Promotor: dr hab. inż. Krzysztof KALIŃSKI, prof. nadzw. PG

Prezentacja na temat: "Promotor: dr hab. inż. Krzysztof KALIŃSKI, prof. nadzw. PG"— Zapis prezentacji:

1 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

2 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

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

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

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

6 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

7 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

8 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

9 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

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

11 Optymalny sygnał sterujący:
Sterowanie optymalne Optymalny sygnał sterujący: 11

12 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

13 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

14 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 = obr/min (stała prędkość obrotowa) RMS=0,0907 mm ach=0,0491 mm 14

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

16 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

17 Schemat stanowiska badawczego
17

18 Oprogramowanie Pomiary Analiza danych 18

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

20 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

21 Programy prędkości obrotowej wrzeciona
wykorzystane podczas badań eksperymentalnych S15k – stała prędkość obrotowa obr/min. S16k5 – stała prędkość obrotowa 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

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

23 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

24 Frez prowadzony pod kątem  = 0°
n = 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

25 Frez pochylony pod kątem  = 45°
n = 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

26 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

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

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

29 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

30 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

31 Dziękuję za uwagę Prace wykonane w ramach:
projektu badawczego MNiI nr 5 T07C projektu badawczego MNiI nr 4 T07D 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