Cast Iron And Mineral Cast Applied For Machine Tool Bed - Dynamic Behavior Analysis

• Autorzy: Kępczak N. , Pawłowski W. , Kaczmarek Ł.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0254

Warianty tytułu

PL

Odlewy żeliwne i mineralne stosowane na łoża obrabiarek - analiza właściwości dynamicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cast iron and mineral cast are the materials most often used in the machine structural elements design (bodies, housings, machine tools beds etc.). The materials significantly differ in physical and mechanical properties. The ability to suppress vibration is one of the most important factors determining the dynamic properties of the machine and has a significant impact on the machining capabilities of a machine tool. Recent research and development trends show that there is a clear tendency to move away from the traditional iron casting to the mineral casting, due to better dynamic properties of the latter. However mineral cast as a structural material for the whole machine tools bed turns out to be insufficient due to its poor mechanical strength properties. The best solution should benefit from the advantages of the cast iron and mineral cast materials while minimizing their drawbacks. The paper presents numerical modal analysis of two lathe beds: the first one made of gray cast iron and the second one made of hybrid connection of cast iron and mineral cast. The analysis was conducted in order to determine the dynamic properties of two bodies of similar shapes made in the traditional (cast iron) and innovative hybrid (cast iron and mineral cast) technology. In addition, an analysis of the static structure rigidity of the two beds was performed. During the simulation studies it was found a significant increase in dynamic stiffness and static rigidity of the machine tool body made of hybrid connection of cast iron and mineral cast. The results of numerical simulations have confirmed the desirability of using hybrid construction because the dynamic properties of such a body are more advantageous in comparison with the conventional body made of cast iron.

PL

Żeliwo oraz odlewy mineralne są materiałami konstrukcyjnymi najczęściej wykorzystywanymi w dziedzinie projektowania elementów strukturalnych maszyn (korpusy, obudowy, łoża obrabiarek). Te materiały znacząco różnią się pod względem zarówno właściwości fizycznych, jak i mechanicznych. Zdolność do tłumienia drgań jest jednym z najważniejszych czynników determinujących właściwości dynamiczne urządzenia i ma znaczący wpływ na możliwości obróbkowe maszyny technologicznej. Najnowsze badania oraz trendy rozwojowe pokazują, że istnieje wyraźna tendencja do odchodzenia od tradycyjnych odlewów żeliwnych w kierunku odlewów mineralnych, ze względu na lepsze właściwości dynamicznych tych ostatnich. Jednakże odlewy mineralne jako materiał konstrukcyjny na całe łoże obrabiarki okazuje się być niewystarczający ze względu na słabe właściwości mechaniczne. Najlepsze rozwiązanie powinno korzystać z zalet żeliwa i odlewów mineralnych, jednocześnie minimalizując wady obu materiałów. W artykule przedstawiono teoretyczną analizę modalną dwóch korpusów obrabiarki: jednego wykonanego z żeliwa szarego oraz drugiego wykonanego z hybrydowego połączenia żeliwa i odlewu mineralnego. Analiza została przeprowadzona w celu określenia właściwości dynamicznych dwóch korpusów o podobnych kształtach wykonanych w tradycyjnej oraz nowatorskiej technologii odlewniczej. Dodatkowo przeprowadzono analizę sztywności statycznej konstrukcji obu korpusów. Podczas badań symulacyjnych stwierdzono, wzrost sztywności dynamicznej oraz wzrost sztywności statycznej korpusu obrabiarki wykonanego z hybrydowego połączenia żeliwa szarego i odlewu mineralnego. Otrzymane wyniki badań teoretycznych potwierdziły celowość stosowania budowy hybrydowej, ponieważ właściwości dynamiczne tak wytworzonego korpusu są korzystniejsze w porównaniu z korpusem wykonanym z tradycyjnego odlewu żeliwnego.

Słowa kluczowe

EN

cast iron; mineral cast; dynamic properties; modal analysis; machine tool bed

PL

żeliwo; odlew mineralny; własności dynamiczne; analiza modalna; łoże obrabiarki

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 2A
• Strony: 1023--1029
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kępczak N.

• Institute of Machine Tools and Production Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Lodz University of Technology, 1/15 Stefanowskiego Str., 90-924 Lódź, Poland

autor

Pawłowski W.

• Institute of Machine Tools and Production Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Lodz University of Technology, 1/15 Stefanowskiego Str., 90-924 Lódź, Poland

autor

Kaczmarek Ł.

• Institute of Materials Science and Engineering Faculty of Mechanical Engineering, Lodz University of Technology, 1/15 Stefanowskiego Str., 90-924 Lódź, Poland

Bibliografia

• [1] J. He, Z. Fu, Modal Analysis, Butterworth-Heinemann (2001).
• [2] M. Matsuo, T. Yasui, T. Inamura, M. Matsumura, High-speed Test of Thermal Effects for a Machine-tool Structure Based on Modal Analysis, Precision Engineering, 72-78 (1986).
• [3] B. Li, H. Cai, X. Mao, J. Huang, B. Luo, Estimation of CNC Machine-tool Dynamic Parameters Based on Random Cutting Excitation Through Operational Modal Analysis, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 26-40 (2013).
• [4] I. Zaghbani, V. Songmene, Estimation of Machine-tool Dynamic Parameters During Machining Operation Through Operational Modal Analysis, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 947-957 (2009).
• [5] G.P. Zhang, Y.M. Huang, W.H. Shi, W.P. Fu, Predicting Dynamic Behaviours of a Whole Machine Tool Structure Based on Computer-aided Engineering, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 699-706 (2003).
• [6] V. Gagnol, T.P. Le, P. Ray, Modal Identification of Spindle-tool Unit in High-speed Machining, Mechanical Systems and Signal Processing, 238-2398 (2011).
• [7] A. Vivo, C. Brutti, J. Leofanti, Modal Shape Identification of Large Structure Exposed to Wind Excitation by Operational Modal Analysis Technique, Mechanical Systems and Signal Processing, 195-206 (2013).
• [8] S. Rahmatalla, K. Hudson, Y. Liu, H.Ch. Eun, Finite Element Modal Analysis and Vibration-waveforms in Health Inspection of Old Bridges, Finite Elements in Analysis and Design, 40-46 (2014).
• [9] R. Ebrahimi, M. Esfahanian, S. Ziaei-Rad, Vibration Modeling and Modification of Cutting Platform in a Harvest Combine by Means of Operational Modal Analysis (OMA), Measurement, 3959-3967 (2013).
• [10] Ch. Brecher, S. Baumler, A. Guralnik, Experimental Modal Analysis Using a Tracking Interferometer, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 345-348 (2014).
• [11] B. Chomette, J-L. Carrou, Operational Modal Analysis Applied to the Concert Harp, Mechanical Systems and Signal Processing, 81-91 (2015).
• [12] N.F. Nangolo, J. Soukup, L. Rychlikova, J. Skocilas, A Combined Numerical and Modal Analysis on Vertical Vibration Response of Railway Vehicle, Procedia Engineering, 310-319 (2014).
• [13] G. Vratnoski, V. Dukovski, Design of Polymer Concrete Main Spindle Housing for CNC Lathe, 13th International Scientific Conference on Achievements in Mechanical and Materials Engineering, 695-698 (2005).
• [14] V. Ducatti, R. Lintz, J. Santos, Comparative Study with Alternative Materials for Manufacture of Machine Tool Structure International RILEM Conference on the Use of Recycled Materials in Building and Structures, 925-934 (2004).
• [15] L.N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz, Machine Tools for High Performance Machining, Springer (2009).
• [16] L.V. Kostyleva, L.V. Palatkina, V.A. Il’inskii, Gray cast iron primary structure detachment crack propagation resistance, Metal Science and Heat Treatment 50, 5-6, 248-251 (2008).
• [17] C. Bruni, A. Forcellese, F. Gabrielli, M. Simoncini, Hard Turning of an Alloy Steel on a Machine Tool with a Polymer Concrete Bed, Journal of Materials Processing Technology, 493-499 (2007).
• [18] N. Kepczak, W. Pawłowski, Application of Mineral Casting for Machine Tools Beds, Mechanics and Mechanical Engineering 17, 3, 3-7 (2013).
• [19] H. Haddad, M. Al Kobaisi, Optimization of the Polymer Concrete Used for Manufacturing Bases for Precision Tool Machines. Composites: Part B, 3061-3068 (2012).
• [20] T. Erbe, J. Król, R. Theska, Mineral Casting as Material for Machine Base-frames of Precision Machines. Twenty-third Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering and Twelfth ICPE, October 2008, Portland, Oregon (2008).
• [21] F. Cortés, G. Castillo, Comparison Between the Dynamical Properties of Polymer Concrete and Grey Cast Iron for Machine Tool Applications. Elsevier, Materials and Design 28, 1461-1466 (2006).
• [22] B. Zoltowski, Badania dynamiki maszyn (Machine Dynamics Research) in Polish, Wydawnictwo MAKAR, Bydgoszcz (2002).
• [23] N. Kepczak, W. Pawlowski, W. Blazejewski, The Study of the Mechanical Properties of the Mineral Cast Material, Archives of Mechanical Technology and Automation 34, 2, 25-32 (2014).

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.