Identifying the causes of deterioration in the surface finish of a workpiece machined on a rail wheel lathe

• Autorzy: Lehrich K. , Wąsik M. , Kosmol J.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2018.3.2.

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja przyczyn pogorszenia stanu powierzchni obrabianej na tokarce kołowej

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Operational problems often remain undetected until a machine is commissioned and first machining is attempted. Heavy-duty machines are a specific group of machine tools due to the character of their manufacturing process. As they are often manufactured as single units, which involves high production costs, there are no prototype versions built and no tests are performed on them. Therefore, before the machine is complete, computer simulation methods are often the only validation tools of a machine project at the stage of designing. The variety of applications and the individuality of production are the reasons for the lack of standards defining the rigidity and precision of the cutting process performed by heavy machine tools. In this case analysis, the authors are considering a heavy duty rail wheel lathe, in which some issues were found during its exploitation which make it impossible to achieve the required shape, dimensions and surface finish, while working at set parameters. This article presents a comprehensive approach to the identification of the form and frequency of a machine tool supporting structure’s self-vibrations and their potential sources in the case study of a horizontal lathe for railway wheelsets. The authors, drawing on the results of their long-standing research and their experience in the field of heavy machine tool design and testing, indicate self-excited vibrations as a key factor machine’s operational behaviour, which is rarely considered in this type of machines.

PL

Problemy eksploatacyjne są często wykrywane dopiero po uruchomieniu maszyny i po pierwszych próbach obróbki. Obrabiarki ciężkie są specyficzną grupą maszyn do obróbki ze względu na charakter ich procesu produkcyjnego. W procesach produkcyjnych tego typu maszyn, ze względu na jednostkowy charakter produkcji i koszty, nie buduje się wersji prototypowych i nie wykonuje się na nich testów. Tym samym, przed wersją ostateczną, metody symulacji komputerowych są często jedynymi narzędziami walidacji projektu na etapie projektowania. Różnorodność zastosowań i indywidualność produkcji są przyczyną braku opracowanych norm określających sztywność i precyzję obróbki wykonywanej przez ciężkie obrabiarki. Autorzy rozpatrują przypadek tokarki ciężkiej do zestawów kół kolejowych, w której podczas eksploatacji stwierdzono pewne problemy, które uniemożliwiają wytwarzanie przy zadanych parametrach w celu osiągnięcia pożądanego kształtu, wymiarów i jakości powierzchni. W artykule przedstawiono kompleksowe podejście do identyfikacji kształtu i częstotliwości drgań własnych konstrukcji nośnej obrabiarki oraz ich potencjalnych źródeł, na przykładzie poziomej tokarki do zestawów kolejowych. Autorzy w swoich badaniach zgodnie z uzyskanymi wynikami i ich doświadczeniem z zakresu projektowania ciężkich obrabiarek i badań podkreślają drgania samowzbudne, które są rzadko brane pod uwagę w tego typu maszynach, ale mają znaczący wpływ na zachowanie modalne maszyny.

Słowa kluczowe

EN

self-excited vibrations; modal analysis; finite element method; machine tool CNC

PL

drgania samowzbudne; analiza modalna; metoda elementów skończonych; obrabiarka CNC

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 20, no. 3
• Strony: 352--358
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys. kolor.

Twórcy

autor

Lehrich K.

• Katedra Budowy Maszyn Politechnika Śląska Akademicka 2A, 44-Gliwice, Polska

autor

Wąsik M.

• Katedra Budowy Maszyn Politechnika Śląska Akademicka 2A, 44-Gliwice, Polska

autor

Kosmol J.

• Katedra Budowy Maszyn Politechnika Śląska Akademicka 2A, 44-Gliwice, Polska

Bibliografia

• 1. Altintas Y., Eynian M., Onozuka H., Identification of dynamic cutting force coefficients and chatter stability with process damping, CIRP Annals, 2008; 57, 371–374.
• 2. Bąk P.A., Jemielniak K., Numerical simulation of self-excited vibrations under variable cutting conditions Journal of Machine Engineering, 2015, 15 (1), 36–45.
• 3. Bąk P.A., Jemielniak K., Self-excited Vibrations Avoidance Methodology in Non-linear Numerical Simulation Environment, Procedia CIRP, 2017; 62, 245–249.
• 4. Budak E., Tunc L.T., Identification and modeling of process damping in turning and milling using a new approach, CIRP Annals, 2010; 59, 403–408.
• 5. Cai L, Zhang Z, Cheng Q, Liu Z, Gu P. A, Geometric accuracy design method of multi-axis NC machine tool for improving machining accuracy reliability. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2015; 17 (1): 143–155.
• 6. Cui X., Chen G., Zhao J., Yan W., Ouyang H., Zhu M., Field investigation and numerical study of the rail corrugation caused by frictional self-excited vibration, Wear, 2017; 376–377 (Part B), 1919–1929.
• 7. Ekberg A., Sotkovszki P., Anisotropy and rolling contact fatigue of railway wheels, International Journal of Fatigue, 2001; 23, 29–43.
• 8. Erdbrink C.D., Krzhizhanovskaya V.V., Differential evolution for system identification of self-excited vibrations, Journal of Computational Science, 2015; 10, 360–369.
• 9. Hervé B., Sinou J., Mahé H., Jézéquel L., Analysis of squeal noise and mode coupling instabilities including damping and gyroscopic effects, European Journal of Mechanics/A Solids, 2008; 27 (2), 141–160.
• 10. Hiensch M., Nielsen J.C.O., Verheijen E., Rail corrugation in The Netherlands - measurements and simulations, Wear, 2002; 253, 140–149.
• 11. Ibrahim R.A., Friction-induced vibration, chatter, squeal and chaos, part I: mechanics of contact and friction, ASME Applied Mechanics Reviews, 1994; 47 (7), 227–253.
• 12. Jablonski A., T. Barszcz T., Validation of vibration measurements for heavy duty machinery diagnostics, In Mechanical Systems and Signal Processing, 2013; 38 (1), 248–263.
• 13. Jemielniak K., Nejman M., Śniegulska-Grądzka D., Analytical and numerical determination of stability limit in turning, Journal of Machine Engineering, 2012; 17, 81–92.
• 14. Jemielniak K., Widota A., Numerical simulation of non-linear chatter vibration in turning, International Journal of Machine Tools & Manufacturing, 1989; 29, 239–247.
• 15. Jergéus J., Odenmarck C., Lundén R., Sotkovszki P., Karlsson B., Gullers P., Full-scale railway wheel flat experiments, Procedia Institute Mechanical Engineering Part F: Journal of Rail Rapid Transit, 1999; 213, 1–13.
• 16. Jin X., Wen Z., Rail corrugation formation studied with a full-scale test facility and numerical analysis, Procedia Institute Mechanical Engineering Part J: Engineering Tribology, 2007; 221, 675–698.
• 17. Kröger M., Neubauer M., Popp K., Experimental investigation on the avoidance of self-excited vibrations, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2008; 366 (1866), 785–810.
• 18. Kujan K., Investigations and analysis of repeatability of geometric deviation distribution in the machining process. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2008; 3 (39): 45–52.
• 19. Mikali nas S., ai i nas G., Lingaitis L.P., The analysis of wear intensity of the locomotive wheel – sets. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2004; 3 (23): 23–28.
• 20. Mottershead J., Vibration and friction induced instability in disks, Shock and Vibration Digest, 1998; 30 (1), 14–31.
• 21. Parida N., Das S.K., Tarafder S., Failure analysis of railroad wheels and manufacturing aspects, Engineering Failure Analysis, 2009; 16, 1454–1460.
• 22. Rusinek R., Warmiński J., Szabelski K., Teter A., Litak G., Lipski J., Zaleski K., Influence of changeable parameters of straight turning on final surface quality. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2001; 5 (12): 41–42.
• 23. Sheng X., Thompson D.J., Jones C.J.C., Xie G., Iwnicki S.D., Allen P., Hsu S.S., Simulations of roughness initiation and growth on railway rails, Journal of Sound and Vibration, 2006; 293, 819–829.
• 24. Spelsberg-Korspeter G., Structural optimization for the avoidance of self-excited vibrations based on analytical models, Journal of Sound and Vibration, 2010; 329, 4829–4840.
• 25. Stone D.H., Carpenter G.F., Wheel thermal damage limits, railroad conference, Procedia of the 1994 ASME/IEEE Joint, 1994.
• 26. Uriarte L., Zatarain M., Axinte D., Yagüe-Fabra J., Ihlenfeldt S., Eguia J., Olarra A., Machine tools for large parts, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2013; 62 (2), 731–750.
• 27. Urbikain G., Campa F.-J., Zulaika J.J., López de Lacalle L.N., Alonso M.A., Collado V., Preventing chatter vibrations in heavy-duty turning operations in large horizontal lathes, Journal of Sound and Vibration, 2015; 340, 317–330.
• 28. Urbikain G, Bureika G, Steinas S. Research on metal fatigue of rail vehicle wheel considering the wear intensity of rolling surface. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and reliability 2018; 20 (1): 24–29, http://dx.doi.org/10.17531/ein.2018.1.4.
• 29. Vaičiūnas G., Lingaitis L.P., The influence of railroad curves the wear of lubricated and unlubricated wheel flanges. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2010; 3 (47): 40–43.
• 30. Wąsik M., Kolka A., Machining Accuracy Improvement by Compensation of Machine and Workpiece Deformation, Procedia Manufacturing, 2017;