Kaip sumažinti virpesius aukšto greičio ir didelės tikslumo galinio frezavimo staklių pjovimo velenuose?

Aukšto greičio šlifavimo veleno vibracijų valdymas naudojant rezonanso išvengimą ir stabilumo lobų analizę

Kritinių sukimosi dažnių nustatymas ir išvengimas naudojant modalinę analizę bei harmoninio rezonanso žemėlapį

Per didelis verpstės virpesys aukšto greičio frezavimo metu dažniausiai susijęs su harmoninio rezonanso problemomis. Paprastai tai įvyksta, kai pjovimo jėgos sutampa su mašinos savųjų dažnių diapazonu. Šiandien dauguma inžinierių remiasi arba praktiniais bandymais, arba kompiuterinėmis simuliacijomis, kad nustatytų šioms mašinoms pavojingas greičio ribas. Dirbant su aliuminio lydiniais, išvengiant pagrindinio 450–900 Hz diapazono apie 15 % abiejose jo pusėse, priverstinių virpesių sumažėjama maždaug 40 %, kaip neseniai paskelbė tyrimai žurnale „Machining Dynamics“ praeitais metais. Šių dažnių išvengimas padeda sustabdyti nepageidaujamus virpėjimo ciklus, kurie atsiranda, kai įrankiai pradeda lenktis ir pjovimo jėgos staigiai svyruoja. Šiuolaikinėse gamyklose dažnai į montuojamos mažosios akcelerometrai, kurie leidžia stebėti harmonikas realiu laiku ir koreguoti sukimosi greitį dar prieš prasidedant rimtoms problemoms.

Stabilumo lopų diagramų taikymas šiurkščiųjų sukimo greičių parinkimui aliuminio ir aviacijos lydiniams

Stabilumo lopų diagramos, arba trumpai – SLD, esminiu būdu vaizduoja, kaip sukimo greitis sąveikauja su ašiniu pjovimo gylis ir kas nutinka, kai viršijami svyravimų ribos. Peržvelgdami šiuos grafikus, operatoriai gali nustatyti tas „saldžiąsias vietas“ aukštesniame apsisukimų per minutę (RPM) diapazone, kur galima atlikti gilesnius pjūvius be šiurkščiųjų sukimo greičių problemų. Pavyzdžiui, medžiagai Ti-6Al-4V SLD rodo, kad veikiant tarp 18 000 ir 22 000 RPM galima pasiekti apytiksliai 35 procentų didesnį ašinį pjovimo gylį lyginant su įprastais greičiais. Tai reiškia, kad gamintojai gali pašalinti metalą 15 procentų greičiau, vis dar išlaikydami paviršiaus šiurkštumą mažesnį nei 0,8 mikrono. Dauguma įmonių tikrina savo modelių tikslumą atlikdamos FFT analizę bandymo detalių pavyzdžiuose, kad patvirtintų, ar šiurkščiųjų sukimo greičių dažniai iš tikrųjų buvo supresuoti apdirbant.

Verstuvų konstrukcija, būklės stebėjimas ir dinaminis subalansavimas vibracijų slopinimui

Pasiekiamas mažesnis nei 5 µm nuokrypis: tikslus subalansavimas, guolių išankstinio įtempimo optimizavimas ir realiuoju laiku vykdomas vibracijų stebėjimas

Tikslaus frezavimo operacijų metu aukšto greičio verpetų vibracijų kontrolėje labai svarbu išlaikyti bėgimo nuokrypį žemiau 5 mikronų. Dinaminio subalansavimo metodai padeda sumažinti tas nepatogias centrifugines jėgas, tiksliai parinkdami masės pasiskirstymą; šiuolaikinės lazerinės sistemos iš tikrųjų gali sumažinti likutinį nesubalansuotumą iki mažiau nei 0,1 g·mm. Kalbant apie guolius, taip pat yra itin svarbu rasti tinkamą išankstinį įtempimą. Tinkamas išankstinis įtempimas pašalina vidinius tarpus be per didelio trinties sukėlimo. Tyrimai rodo, kad šio balanso pasiekimas gali sumažinti vibracijų amplitudę nuo 40 iki 60 procentų lyginant su tokiais įrenginiais, kuriuose guoliai nėra tinkamai įtempti. Dirbtuvėse, kuriose naudojama realaus laiko vibracijų stebėsenos sistema su integruotais pagreičio matuokliais, šios sistemos aptinka problemas net iki 20 kHz dažnio, todėl operatoriams pateikiamos įspėjamąsias žymės dar prieš prasidedant netikėtai stiprėjančiai rezonansinei vibracijai. Konkrečiai tiriant aliuminio apdirbimo procesus, spektrinė analizė padeda atskleisti nesubalansuotumo modelius, todėl įrenginiai gali automatiškai reguliuoti sukimosi greitį ir išlaikyti stabilumą net maksimaliais apsisukimų skaičiais. Visi šie veiksniai kartu leidžia pratęsti guolių tarnavimo laiką apie 30 procentų ilgiau nei standartinėmis praktikomis, tuo pačiu visą gamybos ciklą neleidžiant susidaryti drebėjimui („chatter“).

Vidinių disbalanso šaltinių diagnozavimas – guolių susidėvėjimas, rotoriaus asimetrija ir šiluminis nesutapimas

Kai įranga pradeda ilgalaikiškai virpėti, paprastai yra trys galimi kaltinamieji viduje: susidėvėję guoliai, nesubalansuoti rotorius arba dėl karščio pasislinkę komponentai. Susidėvėję guoliai dažniausiai sukelia didesnius virpesius tam tikrose harmoninėse juostose, ypač tų rutuliukų praeities dažnių, apie kuriuos visi žinome. Kai guolių paviršiuje atsiranda duobučių pažeidimai, triukšmas pastebimai sustiprėja, kartais padidėdamas apie 15–20 decibelų. Rotoriaus problemų atveju įranga virpėja sinchroniškai su sukimosi greičiu, o techninės priežiūros specialistai tai gali aptikti naudodami fazės analizės metodus. Šiluminis nesutapimas dažniausiai pasireiškia po ilgo veikimo laikotarpio, nes skirtingi komponentai išsiplečia skirtingais tempais. Matytos situacijos, kai temperatūrų skirtumas viršija 15 °C, iš tikrųjų gali išstumti komponentus iš jų vietos apie 8–12 mikrometrų aviacijos klasės medžiagose. Virpesių spektrų analizė padeda nustatyti, su kuria problema susiduriama. Guolių problemos dažniausiai matomos kaip šoninės juostos dažnių spektre, rotoriaus problemos palieka aiškius žymenis pagrindiniame apsisukimų per minutę (RPM) dažnyje, o šiluminės problemos laikui bėgant palaipsniui didina amplitudę. Šių modelių ankstyvas atpažinimas leidžia mechanikams imtis veiksmų dar prieš visiškai sugenda įranga. Guolių keitimas kuo anksčiau arba aušinimo sistemų reguliavimas lemia viską, kad būtų išvengta rimtų gedimų ir kad aliuminio galiniai frezavimo įrankiai veiktų sklandžiai be pertraukų.

Įrankių strategijos, skirtos padidinti standumą ir pašalinti drebėjimų sukeliamą rezonansą

Sistemos standumo maksimalizavimas: optimalus įrankio išsikišimas, spaustuvo skersmuo ir hidraulinio/mechaninio įrankio laikiklio pasirinkimas

Vibracijų nebuvimo pasiekimas apdirbant priklauso nuo visos sistemos kietumo užtikrinimo tinkamai parinkus įrankius. Neleiskite, kad įrankiai išsikištų per daug – jų ilgio ir skersmens santykis turėtų būti mažesnis nei 3:1. Tai padeda sumažinti nepatogias vibracijas, kurios laikui bėgant stiprėja. Kai šonkauliuko (šankto) dydis padidinamas maždaug 20 %, dauguma gamybos įmonių pastebi, kad jų įrankių kietumas žymiai padidėja, remiantis paprastomis inžinerinėmis principais. Svarbūs taip pat ir įrankių laikikliai. Hidrauliniai laikikliai dažniausiai geriau slopina vibracijas nei įprasti mechaniniai, nes jie vienodžiau paskirsto slėgį visame įrankyje, todėl neleidžia mažoms judėjimo deformacijoms, kurios sužlugdo tikslų apdirbimą. Visi šie kietumo pagerinimai labai svarbūs dirbant su didelės našumo verčiamaisiais velenais, nes jie neleidžia energijai atšokti atgal į pjovimo zoną, kur ji sukelia problemas.

Resonanso slopinančios įrankių geometrijos: kintamo žingsnio frezavimo įrankiai ir integruoti slopinimo elementai

Kintamojo kampo frezavimo įrankiai kovoja su drebėjimu turėdami netaisyklingai, o ne vienodai išdėstytus pjovimo kraštus aplink įrankį. Šis netaisyklingas išdėstymas sustabdo nepatogius rezonansus, kurie susidaro apdirbant aliuminį ir aviacijos lydinius. Geometrija esmėje keičia vietą, kur skiedrai patenka į medžiagą, todėl ji neatitinka nestabilios dažnių srities, parodytos stabilumo lobulių diagramose (tai tokios schemos, kurias naudoja frezuotojai, kad nustatytų saugius pjovimo parametrus). Kai kurie gamintojai dabar taip pat įmontuoja specialius slopinimo sistemas į savo pjovimo įrankius. Pavyzdžiui, į juos įmontuojami mažyčiai svoriai, kurie sugeria drebėjimus, kai jie kyla. Kai šios sistemos derinamos su mikroskopinio lygio raištomis paviršiaus struktūromis, šis derinys, kaip rodo naujausi moksliniai tyrimai, duoda puikių rezultatų. Bandymai parodė apie 40 procentų didesnį atsparumą drebėjimui palyginti su standartiniais įrankiais. Geriausia? Šie įrankiai veiksmingai tvarko abiejų tipų virpesių problemas, nesutrikdydami pjovimo krašto pagrindinės formos.

Pjovimo parametrų optimizavimas, kad būtų išvengta savaiminio drebėjimo tiksliajame galiniame frezavime

Norint sustabdyti tas nepatogias savivibruojančias vibracijas aukšto greičio galinėje frezavimo operacijoje, reikia tiksliai parinkti parametrus trijuose pagrindiniuose aspektuose. Pradėkime nuo pjovimo greičio (Vc). Daugelis žino, kad per lėtas greitis – apie 100 metrų per minutę aliuminiui – gali sukelti problemas, nes pjovimo procesas įsitraukia į tai, ką inžinieriai vadinama rezonanso zonomis. Geriausi rezultatai pasiekiami, kai greitis padidinamas iki maždaug 120–180 m/min, nes šiame diapazone visa sistema veikia stabilesnė ir be tų vibracijų. Kitas parametras – padavimas vienam dantukui (fz). Šį parametrą reikia derinti labai atsargiai, nes jis įtakoja harmonikų kaupimąsi laikui bėgant. Geriausia pradėti nuo gamintojo rekomenduojamo padavimo pusės, o vėliau palaipsniui jį didinti, stebint, ar neatsiranda netipiškų vibracijų. Galiausiai, svarbus taip pat pjovimo gylis (Ap). Grubiam pjovimui rekomenduojama neviršyti 1 mm, o baigiamajam pjovimui palikti tik nedidelius leidžiamuosius nuokrypius – nuo 0,05 iki 0,1 mm. Kodėl? Nes gilesnis pjovimas daro didesnę apkrovą medžiagai ir sukelia nepageidaujamus šurmulio žymes. Neteisingai parinkus šiuos parametrus įrankiai susidėvi apie 40 % greičiau, o paviršiaus šiurkštumas padidėja beveik tris kartus! Todėl protingos gamyklos šiais laikais investuoja į realaus laiko stebėjimo įrangą. Šios sistemos tikrina, ar parinkti parametrai iš tikrųjų veikia praktikoje, padedamos palaikyti stabilią verpeto veikimą net esant tiems ekstremaliai aukštiems apsisukimų dažniams, kuriuos šiuolaikinės mašinos gali pasiekti.

DUK

Kas yra harmoninio rezonanso problemos švelniojo virpesio srityje?

Harmoninio rezonanso problemos kyla tada, kai pjovimo jėgos sutampa su įrenginio natūraliaisiais dažniais, dažnai sukeliant per didelį švelniojo virpesį. Šios problemos gali būti nustatomos ir išvengiamos naudojant modalinę analizę bei harmoninio rezonanso žemėlapius.

Kaip stabilumo lobių diagramos padeda apdirbant?

Stabilumo lobių diagramos vaizduoja švelniojo sukimosi greičio sąveiką su ašiniu pjovimo gylis, padedant operatoriams rasti optimalius apsisukimų per minutę (RPM) diapazonus, kad būtų išvengta drebėjimo ir būtų galima efektyviai atlikti gilesnius pjūvius.

Kokia dinaminio balansavimo vaidmenys švelniojo virpesio slopinime?

Dinaminis balansavimas padeda sumažinti centrinės jėgos poveikį optimizuodamas masės pasiskirstymą, taip užtikrindamas tikslų švelniojo veikimą ir mažindamas virpesius.

Kokios įrankių strategijos padidina standumą ir neleidžia drebėjimui sukelti rezonanso?

Užtikrinant optimalų įrankio išsikišimą ir kotuko skersmenį, kartu su hidrauliniais įrankių laikikliais, padidėja sistemos standumas ir sutrinka virpesiai, pagerinant apdirbimo tikslumą.