Metody badań konstrukcji obrabiarek specjalnych

W artykule przedstawiono dwie metody badań obrabiarek specjalnych produkowanych jednostkowo lub małoseryjnie: badania sztywności statycznej oraz badania własności dynamicznych metodą modalną. Opisy zawierają wyjaśnienie potrzeby stosowania badań doświadczalnych w warunkach przemysłowych, opis stanowisk badawczych oraz interpretację przykładowych wyników.

Proces produkcyjny obrabiarek specjalnych zazwyczaj można zaliczyć w większym udziale do produkcji jednostkowej lub małoseryjnej. Dlatego kluczowym zagadnieniem jest wdrożenie zadowalającej postaci konstrukcji już w pierwszym wyprodukowanym egzemplarzu. Wszelkie niepowodzenia mogą prowadzić do dotkliwych strat finansowych, które mogą wynieść znaczną część wartości sprzedażowej obrabiarki. W celu wprowadzenia udanego produktu na rynek konieczne wydaje się więc ciągłe udoskonalanie konstrukcji. Produkcję małoseryjną charakteryzuje możliwość wprowadzania zmian konstrukcyjnych do kolejnej produkowanej obrabiarki. Zmiany są możliwe do wdrożenia przed powstaniem dokumentacji do produkcji dzięki: ulepszaniu projektu konstrukcji (np. za pomocą obliczeń analitycznych i MES). Drugą metodą pozyskiwania ważnych informacji nt. konstrukcji jest przeprowadzanie badań w warunkach przemysłowych na zmontowanej obrabiarce poddanej uruchomieniu. Wyniki takich badań można wykorzystać do oceny poprawności konstrukcji oraz ich porównywania z wynikami podobnych typów obrabiarek.

Czym są obrabiarki specjalne

Obrabiarki specjalne można opisać jako obrabiarki zadaniowe do realizacji niestandardowych procesów technologicznych (rys. 1), np. do obróbki: zestawów kolejowych, wałów korbowych, elementów turbin wiatrowych itp. Z racji gabarytów przedmiotów obrabianych najczęściej zalicza się je do obrabiarek ciężkich.

Stosowane metody badań w warunkach przemysłowych dzieli się na badania statyczne (badania własności statycznych) i dynamiczne (własności dynamicznych). Dzięki badaniom statycznym można określić m.in. poziom odkształceń najważniejszych węzłów obrabiarki, natomiast dzięki badaniom dynamicznym – poziom oraz zakres drgań węzłów. Można zatem stwierdzić, że obydwa niepożądane zjawiska mają kluczowy wpływ na dokładność obróbki detalu.

Właściwa identyfikacja zachowania się komponentu obrabiarki pozwala na wychwycenie konkretnych węzłów, które mogą kwalifikować się do wprowadzenia zmian konstrukcyjnych lub całkowitego przeprojektowania. W przypadku obrabiarek specjalnych identyfikacja taka jest utrudniona ze względu na brak określonych ram uzyskanych wyników badań. Normy branżowe, np. BN-74/M-1522-02 Pomiar sztywności statycznej tokarek kłowych [1], obejmują jedynie konstrukcje uniwersalne produkcji seryjnej. Wspomniany problem świadczy o tym, jak ważną rolę odgrywają badania obrabiarek specjalnych w warunkach przemysłowych. Szczególnie ważne jest to przy uruchomieniach konstrukcji prototypowych i poprototypowych. Gromadzenie wyników i ich wzajemne porównywanie pozwalają na skuteczną ocenę badanych maszyn.

Identyfikacja obciążeń obrabiarki w czasie skrawania

W celu przeprowadzenia badań zarówno odkształceń, jak i własności dynamicznych obrabiarek należy określić, które węzły mechaniczne mają bezpośredni wpływ na dokładność i wydajność obróbki. W tym celu pomocna jest identyfikacja obciążeń obrabiarki w czasie skrawania. Taką przykładową identyfikację przedstawia rys. 2, na którym pokazano rozkład sił (i momentów) na obrabiarce podtorowej typu UGE 180N z uwzględnieniem siły skrawania. Schemat obciążeń można rozpisać jako równanie równowagi względem płaskiego układu współrzędnych (1):

gdzie: N1, N2 – nacisk rolek napędowych do koła kolejowego, N_doc – siła dociążająca zestaw kolejowy, F_sp – składowa siła skrawania promieniowa, F_so – składowa siła skrawania obwodowa, µ – współczynnik tarcia.

Po sporządzeniu schematu obciążeń obrabiarki łatwo jest dokonać selekcji zespołów konstrukcyjnych (węzłów) do dalszych analiz. W tym wypadku zaliczyć można następujące węzły: napęd główny (cierny napęd zestawu kolejowego), suporty (wraz z suwakami i imakami narzędziowymi), przesuwy suportów i układ dociążania zestawu. Wszystkie te węzły są w sposób bezpośredni lub pośredni mocowane do bramy obrabiarki – głównego kadłuba nośnego.

Wypadkowy błąd obróbki względem idealnego prowadzenia narzędzia wynika z kilku najważniejszych składowych: dokładności mocowania detalu, sztywności komponentu mechanicznego obrabiarki, dokładności i powtarzalności pozycjonowania napędów roboczych, dokładności sterowania numerycznego oraz odporności komponentu na wzbudzanie się drgań i innych, takich jak np. zużycie narzędzia. Dlatego istnieje potrzeba dokonywania analiz wielokryterialnych w celu udoskonalania postaci konstrukcyjnych obrabiarek specjalizowanych.

Badania sztywności statycznej komponentu obrabiarek specjalnych

Sztywność statyczną obrabiarek można opisać jako zdolność do przeciwstawiania się działającym siłom i momentom występującym w procesie obróbki. Obciążenia takie powodują odkształcenia sprężyste węzłów, mogące mieć znaczny wpływ na geometryczne odwzorowanie obrabianej powierzchni (rys. 3) [3].

Sztywność statyczną opisuje więc równanie sztywności:

gdzie: Q – siła lub moment działający w określonym miejscu, λ – odkształcenie występujące i mierzone w tym samym miejscu.

Galeria

Zobacz więcej