Metody badań konstrukcji obrabiarek specjalnych

Badania sztywności statycznej polegają na celowym obciążaniu wybranego komponentu obrabiarki przy jednoczesnym pomiarze odkształceń (w wybranym kierunku). Uzyskane wyniki można zapisać jako tzw. wskaźniki sztywności (im większa jest jego wartość, tym sztywniejszy jest węzeł obrabiarki).

Metoda badań

Do przeprowadzenia badań przemieszczeń komponentów obrabiarki potrzebne jest stanowisko badawcze wyposażone w specjalistyczny sprzęt. Przykłady kompletnego stanowiska stanowią: generator siły, przyrząd monitorujący wartość siły, przyrząd monitorujący przemieszczenie komponentu oraz rejestrator wyników. Możliwe jest przeprowadzenie doświadczeń, zadając pojedyncze obciążenia, jednak zaleca się prowadzenie badań w sposób ciągły (poprzez obciążanie elementu, a następnie jego odciążanie, otrzymując ciągły wykres w postaci pętli histerezy). Pozwala to na dokładniejszą analizę zachowania się elementu podczas zadania obciążeń. W zależności od przekroju poprzecznego można zauważyć znaczne różnice w uzyskiwanych wynikach.

Stanowisko do badań

Stanowisko do badań sztywności statycznej obrabiarek, które pozwala prowadzić doświadczenia w cyklu półautomatycznym (rys. 4, 5), opracowała Katedra Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej. Stanowisko składa się z trzech głównych bloków: toru wymuszenia, toru pomiarowego oraz toru sterowania. Wymuszenie jest realizowane za pomocą siłownika hydraulicznego. Ze względu na duże gabaryty elementów obrabiarki (nierzadko o masie kilkuset kilogramów lub nawet kilku ton) najlepszym sposobem generowania obciążenia jest hydraulika siłowa. Przed przeprowadzeniem badań należy jednak określić rząd siły generowanej przez siłownik. Wymusi on przemieszczenie elementu i jednocześnie nie spowoduje trwałych uszkodzeń badanego obiektu.

Odczyty

W torze pomiarowym dokonywane są dwa odczyty – uzyskanej siły dzięki umieszczonej podkładce tensometrycznej na tłoczysku siłownika oraz uzyskanemu przemieszczeniu za pomocą czujnika indukcyjnego, który jest mocowany do odizolowanego komponentu, tzw. ostoi. Sygnały z czujników są odpowiednio wzmacniane i przesyłane do karty analogowo-cyfrowej.

Za sterowanie całym procesem odpowiada autorskie oprogramowanie Katedry Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej, tzw. monitor sztywności [4]. Oprogramowanie umożliwia prowadzenie badania sztywności za pomocą dwóch metod: konwencjonalnej oraz dynamicznej DWSS (Dynamiczne Wyznaczanie Sztywności Statycznej) [5]. Generator (zasilacz) hydrauliczny jest wyposażony w proporcjonalny zawór przelewowy, który jest sterowany przez komputer PC. Dzięki temu uzyskuje się cykl wymuszenia w postaci przyrostu siły do maksimum, a następnie spadek do zera. Monitor sztywności generuje w trybie on-line wykres sztywności w trybie ciągłym. Zapisuje także wyniki w postaci pliku tekstowego do dalszej obróbki analizy.

Siłownik należy ustawiać do badanego komponentu w kierunku zgodnym z występującymi obciążeniami podczas normalnej pracy obrabiarki. Na przykładzie badań sztywności suwaka skrawającego można stwierdzić, że uzasadnione są obciążanie boczne (posuw w trakcie obróbki) oraz ścisk imaka narzędziowego (obciążenie od promieniowej siły skrawania) (rys. 6). Jeżeli na płycie suportowej lub suwaku znajdują się dodatkowe zespoły realizujące na przykład obróbkę lub pomiar detalu, zaleca się przeprowadzenie dodatkowych badań tych węzłów (rys. 7). Wszystkie badania zespołów przemieszczających, jeżeli pozwalają na to warunki montażowe, bada się przy różnych wysuwach. Badania najczęściej powtarza się kilkakrotnie. Pozwala to na opracowanie dokładniejszych wyników, precyzyjną analizę oraz odrzucenie wadliwych serii badań, np. błędów „grubych”.

Na rys. 6 pokazano mocowanie siłownika. Niedokładne doleganie płaszczyzny obudowy do płaszczyzny zespołu dociążania zestawów niejednokrotnie prowadziło do poślizgu czopa stykającego imak narzędziowy, a w konsekwencji do zarejestrowania niepoprawnej serii badań.

Przykładowe wyniki

Wyniki pomiarów sztywności statycznej można przedstawiać za pomocą wykresów w układzie siła – przemieszczenie. W wielu przypadkach wykresy takie charakteryzują się stosunkowo dużym polem histerezy (rys. 8, 9). Jak widać na wykresach (w szczególności na rys. 8), postacie wykresów są nieregularne, co pozwala na wyznaczenie tzw. lokalnych wskaźników sztywności, które mogą posłużyć do rozszerzonej analizy elementów.

Do wyznaczenia ogólnego wskaźnika sztywności obciążenia w określonym kierunku stosuje się uśrednienie wyników (prosta linia trendu pomiędzy obciążaniem i odciążaniem).

Pętla histerezy sztywności

Elementy o długim wysuwie i niewielkim przekroju poprzecznym wykazują się znacznym zwężeniem postaci pętli histerezy sztywności. Wykresami o małej pętli histerezy charakteryzują się elementy konstrukcyjne, w których dominująca jest sztywność postaciowa, a udział sztywności stykowej jest mniejszy. Suwak skrawający stanowi szeroką skrzynkę wykonaną z odlewu staliwnego. Suwak do obróbki tarcz hamulcowych poddany analizie ma kształt stalowej belki o przekroju kwadratowym, którego długość znacznie przekracza wymiary przekroju poprzecznego.

Ostateczną postacią wyników analizy sztywności są tzw. wskaźniki sztywności (wyznaczone jako stosunek maksymalnej siły do maksymalnego przemieszczenia) (rys. 10) [6]. Przykładowe zestawienie wskaźników sztywności suwaka skrawającego obrabiarki podtorowej UGE 180N wykazuje spadek sztywności w wyniku zwiększania wysuwu suwaka oraz znacznie większej sztywności w kierunku osi imaka narzędziowego, co świadczy o poprawności wykonanych doświadczeń.

Znając poziomy odkształceń w kierunkach zgodnych do sił skrawania występujących podczas obróbki, można wyznaczyć pola tolerancji dokładności odtworzenia, np. profilu koła w stosunku do zarysu profilu idealnego [7].

Badania własności dynamicznych komponentu obrabiarek specjalnych

Drugą z metod badań własności obrabiarek są badania własności dynamicznych. Autorzy prac badawczych [8, 9] określają kilka korzyści metody. Pozwala ona m.in. na wyznaczenie zbioru częstotliwości rezonansowych komponentu obrabiarki oraz określenie postaci drgań i prognozowanie wibrostabilności. Ze względu na sposób wymuszenia badania dynamiczne można prowadzić na trzy sposoby: wymuszenie modalne, bieg luzem obrabiarki lub normalne warunki pracy (skrawania). Najpopularniejszą jednak metodą dynamiczną do badań w warunkach przemysłowych są badania modalne. Polegają one na badaniu częstotliwości drgań swobodnych spowodowanych kontrolowanym wymuszeniem (najczęściej uderzeniem w określone miejsce tzw. młotkiem modalnym). Wynikiem takich badań jest zazwyczaj widmo z określoną liczbą częstości drgań własnych.

Galeria

Zobacz więcej