uj¹ równie¿

zewnê-27 trzne Ÿród³a ciep³a, do których zalicza siê zmiany temperatury otoczenia, warstwowy rozk³ad temperatury w hali, przeci¹gi i promieniowanie s³oneczne. Wymuszone tymi warunkami nagrzewanie obrabiarki zmienia przestrzenne pole izoterm struktury uk³a-du konstrukcyjnego i mo¿e w trakcie eksploatacji wywo³ywaæ znaczne jego odkszta³-cenia, które w rezultacie prowadz¹ do zwiêkszenia wzglêdnych przemieszczeñ miêdzy narzêdziem i przedmiotem obrabianym (rys. 2.7). Przemieszczenia bezpoœrednio po-woduj¹ b³êdy obróbki, których udzia³ w ca³kowitej odchy³ce mo¿e siêgaæ nawet ponad 50% [8]. z z x Miejsce pomiaru temperatury Trzpieñ kontrolny Przetwornik pomiarowy y y δ δ δ N z x y δ δ µ δ W zg lêd ne p rzem ies zczeni e m iê dz y trzp ie ni em ko nt ro ln ym a st o³em fr ezar ki Czas nagrzewania 0 -100 -80 -60 -40 -20 0 [ m] 60 120 180 240 300 360 420 480 [min]

Rys. 2.7. Sposób i wyniki pomiaru wzglêdnych przemieszczeñ cieplnych miêdzy trzpieniem kontrolnym i sto³em frezarki [171]

Fig. 2.7. Method and results of measurements of the relative thermal displacements between the plunger and the table of the milling machine [171]

W³asnoœci cieplne uk³adu konstrukcyjnego okreœla siê zazwyczaj na biegu ja³owym [57, 156, 171], z uwzglêdnieniem oddzia³ywania jedynie Ÿróde³ wewnêtrznych. Na od-kszta³cenia termiczne obrabiarki w warunkach eksploatacyjnych wp³ywaj¹ dodatkowo parametry procesu technologicznego, zale¿ne od stawianych jej zadañ obróbkowych. O nagrzewaniu i zwi¹zanych z tym odkszta³ceniach uk³adu konstrukcyjnego decyduj¹ przede wszystkim prêdkoœci obrotowe zespo³ów oraz wartoœci wystêpuj¹cych obci¹-¿eñ si³ami skrawania i momentami napêdowymi.

Istniej¹ce niemieckie normy tymczasowe [171–173] okreœlaj¹ zasady postêpowa-nia podczas badañ, ale tylko w odniesieniu do frezarek, które s¹ poddane obci¹¿eniom statycznym i termicznym. Normy te nie podaj¹ jednak granicznych wartoœci odniesie-nia wyznaczanych parametrów. Otrzymane w wyniku tego typu badañ charakterystyki wzglêdnych przemieszczeñ miêdzy narzêdziem a przedmiotem obrabianym (rys. 2.7), wywo³anych nagrzewaniem siê zespo³ów dla ustalonych cykli pracy obrabiarki (rys. 2.8),

nadaj¹ siê do przeprowadzenia analiz porównawczych frezarek tego samego rodzaju. W przypadku obrabiarek sterowanych numerycznie s¹ te¿ wykorzystywane do zapro-gramowania algorytmu korekcyjnych nastaw frezarki do kompensacji termicznych prze-mieszczeñ.

Odkszta³cenia cieplne innych typów obrabiarek, np. tokarek sterowanych numerycz-nie, mog¹ byæ te¿ okreœlane poœrednio na podstawie pomiarów dok³adnoœci obróbki przedmiotów próbnych [200, 207] podczas prób prac¹ wykonanych w pewnym odstê-pie czasu. Wyniki tych pomiarów mog¹ byæ wykorzystane do wyprowadzenia empi-rycznych funkcji kompensacji, opracowania zasad symulacji numerycznej lub modeli uogólnionych s³u¿¹cych do korygowania odkszta³ceñ cieplnych obrabiarki [8].

2.3.2. BADANIA B£ÊDÓW KINEMATYCZNYCH OBRABIARKI

I POWTARZALNOŒCI POZYCJONOWANIA

Podczas obróbki na obrabiarkach skrawaj¹cych na powierzchni przedmiotu obra-bianego odzwierciedlaj¹ siê b³êdy kinematyczne obrabiarki. Cech¹ charakterystyczn¹ konstrukcji tych maszyn jest wystêpowanie wielu funkcjonalnych, wzajemnie zale¿-nych uk³adów napêdowych. Umo¿liwiaj¹ one realizacjê, podczas obróbki, odpowiednich sprzê¿eñ ruchów zespo³ów przesuwnych i obrotowych (np. podczas gwintowania, ste-rowania kszta³towego). Przyczyn¹ odchy³ek kinematycznych, odzwierciedlaj¹cych siê na przedmiocie obrobionym, s¹ czêsto oddzia³ywania odchy³ek geometrycznych

wy-8 5 4 6 6 7 7 z y x Te m pe rat ur a el em en Czas nagrzewania 20 25 30

Rys. 2.8. Miejsca pomiaru i zmiany temperatury nagrzewania elementów frezarki podczas pracy na biegu ja³owym z prêdkoœci¹ obrotow¹ wrzeciona n = 0,75nmax [171]

Fig. 2.8. Measurement points and changes of the heating temperature of the milling machine elements during idle running with spindle rotational speed n = 0.75nmax [171]

29 stêpuj¹cych w elementach napêdów, prowadnicach lub ³o¿yskach. W przypadku obra-biarek sterowanych numerycznie b³êdy kinematyczne s¹ powodowane tak¿e przez sta-tyczne i dynamiczne w³asnoœci uk³adów sterowania.

B³êdy kinematyczne mo¿na wyznaczaæ na obrabiarce obci¹¿onej prac¹ lub nieob-ci¹¿onej, ale ze wzglêdu na problemy pomiarowe badania przeprowadza siê czêœciej na biegu ja³owym [156]. W celu wyznaczenia tych odchy³ek dokonuje siê pomiaru li-niowych lub k¹towych przemieszczeñ zespo³ów, dla ka¿dej napêdzanej osi napêdu po-suwu, z mo¿liwie du¿¹ rozdzielczoœci¹ i dok³adnoœci¹. Do tego typu badañ stosuje siê najczêœciej ró¿nego typu przyrz¹dy optyczne i laserowe. Wykorzystywane te¿ s¹ no-woczesne rozwi¹zania narzêdzi pomiarowych, np. trójwymiarowe prêty teleskopowe [187].

B³êdy pozycjonowania s¹ miar¹ dok³adnoœci po³o¿enia, czyli statystycznie mo¿li-wych odchy³ek po³o¿enia zwi¹zanych z prac¹ napêdu posuwu [151]. W obrabiarkach sterowanych numerycznie zale¿¹ one od rozdzielczoœci i dok³adnoœci uk³adów pomia-ru po³o¿enia, odkszta³ceñ elementów napêdu, ciê¿apomia-ru w³asnego elementów, si³ tarcia w po³¹czeniach ruchowych, nastaw sterowania i regulatora. Badania dok³adnoœci po-zycjonowania obrabiarek sterowanych numerycznie s¹ znormalizowane i w Polsce obo-wi¹zuje norma [188], bêd¹ca t³umaczeniem normy ISO [177]. Niemieckie zalecenia [210] s¹ nieco szersze, bo obejmuj¹ te¿ statystyczne badania dok³adnoœci obróbki. Sprawdzanie dok³adnoœci pozycjonowania odbywa siê wed³ug jednego z wybranych cyklów pomiarowych [188] (np. rys. 2.9). Dla ka¿dego nominalnego po³o¿enia zespo-³u dokonuje siê pomiarów, a wyniki opracowuje siê wedzespo-³ug podanej procedury staty-stycznej i przedstawia w postaci wykresu odchy³ek (rys. 2.10). Dok³adnoœæ pozycjono-wania mo¿na te¿ okreœlaæ, uwzglêdniaj¹c d³ugotrwa³y wp³yw nagrzepozycjono-wania siê obrabiar-ki. Ogólnie efektem badania dok³adnoœci pozycjonowania jest wyznaczenie parametrów dok³adnoœci i powtarzalnoœci (por. rys. 2.10), ale wspomniana norma nie precyzuje kry-teriów oceny i wartoœci dopuszczalnych tych parametrów. Wyniki mog¹ byæ zatem wykorzystane w badaniach porównawczych i do sterowania jakoœci¹ produkcji u pro-ducenta obrabiarek.

Rys. 2.9. Cykl liniowy stosowany podczas testowania dok³adnoœci i powtarzalnoœci pozycjonowania [188]

Fig. 2.9. Linear cycle used in the accuracy and repeatability tests [188] 2.3. Badania obrabiarki na biegu ja³owym

-20 -15 -10 -5 300 600 900 1200 1500 Powtarzalnoœæ po³o¿enia 13, 49 m Dok³adnoœæ po³o¿enia 18,03 m

OdlegloϾ punktu pomiarowego od bazy [mm]

O dc hy ³ka po µ µ

Rys. 2.10. Jednokierunkowe odchy³ki po³o¿enia i powtarzalnoœæ po³o¿enia zespo³u przesuwnego obrabiarki podczas jego zbli¿ania siê do ustalonego po³o¿enia

w kierunku dodatnim i ujemnym wzglêdem kierunku osi [177] Fig. 2.10. Unidirectional deviation of position and repeatability of position

of the machine tool sliding assembly during its positive and negative approach to target positions relative to the axis direction [177]

Specjaln¹ grupê b³êdów kinematycznych, które równie¿ rozstrzygaj¹ o osi¹ganej dok³adnoœci obróbki, stanowi¹ odchy³ki po³o¿enia osi elementów wiruj¹cych obrabiarki. Wystêpuj¹ one w odniesieniu do wrzecion, sto³ów obrotowych i ró¿nych powierzchni ustalaj¹cych, np. sto¿ków centruj¹cych uchwytu, powierzchni przylegania sto³ów obro-towych. Do pomiaru odchy³ek po³o¿enia osi elementów wiruj¹cych stosuje siê ró¿ne metody i narzêdzia pomiarowe. Ich wybór zale¿y od rodzaju realizowanego procesu obróbki i zwi¹zanych z nim tzw. „wra¿liwych kierunków przemieszczeñ” [156], tzn. tych kierunków, w których zmiany przemieszczeñ najbardziej oddzia³uj¹ na odchy³ki wymiarów przedmiotu obrabianego. S¹ to najczêœciej kierunki przemieszczeñ prosto-pad³ych do powierzchni obrabianej, wystêpuj¹cych miêdzy wierzcho³kiem narzêdzia a t¹ powierzchni¹. Przemieszczenia styczne nie maj¹ znaczenia lub maj¹ ma³y wp³yw na uzyskiwan¹ dok³adnoœæ. St¹d na przyk³ad promieniowe odchy³ki nale¿y okreœlaæ pod-czas wiercenia w dwóch wzajemnie prostopad³ych kierunkach, a podpod-czas toczenia wy-starczy w jednym, zgodnym z dzia³aniem sk³adowej odporowej si³y skrawania. Ze wzglê-du na z³o¿onoœæ b³êdów zwi¹zanych z osiami elementów wiruj¹cych, odchy³ki z nimi zwi¹zane nale¿y traktowaæ indywidualnie, zale¿nie od rodzaju obrabiarki.

Dok³adnoœæ napêdu w obrabiarkach sterowanych numerycznie bada siê równie¿ metod¹ poœredni¹ okreœlaj¹c dok³adnoœæ wykonania przedmiotu próbnego. Wp³yw dy-namiki napêdu mo¿e byæ okreœlany dla ró¿nych prêdkoœci posuwu, na podstawie po-miaru wymiarów charakterystycznych konturu tego przedmiotu [207]. Œcis³e wymiary

31 przedmiotu próbnego (zalecenia podaj¹ tylko czêœæ wymiarów), warunki technologiczne prób prac¹, metodê i œrodki pomiarowe oraz dopuszczalne odchy³ki ustala jednak u¿yt-kownik w porozumieniu z producentem maszyny. Dok³adnoœæ odtworzenia zadanego konturu jest rozstrzygaj¹cym kryterium oceny dla precyzyjnych obrabiarek NC [151].

2.4. BADANIA OBRABIARKI

POD OBCI¥¯ENIEM ROBOCZYM

Obci¹¿enia obrabiarki mog¹ byæ realizowane rzeczywistymi si³ami skrawania w warunkach ruchowych poszczególnych zespo³ów. Testy obróbkowe s¹ odmian¹ ba-dañ poœrednich, w których obrabiarka jest oceniana ze wzglêdu na odpornoœæ na utratê stabilnoœci i osi¹gan¹ dok³adnoœæ obróbki. Badania prac¹ obejmuj¹ obróbkê próbek zgo-dnie z podstawowym zakresem prac i przeznaczeniem obrabiarki, dla wstêpnie ustalo-nych ograniczeñ i tolerancji [170, 176, 187]. Przeprowadza siê je z u¿yciem przedmio-tów próbnych dostarczonych przez u¿ytkownika, których wymiary i wymagania doty-cz¹ce dok³adnoœci obróbki s¹ okreœlone czêsto przez normy dotydoty-cz¹ce badañ okreœlonych typów obrabiarek. Materia³ i parametry skrawania s¹ ustalane w wyniku uzgodnieñ miêdzy u¿ytkownikiem i producentem [187]. Na specjalne ¿yczenie u¿yt-kownika stosuje siê te¿ inne ni¿ ujête w normach wymiary próbek i wymagania ¿¹da-nej dok³adnoœci. Nie zawsze jest mo¿liwe i konieczne przeprowadzenie wszystkich ba-dañ okreœlonych w normie. Badania, które nale¿y przeprowadziæ [179], ustala u¿ytkow-nik w porozumieniu z producentem. Z jednej strony trudno takie rozwi¹zanie uznaæ za obiektywne, a z drugiej to w³aœnie u¿ytkownik narzuca swoje wymagania wytwórcy i od niego zale¿¹ obecnie kryteria i wskaŸniki oceny obrabiarki.

2.4.1. BADANIA STABILNOŒCI

Zagadnienie stabilnoœci procesu skrawania na obrabiarce jest przedmiotem wielu prac (np. [6, 27, 28, 33, 60, 74, 86, 87, 89, 95, 114, 115, 117, 141, 143, 145–147, 164]). Niestabilnoœæ stanowi czêsto g³ówn¹ przeszkodê w wykorzystaniu pe³nej mocy napê-du. Odpornoœæ na powstawanie drgañ samowzbudnych, tzw. wibrostabilnoœæ, ³¹czy siê bezpoœrednio z ocen¹ uk³adu masowo-dysypatywno-sprê¿ystego maszyny [144]. Zale-¿y ona od wielu czynników zwi¹zanych z obrabiark¹, narzêdziem, przedmiotem obra-bianym i procesem skrawania. Z jednej strony ta wielorakoœæ zale¿noœci ogranicza za-kres stosowania testów obróbkowych [154] do obrabiarek zadaniowych i specjalnych, a z drugiej czyni sensownymi wszelkiego rodzaju symulacje. Wartoœci parametrów struk-turalnych opisuj¹cych modele obliczeniowe wyznaczone na podstawie danych litera-turowych, mog¹ byæ jednak w znacznym stopniu niepewne, powoduj¹c du¿e b³êdy obli-czeñ [144]. Niedoskona³oœæ z kolei metod modelowania, a co za tym idzie komputero-wych prognoz wibrostabilnoœci, powoduje koniecznoœæ ich doœwiadczalnej weryfikacji [144]. Jest ona tym bardziej celowa, ¿e nawet obrabiarki tego samego typu, wyprodu-kowane w jednej serii, znacznie ró¿ni¹ siê w³asnoœciami dynamicznymi [154].

zmniejszenia wydajnoœci obrabiarki w ca³ym zakresie zastosowañ. Drgania samowzbud-ne ograniczaj¹ wydajnoœæ jedynie w pewnym zakresie parametrów obróbki, wiêc bar-dziej celowe wydaje siê podjêcie ró¿nych przedsiêwziêæ zwi¹zanych z takimi zmiana-mi tych parametrów, aby umo¿liwiæ pracê obrabiarki w stabilnym zakresie. Niespe³-nienie wymagañ dotycz¹cych stabilnoœci pracy dyskwalifikuje konstrukcjê i wymaga jej analizy w celu znalezienia s³abych ogniw struktury [78, 79, 144, 156]. Do tego s¹ wykorzystywane m.in. metody analizy modalnej [31, 34, 36, 48, 97, 122, 123].

Celem badañ stabilnoœci jest wyznaczenie granicznych wartoœci parametrów skra-wania, przy których powstaj¹ drgania samowzbudne. Granicê stabilnoœci wyznacza siê podczas obróbki typowych, dla badanej obrabiarki, przedmiotów, z zastosowaniem ty-powych operacji technologicznych, tyty-powych materia³ów obrabianych, narzêdzi i uchwytów [140]. Jednoczesny pomiar mocy pobieranej przez silnik napêdu g³ówne-go umo¿liwia ocenê stopnia jej wykorzystania dla ró¿nych warunków obróbki w za-kresie stabilnej pracy obrabiarki. Brak jest w tej dziedzinie unormowañ o zasiêgu kra-jowym, lecz istnieje wiele zaleceñ bran¿owych lub zak³adowych, podaj¹cych warunki przeprowadzenia badañ.

Testy obróbkowe s¹ wykonywane g³ównie podczas badañ odbiorczych, wed³ug spe-cjalnych procedur, które ustalaj¹ materia³ i kszta³t próbek, warunki ich mocowania (np. rys. 2.11), rodzaj i geometriê narzêdzia oraz sposób jego mocowania, parametry obróbki i sposób przeprowadzenia badañ. W ramach testów stabilnoœci przeprowadza siê skra-wanie przedmiotów próbnych, zmieniaj¹c stopniowo (zazwyczaj zwiêkszaj¹c) zmien-ny parametr skrawania (najczêœciej g³êbokoœæ skrawania albo szerokoœæ warstwy skra-wanej), a¿ do momentu powstania drgañ samowzbudnych lub do osi¹gniêcia parame-trów odpowiadaj¹cych wykorzystaniu pe³nej mocy silnika napêdowego [140]. Próby prowadzi siê zmieniaj¹c skokowo pozosta³e parametry skrawania w zakresie wartoœci, zwykle u¿ywanych dla danego typu obrabiarki. Utrata stabilnoœci ³¹czy siê z du¿ym zwiêkszeniem chropowatoœci powierzchni obrobionej, efektami akustycznymi, falistoœci¹ i chropowatoœci¹ sp³ywaj¹cego wióra [85]. Mimo znacznego b³êdu, jaki mo¿na pope³niæ w ocenie granicznych wartoœci parametrów skrawania na podstawie wspomnianych ob-jawów, metoda ta jest czêsto i chêtnie stosowana w warunkach przemys³owych [85].

Efektem przeprowadzonych testów obróbkowych jest karta stabilnoœci obrabiarki (rys. 2.12). Nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e jest ona wyznaczana dla wybranych dwóch pa-rametrów skrawania. Pozosta³e parametry oraz materia³ obrabiany i narzêdzie pozosta-j¹ niezmienne. Uwzglêdnienie innych czynników wymaga przeprowadzenia kosztow-nych badañ doœwiadczalkosztow-nych, w zwi¹zku z tym podczas badañ odbiorczych obrabiarek przyjmuje siê, zarówno materia³ i kszta³t próbek, jak i narzêdzie i parametry obróbki,

33

w uzgodnieniu z przysz³ym u¿ytkownikiem. Szersze testy tego typu prowadzi siê jedy-nie podczas badañ prototypu, jakkolwiek, ze wzglêdu na du¿¹ liczbê mo¿liwych wa-riantów obróbki (ró¿ne narzêdzia, materia³y i kszta³ty próbek, ró¿norodnoœæ wzajem-nych po³o¿eñ zespo³ów obrabiarki), zastêpuje siê je analizami obliczeniowymi. W d¹-¿eniu do ograniczenia tych wariantów ustala siê reprezentatywne stany obci¹¿enia uk³adu i konfiguracje struktury oraz przyjmuje reprezentatywny materia³, narzêdzie i parametry obróbki.

Okreœlenie granicznych, ze wzglêdu na stabilnoœæ, wartoœci parametrów skrawania umo¿liwia ocenê odpornoœci uk³adu konstrukcyjnego obrabiarki na drgania samowzbud-ne. Nie daje jednak bezpoœrednich informacji o dokonanie konkretnych zmianach kon-strukcyjnych, umo¿liwiaj¹cych poprawê tej odpornoœci [85]. Dopiero analiza widma i postaci drgañ (gdy nastêpuje utrata stabilnoœci) stwarza mo¿liwoœæ znalezienia s³abe-go ogniwa w uk³adzie dynamicznym obrabiarki, czyli elementu, któres³abe-go udzia³ we wzglêdnych drganiach miêdzy przedmiotem i narzêdziem jest najwiêkszy. Ujawnienie tego ogniwa mo¿e byæ podstaw¹ do sformu³owania odpowiednich zaleceñ konstruk-cyjnych.

Podstaw¹ do oceny zakresu mo¿liwoœci obróbczych s¹ wytyczne producenta (naj-czêœciej narzucone przez konstruktora, np. dopuszczalne wartoœci amplitud

przemie-Strefa skrawania Strefa skrawania Strefa skrawania Strefa skrawania do 800 do 800 300 36 0 90 11 0 90 11 0 60 70 90 . . . . . .

=

@

?

>

Rys. 2.11. Próbki do badania stabilnoœci uk³adu OUPN podczas toczenia, zalecane przez ENIMS (cyt. za [85])

Fig. 2.11. Test pieces for checking the lathe system stability under turning recommended by ENIMS (after [85])

szczeñ [164]) lub wyniki badañ obrabiarek podobnego typu i wielkoœci. Brak jest kry-teriów oceny (nie jest œciœle zdefiniowany moment utraty stabilnoœci) i wartoœci odnie-sienia. Efektem badañ mo¿e byæ wprowadzenie zaleceñ technologicznych (w przypad-ku badañ odbiorczych) lub konstrukcyjnych (w badaniach prototypu).

2.4.2. BADANIA PRAC¥ I OKREŒLANIE

MO¯LIWOŒCI TECHNOLOGICZNYCH

Normy ustalaj¹ce ogólne wytyczne badañ odbiorczych obrabiarek [170, 176, 187], zagadnienie badañ prac¹ traktuj¹ marginalnie. Uszczegó³owienie badañ wystêpuje do-piero w normach przedmiotowych dotycz¹cych konkretnych rodzajów obrabiarek (np. [174, 175, 178–183, 201, 202]). Normy podaj¹ zasady przyjmowania kszta³tu przedmiotu obrabianego, np. rys. 2.13, jego zamocowania, rodzaje operacji technologicznych i do-puszczalne odchy³ki wyznaczanych parametrów dok³adnoœci wykonania. Zaleca siê, aby badania prac¹ wykonane by³y podczas obróbki wykañczaj¹cej, a nie podczas obróbki zgrubnej, podczas której wystêpuj¹ du¿e si³y skrawania. Kszta³t i wymiary przedmiotu obrabianego nie maj¹ zwi¹zku z rozk³adem spektrum przedmiotów, które bêd¹ wyko-nywane na danej obrabiarce. Dobierane s¹ w zale¿noœci od typu i wielkoœci badanej obrabiarki.

Rys. 2.12. Karta stabilnoœci frezarki uzyskana na podstawie testów obróbkowych [156] Fig. 2.12. Milling machine stability chart obtained from cutting tests [156]

90Hz 95Hz 0 2 4 6 8 10 60 80 100 120 140 160 n [min ]-1 p 95Hz 95Hz 100Hz 100Hz 102Hz 105Hz skrawanie niestabilne skrawanie stabilne

Prêdkoœæ obrotowa freza

G³ êbo koœ æ skr awan ia

35

Wraz ze wzrostem znaczenia statystycznego procesu regulacji jakoœci wprowadzo-na zosta³a metoda badania mo¿liwoœci technologicznych obrabiarek (niem. Fähig-keitsuntersuchungen – dos³. t³um. badania zdolnoœci) [153, 158], która jest zwi¹zana z okreœleniem niezawodnoœci maszyny i realizowanego procesu. Autorzy tej metody stwierdzili, ¿e w tym zakresie brak jest norm i zaleceñ, które by³yby niezale¿ne od pro-ducenta. Opracowali wiêc metodê, która przez obróbkê 50 próbnych przedmiotów oraz ich pomiar i analizê statystyczn¹ wymiarów, umo¿liwia dokonanie oceny dok³adnoœci roboczej obrabiarki, uwzglêdniaj¹c nie tylko w³asnoœci maszyny, lecz tak¿e materia³, warunki procesu skrawania i obs³ugi (rys. 2.14). Badania te s¹ zalecane tylko w sto-sunku do obrabiarek, które u¿ywa siê do produkcji wielkoseryjnej lub masowej [158]. Mo¿liwoœci technologiczne s¹ wiêc okreœlane jako zdolnoœæ maszyny wytwórczej do wytwarzania w produkcji wielkoseryjnej i masowej przedmiotów, z zachowaniem zde-finiowanej tolerancji wykonania, ze statystycznie wykazan¹ pewnoœci¹ [157].

W badaniach mo¿liwoœci technologicznych bardzo du¿e znaczenie ma ustalenie wp³ywu trendu (np. odkszta³ceñ termicznych, zu¿ycia narzêdzia) na odchylenie stan-dardowe mierzonych wymiarów i jego eliminacja przez dokonanie odpowiedniej po-prawki zmierzonych wartoœci. Na podstawie obliczonych œrednich arytmetycznych i odchylenia standardowego s skorygowanych danych pomiarowych wyznaczane s¹ wskaŸnik mo¿liwoœci technologicznych obrabiarki i krytyczny wskaŸnik mo¿liwoœci technologicznych obrabiarki: s T s A B cm 6 6 = − = _(2.1) l φD l l l l 2 2 l 2 2 2 1 1 1

Rys. 2.13. Przyk³ad kszta³tu próbnego przedmiotu obrabianego stosowanego w badaniach prac¹ tokarek i do oceny dok³adnoœci wykonania (przy czym: D >Da/8,

ll = 0,5D, llmax = 500 mm, l2max = 20 mm) [179, 201]

Fig. 2.13. Example of the test piece shape used in machining tests of the lathes and in assessment of the machining accuracy, where: D >Da/8,

ll = 0,5D, llmax = 500 mm, l2max = 20 mm [179,201]

    s s 3 3 (2.2)

gdzie: x– – œrednia arytmetyczna zmierzonych wymiarów.

WskaŸnik c_m charakteryzuje naturalne mo¿liwoœci obrabiarki (rozrzut) i nie mówi nic o tym, ile wartoœci pomiarowych le¿y w polu tolerancji, poniewa¿ ich rozk³ad mo¿e byæ niesymetryczny. WskaŸnik krytyczny c_mk okreœla zaœ zarówno rozrzut, jak i prawi-d³owoœæ ustawienia maszyny w stosunku do œrodka pola tolerancji [51]. Wiêksze war-toœci wskaŸników odpowiadaj¹ wiêkszym mo¿liwoœciom technologicznym obrabiarki. Minimalna wartoœæ wskaŸników wynosi 1,33 [153]. Jeœli œrednia arytmetyczna zmie-rzonych wymiarów le¿y w œrodku pola tolerancji, to oba wskaŸniki przyjmuj¹

jedna-Rys. 2.14. Przebieg badañ mo¿liwoœci technologicznych obrabiarki [159] Fig. 2.14. Course of the production capacity tests of machine tools [159]

Wybór obrabiarki z przedmiotem, cykl obróbki < 10 min

Uzgodnienia Organizacja, ustalenie sposobupostêpowania i warunków brzegowych

Faza nagrzewania obrabiarki

Faza grzania obrabiarki na biegu ja³owym, ocena tendencji

odkszta³ceñ termicznych

Wstêpny rozbieg

obrabiarki Ustawienie nastaw obrabiarkina wartoœci nominalne

Obróbka przedmiotów próbnych _{50 przedmiotów próbnych}Obróbka kolejno po sobie

Pomiar Ustalenie za³o¿eñ odnoœniedo zdolnoœci pomiarowych œrodków mierniczych