Promotor: dr hab. inż. Krzysztof KALIŃSKI, prof. nadzw. PG Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Mechaniki i Wytrzymałości Materiałów Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona Marek GALEWSKI Promotor: dr hab. inż. Krzysztof KALIŃSKI, prof. nadzw. PG 1

Tendencje i problemy nowoczesnej obróbki frezowaniem Obróbka szybkościowa - duże prędkości skrawania i posuwu Obróbka „na gotowo”, z małymi naddatkami Złożona geometria wyrobu Smukłe narzędzia Ograniczenia Prędkość maksymalna Moc napędu głównego Dynamika zmian prędkości obrotowej Większe zużycie narzędzia drgania względne narzędzie-przedmiot obrabiany utrata stabilności drgania samowzbudne typu chatter pogorszenie jakości obrobionej powierzchni, szybsze zużycie narzędzia 2

HSM – obróbka szybkościowa Prędkość skrawania: prędkość obrotowa narzędzia szerokość śladu kąt pochylenia osi narzędzia 150-700 17000 4 0°-45° m/min obr/min mm 3

Przykład procesu obróbkowego Frezowanie szybkościowe frezem kulistym vf = 15 m/min n = 24000 obr/min 4

Tematyka pracy Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona 5

Tezy pracy Nadzorowanie drgań z wykorzystaniem dużej, zmiennej prędkości obrotowej jest efektywne z punktu widzenia obniżenia poziomu wartości skutecznej (RMS) przemieszczeń jak i redukcji amplitudy widma drgań samowzbudnych typu chatter Nadzorowanie drgań prowadzi do poprawy jakości procesów frezowania szybkościowego na nowo-czesnych maszynach technologicznych 6

Przedmiot i zakres badań Modelowanie dynamiki procesu skrawania Prognozowanie rezultatów nadzorowania drgań narzędzia Nadzorowanie drgań z zastosowaniem zmiennej prędkości przy dużych prędkościach obrotowych wrzeciona Weryfikacja doświadczalna 7

Schemat procesu frezowania Sztywny układ nośny obrabiarki Małe stałe czasowe napędu Wrzeciono z frezem i stół z przedmiotem - układy wykonujące ruchy względne Narzędzie wiruje z prędkością obrotową n Prędkość posuwu przedmiotu obrabianego vf Chwilowe położenie umownego punktu styku ostrza z przedmiotem – element sprzęgający nr l – bieżący kąt l(t) Założenie: wypadkowa siła skrawania w płaszczyźnie ortogonalnej Siła główna skrawania Fyl1 – w kierunku nominalnej prędkości skrawania Siła poprzeczna Fyl2 – w kierunku zmiany grubości warstwy hl Składowa Fyl3=0 8

Modele dynamiki skrawania Model dynamiki skrawania, dla umownego punktu styku ostrza z przedmiotem obrabianym: Model proporcjonalny efekty wewnętrznej i zewnętrznej modulacji grubości warstwy wyjście ostrza z przedmiotu obrabianego } Model Nosyriewej-Molinariego wpływ prędkości obrotowej i szybkości zmian grubości warstwy 9

Energetyczny wskaźnik jakości: Sterowanie optymalne Równanie dynamiki: Energetyczny wskaźnik jakości: Q1, Q2 – macierze bezwymiarowych współczynników wagowych R – macierz efektu sygnałów sterujących 10

Optymalny sygnał sterujący: Sterowanie optymalne Optymalny sygnał sterujący: 11

Sterowanie optymalno-liniowe Gdy n(t)=nmax  liniowa zmiana n(t) od nmax do n0 TO – czas liniowej zmiany prędkości obrotowej tj – czas początku nr j liniowej zmiany prędkości obrotowej 12

Schemat procedury nadzorowania Dyskretny model układu mechanicznego Dobór parametrów (nmax, Q1,Q2,R, To) start Dobór parametrów (kdl, l, ) Symulacja dla programu zmiennej prędkości obrotowej Symulacja dla stałej prędkości obrotowej Zadowalające? nie tak Porównanie wyników symulacji z pomiarami (porównanie RMS i ach) Realizacja programu i pomiary Weryfikacja trafności (porównanie RMS i ach) Zadowalające? nie tak stop 13

Symulacje komputerowe Prowadzone w autorskim programie symulacyjnym MADEM Parametry przykładowej symulacji: kdl = 11010 N/m2 l = 0,3  = 4,7104 Ns/m ap = 0,3mm l = 125 mm n0 = 16500 obr/min (stała prędkość obrotowa) RMS=0,0907 mm ach=0,0491 mm 14

Symulacje komputerowe RMS=0,0898 mm ach=0,0213 mm prędkość obrotowa 15000+1500 obr/min Q1 = Q1·I Q1 = 1 Q2 = Q2·I Q2 = 750000 TO = 0,5 s 15

Symulacje komputerowe qRMS qch model proporcjonalny model Nosyriewej-Molinariego badania eksperymentalne T0 T0 100% = RMS przemieszczeń przy frezowaniu ze stałą prędkością obrotową 100% = ach przy frezowaniu ze stałą prędkością obrotową 16

Schemat stanowiska badawczego 17

Oprogramowanie Pomiary Analiza danych 18

Badania doświadczalne Alcera Gambin 120CR + elektrowrzeciono S2M Mikron VCP 600 sterownik : moc napędu głównego : prędkość obrotowa : NUM 1060 70 KW do 35000 obr/min 5 osi Heidenhain iTNC 530 30 KW do 20000 obr/min 3 osie 19

Warunki obróbki stop aluminium EN AW-2017A brąz CC331G, stal C45 Frezowanie pełne, współbieżne i przeciwbieżne Frez kulisty FETTE ø 16 mm, l = 160 mm 2 ostrza skrawające Materiały: stop aluminium EN AW-2017A brąz CC331G, stal C45 Prędkość posuwu: vf = 3000 mm/min Głębokości skrawania (stop aluminium): kąt 0° ap = 0,3 mm kąty 15°, 30°, 45° ap = 0,2 mm 20

Programy prędkości obrotowej wrzeciona wykorzystane podczas badań eksperymentalnych S15k – stała prędkość obrotowa 15000 obr/min. S16k5 – stała prędkość obrotowa 16500 obr/min. Z04 – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 1500016500 obr/min, czas przełączania co 0,4 s. Z05 – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 1500016500 obr/min, czas przełączania co 0,5 s. Zl – zmienna prędkość obrotowa w zakresie 1475015250 obr/min, przełączanie w chwilach losowych. 21

Programy prędkości obrotowej wrzeciona n = 15000  16500 obr/min zmiany co 0,4 s Z05 n = 15000  16500 obr/min zmiany co 0,5 s 22

Program prędkości losowo zmiennej niewielkie zmiany prędkości w otoczeniu wartości nominalnej (‑/+ 250 obr/min) Mniejszy zakres zmian  domniemana niższa skuteczność nadzorowania chwile przełączeń wyznaczane jako ciąg pseudolosowy konieczność dostosowania programu do możliwości obrabiarki Zl 23

Frez prowadzony pod kątem  = 0° n = 16500 obr/min n = 15000÷16500 obr/min przełączenia co 0,4 s n = 14750÷15250 obr/min przełączenia losowe 0,5 0,5 0,5 RMS = 0,088 mm RMS = 0,076 mm RMS = 0,083 mm przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] -0,5 -0,5 -0,5 czas [s] 5 czas [s] 5 czas [s] 5 0,25 0,25 0,25 ach = 0,067 mm ach = 0,023 mm ach = 0,048 mm przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] częstotliwość [Hz] 1000 częstotliwość [Hz] 1000 częstotliwość [Hz] 1000 stop aluminium EN AW-2017A , frezowanie pełne, vf = 3000 mm/min,  = 0°, ap = 0,3 mm 24

Frez pochylony pod kątem  = 45° n = 16500 obr/min n = 15000÷16500 obr/min przełączenia co 0,4 s n = 14750÷15250 obr/min przełączenia losowe 0,5 0,5 0,5 RMS = 0,174 mm RMS = 0,118 mm RMS = 0,121 mm przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] -0,5 -0,5 -0,5 czas [s] 5 czas [s] 5 czas [s] 5 0,25 0,25 0,25 ach = 0,221 mm ach = 0,071 mm ach = 0,083 mm przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] częstotliwość [Hz] 1000 częstotliwość [Hz] 1000 częstotliwość [Hz] 1000 stop aluminium EN AW-2017A , frezowanie pełne, vf = 3000 mm/min,  = 45°, ap = 0,2 mm 25

Rezultaty nadzorowania w odniesieniu do jakości powierzchni S15k Z04 Z05 Zl =0° S16k5 Ra=1,38 Ra=1,50 Ra=1,52~3,90 Ra=1,88~1,94 Ra=2,48~3,62 S15k S16k5 Z04 Z05 Zl =45° Ra=9,20 Ra=8,80 Ra=1,46 Ra=1,34 Ra=0,98~1,30 Ra=7,60 Ra=1,32 26

Ocena skuteczności stop aluminium EN AW-2017A , frezowanie pełne qch qRMS 27

Ocena skuteczności Inne materiały qch qRMS brąz CC331G qRMS qch stal C45 28

Poprawa jakości procesu skrawania Wnioski Poprawa jakości procesu skrawania Redukcja RMS i maksimum amplitudy widma drgań chatter Poprawa jakości wykonania powierzchni (obniżenie Ra) Skuteczność nadzorowania potwierdzona metodami symulacji komputerowych i eksperymentalnie dla różnych materiałów Programy deterministyczne - lepsze wyniki dla narzędzia prowadzonego prostopadle do powierzchni Programy losowe - lepsze wyniki przy dużych kątach pochylenia narzędzia - uniknięcie niepożądanych efektów 29

Ograniczenia proponowanej metody Wnioski Możliwość praktycznej realizacji proponowanej metody na nowoczesnych centrach obróbkowych Ekonomiki badań Efekt naukowy i stosowany uzyskany przy niskich nakładach Ograniczenia proponowanej metody Własności sterowników maszyn Maksymalna moc napędu i maksymalne prędkości obrotowe 30

Dziękuję za uwagę Prace wykonane w ramach: projektu badawczego MNiI nr 5 T07C 037 25 projektu badawczego MNiI nr 4 T07D 007 30 dotacji podmiotowej MNiI (decyzja 155/E-359/SPB/Współpraca z PR UE/DIE 485/2004) Badania wykonane we współpracy z: Université Paul Verlaine - Metz oraz Ecole Nationale d’Ingénieurs de Metz (Francja) – frezarka Alcera-Gambin 120CR Zakładem Budowy Maszyn i Oprzyrządowania Produkcji LONZA w Gdańsku – frezarka Mikron VCP600 31