Metody badań konstrukcji obrabiarek specjalnych

Metoda badań

Metoda modalna jest znacznie łatwiejsza i szybsza w stosunku do badań sztywności statycznej. Stanowisko badawcze zazwyczaj ogranicza się do toru wymuszenia (młotek modalny z możliwością regulacji masy i wymiennością końcówek oraz piezoelektryczne sejsmiczne czujniki przyspieszeń, mocowane za pomocą magnesów lub specjalnego kleju przewodzącego drgania). Młotek wyposażony jest dodatkowo w przetwornik siły. Czujniki są połączone z kartą analogowo-cyfrową, gdzie zostają przetwarzane sygnały, które następnie są rejestrowane za pomocą komputera pomiarowego. Całość aparatury zajmuje stosunkowo mało miejsca i jest mobilna, co pozwala na wszechstronne i wielopunktowe przeprowadzanie badań.

Przykłady badań

Przykładem badań modalnych są badania tokarki karuzelowej ciężkiej typu TCW 3100 do skrawania elementów wielkogabarytowych wałów korbowych (rys. 11) [9]. Najbardziej newralgicznym węzłem konstrukcji w tym wypadku są: belka suportowa typu Gantry (jezdna na dwóch łożach po prowadnicach tocznych), kolumny i stół. Umiejscowienie aparatury i sposób wymuszania przedstawiono na rys. 12 [9].

W niektórych przypadkach badań wielkogabarytowych obrabiarek ciężkich zakres młotka modalnego jest niewystarczający. W takim wypadku zaleca się stosowanie wzbudnika (badania takie nazywane są testami MIMO) [8]. Wzbudniki to najczęściej hydrauliczne generatory umożliwiające uzyskanie dowolnego sygnału wymuszającego o większej sile niż standardowe młotki modalne (rys. 13) [8].

Przykładowe wyniki

Podstawowym wynikiem badań modalnych jest widmo zawierające dane o: ilości, amplitudzie i wartości częstotliwości drgań własnych. Niesie to ze sobą informacje nt. parametrów drgań wybranych węzłów obrabiarki (rys. 14) [9].

Liczba uzyskanych „pików” jest zależna od kierunku wprowadzenia wymuszenia impulsowego oraz kierunku ustawienia czujnika przyspieszeń. Szczególną uwagę należy zwracać na częstości występujące w niższych wartościach częstotliwości. Te postacie drgań mogą być najczęstszą przyczyną powstania rezonansu lub drgań samowzbudnych obrabiarki podczas skrawania. W wyniku pominięcia podczas badań niektórych częstotliwości warto wyniki doświadczalne porównać z wynikami symulacji metodą elementów skończonych (tab. 1) [9]. Należy pamiętać o istotnej kwestii – jeżeli obrabiarka w swojej postaci konstrukcyjnej posiada wywiązane elementy zespołów (np. oddzielnie osadzony stół mocowania detalu od kolumn suportowych), to wymagane jest osobne badanie tych węzłów, gdyż fundament maszyny należy traktować jako izolator, co może spowodować odmienne wyniki.

Przy bardziej złożonych badaniach dynamicznych w dalszej analizie tworzy się tzw. model modalny obrabiarki (rys. 15) [8]. Pozwala on na pełny przegląd wyników, stwierdzenie oraz przewidzenie ewentualnych zagrożeń wpadania obrabiarki w rezonans. Jeżeli w wyniku badań stwierdzimy, że częstotliwości rezonansowe są znacząco wyższe od częstotliwości pracy zespołów obrabiarki (działanie napędów, posuwy zespołów czy skrawanie), to wniosek jest pozytywny. Obrabiarka może bezpiecznie pracować w całym zakresie parametrów obróbki bez obaw o wystąpienie drgań rezonansowych.

Podsumowanie i wnioski

W podsumowaniu można stwierdzić, że obydwie metody badawcze obrabiarek specjalnych, tj. badanie sztywności statycznej oraz badanie własności dynamicznych, znacznie się różnią od siebie. Ostatecznie prowadzą do tego samego celu – wydajnej i poprawnej pracy obrabiarki. Warto wspomnieć, że uzyskane wyniki obu typów badań należy uwzględnić w procesie projektowo-produkcyjnym obrabiarek specjalnych, tak aby konstrukcja obrabiarki była zarówno odporna na odkształcenia w wyniku działania sił podczas swojej pracy, jak i jednocześnie nie wykazywała drgań w pełnym paśmie parametrów obróbki. Zapewnienie stabilnej pracy obrabiarki odwzorowuje się dokładnym prowadzeniem narzędzia po przedmiocie obrabianym, tj. zgodnym z programem obróbki CNC i odpowiednią jakością obrobionej powierzchni profilu koła kolejowego lub powierzchni tarczy hamulcowej (rys. 16).

Produkcja jednostkowa lub małoseryjna obrabiarek wymusza prowadzenie badań w warunkach przemysłowych. Brak odpowiednich unormowań dotyczących obrabiarek specjalnych zezwala jedynie na intuicyjną i porównawczą ocenę konstrukcji, odbywającej się najczęściej na zasadzie porównania z innymi obrabiarkami podobnego typu. Dlatego tak ważne są badania w warunkach przemysłowych. Weryfikacja konstrukcji, np. za pomocą badań symulacyjnych (MES), nie daje nam pewności co do rzeczywistych parametrów maszyny.

Publikacja częściowo powstała w ramach projektu pt. „Doktoraty wdrożeniowe – rozwój innowacyjnych technologii Przemysłu 4.0.”, umowa nr 12/DW/2017/01/1 z dnia 7.11.2017 r.

Piśmiennictwo

1. BN-74 1522-02 Pomiar sztywności statycznej tokarek kłowych – warunki i sposób pomiaru. Wydawnictwa Normalizacyjne, 1974.
2. https://www.rafamet.com/pl/produkty/tokarki-karuzelowe/do-150-ton-kci-dwustojakowe [dostęp: 25.06.2019 r.].
3. Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika – tom I, nauki matematyczno-fizyczne, materiałoznawstwo. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988.
4. Kaźmierczak M., Śliwka J., Kosmol J., Jemielniak K.: Monitor sztywności – narzędzie do wspomagania wyznaczania sztywności obrabiarek. Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej, 2004.
5. Kosmol J., Śliwka J.: Sposób wyznaczania sztywności statycznej obrabiarek. Opis patentowy nr PL 193916. 2000.
6. Śliwka J., Pochopień T.: Sztywność statyczna tokarki do obróbki profili kół pojazdów szynowych. „Stal Metale & Nowe Technologie”, nr 5-6/2018.
7. PN-EN 13715 Kolejnictwo, zestawy kołowe i wózki, koła, zewnętrzne zarysy wieńców kół. Polski Komitet Normalizacyjny, 2008.
8. Chodźko M., Marchelek K.: Doświadczalne badania właściwości dynamicznych układów korpusowych obrabiarek. Wybrane zagadnienia. „Inżynieria Maszyn”, z. 1-2/2016, rozdz. 16.
9. Oryński F., Pawłowski W., Bechciński G., Bojanowski S.: Określenie dynamicznych właściwości zespołów karuzelowej tokarki do wykorbień wałów za pomocą badań modalnych. „Inżynieria Maszyn”, z. 4/2010, rozdz. 15.

Może Cię również zainteresować >>

Galeria

Zobacz więcej