Print

Vibrační diagnostikou ke zlepšení kvality obrobeného povrchu

-- 28.06.2017

Primární účel vibrační diagnostiky v oboru obráběcích strojů není ohodnocení stavu opotřebení stroje za účelem prodloužení jeho životnosti a bezporuchovosti, jak bývá zvykem, zde bývá vibrační diagnostika velmi často využívána k ladění řezných podmínek (technologických podmínek při obrábění) a k odstranění některých nežádoucích jevů, které se mohou při procesu obrábění vyskytnout. Takovým jevem je například zvlněný povrch obrobku, čímž je snížena kvalita finálního produktu obráběcího stroje. Odstranění závady na obrobku lze dosáhnout zásahem na straně výrobního stroje a technologie výroby. Zvlnění povrchu může mít několik podob:

  • „vizuální závada“, tj. geometrie i drsnost povrchu jsou v pořádku, ale na obrobku najdeme velmi mělké, pravidelně uspořádané vlnky, které při pohledu pod určitým úhlem a za dobrého osvětlení mohou vést u zákazníka k nespokojenosti pramenící spíše z pocitového vjemu než z objektivního vyhodnocení stavu;
  • pravidelná vlnkovitost většího rázu, která již zasahuje do vyhodnocení drsnosti povrchu, ale stále se jedná o stabilní děj, tzn. děj je opakovatelný, vlnkovitost se v čase nezvětšuje, případně se utlumuje;
  • třetí typ je způsoben takzvaným samobuzeným kmitáním při obrábění; hovoříme o nestabilním řezném procesu, kdy je struktura stroje nadměrně vybuzována samotným řezným procesem natolik, že opracovaný povrch je velmi hrubě obroben; objevuje se zde tzv. regenerativní efekt postupného rozkmitávání nástroje a struktury obráběcího stroje, které může vést až k destrukci nástroje, poškození obrobku atp.

Všechny výše uvedené jevy jsou nežádoucí, je třeba odhalit jejich příčinu a stanovit nápravná opatření. Výsledné vibrace strojů ovlivňuje z hlediska fyzikálního řada faktorů:

  • charakter budicích sil (tedy proces obrábění, odstředivé síly od rotujících nevyvážených hřídelí a další kinematické buzení);
  • dynamicky poddajná struktura stroje (špatná konstrukce, nesprávná výroba nebo montáž, špatně navržené nakupované komponenty), nástroje (dlouhé štíhlé nástroje) nebo obrobku (např. v případě tenkostěnných obrobků);
  • nastavení servopohonů pohybových os a vřetene (příliš „tvrdě“ nastavené pohony);
  • kvalita NC kódu (CAM systému), a to zejména v přechodových oblastech trajektorie nástroje.

Každá z výše jmenovaných příčin se projeví ve vibračním spektru nebo v časovém záznamu vibrací (tedy i vlnkami na povrchu obrobku) jiným způsobem. Proto je vibrodiagnostika obráběcích strojů (a případně řezného procesu) výrazným pomocníkem pro řešení problematického povrchu obrobku.

Příklady úspěšných řešení problematického chování strojů jsou představeny v následujících případových studiích. 

Špatně vyrobené hlavní ložisko svislého soustruhu

V tomto případě se jednalo především o „vizuální“ problém na obrobku (zkušebním vzorku). Na obrobku se cca od 110 ot./min začaly objevovat jemné, okem viditelné vlnky. Jejich hloubka nebyla mikrometrickým úchylkoměrem měřitelná a (obr. 1) současně docházelo k záznějovým vibracím, které ve spojení s dutou svařovanou skříní rámu způsobovaly nepříjemné zvukové projevy. Zázněje budila frekvence odpovídající 88násobku otáčkové frekvence stolu. Tento násobek byl konstantní v celé šíři otáček, tj. byl otáčkově závislý (obr. 2).

Jako možné příčiny těchto nežádoucích vibrací byly vytipovány poruchy těchto komponent: ozubeného převodu hlavního pohonu (pastorek–věnec) nebo vedlejšího pohonu osy C (druhý pastorek–věnec), hlavní nebo vedlejší převodovky, hlavního motoru, řemenového převodu, kmitání smykadla a hlavního ložiska otočného stolu. Postupně byly analýzou vibrací jednotlivé typy poruch vylučovány a paralelně byly některé komponenty preventivně vyměněny. Vibrační diagnostika prokázala jako původce nežádoucích vibrací hlavní axiálně radiální válečkové ložisko otočného stolu. Po výměně této komponenty vibrace poklesly a na obrobku se přestaly vytvářet šroubovice na obrobeném povrchu. Překvapivý závěr analýzy, že na vině může být přesné ložisko od renomované firmy, se tak potvrdil. 

Porouchaná převodovka hlavního pohonu svislého soustruhu

V druhém případě, tj. při soustružení na svislém soustruhu, zapříčinily nežádoucí vibrace již nepřípustnou hodnotu drsnosti povrchu na obrobku (hloubka vln dosahovala až 20 µm) při otáčkách 70 ot./min. Vlny byly orientovány do několikachodé šroubovice a stejně jako v předchozím případě nebyly koaxiální s osou rotace, tj. šlo o neceločíselný násobek jednotlivých vln na obvodu obrobku. Problém bylo nutné urychleně řešit, neboť na tom záviselo převzetí stroje zákazníkem. Z měření vibrací na smykadle a posléze i měřením frekvenčních přenosů bylo možné jako příčinu vyloučit kmitání smykadla i samobuzené kmitání. Práce se dále soustředila na měření kmitání otočného stolu pomocí bezkontaktních snímačů výchylky, umístěných na nezávislém rámu (obr. 3).

Byly provedeny zkoušky rozběhu a doběhu otočného stolu řádovým analyzátorem a z nich vyplynulo, že dominantní špičkou ve spektru (zejména pro vyšší otáčky) je 21,09násobek otáčkové frekvence (obr. 4).

Analýzou kinematického schématu pohonu bylo stanoveno, že možnou příčinou je předlohová hřídel převodovky pohonu otočného stolu. Ta je však relativně daleko od místa obrábění a panovala pochybnost, zda by byla tato hřídel schopna vybudit velmi tuhou konstrukci uložení otočného stolu stroje. Proto bylo přistoupeno k citlivostní zkoušce, kdy byl na vstupní hřídel převodovky umístěn zkušební nevývažek a následně byla sledována změna frekvenčního spektra. Tato citlivostní analýza prokázala, že i relativně malá změna poměrů na předlohové hřídeli se projeví na vibracích otočného stolu. Výrobce stroje posléze umožnil měření na obdobném stroji, který zvlnění na obrobku nevykazoval. Provedené porovnávací měření v obdobném rozsahu potvrdilo očekávané závěry: špička na 21,09 řádu se ve spektru tohoto stroje také vyskytovala, ale na nepoměrně nižší úrovni, takže kvalitu obrobku nijak neovlivňovala. Takto byla původní analýza příčiny zvlněného povrchu křížově potvrzena. 

Poddajná struktura rámu stroje

Jak bylo popsáno v úvodu, dalšími příčinami, jež způsobují zvlnění povrchu obrobku, jsou zpravidla dynamicky poddajné struktury obráběcího stroje a samobuzené kmitání při obrábění. Oba tyto jevy spolu úzce souvisejí. Každý stroj je svým výrobcem zpravidla navržen tak, aby byl co nejtužší. Ne vždy se však konstrukce povede dokonale. Dalším faktorem je variabilita výroby komponent a pečlivost montáže. Ve výsledku je každý stroj originálem s jedinečnou dynamickou poddajností a tlumením. Stroj je pak schopen přenést „do řezu“ pouze takový výkon, než se rozechvěje samobuzenými kmity od mezních řezných podmínek pro danou skupinu stroj–nástroj–obrobek. V některých případech tedy bývá vhodné provést měření modální analýzy, ev. měření tzv. provozních tvarů kmitů pro určení dynamické poddajnosti stroje. Obě metody jsou ve výstupu podobné – vytvoří se drátěný model struktury, kdy se v uzlových bodech modelu umisťují tříosé snímače zrychlení. Buzení struktury je v případě modální analýzy prováděno tzv. modálním kladivem nebo modálním shakerem, v případě provozních tvarů kmitů je struktura vybuzována během stroje za specifických, zpravidla problematických podmínek. Jedním z výstupů měření jsou vlastní frekvence a příslušné hodnoty tlumení. Drátěný model se nechá podle naměřených dat „rozpohybovat“ postupně na jednotlivých vlastních frekvencích. Hovoříme o módech pohybu. Z této animace lze názorně vyčíst chování konstrukce pro danou frekvenci a stanovit slabá, dynamicky poddajná místa (obr. 5). Takto lze odhalit chyby systémové, tj. chyby konstrukce (nedostatečné dimenzování, poddajné komponenty typu vedení, ložisek, kuličkových šroubů atp.), i chyby náhodné (chybná montáž, špatná komponenta atp.).

Někdy může být příčinou zvlněného povrchu na obrobku i vůle v uložení pohybových os, kuličkových šroubů atp. V těchto případech je vhodné použít zkoušku statické tuhosti, kdy je stroj v místě nástroje zatěžován postupně ve všech osách statickou silou v obou smyslech zatěžování a současně jsou ze silově nezávislého rámu měřeny deformace způsobené tímto zatěžováním.

Uvedené případové studie neobsáhly kompletní výčet příčin zvlněného povrchu obrobku (opomenuty byly zejména vlivy nastavení pohonů a CAD systému). Na toto téma by však bylo možno publikovat samostatný článek. 

Autorem článku je Ing. Petr Chvojka, Ph.D., technický vedoucí zkušební laboratoře Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT).


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Automatizace, modernizace a údržba v plastikářském průmyslu
2017-11-22 - 2017-11-22
Místo: Hotel Baltaci Atrium *****, Zlín
NI Days
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: Clarion, Praha
LOGISTIKA NÁKUPU A ŘÍZENÍ ZÁSOB
2017-11-23 - 2017-11-24
Místo: Křenová 409/52, 602 00 Brno
WEBINÁŘ: Simulace ve výrobě
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: webinář
1. ročník soutěžní přehlídky „SMART SPACE & LIVING“
2017-11-30 - 2017-11-30
Místo: soutěžní přehlídka

Katalog

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI