Wpływ wybranych zespołów obrabiarek do skrawania z dużymi prędkościami na dokładność obróbki

• Autorzy: Lehrich K.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Rozwój obrabiarek skrawających w kierunku obróbki szybkościowej wymaga innego podejścia do projektowania. Wysokie parametry obróbki przyczyniają się do znacznego wzmocnienia niekorzystnych zjawisk, takich jak: poziom drgań czy odkształceń cieplnych. Duże znaczenie dla zmniejszenia kosztów procesu przygotowania produkcji i wyboru najlepszego rozwiązania konstrukcyjnego maja metody symulacyjne takie jak np. Metoda Elementów Skończonych. W niniejszej pracy zaproponowano metodykę wspomagania projektowania napędów głównych i posuwowych obrabiarek przeznaczonych do obróbki szybkościowej ze względu na wymaganą dokładność obróbki. Proponowaną metodykę wspomagania projektowania opracowano na podstawie badań symulacyjnych i eksperymentalnych wybranych podzespołów obrabiarek do obróbki szybkościowej. Należy do nich wrzeciennik tokarski oraz dwie sterowane numerycznie osie posuwów szybkich. W metodyce wspomagania projektowania uwzględniono równoczesne badania modelowe sztywności oraz badania termiczne. W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych zbudowano modele zespołów w konwencji metody elementów skończonych. Dla oceny przydatności proponowanego podejścia zbudowano lub wykorzystano już istniejące stanowiska pomiarowe i przeprowadzono weryfikacyjne badania eksperymentalne. Na tej podstawie każdorazowo oceniano stopień adekwatności opracowanego modelu. Wpływ wybranych podzespołów na dokładność obróbki określono poprzez porównywanie otrzymanych przemieszczeń cieplnych i przemieszczeń od sił skrawania na etapie projektu wstępnego obrabiarki do obróbki szybkościowej pozwala na przewidywanie wielkości przemieszczeń z rozbieżnościami wynoszącymi ok. 15-30% dla układów napędowych ruchu głównego i 10-20% dla układów napędowych ruchu posuwowego. W pracy wykazano również, iż zaproponowane algorytmy wspomagania konstruowania napędu głównego i posuwowego pozwalają na identyfikację najistotniejszych przemieszczeń wywołanych ciepłem i siłami skrawania a w rezultacie na zmianę cech konstrukcyjnych w celu osiągnięcia wymaganej dokładności obróbki. Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano wnioski utylitarne dotyczące analizowanych podzespołów. Pracę zakończono przedstawieniem przykładów praktycznego zastosowania proponowanej metodyki wspomagania konstruowania w przypadku kilku wybranych obrabiarek.

EN

Development of machine tools into High Speed Machining direction requires specific approaches to design. High cutting parameters can emphasize some undesirable phenomena, e.g. increase in level of vibrations of thermal displacements. The simulation methods, like Finite Analysis, have the great meaning for costs reduction of production preparation process and choice the best design solution. The methodology of aided design of high speed machining main drives and feed drives for the sake of machining accuracy was proposed in the doctor's thesis. Proposed methodology of designing based on simulation analyses and experimental research for selected parts of HSM machine tools was developed. The headstock with electro-spindle and two numerically controlled high speed feed drives were analyzed. In proposed methodology the stiffness analyses and the thermal analyses were taken into account simultaneously. In order to investigate of simulation research the FEA models of selected subassemblies was made. Existing and new built measuring stands were used for experimental works. Each simulation results were compared with experimental results and adequacy of both results were estimated. The influence of selected subassemblies on accuracy of machining through comparison of obtained displacements with numerical normal tolerance IT for exemplary workpieces was determined.

Słowa kluczowe

EN

MES; high speed machining; machine cutting; hemming machine

• Wydawca: Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska
• Czasopismo: Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2005
• Tom: nr 2
• Strony: 5--151
• Opis fizyczny: Bibliogr. 79 poz.

Twórcy

autor

Lehrich K.

• Katedra Budowy Maszyn Politechnika Śląska, 44-100 Gliwice, ul.Konarskiego 18A tel. [phone],

Bibliografia

• [1] Bossmanns B., Tu J.F.: A thermal model for high speed motorized spindles, Inter¬national Journal of Machinę Tools & Manufacture 39 (1999), 1999, s.1345-1366.
• [2] Brzoska W.: Finite element research of vertical lathes supporting structure. Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn Nr 2/2001. Gliwice 2001. s. 23-32.
• [3] Buchman K., Jungnickel G. Przekazywanie ciepła w urządzeniach wytwórczych, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1978.
• [4] Campos Bicudo L.A.M., Sokołowski A., Gomes de OHveira J.F., Dornfeld D.A.: Compensation of thermal deformation on cylindrical grinding machines using neural networks. Proceedings of The 1994 Japan-U.S.A. Symposium on Flexible Automation, Kobe 1994.
• [5] Campos Bicudo L.A.M., Sokołowski A., Gomes de OlWeira J.F., Dornfeld D.A.: Thermal compensation of grinding machines using neural networks. Proceedings of the IV International Conference on Monitoring and Automatic Supervision in Manufacturing, Miedzyszyn/Warszawa 1995.
• [6] Chen T.-Y., Wei W.-J., Tsai J.-C.: Optimum design of headstocks of precision lathes, International Journal of Machinę Tools & Manufacture 39 (1999), 1999, s. 1961-1977.
• [7] Chrapek K., Iżykowski S., Koch T.: Modelowanie i symulacja układów kinema¬tycznych typu hexapod. „Automatyzacja produkcji 2000. Wiedza- Technika -Postęp". T. 2 Referaty sesyjne. Prace Nauk. ITMiA PWr. Nr 78, serii Konferencje nr 36. Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 2000, s. 67-70.
• [8] Gebert K., Ronde U.: Motorspindles. Schulz H. „Hochgeschwindig-keitsbearbeitung = High-Speed Machining", Miinchen; Wien : Hanser, 1996, s. 174-175.
• [9] Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów metalowych. WNT Warszawa 1998.
• [10] Hatamura Y., Nagao T., Mitsuishi M„ Kato K., Okumura T.: Development of an Intelligent Machining Center Incorporating Active Compensation for thermal Dis- tortion. Annals of the CIRP Vol. 42/1/1993, s. 549-552.
• [11] Honczarenko J., Iżykowski S. (red.), Koch T., Kosmol J., Krzyżanowski J„ Owczarek A., Szafarczyk M.: Nowości i tendencje w rozwoju maszyn wytwór-czych. „Automatyzacja produkcji 2000. Wiedza- Technika -Postęp". T. 1 Referaty plenarne. Prace Nauk. ITMiA PWr. Nr 78, serii Konferencje nr 36. Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 2000, s. 203-230.
• [12] Horejś O.: A Thermal Model for High Speed Motorized Spindle, Proc. of the Machinę Tools, Automation and Robotics in Mechanical Engineering, MATAR Praha 2004, Praha 2004, s.299-303.
• [13] Huang S.-C, Analysis of a Model to Forecast Thermal Deformation of a Bali Screw Feed Drive Systems,. Elsevier, Int. J. Match. Tools Manufact. Vol. 35. No. 8., 1995 s. 1099-1104.
• [14] Hung J.-P., Shih-Shyn Wu J„ Chiu J.Y.: Impact failure analysis of re-circulating mechanism in bali screw, Elsevier, Engineering Failure Analysis 11 (2004), 2003, s. 561-573.
• [15] Iżykowski S., Górski P.: Techniki badań symulacyjnych w procesie projektowo-konstrukcyjnym maszyn wytwórczych. .Automatyzacja produkcji 2000. Wiedza-Technika -Postęp". T. 2 Referaty sesyjne. Prace Nauk. ITMiA PWr. Nr 78, serii Konferencje nr 36. Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 2000, s. 111-114.
• [16] Jędrzejewski J., Kowal Z., Winiarski Z.: Computer simulation in machinę tool features design. "IX Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining Systems Manufacturing Simulation for Industrial Use". Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 1998, s. 268-274.
• [17] Jędrzejewski J., Kwaśny W.: Artificial Intelligence Tools in Diagnostics of Ma¬chinę tool Drives. Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996, s. 411-414.
• [18] Jędrzejewski J., Modrzycki W.: A New Approach to Modelling Thermal Behav-iour of a Machinę Tool under Service Conditions. Annals of the CIRP Vol. 41/1/1992.
• [19] Jędrzejewski J.: Effect of the thermal contact resistance on thermal behawior of the spindle, International Journal of Machinę Tools & Manufacture 28 (4) (1988), 1988, s. 409-416.
• [20] Jemielniak K.: Obróbka Skrawaniem. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998.
• [21] Jianguo Yang, Jingxia Yuan, Jun Ni: Thermal error mode analysis and robust modeling for error compensation on a CNC turning center. International Journal of Machinę Tools & Manufacture 39 (1999) 1367-1381.
• [22] Jungnickel G.: Simulation des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Lehre Forschung Praxis. Schriftenreihe des Lehrstuhls fur Werkzeugmaschinen. Lehrstuhls fiir Werkzeugmaschinen, Dresden 2000.
• [23] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej, 1971.
• [24] Kim S.K, Cho D.W.: Real-time estimation of tempei screw system, 1997 Elsevier Science Ltd.
• [25] Kim S.-M, Lee S.-K.: Prediction of thermo-elastic bi system considering bearing surroundings, Internation: & Manufacture 41 (2001), 2001, s. 809-831.
• [26] Ko T. J, Gim T.W, Ha J.Y.: Particular behavior of spi thermal bending, International Journal of Machinę (2003), 2003, s. 17-23.
• [27] Koch J.: Wytwarzanie a informatyka. Mechanik 1998
• [28] Kosmol J.: Automatyzacja obrabiarek i obróbki ski 1995,2000, s. 215-216.
• [29] Kosmol J„ Lehrich K, Niedbała M.: "FEM Model chine". In-ternational Congres MATAR-PRAHA 20 Machinę tools and machining production systems, Praha-Brno 2004, s. 127-133
• [30] Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych ni 1998, s. 136-138.
• [31] Kostkowski E.: Przepływ ciepła. Wydawnictwa P 2000.
• [32] Kotnis G.: Wpływ materiałów konstrukcyjnych połączeń prowadnicowych ślizgowych na ich właściwości eksploatacyjne, zwłaszcza dla obrabiarek sterowanych numerycznie. Praca doktorska 1978.
• [33] Kruth J.P., Vanherck P., Van den Bergh C: Compe Thermal Errors on CMMs. Annals of the CIRP Vol. 50/1/2001
• [34] Kuśmierz L., Ponieważ G: Analysis of hydrodyna ing with consideration of tilting pads elastic deformation . Computer Integrated Manufacturing Volume I. WNT, Warszawa 1999. S. 284-293
• [35] Lehrich K., Kosmol J.: Badania modelowe stołów elementów skończonych. XLI Sympozjon „Modelowanie w Mechanice, Wisła 2002
• [36] Lehrich K., Kosmol J.: Simulation research of spindle using finite element analysis, Proceedings Research/Expert Conference "Trends in the Development of Machinery and Associated Technology" TMT 2002, Neum, B&H, 18-22 September, 2002
• [37] Menz P., Saro M.: Lightweight construction for machinę tools and robots. "IX Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining Systems Design and Optimization of Intelligent Machinę Tools". Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 2000, s. 25-34.
• [38] Menz P.: Simulation and modeling of the design of forward feeds in lightweight construction. "IX Workshop on Supervising and Diagnostics of Machining Systems Manufacturing Simulation for Industrial Use". Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 1998, s. 130-140.
• [39] Mitsuishi M., Warisawa R., Hanayama R.: Development of an Intelligent High-Speed Machining Center. Annals of the CIRP Vol 50/1/2001.
• [40] Moriwaki T., Shamoto E.: Analysis of Thermal Deformation of an Ultraprecision Air Spindle System. Annals of the CIRP Vol. 47/1/1998, s. 315-319.
• [41] Neugebaues R., Harzbecker Ch., Nestmenn S.: Optimisation of Thermal Behavior of Machinę Tools with Separated Machinę Bed Components. Prod. Engineering Vol. VIII/1/2001.
• [42] Ochęduszko K.: Koła zębate. Tom I Konstrukcja . WNT, Warszawa 1985.
• [43] Oczoś K.: Postęp w obróbce skrawaniem. I Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining). Mechanik 1998, Nr 3, s. 109-124. [44] Ptaszyński W., Różański L., Stanek R.: Badanie odkształceń termicznych pionowych frezarek sterowanych numerycznie i sposoby ich kompensacji. Komisja Budowy Maszyn PAN - Oddział w Poznaniu, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 22 nr 2, 2002.
• [45] Sata T., Sato N., Takeuchi Y., Takashima N.: Analysis of Thermal Deformation of Machinę Tool by the Finite Element Method. Annala of the CIRP Vol. 21/11972, s. 123-124.
• [46] Schmitt T., Gao H.: Feed Systems. Schulz H. „Hochgeschwindigkeitsbearbeitung = High-Speed Machining", Munchen; Wien : Hanser, 1996, s. 161-162.
• [47] Schneider T.: High-Speed Turning. „High Speed Machining".
• [48] Schulz H., Moriwaki T.: High Speed Machining. Annals of CIRP Vol. 41/2/1992. s. 637-643.
• [49] Skoczyński W., Krzyżanowski J.: Analiza czynników wpływających na dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotów obrabianych. „Automatyzacja produkcji 2000. Wiedza- Technil sesyjne. Prace Nauk. ITMiA PWr. Nr 78, serii Wydawnicza PWr., Wrocław 2000, s. 223-226.
• [50] Soldat J.: Compensation of Thermal Errors of IV Machin Tools, Automation and Robotics in Mech, Praha 2004, Praha 2004, s. 149-155.
• [51] Spur G., Uhlmann E., Ising M.: Machinę tool des "IX Workshop on Supervising and Diagnostics of M Optimization of Intelligent Machinę Tools". C Wrocław 2000, s. 5-12.
• [52] Stacke L., Fritzon D„ Rydell B.: Symulacja dynamie tocznych. Technika, s. 21-26.
• [53] Staniek R., Ptaszyński W.: Computer Simulation ani Cencerning Thermal Deformations in NC Machi Compensation, Proc. of the Machinę Tools, in Mechanical Engineering, MATAR Praha 2004, Praha 2004, s. 201-2017
• [54] Veldhuis S.C., Elbestawi M.A.: A Strategy for in Five-Axis Machining. Annals of the CIRP Vol. AA
• [55] Venugopal R., Barash M.: Thermal Effects on Controlled Machinę Tools. Annals of the CIRP Vol
• [56] Weck M., Koch A.: Spindle-Bearing Systems in Machinę Tools. Annals of the CIRP Vol. 42/1/199
• [57] Weck M., McKeown P., Bonse R.: Reduction anc Errors in Machinę Tools. Annals of the CIRP Vol.
• [58] Weck M., Tiillmann U.: Kinematics of Spindle Preload. Production Engineering Vol. VI/1 (1999) Institute of Machinę Tool and Production Engineerin
• [59] Weule H., Frank T., Tilch D.: Dynamie Feed A Prod. Engineering Vol. V/2/1998, University KE Tools and Production Science. [60] Wojciechowski J.: Some problems related to cont, "IX Workshop on Supervising and Diagnostics and Optimization of Intelligent Machinę Tools" Wrocław 2000, s. 45-58
• [60] Wojciechowski J.: Some problems related to cont, "IX Workshop on Supervising and Diagnostics and Optimization of Intelligent Machinę Tools" Wrocław 2000, s. 45-58
• [61] Won Soo Yuna, Soo Kwang Kim, Dong Woo Choaa Thermal error analysis for aCNC lathe feed drive system. International Journal of Machinę Tools & Manufacture 39 (1999) 1087-1101.
• [62] Yeo S.H., Ramesh K., Zhong Z.W.: Ultra-high-speed grinding spindle characteristics upon using oil/air mist lubrication, International Journal of Machinę Tools & Manufacture 42 (2002), 2002, s. 815-823.
• [63] Dokumentacja konstrukcyjna elektrowrzeciennika tokarki Venus 450. [64] Dokumentacja konstrukcyjna frezarki bramowej HSM 180, Rafamet S.A.
• [65] FAG. Super Precision Bearings. Publ. No. AC 41 130 EA. Issue 1994. [66] FOP AVIA S.A. High Precision Ground Ballscrews From. AVIA. FOP „AVIA" SA
• [67] Giihring. Produktschulung. Diamantwerkzeuge. [68] Lager fur Gewindetriebe. INA Walzlager Schaeffler KG. 1996.
• [69] Raport z Projektu Badawczego pt. „Wyznaczanie sztywności statycznej obrabiarek sterowanych numerycznie metodą dynamiczną" nr 5 T07D 002 23. Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice 2002.
• [70] Raport z Projektu Celowego pt. „Wdrożenie frezarki specjalnej do obróbki wykorbień wałów korbowych typ FS 550 CNC" nr 6 T 07 2004 C/06520. Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice 2005.
• [71] Raport z Projektu Celowego pt. „Wdrożenie nowej generacji frezarek bramowych typu HSM-180 CNC" nr 6 TO 7 2003 C/06218. Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice 2004.
• [72] Rexroth Bosch Group. STAR - Kugelgewindetriebe. Endenlagerung und Mutterngehause. RD 83 301/12.99104. Rexroth Star GmbH, D-97419 Schweinfurt.
• [73] Rexroth Bosch Group. STAR - Prowadnice szynowe kulkowe. RPL 82 201/2000-02. Mannesmann Rexroth Sp. z o.o., Pruszków. [74] Sandvik Coromant. CoroKey. Narzędzia skrawające do metali. Narzędzia obrotowe. 2001.
• [75] Sandvik Coromant. CoroKey. Twój przewodnik ku produktywności. Wydanie 7, 2001.
• [76] SKF. Precision bearings. Catalogue 3700 E. Copyright SKF 1987
• [77] Sprawozdanie nr NH/B-03-2001, „Centrum Obróbkowe tokarskie 450", Etap: Badanie modelu elektrorzeciennika. Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek, Pruszków 2001.
• [78] Sprawozdanie nr NH/B-10-2001, „Centrum Obróbkowe tokarskie 450", Etap: Badanie sztywności statycznej prototypu tokarki uchwytowej (Venus 450). Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek, Pruszków 2001.
• [79] THL LM SYSTEM Bali Screw, CATALOG No. 75-IBE-2. THK CO..LTD. Tokyo, Japan