Jednym z większych problemów obróbki w obrabiarkach wykorzystujących stoły obrotowe jako wrzeciona (tokarki karuzelowe, ale i obrabiarki 5-cio osiowe), jest powtarzalne uzyskiwanie odpowiedniej chropowatości i owalności toczonych powierzchni. W poprzednim artykule (w numerze 6/2019) pisałem, że na podstawie pomiaru dokładności geometrycznej osi obrotowych można oszacować możliwą do osiągnięcia chropowatość i owalność toczonego przedmiotu, oraz że dla stołów obrotowych dokładność utrzymywania pozycji przez wirującą oś jest praktycznie w każdym znanym mi przypadku zależna od zadanych obrotów. W niniejszym artykule (który można traktować jako pewną kontynuację problematyki badań stołów obrotowych), chciałbym tamte stwierdzenia „podeprzeć” uzyskanymi wynikami badań.
Do sprawdzania dokładności pracy stołów obrotowych mają zastosowanie co najmniej cztery podstawowe normy z europejskich przepisów badań obrabiarek serii ISO 230 (nr 1, 2, 3, i 7). Aktualna norma ISO 230-1:2012, dotycząca metod badań dokładności geometrycznej, przy opisie sposobów sprawdzania błędów ruchu osi wirujących odsyła nas bezpośrednio do dodatkowej normy (arkusza 7 tych przepisów ISO 230-7), co samo w sobie oznacza, że problem jest dość skomplikowany i aby uniknąć przykrych niespodzianek w postaci niespełnienia wymagań jakościowych wyrobu, należy sprawdzać błędne ruchy ustalanej osi obrotu (najczęściej przez łożyskowanie), w funkcji zadanej prędkości obrotów, gdyż błędy te mają wpływ i na owalność toczonego przedmiotu i na jego chropowatość. Przy wysokich wymaganiach dokładności obróbki nie wystarcza już pomiar zwykłego bicia osi na trzpieniu wzorcowym. Dla stołów obrotowych problem jest o tyle większy, że obracają się najczęściej nieporównywalnie większe masy niż przy wrzecionach narzędziowych i obrabia się duże detale. Przykładowo, na sprawdzanych przeze mnie obrabiarkach (Rys. 1) wykonywane były obrotowe elementy np. matryc, ważące nawet do kilkuset kg. Przekroczenie dopuszczalnych wymagań dokładności, w tym przypadku np. owalności lub chropowatości, mogłoby spowodować, że te obrobione kilkaset kg to byłby brak! Jeśli stół obrotowy ma funkcję pozycjonowania kątowego, to należy wykonać sprawdzenie dokładności tego pozycjonowania wg ISO 230-2 (Rys. 1b). Nie należy utożsamiać błędów pozycjonowania kątowego z błędnymi ruchami osi obrotowych; są to niezwiązane z sobą błędy obrabiarki, dotyczące innych aspektów dokładności jej pracy (patrz: Rys. 1).
Metoda pomiarów błędnych ruchów osi wirujących polega na dynamicznym pomiarze (próbkowania w czasie podczas obrotów) ruchów wzorca zamocowanego w osi obrotu (Rys. 1a), czujnikami bezstykowymi, ustawionymi najczęściej prostopadle i wzdłuż wirującej osi, ewentualnie na innym „wrażliwym” kierunku. Przedstawione w artykule wyniki badań dotyczą tej metody, opisanej w normie ISO 230-7. Zgodnie z definicją w tej normie, jednostką wrzecionową jest urządzenie zapewniające oś obrotu (definicja ta obejmuje m.in. wrzeciona narzędziowe, wrzeciona uchwytów tokarskich, stoły obrotowe, czopy obrotowe). Aby uporządkować pojęciowo problematykę związaną z dokładnością (błędnymi ruchami) wirujących osi, norma ta podaje ponad 50 definicji! Dla potrzeb niniejszego artykułu poniżej podaję tylko niektóre podstawowe pojęcia charakteryzujące błędy ruchu osi (nie są to dokładne definicje).
Pojęcia związane z kierunkiem rozpatrywania błędów
Promieniowy błąd ruchu
Przemieszczenia wybranego punktu na osi spowodowane ruchem obrotowym jednostki wrzecionowej w kierunku prostopadłym do uśrednionej linii tej osi.
Osiowy błąd ruchu
Przemieszczenia wybranego punktu na osi spowodowane ruchem obrotowym jednostki wrzecionowej wzdłuż uśrednionej linii tej osi.
Całkowite mierzone przemieszczenie TIR (Total Indicator Reading) na danym kierunku
Max. wartość sumy wszystkich składowych przemieszczeń na danym kierunku dla zmierzonych pełnych obrotów.
UWAGA: TIR zawiera w sobie także mimośrodowość ustawienia trzpienia wzorcowego względem osi obrotu stołu wyznaczanej przez łożyskowanie, która to mimośrodowość dla wyznaczenia błędnych ruchów osi jest eliminowana obliczeniowo.
Pojęcia związane z rodzajem wyznaczanych błędów charakteryzujących błędne ruchy osi
Całkowity błąd ruchu (osi)
Całkowity zarejestrowany błąd ruchów osi, złożony z synchronicznych i asynchronicznych komponentów błędów osi obrotowej oraz błędów strukturalnych/montażu konstrukcji realizującej ruch obrotowy.
Synchroniczny błąd ruchu (osi)
Część całkowitego błędu ruchu, który występuje przy całkowitych wielokrotnościach częstotliwości obrotu.
UWAGA: Jest to kontur wykresu biegunowego błędu ruchu całkowitego uśrednianego w każdym zmierzonym położeniu kątowym, ze zrealizowanej w pomiarze liczby obrotów.
Asynchroniczny błąd ruchu (osi)
Część całkowitego błędu ruchu, który występuje przy częstotliwościach innych niż całkowite wielokrotności obrotu.
UWAGA: Asynchroniczny błąd ruchu to odchylenie (chwilowe) całkowitego błędu ruchu od synchronicznego błędu ruchu, obejmujący chwilowe odchylenia nieokresowe, okresowe, ale o innych częstotliwościach niż wynikające z prędkości obrotowych.
a) wartość błędu asynchronicznego ruchu osi (położenie kątowe max. rozrzutu),
b) wartość błędu synchronicznego ruchu osi (różnica promieni pomiędzy okręgiem wpisanym i opisanym na wykresie błędu synchronicznego),
c) wykres błędu synchronicznego ruchu osi.
W uproszczeniu błąd synchroniczny reprezentuje wartości średnie błędnych ruchów osi, a błąd asynchroniczny powtarzalność tych błędów, dla wszystkich zmierzonych pozycji kątowych wybranego punktu na osi. Norma ISO 230-7 dodatkowo wskazuje, jaki te błędy mogą mieć wpływ na błędy obróbki. W skrócie, błąd synchroniczny wpływa bezpośrednio na uzyskiwaną nieokrągłość toczonego przedmiotu (pkt. A.7.3.), a asynchroniczny (pkt. A.7.4.) – na możliwą do uzyskania chropowatość. W tym punkcie normy opisano możliwy związek pomiędzy uzyskiwaną chropowatością, a błędem asynchronicznym (Rys. 3).
a) teoretyczna chropowatość (wysokość nierówności Rt);
b) wpływ błędu asynchronicznego „a” na chropowatość przy „idealnym skrawaniu” i błędzie asynchronicznym = 0; (wysokość nierówności) przy „idealnym skrawaniu”
Wysokość nierówności Rt przy „idealnym skrawaniu” wynosi:
Rt = s2/8rɛ (jeśli s << rɛ) (1)
s – posuw/obr, rɛ – promień narzędzia/płytki skrawającej
Podsumowując (za normą), oczywistym jest, że błąd asynchroniczny dla danego punktu i kierunku należy interpretować także jako przypadkową „wysokość nierówności”, a suma „Rt” i „a” (norma nie uściśla jaka suma) reprezentuje potencjalną możliwą do uzyskania chropowatość (jako wysokość nierówności), która w przybliżeniu powinna przekładać się na ok. cztery razy mniejszy uzyskiwany parametr „Ra” chropowatości (pomijając inne nieznane czynniki, w tym sposób i niepewność pomiaru chropowatości).
W komentarzu do powyższych informacji normatywnych chciałbym zauważyć, że wpływ błędu asynchronicznego na uzyskiwaną chropowatość będzie lepiej widoczny przy tak dobranych parametrach skrawania: obrotach, posuwie/obr. i promieniu narzędzia rɛ, aby wyznaczana wysokość nierówności Rt (z podanego wzoru) była mniejsza od wyznaczanego błędu asynchronicznego.
Uzyskane wyniki badań błędnych ruchów wirujących osi stołów
Od ponad 10 lat wykonywałem dla firmy Michelin badania odbiorcze naprawianych lub modernizowanych tokarek karuzelowych. W zeszłym roku dostałem zlecenia na pełne pomiary dokładności osi posuwowych i stołu obrotowego dwóch modernizowanych, takich samych, stosunkowo dużych tokarek karuzelowych. Badania wykonywane były we wszystkich fazach modernizacji – przed, w trakcie i po jej zakończeniu. Badania te pozwoliły mi uzyskać materiały na tyle wiarygodne, aby mógł powstać niniejszy artykuł.
Badane stoły obrotowe miały średnice 2 m, części obrotowe samego stołu ważą ok. 2 ton, a przy toczeniu typowych średnic (ok. 1 m), prędkość skrawania stosowanej obróbki wykończającej (dla n = 400 rpm) wynosiła ok. 21 m/s. W artykule przedstawiam tylko wybrane wyniki dotyczące omawianego tematu (stanowią one nie więcej niż 5% zgromadzonych materiałów pomiarowych). Wykonywano pomiary dla kilkunastu zadanych obrotów stołu, dla trzech kierunków X, Y i Z, obejmujące ich pełny zakres, od 20 do 400 obr/min., w każdej fazie modernizacji.
Maszyna 1
Wykresy na rysunku 4 przedstawiają zmiany błędnych ruchów osi w funkcji prędkości obrotowych przed (Rys. 4a) i po modernizacji (Rys. 4b).
Z wykresów tych wyraźnie wynika, że w okolicy 230-250 obr/min. występuje częstotliwość rezonansowa konstrukcji napędu stołu, natomiast po modernizacji (z wymianą łożysk i elementów układu kinematycznego – przekładnie, łańcuch napędowy), błędy te wyraźnie się zmniejszyły dla wszystkich prędkości obrotowych (nawet o 2-4 razy), co wynika z danych na rysunkach 5 i 6 (dla prędkości 20, 250 i 400 obr/min. – prędkość 250 stosowana do wstępnej obróbki wykańczającej, a 400 obr/min. do obróbki wykańczającej).
Natomiast w trakcie modernizacji, po wymianie elementów układu kinematycznego napędu, okazało się, że próbne wyniki pomiarów chropowatości wychodzą bardzo źle, co potwierdziły także wykonane pomiary błędnych ruchów osi (Rys. 7).
Próby zmian napięcia łańcucha napędowego, ani jego wymiana na nowy, nie dawały trwałej poprawy, mimo, że widać było zmiany charakterystyk błędów dla tych samych prędkości. Analiza wyników oraz konstrukcji doprowadziła do znalezienia błędów wykonania/montażu (głównie dokładności i ustawienia pakietów łożysk oraz brak odpowiedniego napięcia wstępnego pakietu łożysk przy silniku napędowym), co objawiało się słabą sztywnością i w konsekwencji zwiększoną niepowtarzalnością położeń chwilowych osi wirującej, co widać na rysunku 7. Po likwidacji tego błędu uzyskano zdecydowanie lepsze wyniki (końcowe – wykresy przedstawione na rysunkach 4b i 6).
Maszyna 2
Wykonano podobny duży zakres modernizacji, jak w maszynie 1 (wymiana elementów napędu i pakietów łożysk, poprawa geometrii, wymiana układu sterowania na nowocześniejszy). W zakresie dokładności wirującej osi uzyskano podobną poprawę wyników jak dla maszyny 1. Jednak znaczącą różnicą w stosunku do maszyny 1 było to, że mimo takiej samej konstrukcji, częstotliwości rezonansowe układu napędu stołu okazały się inne niż dla maszyny 1. Na rysunku 8 widać, że wyraźniejsze wzbudzenia drgań występują aż dla trzech prędkości obrotowych: 120, 270 i 330 obr/min. Jednak przy wymaganych bardzo wysokich dokładnościach ruchu w stosunku do wirujących mas > 2 tony, nawet niewielkie różnice montażowe (niewyważenia, łożyskowania, napięcia łożysk i łańcucha napędowego, luzów przekładni itp.), mogą powodować różnice w pracy układu kinematycznego maszyny, błędach ruchu i miejscach powstawania rezonansów. Dla prędkości obrotowej stosowanej do obróbki wykańczającej (400 obr/min.) błędy wirującej osi są akceptowalne.
Uzyskane wyniki pomiarów chropowatości Wyniki chropowatości toczonych powierzchni maszyny 1 przedstawia tabela 1. Pomiary wykonano dla ustalonej (do obróbki wykańczającej) prędkości obrotowej stołu 400 obr/min., z dziesięciu odcinków pomiarowych, z różnych miejsc pomiarowych. Obrabiano powierzchnię kształtową (rowki w przekroju). Pomiary wykonywano w czterech etapach opisanych w tabeli 1.
Na podstawie wyników z tabeli 1, w tabeli 2 obliczyłem wypadkową średnią chropowatość i rozrzut tej średniej, oszacowany odchyleniem standardowym, oraz porównałem te wyniki z błędami ruchu osi. Kolory zielony-żółty-czerwony oznaczają wyniki: najlepszy-średni-najgorszy (widać od razu uzyskaną korelację pomiędzy pomiarami chropowatości na danym etapie modernizacji maszyny, a zmierzonymi błędami asynchronicznymi wirujących osi).
1) wskaźniki „idealnego skrawania” podano informacyjnie wg wytycznych normy (Ra = ̴ ¼Rt, Rt – wzór 1) i zadanych parametrów skrawania z tabeli 1;
2) wskaźnik Ra „prognozowany” oszacowana jako ¼ średniej sumy zmierzonych błędów asynchronicznych kierunków X i Z, które to błędy są w interpretacji normy przybliżeniem parametru Rt na danym kierunku;
3) w etapie 2 i 3 badań, ze względu na znaczne drgania i niepowtarzalność wyników dla prędkości obrotowych >200 obr/min. (patrz: Rys. 7), błędy ruchów osi dla 400 obr/min. oszacowano w przybliżeniu.
Uwagi do uzyskanych wyników:
- podczas obróbki trajektoria ruchu narzędzia skrawającego, była złożeniem ruchów na kierunkach X i Z, więc podana prognozowana chropowatość uwzględnia możliwe uśrednione złożenie błędów asynchronicznych kierunków X i Z;
- pojedyncze pomiary chropowatości wg tabeli 1 wykonano także uwzględniając różne nachylenia obrabianych płaszczyzn, do kierunków X i Z.
Wpływ na zmierzoną rzeczywistą chropowatość i jej powtarzalność miało wiele czynników, jak wielkość i zmienność błędów asynchronicznych, dość wysokie Ra „idealne” (być może niezbyt dokładnie obliczone z podanego wzoru, gdyż stosunek posuwu do promienia narzędzia jest tu trochę za duży) itp. Chociaż dla dokładniejszych analiz potrzeba by więcej danych, to widać niewątpliwą zbieżność wyników chropowatości zmierzonej i prognozowanej, z pomiarów błędu asynchronicznego i stanem maszyny na danym etapie modernizacji. W etapie 2 pogorszenie wyników spowodowane było nieprawidłowym zmontowaniem/złożeniem nowych elementów łożyskowań, co potwierdził etap 3, w którym wymiana łańcucha napędu pomiędzy elementami stołu wirującego i silnika, ani zmiany jego naciągu nic nie poprawiły, natomiast poprawa ustawienia/napięcia pakietów łożysk radykalnie poprawiła jakość pracy stołu obrotowego.
Podsumowanie
Przedstawione wyniki badań potwierdzają, że jest ewidentny związek pomiędzy rzeczywistymi pomiarami chropowatości, a wielkością występującego błędu asynchronicznego i prognozowanej na tej podstawie uzyskiwanej chropowatości. Natomiast sama obróbka może powodować, że niepowtarzalność błędnych ruchów osi (błąd asynchroniczny) będzie wytłumiona, w porównaniu z obrotami „swobodnymi” stołu, a co za tym idzie – wpływ tego błędu na chropowatość zmniejszy się. Dodatkowo wiele zależy od wpływu innych czynników na uzyskiwaną chropowatość, jak sama konstrukcja układu kinematycznego, zadane parametry skrawania, sposób pomiaru chropowatości (odcinki, płaszczyzny, uwzględnione kierunki drgań itd.).
Badania błędnych ruchów osi wirujących stołów dają dodatkowe istotne informacje diagnostyczne o jakości pracy stołu, takie jak:
- obserwowana ewidentna zależność błędów wirującej osi od prędkości obrotowych, w tym informacja o prędkościach obrotowych stołu, jakich powinno się unikać podczas obróbki, ze względu na występujące rezonanse (patrz wyniki na rysunkach 4 i 8);
- informacje o błędach synchronicznych dla różnych prędkości obrotowych (powodujące owalność powierzchni – rysunki 5 i 6);
- weryfikacja poprawności i jakości montażu układów kinematycznych (Rys. 7), włącznie z luzami lub uszkodzeniem łożyskowania;
- ewentualne dryfty temperaturowe stołu.
Zwracam uwagę, że każdy z przeprowadzonych ośmiu pomiarów (przed, w trakcie i po zakończonej modernizacji) dla dwóch badanych maszyn wykazał powiązanie lepszych wyników jakości pracy stołu i obróbki z lepszymi wynikami błędów wirujących osi. Należy też pamiętać, że metoda ma największą ilość zastosowań do wrzecion narzędziowych, a tu została sprawdzona dla specyficznego zastosowania – duże masy i dokładność, a stosunkowo niskie obroty (metodę można stosować nawet do prędkości 50000 obr/min.) – i także wykazała swoją niewątpliwą przydatność diagnostyczną. Z pewnością przyda się ona tam, gdzie mamy do czynienia z wysokimi wymaganiami jakości obróbki i dużymi stratami przy produkcji „braków”.
Robert Jastrzębski
SciLab Measurements
Dziękuję firmie Michelin z Olsztyna i współpracującym ze mną pracownikom działu utrzymania ruchu za udostępnienie pełnych wyników pomiarów odbiorczych chropowatości maszyny 1, co umożliwiło powstanie tego artykułu.
Literatura:
[1] R. Jastrzebski: Wpływ błędów wykonania i pracy stołów obrotowych obrabiarek CNC na powstające błędy obróbki, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, 6/2019
[2] Norma ISO 230-7: 2006. Test code for machine tools. Geometric accuracy of axes of rotation.
artykuł pochodzi z wydania 3 (150) Marzec 2020
