BADANIA DOŚWIADCZALNE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH TOCZNEGO POŁĄCZENIA PROWADNICOWEGO STOŁU I ŁOŻA
FREZARKI Z ZASTOSOWANIEM WARSTWY TWORZYWA EPY DO MONTAŻU SZYN
PROWADNICOWYCH
Tomasz Okulik
1a, Marcin Chodźko
1b, Paweł Paśnicki
2c1Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie
2Fabryka Obrabiarek Precyzyjnych AVIA S.A. w Warszawie
atomasz.okulik@zut.edu.pl, bmarcin.chodzko@zut.edu.pl, cp.pasnicki@avia.com.pl
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki doświadczalnych badań właściwości dynamicznych tocznego połączenia prowad- nicowego: stół – łoże frezarki. Badania przeprowadzono dla dwóch wariantów montażu szyn prowadnicowych.
W pierwszym wariancie zastosowano klasyczną technologię montażu. W drugim wariancie pomiędzy szyny pro- wadnicowe a łoże wprowadzono cienką warstwę tworzywa EPY.
W pracy zaprezentowano wyznaczone doświadczalnie charakterystyki dynamiczne badanego połączenia. Dokonano oceny wpływu przyjętego sposobu montażu szyn prowadnicowych na zmianę właściwości dynamicznych obiektu.
W szczególności istotne było określenie wpływu technologii montażu na drgania względne w punkcie styku narzę- dzia i przedmiotu obrabianego.
Słowa kluczowe: drgania, tworzywo EPY, układ prowadnicowy, badania doświadczalne
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF DYNAMIC
PROPERTIES OF A MILLING TABLE - BED GUIDEWAYS WITH A LAYER OF EPY RESIN USED TO MOUNT
THE GUIDE RAIL
Summary
The paper presents results of experimental studies on the dynamic properties of a milling table and bed guideways mount. The investigations were conducted for two variants of an assembly process. First one was based on a commonly used technology, without any intermediate elements between bed and guide rail. Second method consists in application of EPY resin thin layer, implemented between those two surfaces.
In the paper dynamic characteristics of the object are presented. Modal analysis was carried out on the basis of those results. The assessment of influence of applied assembly method on the dynamic characteristics is presented as well. The analysis of influence of assembly technique on relative vibrations of tool and workpiece is discussed.
Keywords: vibrations, EPY resin, guiding system, experimental investigation
1. WSTĘP
Zadaniem układu prowadnicowego jest zapewnienie możliwości wzajemnego ruchu elementów korpusowych z określoną dokładnością. [1,20] Nie mniej istotne są właściwości statyczne oraz dynamiczne tych połączeń.
Obecnie, w budowie obrabiarek, obserwuje się trend, polegający na wypieraniu prowadnic ślizgowych przez prowadnice toczne. Obok wielu zalet prowadnic tocz- nych należy wymienić jedną ich wadę – układy te, w porównaniu z układami ślizgowymi, mają bardzo małe tłumienie [3]. Drgania wymuszone, powstające w trakcie obróbki, mogą przenosić się przez słabiej tłumioną strukturę MDS obrabiarki i powodować obniżenie jakości przedmiotów obrabianych oraz wpływać niekorzystnie na trwałość elementów obra- biarki. Szczególnie niepożądane jest przy tym zjawisko drgań samowzbudnych, mogące rozwijać się w dyna- micznym systemie obrabiarka – proces skrawania [9].
Dlatego też generalnie dąży się do zwiększania tłumie- nia w układzie lub stosuje się, często dość wyrafinowa- ne, techniki przeciwdziałania drganiom systemu O-PS [10,11,12]. Zwiększanie tłumienia układów prowadni- cowych realizuje się poprzez zastosowanie materiałów o lepszych właściwościach tłumiących od stali, np.
polimerobetonu [18].
Aby skutecznie kształtować właściwości dynamicz- ne obrabiarki, konieczny jest etap modelowania, zwy- kle z zastosowaniem metody sztywnych lub odkształ- calnych elementów skończonych [15] oraz etap badań doświadczalnych. Szczególnie przydatne są w tym przypadku metody eksperymentalnej analizy modalnej [4,6], które umożliwiają prognozowanie wibrostabilno- ści systemu O-PS [5].
Oprócz wymienionych aspektów, związanych z właściwościami dynamicznymi systemu O-PS oraz technikami badania i kształtowania tych właściwości, istotne są aspekty praktyczne. Wiążą się one z techno- logią montażu obrabiarki. Tradycyjny sposób montażu tocznych układów prowadnicowych polega na przykrę- ceniu szyn prowadnicowych do specjalnie przygotowa- nych powierzchni oporowych na elemencie korpuso- wym (rys. 1a). Aby osiągnąć wymagane dokładności i chropowatości powierzchni montażowych, należy element korpusowy poddać dokładnej obróbce gładko- ściowej, co jest kosztowne dla obrabiarek o dużych wymiarach. Dlatego też proponuje się modyfikację tej metody montażu poprzez zastosowanie warstwy po- średniej z tworzywa chemoutwardzalnego EPY, stoso- wanego z powodzeniem przy posadowieniach silników okrętowych [7]. Na rys. 1b pokazano schematycznie ideę montażu szyn prowadnicowych na warstwie pośredniej w układzie prowadnicowym obrabiarki skrawającej do metali.
a)
b)
Rys. 1. Schemat montażu szyn prowadnicowych a) sposób tradycyjny; b) na warstwie pośredniej
Przeprowadzone badania doświadczalne potwierdzi- ły, że zastosowanie cienkiej warstwy tworzywa EPY nie wpływa negatywnie na dynamiczne właściwości układu korpusowego, zaś sztywność utrzymywana jest na tym samym poziomie [13,17]. Możliwe jest również uzyskanie wymaganej dokładności posadowienia szyny prowadnicowej [14].
W pracy przedstawiono wyniki doświadczalnych badań właściwości dynamicznych połączenia prowad- nicowego. Celem tych badań było porównanie, czy montaż szyn prowadnicowych z użyciem EPY nie zmienia negatywnie właściwości dynamicznych badanej struktury MDS obrabiarki.
2. STANOWISKO BADAWCZE
Badania doświadczalne przeprowadzono dla repre- zentatywnego, tocznego połączenia prowadnicowego stołu i łoża frezarki. Badania te przeprowadzono dla dwóch wariantów montażu: klasycznego oraz z uży- ciem warstwy pośredniej z tworzywa chemoutwardzal- nego EPY. Przeprowadzone badania doświadczalne miały za zadanie ocenić zmianę właściwości dynamicz- nych połączenia prowadnicowego wywołaną zastoso-
waniem warstwy tworzywa EPY do montażu szyn prowadnicowych.
2.1 OBIEKT BADAŃ
Obiektem badań doświadczalnych było połączenie prowadnicowe stołu i łoża frezarki. Na rys. 2 pokazano model bryłowy badanego obiektu. Elementy korpusowe wykonane były z żeliwa szarego. Na łożu frezarki zamontowano parę szyn prowadnicowych, z którą współpracowały wózki prowadnicowe. Na każdej z szyn prowadnicowych znajdowały się trzy wałeczko- we wózki prowadnicowe. Posuw stołu realizowano za pomocą tocznej śruby pociągowej, która zlokalizowana była pomiędzy szynami prowadnicowymi. Podczas realizacji badań doświadczalnych stół znajdował się w środkowym położeniu.
Rys. 2. Widok badanego obiektu
2.2 PLAN BADAŃ
Badania doświadczalne zrealizowano jako tzw. kla- syczny test impulsowy. Podczas realizacji badań doświadczalnych monitorowano warunki badań, w szczególności temperaturę. Na rys. 3 pokazano schemat stanowiska pomiarowego. Wymuszenie impul- sowe realizowano przy użyciu młotka modalnego firmy Kistler o czułości ok. 10 mV/N. Przyspieszenia w punktach pomiarowych rejestrowano za pomocą czujników firmy PCB o czułościach około 5 mV/m/s2. Sygnały pomiarowe rejestrowano za pomocą urządze- nia typu Front-End SCADAS III, wyposażonego w 24 bitowe przetworniki sigma delta oraz filtry antyalia- singowe. Akwizycję sygnałów oraz dalsze przetwarza- nie zrealizowano w systemie Test Lab firmy LMS. Do identyfikacji parametrów modelu modalnego użyto algorytmu Polymax [16]. Na badanym obiekcie okre- ślono położenie 81 punktów pomiarowych, w każdym z nich mierzono odpowiedź w trzech ortogonalnych kierunkach. Wymuszenie realizowano w trzech punk- tach na trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.
Tak duża liczba punktów pomiarowych pozwoliła na dokładne odwzorowanie identyfikowanych postaci drgań. Na rys. 4 pokazano rozmieszczenie punktów pomiarowych na badanym obiekcie.
Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego Obiekt badano w dwóch wariantach. W obu stoso- wano tę samą konfigurację aparatury pomiarowej, rozmieszczenie punktów pomiarowych oraz te same parametry akwizycji i przetwarzania sygnałów. Badane warianty różniły się technologią montażu szyn pro- wadnicowych do korpusu. W pierwszym wariancie zastosowano tzw. montaż klasyczny. Polegał on na dociśnięciu szyny prowadnicowej do powierzchni oporowej poprzez wałeczki dociskowe. Technologia ta wymagała precyzyjnej obróbki współpracujących powierzchni. W dalszej części pracy wariant ten ozna- czono jako „bez EPY”. Drugi wariant polegał na wprowadzeniu pomiędzy szynę prowadnicową a łoże warstwy tworzywa chemoutwardzalnego. Zadaniem tej warstwy było wypełnienie ewentualnych nierówności pozostałych po obróbce skrawaniem oraz zwiększenie właściwości dyssypacyjnych tego połączenia.
Ten wariant montażu oznaczono jako „z warstwą EPY”. W celu uzyskania powtarzalności warunków badań, w obu wariantach, elementy korpusowe usta- wiono w takim samym względnym położeniu.
Rys. 4. Rozmieszczenie punktów pomiarowych i punktów wymuszenia na badanym obiekcie
2.3 MONTAŻ SZYN PROWADNICOWYCH
NA WARSTWIE TWORZYWA EPY
Istotnym etapem eksperymentu było zdemontowa- nie połączenia prowadnicowego oraz ponowne jego zmontowanie z zastosowaniem drugiego wariantu montażu „z EPY”. Konieczne było zachowanie zarów- no reżimów technologicznych, jak i warunków zapew- niających powtarzalność eksperymentu. Ograniczono do minimum liczbę operacji demontażu, mogących wpłynąć na właściwości dynamiczne obiektu. Montaż szyn prowadnicowych na warstwie tworzywa EPY
zrealizowano w następujący sposób. Otwory gwinto- wane w elemencie korpusowym zostały zabezpieczone przed przenikaniem płynnego tworzywa EPY za pomocą specjalnych podkładek, dodatkowo zabezpie- czono powierzchnie w okolicy montażu szyny prowad- nicowej przed „rozlaniem się” płynnego tworzywa EPY. Następnie wszystkie powierzchnie elementu korpusowego i szyny prowadnicowej, które miały styczność z tworzywem EPY, zostały pokryte cienką warstwą środka adhezyjnego. W kolejnym kroku na powierzchni elementu korpusowego rozprowadzono płynną warstwę tworzywa EPY o grubości ok. 2 mm.
Na tak przygotowanym elemencie korpusowym osa- dzono szynę prowadnicową. Delikatnie dokręcono główne śruby montażowe szyny prowadnicowej. Na- stępnie zamontowano i dokręcono wałeczki dociskowe.
Szyna prowadnicowa ustaliła się w ten sposób na bocznej powierzchni oporowej elementu korpusowego.
W kolejnym kroku zostały dokręcone główne śruby montażowe szyny prowadnicowej do wartości momen- tu zalecanego przez producenta szyn prowadnicowych.
Zabieg ten spowodował, że z przestrzeni pomiędzy szyną prowadnicową a elementem korpusowym został wypchnięty nadmiar tworzywa EPY. Tworzywo EPY wypełniło nierówności na styku powierzchni montażo- wych szyny prowadnicowej i elementu korpusowego.
Przed montażem wózków prowadnicowych i stołu frezarki odczekano do pełnego utwardzenia się two- rzywa EPY. Na rys. 5 przedstawiono widok zamonto- wanej szyny prowadnicowej po pełnym, trwającym około 24 godziny, utwardzeniu warstwy tworzywa EPY.
Założeniem, leżącym u podstaw tej technologii montażu, jest to, że tworzywo EPY można stosować dla powierzchni obrobionych zgrubnie; ewentualne nierówności po frezowaniu wypełnia tworzywo. Jednak w dokonanych badaniach (powierzchnie oporowe elementu łoża były szlifowane) testowany był jedynie wpływ warstwy EPY na właściwości dynamiczne połączenia. Wynikało to z dostępności elementów korpusowych, które można było poddać badaniom.
Rys. 5. Szyna prowadnicowa zamontowana poprzez warstwę EPY
3. WYNIKI BADAŃ
W rezultacie przeprowadzonego eksperymentu otrzymano kilkaset charakterystyk, opisujących dyna- mikę obiektu, w postaci częstotliwościowych funkcji odpowiedzi (FRF). W pierwszym etapie charaktery- styki te poddano procedurze weryfikacji. Na podstawie przebiegu funkcji koherencji określono zakres często- tliwości, w którym uzasadnione jest estymowanie parametrów modelu modalnego. Graficzna prezentacja wszystkich charakterystyk dla układu wielowymiaro- wego jest dość kłopotliwa. Dlatego na rys. 6 przedsta- wiono wskaźnik sumfrf, będący uśrednieniem, w dzie- dzinie częstotliwości, wszystkich wyznaczonych FRF.
Wykres ten pozwala jakościowo ocenić zgodność rozkładu częstotliwości rezonansowych porównywa- nych obiektów. Można zauważyć, że w całym zakresie częstotliwości rozkład rezonansów jest zbliżony. Więk- sze rozbieżności pojawiają się tylko w wąskim zakresie częstotliwości od 740 do 760 Hz.
Rys. 6. Funkcja sumfrf dla badanego obiektu Bardziej precyzyjne wnioski wyciągnąć można je- dynie na podstawie zbudowanych modeli modalnych.
Wyznaczony model dla montażu „bez EPY” ma 28 biegunów, zaś model dla montażu „z EPY” 31 biegu- nów. Każdy z tych modeli był walidowany niezależnie z użyciem kryterium autoMAC. Natomiast oba te modele porównano ze sobą za pomocą kryterium MAC – rys. 7.
Rys. 7. Macierz MAC dla obu wariantów badań doświadczal- nych
Należy zauważyć, że znacząca liczba elementów na głównej diagonali ma wartości większe od 80%. Świad- czy to o tym, że porównywane postacie drgań odpo- wiadają sobie, co jest korzystną informacją. Nie zmie- nia się bowiem znacząco model modalny obiektu, zależnie od wariantu montażu. Model dla montażu „z EPY” wykazuje trzy postacie drgań, przy częstotliwo- ściach 213 Hz, 550 Hz, 821 Hz, których nie zidentyfi- kowano dla modelu „bez EPY”. Jednoznaczne zidenty- fikowanie przyczyny tego faktu jest problematyczne.
Mogły się bowiem nałożyć na siebie pewne czynniki związane, z doskonaloną jeszcze, technologią montażu
„z EPY”.
Ze względu na fakt, że najistotniejszy wpływ na drgania samowzbudne, ale również na jakość obróbki, mają drgania względne przedmiotu obrabianego i narzędzia, sprawdzono poziomy amplitud rezonanso- wych w punkcie leżącym w geometrycznym środku stołu.
Rys. 8. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na
kierunku X
Na rys. 8 pokazano charakterystykę amplitudowo- częstotliwościową dla wymuszenia działającego na kierunku X i odpowiedzi na tym samym kierunku.
W zakresie częstotliwości od 5 Hz do ok. 700 Hz przebiegi charakterystyk amplitudowo- częstotliwościowych dla montażu „bez EPY”
i „z EPY” są bardzo zbliżone. Różnicą jest rezonans przy częstotliwości 821 Hz, występujący dla przypadku
„z EPY”. Na rys. 9 pokazano skrajne kadry animacji postaci drgań przy tej częstotliwości.
Rys. 9. Skrajne kadry animacji postaci drgań przy częstotli- wości 821 Hz.
Znaczące wartości przemieszczeń, przy częstotliwo- ści rezonansowej, zaobserwować można wyłącznie w przypadku punktów pomiarowych zlokalizowanych na stole frezarki. Ta postać drgań, przy częstotliwości 821 Hz, znacząco różni się od postaci, wyznaczonej na podstawie wyników badań dla pierwszego wariantu montażu. Najprawdopodobniej tak duże przemieszcze- nia stołu na kierunku X wywołane zostały zmniejszoną sztywnością połączenia: stół - wózki prowadnicowe.
Przypuszcza się, że zjawisko to wyniknęło z losowej zmiany właściwości dyssypacyjno-sprężystych połącze- nia tych elementów, powstałej w trakcie montażu stanowiska i przygotowywania go do drugiego warian- tu badań doświadczalnych.
Na rys. 10 pokazano charakterystykę amplitudowo- częstotliwościową obiektu, wyznaczoną na kierunku Y.
Poziomy amplitud są na tym kierunku o rząd wielkości mniejsze od tych, wyznaczonych na kierunku X.
Praktycznie w całym badanym zakresie częstotliwości, charakterystyka dla modelu „z EPY” ma niższe warto- ści niż „bez EPY”.
Rys. 10. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na
kierunku Y
Na rys. 11 pokazano charakterystykę amplitudowo- częstotliwościową wyznaczoną na kierunku Z. Obser- wowana zgodność wyznaczonych częstotliwościowych funkcji przejścia na tym kierunku świadczy o tym, że zastosowanie warstwy tworzywa EPY do montażu szyn prowadnicowych nie wpłynęło znacząco na zmia- nę właściwości dynamicznych badanego obiektu. Jest to korzystna informacja, drgania na tym kierunku mają bowiem duży wpływ na chropowatość po- wierzchni obrobionej. Możliwość zastosowania tańszej technologii montażu, bez utraty korzystnych właściwo- ści dynamicznych, świadczyć może o uzasadnionym jej stosowaniu.
Rys. 11. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa dla punktu pomiarowego na stole frezarki przy wymuszeniu na
kierunku Z
4. WNIOSKI
Przeprowadzony eksperyment dowiódł, że zastoso- wanie technologii montażu szyn prowadnicowych „z EPY” nie wpływa znacząco na zmianę właściwości dynamicznych połączenia prowadnicy tocznej z łożem.
Jedyna istotna różnica, objawiająca się znaczącym rezonansem przy częstotliwości 821 Hz, wynika ze zmian właściwości połączenia wózek – stół. Nie obar- cza zatem niekorzystnie połączenia z zastosowaniem tworzywa EPY.
Fakt ten jest niezwykle istotny. Pozwala on bo- wiem wnioskować o użyteczności tego wariantu mon- tażu w praktyce przemysłowej. Jeśli tworzywo nie modyfikuje znacząco właściwości dynamicznych połą- czenia, to może się okazać, że jego stosowanie spowo- duje znaczące oszczędności, wynikające z braku ko- nieczności szlifowania dużych powierzchni. Jest to szczególnie istotne w obrabiarkach o większych wymia- rach. Konieczne jest obecnie prowadzenie dalszych prac w kierunku doskonalenia tej technologii montażu, ze zwróceniem szczególnej uwagi na dokładność pozy- cjonowania elementów oraz trwałość połączenia.
Literatura
1. Aczerkan N.S.: Obliczanie i konstruowanie obrabiarek do metali. Wyd. 1. Warszawa: PWT, 1957.
2. Chang S.H., Kim P.J., Lee D.G. and Choi J.K.: Steel-composite hybrid headstock for high-precision grinding machine. “Composite Structures” 2001, 53, p. 1 - 8.
3. Dhupia J., Powałka B., Ulsoy G., Katz R.: Experimental identification of the nonlinear parameters of an indus- trial translational guide for machine performance evaluation. “Journal of Vibration and Control” 2008, 14, p.
645-668.
4. Chodźko M., Pajor M.: Badania modalne prototypu frezarki FV2 oraz prognoza jej wibrostabilności. „Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji” 2011, vol. 31, nr 2, s.143 – 151.
5. Chodźko M., Parus A.: Wpływ wyznaczania funkcji FRF obrabiarki na prognozę jej wibrostabilności. „Archi- wum Technologii Maszyn i Automatyzacji” 2011, vol. 31, nr 4, s. 145 – 154.
6. Chodźko M., Marchelek K.: Doświadczalne badania właściwości dynamicznych układów korpusowych obrabia- rek. Wybrane zagadnienia. inżynieria maszyn 2011, vol. 16, nr 1-2, s.67 – 81.
7. Grudziński K., Jaroszewisz W.: Posadawianie maszyn i urządzeń na podkładkach fundamentowych odlewa- nych z tworzywa EPY. Wyd. II; Szczecin: Zapol., 2005.
8. Lee D.G., Chang S.H., Ki., Kim H.S.: Damping improvment of machine tool columns with polymer matrix fiber composite material. “Composite Structures” 1998, 43, p. 155 - 163.
9. Marchelek K. Dynamika obrabiarek. Wyd. 2. Warszawa: WNT, 1991.
10. Marchelek K., Pajor M., Powałka B.: Vibrostability of the milling process described by the time-variable param- eters model. “Journal of Vibration and Control” 2002, Vol. 8, p. 467 - 479.
11. Marchelek K., Tomków J.: Vibrostability of a multidimensional machine tool-workpiece system. Part. I: Model- ing the mechanical structure and cutting process. “Journal of Vibration and Control” 1998, Vol. 4, p. 99 - 112.
12. Marchelek K., Tomków J.: Vibrostability of a multidimensional machine tool-workpiece system. Part II: An example of vibrostability analysis made on a vertical lathe. “Journal of Vibration and Control” 1998, Vol. 4, p.
113-130.
13. Okulik T., Powałka B., Marchelek K.: Parametry sztywnościowe i dyssypacyjne posadowienia tocznej szyny prowadnicowej na warstwie tworzywa EPY. „Modelowanie Inżynierskie” 2009, t.7, nr 38, s. 139 - 146.
14. Okulik T., Powałka B.: Wpływ warstwy tworzywa EPY na dokładność posadowienia tocznej szyny prowadnico- wej. „Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji” 2009, Vol. 29, nr. 2, s. 153 - 162.
15. Pajor M., Okulik T., Marchelek K., Chodźko M.: Badania właściwości dynamicznych układów korpusowych obrabiarek w procesie projektowo-konstrukcyjnym. „Modelowanie Inżynierskie” 2008, nr 35, s. 85 – 92.
16. Peeters B., Van Der Auweraer H., Guillaume P., Leuridan J.: The PolyMax frequency-domain method: a new standard for modal parameter estimation? “Shock and Vibration” 2004, 11 (3–4), p. 395 - 409.
17. Powałka B., Okulik T.: Dynamics of the guideway system founded on casting compound. “International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2012, Vol. 59, Iss. 1-4, p. 1 - 7.
18. Rahman M., Mansur M.A., Lee L.K., Lum J.K.: Development of a polymer impregnated concrete damping carriage for linear guideways for machine tools. “International Journal Machine Tools and Manufacture” 2001, 41, p. 431 - 441.
19. Suh J.D., Chang S.H., Lee D.G., Choi J.K., Park B.S.: Damping characteristics of composite hybrid spindle co- vers for high speed machine tools. “Journal of Materials Processing Technology” 2001, 113, p. 178 - 183.
20. Wrotny L.T.: Projektowanie obrabiarek zagadnienia ogólne i przykłady obliczeń. Wyd. 3. Warszawa: WNT, 1986.
