CC BY
8
УДК 621.9.2
I. А. Бойко12, канд. техн. наук В. В. Солоха2, д-р техн. наук Л. Й. вщенко2
1 АО «Мотор Оч», 2 ЗапорЫкий тщонаяьтй техтчтй утверситет, м. Запорiжжя
ОЦ1НКА ВПЛИВУ ПОЛОЖЕННЯ РУХОМИХ ВУЗЛ1В
5-КООРДИНАТНОГО ОБРОБНОГО ЦЕНТРУ НА АМПЛ1ТУДУ КОЛИВАНЬ ЗБУРЕННЯ ПЕРЕДНЬОГО
К1НЦЯ ШПИНДЕЛЯ
Визначено вплив положення рухомих вузлiв 5-координатного обробного центру на амп-лтуду коливань збурення (АКЗ) переднього ктця шпинделя для перших восьми частот власних коливань верстата. Проаналiзованi заходи щодо зменшення впливу положення рухомих вузлiв на якють та точшсть обробки.
Ключовi слова: частота власних коливань, амплтуда коливань збурення, шпиндельний вузол.
Постановка задачi
Проведений в робота [1] динамчний анализ 5-координатного обробного центру дозволив виз-начити частоти i форми власних коливань верстата, амплпуду коливань збурення переднього кшця шпинделя, та ощнити вплив змши рiзних параметров i властивостей елементав системи на перераховаш вище характеристики.
Значення амплпуди коливань збурення були отриманн для випадкв, коли рухом вузли верстата (шпиндельний вузол, каретка i поворотний стал) розташовувались в центрi зони обробки.
Аналiзуючи отриманi форми власних коливань, можна зробити висновок, що величина АКЗ рiзна для кожно! точки дослвджувано! системи i може залежити як вщ форми коливань i пруж-них властивостей елементав верстата, так i вщ положення рухомих вузлтв.
Щц час роботи верстата шпиндельний вузол здшснюе перемщення в межах робочо! областа, а отже, буде спостертгатися змша амплiтуди коливань збурення переднього кшця шпиндельного вузла. Перемщення шпиндельного вузла за лшшними осями призводитиме до змши ампль туди коливань збурення переднього кшця шпинделя, що може виражатися у значному збiльшеннi або зменшеннi 11 величини вщносно дослщжено-го в робота [1] середнього положення.
Враховуючи можливоста технологiчного облад-нання, зменшення АКЗ переднього кшця шпиндельного вузла можливе за рахунок оптишзаци керуючих програм, проектуемих пристосувань, конструкторсько-технолопчних змш, тощо.
Мета статтi
На базi математично! моделi, яку описано в робота [1], провести гармотчний аналiз, визначи-ти 1 проанал1зувати вплив положення шпиндель© I. А. Бойко, В. В. Солоха, Л. Й. 1вщенко, 2015
ного вузла на АКЗ переднього кшця шпинделя, що перемщуеться вздовж лшшних осей.
Результати дослвдження
В робота [1] для 5-координатного обробного центру Picomax 820 VERSA було визначено BiciM частот власних коливань (ЧВК) (табл. 1), що лежать в межах частот обертання шпинделя, харак-терних для силового рiзання. Оскшьки отримаш в розрахунку значення АКЗ вщносяться до середнього положення шпиндельного вузла i мо-жуть мати не максимальт значення, то дослщ-ження впливу положення рухомих вузлiв верстата необхщно провести для уох восьми ранше виз-начених ЧВК.
Для дослщжуваного верстата шпиндельний вузол (ШВ) мае можлив1сть перемщуватись вздовж осей Y i Z (рис. 1). Анал1зу щцлягатимуть дев'ять крайшх положень ШВ на меж1 зони обробки. Крайне положення шпиндельного вузла за напрямком + Y, вщносно базового, називати-мемо л1вим положенням, а за — Y — правим по-ложенням. Крайне положення ШВ за напрям-ком + Z, ввдносно базового, називатимемо верхшм положенням, а за — Z — нижшм положенням. АКЗ визначалася за трьома осями для кожного 1з положень шпиндельного вузла як вщгук на д1ю гармошчно! сили, вектор яко!, за кожно! з осей координат, дор]внював 100 Н. АКЗ за вщпо-вщними осями позначимо як Ax, Ay i Az.
Враховуючи низьку АКЗ поворотного круглого столу [1,2], аналiз впливу змши його положення на АКЗ не проводиться, тому за вюсю X стал фжсуеться посередиш зони обробки.
На рис. 2 , 3 для кожно! ЧВК наводяться графь ки залежноста АКЗ переднього кшця шпинделя за трьома осями координат вщ його положення за вюсю Z, для кожного iз трьох положень ШВ вздовж ос Y (л!ве, середне, праве положення).
Таблиця 1 — Частоти власних коливань 5-координатного обробного центру
№ частоти 1 2 3 4 5 6 7 8
Частота, Гц 37,36 44,74 77,6 109,75 125,8 139,9 162,14 175,38
Рис. 1. Граничш положения шпиндельного вузла в межах зони обробки
гтт ¿тлё ¿тах
Положения шпинделя за вк;сю Ъ а
2,5
Ю 1,5
■а 0,5
2 <
0
^—-
На ЧВК П = 37,36 Гц (рис. 2, а) спостерь гаеться значна залежтсть АКЗ в1д перемщення шпиндельного вузла вздовж ос 2. Максимальна АКЗ спостр1гаеться в правому положенш шпиндельного вузла, де Ах 1 Л2 досягають 4,5 мкм. При цьому, р1зниця мж значеннями АКЗ у ниж-ньому 1 верхньому положент ШВ, досягае 300 %, а м1ж правим 1 л1вим положенням доходить до 200 %. Значення Ау при перемгщент ШВ практично не змшюеться.
Для частоти 12 = 44,74 (рис. 2, б) змша АКЗ як при перемгщент вздовж траверси, так 1 вздовж каретки ШВ, несуттевь Оскшьки коливання на данш частот вщбуваються вздовж ос1 У, то 1 АКЗ за щею вюсю будуть найб1льшими 1 змшювати-муться у межах в1д 2,3 до 2,9 мкм. Зменшення
1т\п /птс! ¿тах
Положения шпинделя за вюсю Ъ в
Ах. Шпиндель лторуч. Ах.Шпиндель праворуч. Ау.Шпиндель в центр!. Аг.Шпиндель л1воруч. Аг.Шпиндель праворуч.
/тт ¿т\ё ¿тах
Положения шпинделя за вюсю Ъ
-Ах.Шпиндель вцентр!. -Ау.Шпиндель л1воруч. -Ау.Шпиндель праворуч. -Аг.Шпиндель в центра
Рис. 2. Залежиiсть АКЗ за трьома осями вщ положення шпиндельного вузла для рiзних ЧВК верстата (а - 11=37,36 Гц; б - 12=44,74 Гц; в - 13=77,6 Гц; г - 14=109,75 Гц)
г
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2015
- 119 -
АКЗ для данно! частоти може бути досягнуто за рахунок проведення зм1н у конструкций верстата.
Третя ЧВК 13 = 77,6 Гу (рис. 2, в) ввдр^зняеть-ся значним впливом на АКЗ положення ШВ вздовж траверси (в1сь У). В левому положенш ШВ Ау вщ 3 до 5 раз^в бшьша, шж у правому, досягаючи 2,2 мкм, а Ах 1 А2 ледь сягають 0,5 мкм. На частота 54 = 109,75 Гц (рис. 2, г) АКЗ за трьома осями дуже мал 1 максимум сягають 1 мкм. Най-менш коливання ШВ вщбуваються у лшому положенно, а найбшьш^ — у правому.
Максимально АКЗ для 55 = 125,8 Гц (рис. 3, а) мають мтсце в нижньому положенно ШВ за уома 3 -ма осями. Найменшi значення АКЗ спостернаються за в1ссю У, а найбшьш^ — за вгссю Х (до 1,4 мкм).
Подобна картина спостеряаеться 1 для шосто! ЧВК 56 = 139,9 Гц (рис. 3, б), кр^м того, що максимально значення Ах сягають 3,2 мкм, Ау не пере-вищують 0,5 мкм, а А2 лежать в межах в1д 0,8 до 1,2 мкм.
Надзвичайно май АКЗ для сьомо! 1 восьмо! ЧВК (рис. 3, в 1 3, г). Для сьомо! ЧВК (П = 162,14 Гц) тальки в правому положенш шпиндельного вузла Ау сягае 1,3 мкм. АКЗ за шшими осями набагато менш^, тому !х до уваги можна не брати. Для восьмо! ЧВК (58 = 175,38 Гц) в правому нижньому положенш максимальне значення АКЗ для Ах становить 0,8 мкм 1 сходить до нуля при шдйош ШВ в верхне положення. Ау 1 А не пе-ревищують 0,4 мкм.
/ггнп ¿гп|с1 ¿тих
Положення шпинделя за вксю Ъ а
Положення шпинделя ; г
- Ах. Шпиндель лторуч. -Ах.Шпи| |доль праооруч. -Ау. Шпиндель в центр!. Шпиндель л)воруч. Аг.Шпиндель праворуч.
-Ах.Шпиндель вцентрК -Ау.Шпи! щель лторуч. Ау.Шпиндель праворуч. Аг.Шпиндель в центра.
Рис. 3. Залежтсть АКЗ за трьома осями вщ положення шпиндельного вузла для р1зних ЧВК верстата (а - 55 = 125,8 Гц; б - 56 = 139,9 Гц; в - И = 162,14 Гц; г - 58 = 175,38 Гц)
в
Висновки i пропозицп
Серед восьми ЧВК, що аналiзуються за най-бшьшою АКЗ, основними приймаемо частоти f1 = 37,359 Гц, f2 = 44,74 Гц, f3 = 77,616 Гц, f5 = 125,88 Гц, f6 = 162,16 Гц
Для частот f1, f5, f6 чiтко прослщковуеться значна залежнiсть АКЗ вщ положення ШВ за вюсю Z.
При робота на частотах, що близью до f1, про-понуеться застосовувати iнструмент i шструмен-тальне оснащення з якомога меншим вильотом i на максимально малiй вщстат вщ дзеркала столу, що можна також досягнути за рахунок вдалого проектування пристосувань. За можливiстю, об-робку проводити ближче до л1вого положення ШВ.
При роботi на частотах, що близью до f5 i f6, необхiдно вiдсунути зону (площину) обробки якомога вище ввд дзеркала столу. При цьому, ви-користання спецiальних пристосувань або «поду-шок», потребуе додаткових дослщжень можливосп 1хнього впливу як на ЧВК, так i на АКЗ еле-ментв системи [3,4].
Враховуючи низький вплив на АКЗ на ЧВК f2 = 44,74 Гц положення ШВ за осями Y i Z, зниження Ау можливе на етапi конструкторсько-технологiчного проектування обладнання, або за рахунок змши схеми встановлення на опори [1]. Для ЧВК f3 = 77,616 Гц пропонуеться обробку проводили ближче до л1вого положення ШВ.
Вплив рiзних варiантiв встановлення верстата на опори i оцшка впливу жорсткостi опор на ЧВК i АКЗ верстата потребуе додаткового дослщження.
Дослщження впливу положення рухомих вузл1в 5-координатного обробного центру на АКЗ е не-обхщним елементом динамчного аналзу, ос-кiльки
при перемщенш шпиндельного вузла вздовж лшшних осей може вщбуватися суттева змша АКЗ переднього кiнця шпинделя для окремих ЧВК, а також дае можливють отримати бiльш повну картину щодо визначення основних ЧВК з найбiльшими АКЗ.
Список лггератури
1. Бойко I. А. Динамiчний аналiз 5-координат-ного обробного центру / I. А. Бойко, В. В. Со-лоха, Л. Й. 1вщенко // Теоретические и прикладные проблемы создания авиационных двигателей и энергетических установок: тезисы докладов междунар. научн.-технич. конф. —Запорожье : АО «Мотор Сич», 2014. - С. 78-80.
2. Бойко I. А. Динамчний аналiз поворотного стола 5-координатного обробного центру / I. А. Бойко, В. В. Солоха, Л. Й. 1вщенко // Вiсник Чернiгiвського державного технолог-iчного унверситету. Серiя «Техтчт науки». — 2014. — № 1(73). — С. 134—143.
3. Shil-Geun Kim. Analysis of Dinamic Characteristics and Evaluation of Dynamic Stiffness of a 5-Axis Multi-tasking machine tool by using FEM and Exiter test / Shil-Geun Kim, Sung-Hyun Jang // International conference on Smart Manufacturing Aplication. — 2008. — Р. 565—569.
4. Patwari A. Dynamic Modal Analysis of Vertical Machining Centre Components / A. Patwari, W. Faris // Advances in Acoustics and Vibration. — 2009. — Р. 1—10.
Поступила в редакцию 21.01.2015
Бойко И.А., Солоха В.В., Ивщенко Л.И. Оценка влияния положения подвижных узлов 5-координатного обрабатывающего центра на амплитуду колебаний возбуждения переднего конца шпинделя
Определено влияние положения подвижных узлов 5-координатного обрабатывающего центра на амплитуду колебаний возмущения переднего конца шпинделя для первых восьми частот собственных колебаний станка. Проанализированы меры по уменьшению влияния положения подвижных узлов на качество и точность обработки.
Ключевые слова: частота собственных колебаний, амплитуда колебаний возбуждения, шпиндельный узел.
Boyko I., Solokha V., Ivschenko L. Estimation the influence of the 5-axis machining centers movable components position on the perturbation vibration amplitude of the spindle forward end
The influence of the 5 coordinate processing center movable components position on the perturbation vibration amplitude of the spindle forward end for the first eight frequency of the machine natural vibrations is defined. Analyzed measures to reduce the impact position of mobile nodes on the quality and accuracy of processing.
Key words: frequency of natural vibrations, perturbation vibration amplitude, spindle.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2015
— 121 —
