Studiul Teoriei Arborilor Principali In Constructie Integrata

C U P R I N S

I. CARACTERISTICI ȘI MODELE PRIVIND CREȘTEREA TEMPERATURII ÎN CADRUL ARBORILOR MOTORI LUCRÂND CU VITEZE RIDICATE

1.Introducere

1.1. Punerea problemei

1.2.Caracteristicile dinamice.

2. Setări experimentale

3. Descrierile modelului

3.1. Temperatura ca bază a modelelor statice

3.2. Temperatură ca bază a modelelor dinamice

3.3. Temperatura/viteza ca bază a modelului dinamic.

3.4. Deplasare/viteză ca bază a modelelor dinamice

3.5. Variabilele hibrid în cadrul modelului dinamic.

4. Varietatea modelului și rezultatele experimentale

4.1. Temperatură ca bază a modelului.

II. CARACTERISTICI PRIVIND PROPRIETATILE DINAMICE ALE SCULELOR LUNGI DISPUSE IN CONSOLA

1. Modelul abstract

2. Dezechilibrul excitator

2.1. Cauzele dezechilibrului

2.2. Reducerea dezechilibrului excitator

2.3. Transfer către sistemul sculă/arbore principal

III. PROBLEME PE CARE LE IMPLICĂ UTLIZAREA SCULELOR LUNGI PRINSE ÎN CONSOLĂ

IV. CALCULAREA VITEZEI APLICAȚIEI

V. DETERMINAREA FACTORILOR DE INFLUENȚĂ

VI. COMPARAȚII ÎNTRE MĂSURĂTORI ȘI CALCULE

VII. LIMITA ECHILIBRULUI SCULELOR LUNGI DISPUSE ÎN CONSOLĂ

VIII. H S C ÎN DOMENIUL APLICAȚIILOR PRACTICE

1. Introducere

1.1. HSC în domeniul aplicațiilor practice

2. Industria matrițelor si filetării

3. Industria de automatizare

4. Industria aeronautica

5. Sectorul principal

6. Asigurarea unui balans minim

7. Interfața potrivita dintre mașina-scula si scula aschietoare

8. Inovație privind uneltele HSC în aplicații practice

9. Materiale aschietoare

10. Limitele utilizarii HSC

IX. PROBLEME DE MENTENANȚĂ CE PRIVESC ARBORII MOTORI CU VITEZE RIDICATE

1.Introducere

2.Descrierea la subiect a monitorizării

3.Analiza statistică a problemelor HSS

4. Definiția monitorizării sistemului HSS

5. Concluzii

X. MODELUL TERMIC PENTRU ARBORI PRINCIPALI CU VITEZĂ RIDICATĂ

1. Introducere

2. Punerea problemei

3. Setările experimentale

4. Modelul termic

5. Mecanismul de transfer al căldurii în interiorul echipamentului

5.1. Transferul de căldură în rulmenți.

5.2. Convecția lubrifierii cu aer

5.3. Conducția dintre bile și căile de rulare

5.4. Conducția între inelul exterior al rulmentului și carcasă.

5.5. Transferul de căldură de la arbore în fliude

5.6. Convecția curentului de aer în motor

5.7. Convecția mediului ambiant

6. Validarea modelului

6.1. Validarea stadiului constant

6.2. Validarea stadiului tranzitoriu

6.3. Analiza echilibrului de putere

7. Concluzii

XI. CONCLUZII ȘI PERSPECTIVE

I. CARACTERISTICI ȘI MODELE PRIVIND CREȘTEREA TEMPERATURII ÎN CADRUL ARBORILOR MOTORI LUCRÂND CU VITEZE RIDICATE

Introducere

Tehnologia de tăiere utilizând viteze ridicate este acum folosită pentru creșterea aplicațiilor privind materialele feroase și materialele nemetalice. Viteză ridicată și putere ridicată asupra motoarelor arborilor principali poate reprezenta un capitol important asupra tehnologiei de tăiere cu viteze ridicate. În figura 1 se distinge tendința privind viteza și puterea când puterea și viteza cresc, creșterea temperaturii arborului devine de asemenea mai importantă. Un volum important de literatură de specialitate există cu privire la compensarea erorilor de software cu cele datorate erorilor termice din mașinile unelte. Una dintre aceste erori este cea legată de caracteristicile quasi-statice în arborele de viteză. Conform acestor evaluări erorile termice sunt corelate față de măsurătorile de temperatură în câteva puncte critice din structura mașinii în timpul operațiilor. În acest caz creșterea temperaturii arborelui este corelată cu măsurătorile de temperatură din exteriorul și din interiorul cutiei de viteze. În timp ce căldura motorului este protejat față de camera arborelui principal și față de căile de rulare, singura sursă care produce încălzirea este datorată seturilor de rulmenți.

Deoarece capacitatea căldurii din structura arborelui este considerată a fi mai mare decât cea generată de către seturile de rulmenți, este de așteptat să apară o constantă, pentru o perioadă îndelungată a caracteristicilor termice. Erorile termice pot fi considerate ca fiind quasi-statice și independente de cuplul arbore-viteză, deoarece motorul principal este izolat față de structura axului.

Figura 2 este un exemplu tipic utilizând rulmenți cu bile și un sistem axial de viteză înaltă motorizat pentru a comanda un arbore HS, un motor inductiv integrat este poziționat între rulmenții față și spate în rotorul principal. Chiar dacă un sistem de răcire cu apă este inclus în acest ansamblu pentru a înlătura căldura generată în motor și în rulmenți creșterea arborelui este mai mare de 100 µm în direcție axială. Principalul scop este ca antigelul să fie capabil să răcească statorul motorului dar nu și al rotorului integrat în timpul prelucrării cu viteze ridicate.

Căldura generată de rotor este direct transferată și acumulată în arborele de prelucrare, cauzând o creștere termică signifiantă. Astfel, a fost descoperit un model static utilizând analiza regresivă și prelucrarea artificială neutră compromis pentru a satisface precizia modelului, în cazul motoarelor cu arbore HS.

1.1. Punerea problemei. Comparând cu un arbore convențional, caracteristicile termice ale unui arbore motor HS ( de viteza ridicata) sunt mult mai dinamice neliniare și dependente de viteză.

1.2. Caracteristicile dinamice. La început motorul este atașat direct în camera arborelui și montat într-o platformă rotativă departe de sursele de radiații printr-o legătură directă și rapidă față de structura arborelui. În al doilea rând condițiile de tăiere vor fi frecvent schimbate față de cele ale unui arbor tradițional. Aceasta înseamnă că timpul fiecărui ciclu de tăiere este mult mai scurt. Un exemplu tipic asupra aplicațiilor utilizând un arbore de viteză ridicată este acela că necesită schimbarea a 26 de scule în șase minute.

În al treilea rând erorile termice sunt de natură nestaționară chiar dacă după alarma de temperatură este afectată memoria, stratul termic rezistă datorită fluxului de aer variabil în interiorul motorului, iar operațiile variabile de tip închis – deschis apar la nivelul schimbătorului de căldură.

Figura 3 prezintă un exemplu al creșterii în temperatură a unui arbore motor integrat la diferite viteze de lucru. Notând constantele termice în timp în cele două cazuri vor fi diferite. Creșterea în temperatură a arborelui este neliniară cu măsurarea temperaturii. Așa cum este prezentat în figura 3 erorile termice se vor reduce chiar dacă în camera arborelui va fi aceiași temperatură.

Fig. 3

2. Setări experimentale

Arborele testat este montat pe un banc de probe cu următoarele caracteristici: 20.000 rpm/14 kW(așa cum este prezentat în fig. 2 ). Sunt folositi patru senzori de temperatură, în poziții diferite, pe arbore. Senzorii de temperatură 1 și 2 sunt localizați în camera arborelui lângă și în afara rulmentului frontal, respectiv în zona rulmentului posterior. Senzorii de temperatură 3 și 4 sunt poziționați la intrarea, respectiv ieșirea conductelor răcitorului(chillerului). Senzorul de temperatură 1 măsoară creșterea temperaturii arborelui care susține scula de tăiere. Senzorul 2 măsoară diferența de temperatură dintre fața și spatele capacului arborelui. Notând faptul că senzorul Z2 este montat în carcasa arborelui, in aplicațiile reale acesta nu este introdus in procesul de tăiere.

Deoarece construcția motor-inductor generează câmp-electromagnetic cât și zgomot în camera arborelui principal, senzorul de platină RTD este utilizat pentru a compare zgomotul rezistiv față de ceilalți senzori de temperatură ca un termocuplu și senzori IC.

Preamplificatoare speciale care utilizează filtre electromagnetice de zgomot sunt utilizate în acest caz.

Nivelul de zgomot față de temperatura măsurată se reduce la valoarea de 0.05 V corespunzător cu 0.1 grade celsius.

Senzorii de deplasare utilizați sunt de natură capacitivă . Nivelul de zgomot a senzorului capacitiv este mai mic de 5 mV corespunzător cu 50 mm. Figurile 4 și 5 prezintă măsura deplasării termice și temperatura unui arbore atunci când viteza acestuia se modifică la fiecare 30 min. Schimbarea vitezei arborelui este selectată aleator. În figura 4 este prezentat dispunerea termică a unei scule de tăiere a cărui capăt prezintă o deplasare mai mare de 180 μm .

Dispunerea termică a senzorului Z2 față de capacele rotative frontale și de capăt ale cutiei arborelui prezintă valori mai mici față de cele ale senzorului Z1. Altfel spus dispunerea termică are o componentă ciclică ca perioadă fiind aceeași cu perioada ON-OFF a schimbătorului de căldură prezentat în figura 5.

Măsurătorile de temperatură furnizate de senzorii Z1 și Z2 dispuși în camera arborelui și prezentați în figura 5 au aceeași componentă ciclică .

Fig. 4

Fig. 5

3. Descrierile modelului

Prin comparare câteva modele au fost construite pentru a determina creșterea temperaturii arborelui principal. Aceste modele au fost clasificate din punct de vedere static și dinamic variabilele de intrare a acestor modele se clasifică funcție de temperatură, deplasare termică și viteză . Următoarele capitole descriu funcțiile de bază a acestor modele.

3.1. Temperatura ca bază a modelelor statice. Variabilele de intrare a modelelor statice sunt reprezentate de măsurătorile de temperatură în câteva puncte ale structurii arborelui .

Este un model static deoarece numai temperaturile măsurate în timp real se iau în considerare iar temperaturile informative sunt ignorate .

O metodă neurală și o metodă logică Fuzzy au fost propuse prin mai multe studii. Unul dintre avantajele acestei metode este aceea prin care componentele erorilor termic multiple cât și a comportamentului non-liniar pot fi ușor incluse în acest model.

3.2. Temperatură ca bază a modelelor dinamice. Modelul dinamic este acela prin care temperatura afișată este considerată ca variabilă de intrare. Modelul poate fi construit bazându-se pe tehnica autoregresiei.

3.3. Temperatura/viteza ca bază a modelului dinamic. Caracteristicile termice dintre viteză-dependentă în cazul unui motor HS poate fi modelat considerând ca variabilă de intrare modelul precedent.

3.4. Deplasare/viteză ca bază a modelelor dinamice. Așa cum a fost menționat temperatură ca bază a modelului este problema multicolinearității, nonlinearității și a efectelor memoriei. Aceste probleme pot fi evitate prin utilizarea unei măsurători de deplasare termică localizate la nivelul suprafețelor rotative ca variabile de intrare. Acestea necesită ca model deplasarea. Dacă măsurătorile de deplasare pot fi dispuse pe suprafața de rotație caracteristicile termice neliniare și variabile în timp, legăturile, asamblările și conductele de aer pot fi excluse din modelul deplasării.

Față de modelul deplasării atunci când este necesar se suplimentează schema cu 2 senzori. Acest fapt conduce la reducerea problemelor de multicoliniaritate și crește robustețea modelelor termice. Se va prezenta mai târziu faptul că modelul de dispunere prezintă o acuratețe ridicată față de modelul ca temperatură de bază

3.5. Variabilele hibrid în cadrul modelului dinamic. Câteva studii importante au fost făcute pentru a evalua performanțele erorilor modelului termic care combinau măsurătorile de temperatură, viteza arborelui și măsurătorile de deplasare ca variabile de intrare ale modelului.

În scopul reducerii problemelor de multicoliniaritate au fost folosite câte o singură valoare de temperatură și de măsurare a dispunerii .

4. Varietatea modelului și rezultatele experimentale

4.1. Temperatură ca bază a modelului. Măsurând dispunerea termică Z1 de la un ax testat către o curbă rotundă utilizând modelul autoregresiv dinamic(ARX) și metodele de analiză regresivă statică unica variabilă de intrare a fost temperatura. Modelul dinamic ARX a măsurat cu rezultate bune erorile termice dar regresia analitică statică nu a furnizat acuratețea curbei de împrăștiere. În figura îe iau în considerare iar temperaturile informative sunt ignorate .

O metodă neurală și o metodă logică Fuzzy au fost propuse prin mai multe studii. Unul dintre avantajele acestei metode este aceea prin care componentele erorilor termic multiple cât și a comportamentului non-liniar pot fi ușor incluse în acest model.

3.2. Temperatură ca bază a modelelor dinamice. Modelul dinamic este acela prin care temperatura afișată este considerată ca variabilă de intrare. Modelul poate fi construit bazându-se pe tehnica autoregresiei.

3.3. Temperatura/viteza ca bază a modelului dinamic. Caracteristicile termice dintre viteză-dependentă în cazul unui motor HS poate fi modelat considerând ca variabilă de intrare modelul precedent.

3.4. Deplasare/viteză ca bază a modelelor dinamice. Așa cum a fost menționat temperatură ca bază a modelului este problema multicolinearității, nonlinearității și a efectelor memoriei. Aceste probleme pot fi evitate prin utilizarea unei măsurători de deplasare termică localizate la nivelul suprafețelor rotative ca variabile de intrare. Acestea necesită ca model deplasarea. Dacă măsurătorile de deplasare pot fi dispuse pe suprafața de rotație caracteristicile termice neliniare și variabile în timp, legăturile, asamblările și conductele de aer pot fi excluse din modelul deplasării.

Față de modelul deplasării atunci când este necesar se suplimentează schema cu 2 senzori. Acest fapt conduce la reducerea problemelor de multicoliniaritate și crește robustețea modelelor termice. Se va prezenta mai târziu faptul că modelul de dispunere prezintă o acuratețe ridicată față de modelul ca temperatură de bază

3.5. Variabilele hibrid în cadrul modelului dinamic. Câteva studii importante au fost făcute pentru a evalua performanțele erorilor modelului termic care combinau măsurătorile de temperatură, viteza arborelui și măsurătorile de deplasare ca variabile de intrare ale modelului.

În scopul reducerii problemelor de multicoliniaritate au fost folosite câte o singură valoare de temperatură și de măsurare a dispunerii .

4. Varietatea modelului și rezultatele experimentale

4.1. Temperatură ca bază a modelului. Măsurând dispunerea termică Z1 de la un ax testat către o curbă rotundă utilizând modelul autoregresiv dinamic(ARX) și metodele de analiză regresivă statică unica variabilă de intrare a fost temperatura. Modelul dinamic ARX a măsurat cu rezultate bune erorile termice dar regresia analitică statică nu a furnizat acuratețea curbei de împrăștiere. În figura împrăștierea este prezentată pentru cele doua metode așa cum se poate vedea .

Metoda de analiză statică-regresivă prezintă o componentă statică-ciclică.

Ciclul este de 20min exact la fel cu al ciclului on-off .

II. CARACTERISTICI PRIVIND PROPRIETATILE DINAMICE ALE SCULELOR LUNGI DISPUSE IN CONSOLA

1. Modelul abstract

Greutatea rotorilor fară posibilități de reglare dezvolta forte centrifugale cu influenta directă asupra rulmenților, iar învelișul exterior produce vibrații armonice asupra sculei.

Cerințele privind echilibrarea rotorilor rigizi sunt descrise in standardul ISO1940.

Respectând aceste estimări, influențele diferitelor suprafețe și sistemul de prindere a sculei în mediul dinamic comportările sunt diferite.

Influența universalului în mediul dinamic față de sculele dispuse în consolă se prezintă ca sumă în sistemul dispozitiv-sculă. La final bazându-se pe fapte analizate ținând cont și de influențele dinamice se estimează caracteristica dinamică elastică ca fiind calculată asemeni unui rotor rigid echilibrarea realizându-se conform ISO 1940.

Utilizând mașini cu viteză înaltă și crescând turația la arborele universal este extrem de important să cunoaștem comportamentul dinamic al sistemelor de scule prinse în consolă.

Ținând cont de configurația structurală și constructivă acest sistem de scule este vulnerabil față de vibrațiile externe. Factorii de neechilibrare sunt extrem de importanți comparativ cu frecvența proprie de rezonanță a mașinii unelte. Altfel spus efectul de spin trebuie verificat și reglat către limita inferioară pentru a preîntâmpina dezechilibrul vârf/sculă, care de altfel este necunoscut.

2. Dezechilibrul excitator

2.1. Cauzele dezechilibrului. Dezechilibrul rotorului fără mase dispuse excentric care ar fi nedistribuite uniform pot fi însumate iar rezultanta poate fi vectorizată. Această excentricitate dintre sculă/universal duce la bătăi radiale asimetrice față de sculă. Acest dezechilibru rotoric are ca rezultat forțe centrifugale în frecvența de rezonanță și o creștere volumică a vitezei rotaționale.

O primă consecință este încărcarea exagerată a rulmenților. Mai mult decât atât mașina tinde către un regim vibrator. Altfel spus nu se poate face o corelație între creșterea dezechilibrului și durabilitatea sculei așchietoare.

2.2. Reducerea dezechilibrului excitator. Cerințele tehnologice privind dezechilibrul rotorului rigid sunt specificate în standardul DIN ISO 1940.

Astfel nivelurile privind calitatea suprafeței obținute se determină experimental ținând cont și de plaja de reglare a rulmenților.(încărcarea rulmenților cu sarcini axiale).

Viteza descrisă față de centrul de inerție al axei de rotație, reprezintă o metodă de comparație abstractă. Măsurătorile cât și transformările în practică sunt laborioase atât față de mașina unealtă cât și față de arborele de prindere al sculei. Altfel spus sculele care lucrează la turații înalte trebuie să fie echilibrate conform DIN ISO 1940 la standarde de calitate. Altfel spus scula și universalul fac parte dintr-un sistem combinat, balanța înclinând spre acuratețea obținută în producție(fig.6).

Strângeri repetate, spre exemplu la schimbarea pieselor, produc modificări ale condițiilor de echilibru.

Fig. 6

2.3. Transfer către sistemul sculă/arbore principal. Pentru a crea un criteriu de evaluare simplu pentru compararea efectelor dezechilibrului este recomandat a se lua in considerare viteza vibratorie vs. Viteza vibratorie este funcție de calitatea echilibrării, ca și de proprietățile dinamice ale sistemului. O condiție esențială este acea ca sistemele în discuție să prezinte elemente de similaritate. Transformarea criteriului de comparație este posibilă, deoarece arborii motorului, care îndeplinesc dețin elemente esențiale de similaritate, sunt aproape întotdeauna utilizați la mașini cu viteză ridicată datorită vitezelor de rotație ridicate. De exemplu, toate motoarele utilizate la turații ridicate au o structură geometrică similară, vitezele de rotație ale rotorului sunt incluse în aceeași categorie , iar proprietățile dinamice și rulmenții axiali au caracteristici similare.

În cadrul unui proiect de cercetare, limita dezechilibrului pentru sistemele arbore/sculă poate fi determinată. Aceste sisteme se bazează pe vibrații de dezechilibru relativ maxim admisibile ale rulmenților în modele de simulare generalizată, spre exemplu interfațele HSK. Figura 7 prezintă limitele rezultate ca echilibru pentru un echipament cu interfață HSK 50, prezentând o masă totală de 2 kg. Curba limită superioară (a) reprezintă constanta efectivă a vitezei de vibrație, determinată prin calcul, ca VDI 2056 [4] pentru cei mai solicitați rulmenți. În acest caz, valoarea vitezei de vibrație corespunde limitei superioare pentru nivelul „bun” (1,0 mm/s pentru categoria de mașini M). Această curbă limită acționează ca o protecție pentru arbore împotriva încărcărilor vibratorii excesive. Curba limită inferioară (b) rezultă din imperfecționile strângerilor radiale permanente și din dezechilibrele rezultate la introducerea sculei în arbore.

Fig. 7

O imperfecțiune de strângere radială a depresiunii conului ajungând la 5 µm este presupusă în cadrul acestei estimări. Micile excentricități reziduale sau dezechilibrele reziduale ale sistemului sculă/arbore nu sunt reproduse. De asemenea, trebuie avut în vedere că imperfecțiunile strângerii radiale la interfață se vor deteriora prin folosire, pentru ca limita curbei inferioare să fie adusă la valori mai mari.

III. PROBLEME PE CARE LE IMPLICĂ UTLIZAREA SCULELOR LUNGI DISPUSE ÎN CONSOLĂ

Aceste recomandări privind echilibrarea se aplică sculelor în consolă cu lungime normală, atâta timp cât ca și arborii acestea îndeplinesc cerințele aplicabile rotorilor rigizi, cum ar fi ISO 1940. Spre deosebire de acestea, sculele lungi prinse în consolă introduse în sisteme arbore/sculă pot fi considerate rotori rigizi numai in anumite limite, atâta timp cât reziliența dinamică a sculelor prezintă un impact substanțial în procesele de echilibrare și, de asemenea, în ceea ce privește respectarea calității echilibrării. Acest raport reiese din figura 7. Până la aprox 60% a primei frecvențe de rezonanță, scula poate fi considerată un rotor rigid, în timp ce peste 60%, poate fi considerată ca o curbă în domeniul elastic.

IV. CALCULAREA VITEZEI APLICAȚIEI

Pentru a stabili limitele aplicațiilor privind sculele lungi dispuse în consolă, a fost folosit un model de substituție din care să rezulte un raport nedimensional pentru viteza critică a curbei elastice f1b, pe baza rigidului încastrat Euler-Bernoulli.

V. DETERMINAREA FACTORILOR DE INFLUENȚĂ

În plus, alte condiții obligatorii, cum ar fi: materialul sculei, rigiditatea interfețelor și conexiunilor au un impact asupra proprietăților dinamice ale sculei. Studii sistematice pentru evaluarea comportamentului dinamic al sculelor lungi dispuse în consolă au fost inițiate deja, în cazul interfețelor HSK 63 A și SK 40. Curbele de viteză critice au fost identificat pentru diferite materiale de fabricare a sculelor, pentru lungimi de încastrare variabile și pentru tipuri de prinderi variabile (linetă mobilă,cap hidraulic,prindere între vârfuri).Următoarele relații stabilesc:creșterea diametrului sculei,frecvența de rezonanță a oțelului cât și a carburilor metalice se situează în apropiere. Motivul acestei evaluări este determinată de faptul că carbura este folosită pentru piese de diametru mare.

VI. COMPARAȚII ÎNTRE MĂSURĂTORI ȘI CALCULE

Datorită valorilor variabile ale măsurătorilor în comparație cu rezultatele testului este necesar a fi corectate prin introducerea unor factori care țin cont de realitate. Pentru corecția prin metode simple de calcul, proprietățile geometrice și mecanice cum ar fi caracteristicile de material privind scula sau dispozitivul de prindere sunt totdeauna valabile în trecut.

În timpul funcționării, modelul nedimensional critic (ecuația 5) reproduce comportamentul actual care impune creșterea lungimii sculei prinsă în consolă față de cea cu lungime mai mică, introducând un factor invers proporțional față de cel stabilit.

Ki=d/L=1/ΠL.

VII. LIMITA ECHILIBRULUI SCULELOR LUNGI DISPUSE ÎN CONSOLĂ

Ecuațiile 6 și 12 nu sunt îndeajuns pentru a defini aplicațiile critice(rezonanțe) asupra sculelor lungi dispuse în consolă, dar din acestea derivă limitele echilibrului. Această limită nGB reprezintă limita adițională cerută de limita nivelului de calitate. Următoarele exemple sunt date pentru a ilustra relațiile în detaliu. O sculă din carbură metalică că având diametrul de 20 mm și rația L/d de 10,5 poate fi aplicată în concordanță cu ecuația 13 ca fiind un rotor rigid peste viteza de aproximativ 10.600 min-1 (măsurând viteza critică a unei carburi metalice de 20 mm, prinsă într-un sistem hidraulic de expansiune, utilizând un motor cu dispozitiv SK-40 292 Hz=17520 min-1). Mai mult de cât atât efectele masice compensate prin echilibru nu sunt efectiv valabile atunci când sistemul sculă/ arbore este determinat peste o valoare a rotației sub 10.600 min -1 .

VIII. H S C ÎN DOMENIUL APLICAȚIILOR PRACTICE

Cerințe și inovare în domeniul uneltelor de prelucrare

1. Introducere

1.1. HSC în domeniul aplicațiilor practice. Dispozitivele HSC oferă o larga gama de aplicații. Câteva dintre aplicațiile principale se cristalizează in prezent si in viitorul apropiat.

2. Industria matrițelor si filetării

Datorita procentului ridicat al timpului de operare si durabilitatea ridicata a uneltelor, tehnologia HSC a cucerit imediat domeniul finisării suprafețelor 3D. In plus, diametrul redus al uneltelor cu suprafețele de taiere reduse face necesara folosirea tehnologiei HSC. În această privință, este cel mai importanta realizarea unor suprafețe largi în timp redus cu îndeplinearea cerințelor de calitatea in tolerantele cerute. Cu excepția câtorva cazuri, operațiile prioritare de prelucrare, spre exemplu rugozitatea, vor fi executate la viteza așchiere convenționala. Așa cum se poate observa la matricea din figura 2, unelte mici lucrând la viteze ridicate sunt utilizate pentru finisare.

3. Industria de automatizare

Datorita cantității ridicate de subansamble produse si utilizării materialelor aliate, HSC a fost folosit cu real succes mulți ani, prin utilizarea PCD. Ca o aplicație tipica, putem menționa operațiunile legate de poansonare si de flansare a motoarelor si a componentelor cutiilor de viteze, așa cum sunt prezentate în figura 8. Dacă setările privind suprafețele de așezare ale sculelor așchietoare pentru prelucrări tridimensionale necesitau un timp de reglare îndelungat în trecut, în zilele noastre unelte elastice ce asigura o montare și o mânuire uțoara cu reglare axiala sunt, in mod special, solicitate.

Fig 8.

4. Industria aeronautica

Cu privire la prelucrarea componentelor integrate, în special a celor din aluminiu, cu volum ridicat de material ce urmează a fi îndepărtat, care reprezintă mai mult de 90%, tehnologia HSC asigura un volum ridicat de așchiere în ceea ce privește rugozitatea și o capacitate ridicata de așchiere a suprafețelor.

Oricum, este necesara mai multa putere pentru o suprafața cu rugozitate scăzuta. O putere de 30 kV este epuizată imediat.

Astăzi, sculele cu HSC sunt de prima necesitate atunci când se investește in tehnologia de prelucrare a aluminiului. In aplicații practice se pot întâlni și pentru prelucrarea oțelului, a aliajelor de titan in industria aeronautica unde sunt necesare cuțite mici radiale care prelucrează cu adâncimi de așchie mare.

5. Sectorul principal

Elemente ce privesc siguranța fata de forța centrifugă.

Forța centrifugala creste datorita puterii la arborele principal. Altfel spus masurile de siguranță se vor lua pentru a asigura functionarea, cât si pentru asigurarea securității în timpul operațiilor.

Posibile greșeli datorate forței centrifugale :

deplasarea fetelor așchietoare;

dezlipirea separata in timpul indexării a insertiilor;

apariția rupturii pe corpul propriu-zis

Standardul DIN EN ISO 15641 (Iunie 1998) este o excelenta baza asupra standardelor minime in ceea ce privește siguranța utilizării sculelor de tip HSC.

6. Asigurarea unui balans minim

Standardul ISO 1940 specifica gradat spre exemplu G 2,5 aliaj cu o excentricitate reziduala întilnită frecvent peste cea radiala (datorata prinderii in dispozitiv) fata de turațiile curente la arborele principal. Aceste detalii sunt prezentate in figura 9.

Fig 9

Acest lucru conduce la confuzii privind utilizarea și construcția atât a sculelor cât si a mașinilor unelte.

Grupul Wuchten von Werkzeugen studiaza sub tutela Universității Tehnice din Darmstadt dezvoltarea unor specificații ajutatoare. Cateva rezultate sunt prezentate in figura 5. Este evident faptul ca neechilibrarea reziduala admisibila este afectata de greutatea sculei. Diagrama pâna la G16 prezintă valori reale.

7. Interfața potrivita dintre mașina-scula si scula aschietoare

Sistemul HSK este interfața ideala pentru HSC. El asigura o repetabilitate ridicata. Motivele sunt următoarele:

repetabilitate ridicata, atât axial, cat si radial, la strângere si desfacere;

creștere a forței de strângere odată cu creșterea turației;

încovoiere sporită;

condiții constante de echilibru.

8. Inovație privind uneltele HSC în aplicații practice

Industria de fabricare a matrițelor și filetor necesită unelte sferice și/sau cu forme toroidale pentru rectificarea sau finisarea suprafețelor cu forme variate. Cerințe fundamentale ce trebuie întrunite: design echilibrat; acuratețea concetricității, acuratețea formei și încovoiere sporită. Sculele indexabile cu insertie asigura cea mai buna versatilitate si performante, de la rugozitate pană la finisare.

Un nou sistem de scule foarte versatil, cu piese frontale interschimbabile si cu inserție indexabila, cu diferite forme și mărimi, de la D=12 la 40 mm este prezentat în figura 6. Sistemul de strângere a uneltei cu contact conic și plan susținut de șurub înfiletat asigură concentricitate axială și radiala și o desfacere fără joc, chiar la încărcatura mare.

Așa cum reiese din figura 11, sculele prinse cu inserții indexabile, acoperite cu microfir PVD sunt folosite pentru finisarea perforațiilor.

In plus față de larga gama de aplicatii în fabricarea uneltelor, sectorul matrițe si filete, sculele cu diametru de peste 40 mm sunt recomandate centrelor de prelucrări cu un spectru variat de piese.

Fig 10

Cuțitele de prelucrare curbate la vârf, conform figurii 11, asigura realizarea de aplicații versatile, în ceea ce privește finisarea. Fixate cu șuruburi cu inserții indexabile, unealta excelează în acuratețe ridicată, stabilitate susținută a vitezei, performante înalte de flexibilitate si eficienta economica.

Altfel spus, unealta devine etalonul pentru operațiile de finisare. Aplicațiile cu scule cu plăcuță de carburi solide sunt o importantă inovație. Plăcuța de carbura reduce efectul radial la 1/3 fata de plăcuta de otel rapid. In plus, vibrațiile sunt anulate. In majoritatea cazurilor, piesele obținute prin taiere sunt de și mai mare importanța. Dacă unealta intră în coliziune cu piesa, datorita unui program incorect de comanda numerica, plăcuta se fragmentează imediat, fără nici o deformare. Altfel spus, orice prejudiciu adus universalului sau piesei de lucru sunt considerabil reduse față de acel produs de o plăcuță din otel.

Fig 11

Sistemul de finisare HSC a suprafețelor 3-D necesita îndeplinirea cu strictețe a unor cerințe de acuratețe, durabilitate a sculei și de siguranță a operațiilor. Simultan, părțile așchietoare sunt angajate pe o lungime scurta pentru îndepărtarea unor cantități minime de material. Capetele de așchiere a cuțitelor scurte, așa cum reiese din figura 10, care sunt susținute în adaptori subțiri de strângere, întrunesc cu ușurința și într-un mod cert cerințele privitoare la eficiență și tehnologie.

In producția de componente metalice ușoare, spre exemplu industria de automobile, sistemul HSC a fost aplicat, timp de mulți ani, împreuna cu parți așchietoare PCD și ajustări tridimensionale. Noul concept inovator,necesita un impuls pentru instalare de mai mica durata.

Acesta poate fi ușor adaptabil, în funcție de alte unghiuri apropiate si materiale de taiere din carbura de tungsten sau PCD, mai ales atunci la schimbarea pieselor de lucru sau la începerea unei serii intr-o cantitate incerta.

Corpul principal fabricat din aluminiu reduce factorul de inerție. El nu mai face necesara prinderea și micșorează consumul de energie. In figura 12 este descris procesul de prelucrare a capătului cilindrului. Viteza de taiere este de 4.000 m/minut.

Fig. 12

Sistemul HSC este, de altfel, recomandat pentru carcase metalice pentru componente, spre ex. bloc motor. Cuțitele de închidere cu inserții octogonale de SI3N4 pentru rugozitate si CBN pentru finisare pot fi folosite la viteze de taiere mai mari de 600 m/minut .Este necesară o putere adecvată și o rigiditate ridicata a mașinii, a piesei de lucru și a universalului.

In industria aeronautică, HSC cuțitele zburătoare sunt recomandate pentru producerea de componente integrale. Ele obțin rezultate excelente prin pătrunderea în buzunare inclinate . In acest fel, aranjarea asimetrica a insertiilor cutitelor poate fi evitata. Modalitatea de patrundere poate fi adaptata in mod corespunzator, in functie de lungimea si adancimea buzunarului.

9. Materiale aschietoare

Dezvoltarea materialelor ascietoare da un impuls suplimentar tehnologiei HSC. Carbura cu granulatie fina cu invelis corepunzator de PVD, datorita tehnicii sale multistratificata si a suprafetelor taietoare, permite indepartarea unor straturi sbtiri a diferitelor materiale de lucru. Datorita rezistentei ridicate la temperatura si presiune, cat si a unei excelente duritatati, microparticulele sunt potrivite, de asemenea, pentru prelucrarea otelulurilor. Fiind un material dur, CBN asigura cele mai bune rezultate, daca scula si piesa de lucru prezinta o stabilitate ridicata si daca materialul piesei contine doar cateva ferite. Prelucrarea utilizand aliajul AlSi cu insertie de diamant artificial intampina unele dificultati cauzate de aderanta instabila a straturilor.

10. Limitele utilizarii HSC

In cazul urmatoarelor operatii, aplicarea tehnologiei HSC este restrictionata si/sau reduce eficienta economica:

Volum mare de material dislocat atunci cand se prelucreaza fier cu rugozitate ridicata sau hotel, in special taierea sub forma de arc; durabilitatea sculei scade considerabil.

Prelucrarea aliajelor de titan: restrictie la zone scurte de taiere sub forma de arc.

Prelucrarea unor piese usor vibratorii, vibratia avand frecventa naturala.

IX. PROBLEME DE MENTENANȚĂ CE PRIVESC ARBORII MOTORI CU VITEZE RIDICATE(HSS)

Introducere

Mașinile unelte reprezintă elementul cheie în sistemele de producție. Rolul acestora este de a asigura o profitabilitate ridicată, de a reduce costurile de producție, de a menține un ciclu de viață ridicat etc.

Unul dintre elementele principale a centrelor de prelucrare cu viteză ridicată din punct de vedere al mentenanței, cât și al problemelor survenite se atribuie arborilor motori care lucrează cu viteză ridicată.

Arborii care utilizează viteză ridicată înlocuiesc vechile sisteme ale centrelor de prelucrare.

Caracteristicile acestora răspund celor mai mari cerințe în ceea ce privește creșterea în turație și putere și asigură o flexibilitate ridicată.

Arborii integrați care operează cu viteză ridicată au devenit superiori și datorită complexității constructive.

Astăzi majoritatea arborilor motori cu viteză ridicată aflați în utilizare impun politici de mentenanță sporită, cu un ciclu de viață între 5000-8000 h și minimizarea numărului de revizii tehnice. Aceste revizii variază de la producător la producător, dar strategia rămâne aceeași. Acest lucru înseamnă că timpul total de viață al echipamentului este singurul parametru de care se ține cont. Este bine cunoscut faptul că mentenanța prescrisă este un parametru ce caracterizează ciclul de viață și procesul continu de uzură al acestuia.

Acest proces se poate produce în orice moment în cazul arborilor cu viteză ridicată.

Totuși arborii integrați sunt capabili să lucreze un timp îndelungat, datorită intervențiilor periodice asupra proceselor supuse deteriorării. Pe de altă parte, probleme neașteptate pott apărea, datorită evoluției sistemului impropriu de prelucrare indetectabil cu costuri de reparații, însă foarte ridicate.

O estimare comună plasează arborii cu viteze ridicate pe primul loc privind mentenanța concluzionând cu un procent de 30% din costul total al echipamentelor. Doi dintre liderii din Franța ai producătorilor de centre de prelucrare cu viteză ridicată și două laboratoare de cercetare (LSIS și LARAMA) au inițiat un proiect care urmărește următoarele aspecte:

a). Detectarea originii și a problemelor ce apar în cadrul arborilor integrați și identificarea unor noi soluții privind mentenabilitatea pentru a reduce pe cât posibil costurile totale. În consecință, programul de cercetare urmărește problema pe două direcții:

analiza statistică asupra ciclului de viață bazat pe experimentările ambilor producători de echipamente cu intenția de a oferi o imagine în practica industrială;

analiza din punct de vedere a tehnologiei pentru identificarea elementelor sensibile, cât și pentru a propune posibilele măsuri utilizabile pe viitor într-o strategie nouă de mentenanță

Acest material se bazează pe metode de analiză statistică pentru sistemele PCI și COMAU SYSTEMS ținând cont de ciclul de viață al mașinii concluzii importante și propunerea de strategii pentru scăderea totală a intervenților la arbori cu viteză ridicată.

Descrierea la subiect a monitorizării

Scopul proiectului este de a propune o metodă practică de monitorizare a sistemului, cât și pentru a estima gradul de defectare.

Monitorizarea condiționată, ca strategie, implică ca strategie interacțiuni între sistem și proces la un nivel scăzut. Însă soluția ideală este de a găsi ușor semnalele externe fără implicarea sistemelor de măsurare adiționale. Acest aspect este utopic, deoarece nu se pot identifica din punct de vedere informațional soluțiile mecanice. Atfel spus, este extrem de important să introducem în sistem, cât și în procesul de monitorizare aceste măsurări. În figura de mai jos se prezintă cu o aproximare generală condițiile de mentenanță și acțiunile asociate pentru fiecare nivel.

Fig. 13

Monitorizarea on line(directă) asupra arborelui a fost eliminată datorită consecințelor economice. Un sistem de monitorizare pentru fiecare mașină a fost judecat ca fiind prea ridicat pentru echipa cercetători/producători.

Analiza statistică a problemelor HSS

COMAUSYSTEM și PCI sunt producătorii specializați în centre de prelucrare HSM, cât și a sistemelor integrate de producție. Clienții importanți sunt atât din industria de automobile, cât și din cea aeronautică. Majoritatea sistemelor de prelucrare utilizează HSS de la firma FISCHER.

Cele mai utilitzate sisteme HSS sunt de tip MFM17(15000 rot/min) și MFM23(24000 rot/min), utilizând un sistem de prindere HSK63 provenită de la OTTT. Toate sitemele cu arbori integrați utilizează rulmenți hibrizi, carbon-silicon-oțel.

În figura 14 se prezintă structura simplificată a sistemului HSS, astfel:

Fig 14

Arborii care lucrează la viteze ridicate sunt sisteme mecanice complexe cu un număr de componente comparabil cu cel al centrului de prelucrare. Unele dintre aceste componente provin din ramuri de înaltă tehnologie care impun precizii ridicate. Comenzile electrice(motoarele) sunt în majoritatea cazurilor asincrone cu vectori de control. Elementele de lubrifiere sunt foarte importante în analiză, cât și senzorii aferenți. Altefel spus, producătorii de echipamente tip arbore cu viteze ridicate sunt atât producătorii comenzilor de acționare, cât și a celor ce implică tehnologii de fabricare de înaltă clasă, precizii, rugozități foarte ridicate, producători a căilor de rulare, cât și a elementelor din ansamblul echipamentului.

O asemenea compelxitate ridicată impune probleme de fiabilitate, cât și o interpretare dificilă a ciclului de viață al produsului diferit în stadiul de laborator față de cel din practica industrială.

Sistemul de ungere, debitul acestuia, prezența lichidului de ungere în procesul de așchiere, varietatea ridicată a efortului de așchiere, cât și factorul uman sunt elemente determinante pentru teoria evoluției asupra arborilor cu viteză ridicată. Acesta este și motivul pentru care rulmenții nu reprezintă principala problemă privind defectarea echipam,netului. Atât PCI, cât și COMAU SYSTEM au stabilit grafic dependența produs –ciclul de viață încă din anul 2001. Înregistrările asupra rapoartelor clienților, cât și rapoartele experților ce provin în cazul executării arborelui motor cu viteză ridicată sunt reale. Aceste rapoarte sunt utile pentru analiza noastră pentru că oferă oportunitatea de identificare a principalelor defecțiuni.

După o scurtă analiză a acestor rapoarte un număr de 93 de arbori motori, cu viteză ridicată, erau utilizați pe mașini COMAU, iar 182 de arbori tip PCI erau incluși într-o analiză statistică. În figura 15 și figura.16 se prezintă rezultatele acestei analize.

Fig.15

Fig. 16

Prima remarcă a acestei analize este aceea că cele două puncte de vedere sunt fundamental diferite. Majoritatea rapoartelor defecțiunilor prezintă interpretări diferite ale clientului și ale expertului. Aceasta se poate explica printr-o analiză detaliată a noțiunilor și termenilor utilizați de către cei doi.

În primul rând, cele două părți, prin definirea lor a defecțiunii amestecă două sau trei noțiuni diferite.

Căderile sau defecțiunile sunt considerate câte odată ca și cauze, iar simtomele sunt deseori luate drept defecțiuni. Marea majoritate a rapoartelor clienților privind defecțiunile, încearcă să identifice elementele care le provoacă. În nici un caz acest element nu este în general adevăratul motiv al defectării, spre exemplu clientul indică în general că elementul ce cauzează defecțiunea codificatorul pentru că, comanda de mișcare și sistemul de control indică aceasta. Expertul analist poate oricum să găsească un elemnt de etanșeitate apărut și acel codificator și toate elementele interne au fost încercate prin oprirea fluidului.

Altă posibilitate- o rupere sau mici coleziuni repetate deformează arborele motor, iar funcționalitatea părții rotative a codificatorului nu se înscrie în gama toleranței. La fel problemele sistemului de strângere sunt foarte des generate de o folosire incorectă a schimbătorului de scule. Aceasta este una din posibilele explicații dintr-o sumă mare de ruperi sau coleziuni provocate de defecțiuni.

Adevărul este că anumite coliziuni nu sunt imediat detectate, iar mașina poate încă lucra constituind o dificultate suplimentară. Un arbore defectat poate induce alte probleme neluând în considerare faptul că acestea le poate crea.

A doua remarcă este aceea că cei doi producători de mașini nu au aceleași probleme. De fapt arborii PCI au mari probleme cu elemntele de etanțare. . Aceasta se explică prin diferențele dintre soluțiile tehnologiceale celor doi arbori. De când s-a făcut această analiză a problemelor de etanșeitate ale PCI s-a găsit o soluție.

Alte diferențe pot fi explicate prin noțiunea ambientului. Clienții a doi producători de mașini nu au acelați profil și necesități, nu folosesc aceleași materiale și nu utilizează aceiași viteză de tăiere și regimuri. S-a considerat evident că ambientul este important prin influența sa asupra parametrilor ca de exemplu: rata minimă a debitului, forțele de tăiere, nivelul vibrațiilor, semifabricatul și calitatea poziționării etc. Ca rezultat al acestei analize, cele mai multe defecțiuni au fost indentificate: element de etanțare, sistemul de etanșare și codificatorul. Proporția de rupere este foarte importantă, acesta nu este un element real dar o consecință a funcționărilor. Este evident că o încărcătură a evenimentelor inițiale cauzelor și simmtomelor în descrierea întregului sistem de funcționare. O asemănare riguroasă în descrierea unui astfel de sistem este necesară pentru a identifica problemele reale și pentru a separa cele trei noțiuni la fel ca mașinile capabile să furnizeze informații pentru o monitorizare eficientă a sistemului.

Figura 17 prezintă un mod de gândire și aranjare a evenimentelor și conexiunilor sistemului de funcționare cu viteză mare a arborelui motor.

Definiția monitorizării sistemului HSS

Figura 17 prezintă legătura cauză-efect găsită prin utilizarea acestei analize. Măsurile capabile să furnizeze informațiile necesare sunt:

Deplasările și accelerațiile pentru vibrațiile caracteristice prin măsurări directe și indirecte;

Temperatura rulmenților capabilă să defecțiunile în sistemul de răcire, suprasarcina sau nivelul ridicat de uzură(unii arbori au deja acești senzori);

Intensitatea curentului motor, temperatura statorului, puterea motoare, viteza de rotație reală- acestea sunt semnale ușor de obținut din sistemul de comandă motor;

Semnalele codificatorului-doi senzori de deplasare sunt utilizați pentru a obține sinus și cosinu, semnale în timp ce roata din dințată se învârtește cu arborele; acești arbori sunt destul de real și se pot folosi pentru a detecta problemele din rulmentul posterior fără alți senszori, printr-un proces adecvat;

Măsurile de deplasare și accelerare ale arborelui vor fi folosite pentru a reprezenta ceea ce noi numim comportamentul arborelui, dat de funcțiunea statică și dinamică sau indicatori ce provin din tehnica monitorizării vibrației. Măsurile temperaturii vor fi efectuate la parametrii identici de funcționare. Semnalele codificatorului vor fi folosite pentru a detecta nivelul vibrației în rulmenții posteriori sau în defecțiunile caracteristice.

O rigiditate statică radială a arborelui va fi de asemeni măsurată cu simplă și rapidă. Monitorizarea evoluției rigidității poate furniza informații importante a integrității rulmenților sau a întregii uzuri a sistemului arborelui. Repetabilitatea etanșării HSK și a măsurării forței de etanșare vor fi utilizate pentru detectarea problemelor cu ajutorul sistemului de etanșare a purtătoarei de sculă.

Sistemul de măsură propus este compus dintr-un dispozitiv de măsurare ușor de instalat în fața arborelui, derivație și procesor de semnale capabil să restabilească informația deschisă de la sursa de putere motoare, sistem de control și un program PC destinat procesării importanței și înregistrării evoluției parametrilor. Sistemul se află în testări. Doi arbori motori cu viteză mare sunt folosiți pentru această fază preliminară.

Fig 17.1

Fig 17.2

Concluzii

Analiza statistică, considerațiile tehnologice și cunoștințele privind condițiile industriale practice în utilizarea arborilor de înaltă viteză au format un prim stagiu al proiectului de cercetare destinat schimbării politicii de întreține a celor doi fabricanți de mașini unelte francezi HS, PCI , COMAU, SYSTEM. Aceste studii ne permit să identificăm cele mai frecvente defecțiuni și să propunem un sistem de măsurare și o strategie de monitorizare periodică corespunzătoare. Acest sistem de monitorizare va fi în curând valabil pentru măsurările interioare, adică să pună în practică, efecti, această cale. Datele de colectare și istoria realizării arborelui motor va continua prin eforturile noastre de a furniza propuneri de îmbunătățire satisfăcătoare a condițiilor de întreținere a arborilor motor de înaltă frecvență.

X. MODELUL TERMIC PENTRU ARBORI PRINCIPALI CU VITEZĂ RIDICATĂ

Introducere

Utilizarea arborilor cu viteză ridicată reprezintă o tehnologie promițătoare, care are drept scop creșterea drastică a productivității și reducerea costurilor de producție.

Tehnologia utilizând mașini cu viteză ridicată este încă nouă, atfel spus teorii privind debitarea metalului utilizând viteze ridicate au fost raportate în anii 1930, iar sculele așchietoare adaptate pe aceste mașini nu există mai curând de anii 1980. Însă, recent, în industrie au fost începute experimente utilizând, în producție, mașini cu viteze înalte. Industria aeronautică a fost prima, urmată de industria automobilelor și de industraia debitărilor și tăierilor în zilele noastre. Deoarece exista o experiență scăzută în acest domeniu, încă mai sunt numeroase probleme de rezolvat în aplicații utilizând mașini unelte cu viteză ridicată.

Problemele curente includ sculele așchietoare, echilibrările, comportamentul dinamic și termic, precum și fiabilitatea sculelor așchietoare. Altfel, spus utilizarea arborilor motori cu viteză ridicată poate fi asociată cu avansuri de prelucrare ridicate, care necesită accelerări și deccelerări rapide ducând la schimbări drastice în comportamentul sculelor așchietoare.

În industria aeronautică utilizarea sculelor așchietoare lungi generează secțiuni de tangență complicând și mai mult problemele.

Dezvoltarea tehnologiei de prelucrare cu viteză ridicată este o strategie critică care necesită implementarea unor mașini unelte foarte performante. Comparativ cu prelucrarea convențională motoarele principale sunt în construcție integrată, astfel încât dispozitivul de transmitere a puterii, cutia de viteze și curelele sunt eliminate.

Acest design reduce vibrațiile, asigură un cuplu de echilibrare rotațional ridicat și anulează controlul preciziei în cazul accelerărilor și deccelerărilor rotaționale. În scurt timp a devenit obișnuit uzual utilizarea sistemului de prelucrare cu viteză ridicată conduce la disiparea foarte puternică a temperaturii în arborele integrat, dar conduce la creșterea termică, peste limită, a celorlalte componente. Pentru acest lucru majoritatea sistemelor mecanice sunt influențate de condițiile termice dar design arborelui motor poate avea o complexitate din ce în ce mai mare prin introducerea componentelor auxiliare. Eventual, arborii motori cu viteză ridicată și particular comportamentul termic și mecanic sunt foarte dificil de calculat, iar experiența a devenit o metodă dominantă pentru designer.

Însă, niciodată experiența dobândită nu va fi suficientă, iar comportamentul arborilor cu viteză ridicată impun serioase probleme de fiabilitate, de aici rezultând întârzierea acceptării acestora în industrie.

Este foarte necesar o modelare fiabilă asupra comportamentului termo-mecanic asupra întregului sistem arbore-motor de viteză ridicată.

Programele recente de calcul asupra comportamentului termic și asupra proprietăților mecanice ale rulmenților sunt disponibile acum și comportamentul termic și mecanic al rulmenților a fost investigat cu ajutorul testelor de rigiditate a compresiunilor relative atunci când modelul termo-mecanic a arborilor convenționali încă nu exista. Se crede că înțelegerea interacțiunilor termice și mecanice a diferitelor componente ale arborelui în cadrul practic al sistemului reprezintă cheia de îmbunătățire a fiabilității și performanței arborelui, dar care nu poate fi verificat prin design rigidității componentelor individuale. Acest lucru se datorează efectelor izolate ale componentelor individuale care pot fi de altfel, observate rar în echipamentul actual, în timp ce câteva efecte simultaene se întâlnesc în majoritatea cazurilor.

Bossmanns și Tu prezintă modelul fluxului de putere, care reprezintă primul pas în completarea modelului termo-mecanic asupra arborilor cu viteză ridicată. Modelul fluxului de putere se aplică pentru sursele de căldură importante din interiorul sistemului principal, după cum urmează:

generarea căldurii la contactul unghiular în cazul rulmenților cu influența vitezei pretensionării și lubrifierii;

generarea căldurii în interiorul motorului electric, rotorul și statorul funcționând la un anumit moment și turație;

generarea căldurii datorată dispersiei viscozității în aer, a componentelor arborelui motor aflate în rotație;

descrierea calitativă a distribuției puterii, a arborelui motor de la sursele de cădură ale rotorului.

În acest material modelul termic finit descriu distribuția de temperatură a unui sistem arbore motor cu viteză ridicată în formă completă. Utilizând modelele surselor de căldură descrise de Bossmanns și Tu, materialul dezvoltă modelele privind transferul de căldură și interpretarea căldurii pentru a completa modelarea termică.

Punerea problemei

Arborii motori de prelucrare necesari pentru a opera pe o plajă largă de turații necesită forțe de tăiere diferite de la operațiile de finisare până la debitări, iar pentru a înțelege cauzele solicitării dinamice, precum și pentru a înțelege solicitările cauzate de forțele periodice de tăiere este necesar stabilirea exactă a modelului termic. Fără a generaliza acest material prezintă modelarea termică a unui arbore principal pentru operația de așchiere cu puterea de 32 KW și 25000 rot/min. Metodologia dezvoltată utilizând modelarea termică este aplicabilă și tarnsferabilă către alte modele de arbori.

Vom începe cu detalierea explicită a arborilor motori, cât și cu elemntele componente ale acestora, urmând cu aprecierea caracterizărilor asupra transferului de căldură și comportării termice dezvoltate pe modelul termic.

Setările experimentale

Tipul arborelui care urmează să fie modelat este utilizat la operațiile finale de debitare utillizând rulmenți conici radial-axial(figura 18 )

Arborele principal are o putere maximă de 32 KW, turația maximă de 25000 rot/min corespunzător unui cuplu de 1,5 mil DN, cu un diametru al rotorului, în fața rulmenților, de 60 mm.

Rulmenții sunt răciți individual printr-un sistem de lubrifiere, ulei/aer. Adițional aerul care realizează răcirea este injectat între rotorul și statorul motorului electric.

Motorul de concepție inductivă AC trifazat este comandat în frecvență printr-un aplificator PWM(puls cu modulație). Camera arborelui principal este răcită de un circuit de apă aflat lângă stator. Așa cum este prezentat în fugura 8 rulemnții anteriori, cât și cei posteriori sunt realizați cu preîncărcare separată. Mecanismul de preîncărcare a rulmenților din față nu este comun producătorilor de arbori HSM. Cei doi rulmenți anteriori sunt preîncărcați printr-o serie de 23 inele circulare și de o cameră hidraulică. Încărcarea minimă se determină în momentul prelucrării. Preîncărcarea poate crește prin presurizarea cilindrului hidraulic interior dispus între cei trei rulmenți anteriori. Acest mecanuism de preîncărcare asigură forțe axiale minime față de mecanismul de pretensionare rigid. Rulmenții posteriori sunt pretensionați rigid prin două inele dispuse la cele două capete ale cilindrului, apăsând ansamblul rulmenților împotriva desfacerii temporare.Preîncărcarea termică va induce o forță suplimentară în mecanismul rigid. În mod adițional setul de rulmenți posteriori sunt montați într-un cilindru care permite deplasarea axială față de cele două reazeme. În figura18 mai sunt prezentate instrumentele printre care debit-metru, valvele de presiune, termocuplele, multimetrul electric de tensiune care indică intensitatea, tensiunea, și frecvența motorului electric. Frecvența motorului și turația acestuia sunt măsurate prin dispozitive separate. Datele telemetrice ale acestora sunt:

– cameră cu temperatură controlată, cu linii de aprovizionare cu aer comprimat, sursă electrică (460 V, 250 V și 110 V) și instalație de răcire a apei;

– sistem de arbori cu viteză ridicată în construcție integrată cu control activ la preîncărcare, max 25.000 rot/minut, 32 KW, 1,5 mil. DN, cu sistem de lubrifiere ulei/aer, furtune de ungere cu apă, compresor de aer și garnituri flotante, 30 de termocuple în construcție integrată și un chiller (75 hp), un sistem de ungere aer/ulei si un inverter de frecvență foarte efeicient (50 hp). Arborele poate fi utilizat ca un arbore de înaltă turație pentru procesele de așchiere de înaltă putere, fiind incluși în construcție senzorii necesari pentru realizarea validării modelului.

– o carcasă de protecție în jurul arborelui, destinată evitării accidentelor fatale în caz de spargere a uneltei așchietoare și defragmentare de așchii. Temperatura în interiorul carcasei este stabilizată cu ajutorul unui curent de aer comprimat. Observarea testelor se realizează prin două straturi succesive din plastic policarbonat de înaltă rezistență. Pentru punerea în practică a unor teste eficiente, toate cablurile, tuburile și dispozitivele de măsură sunt permanent dispuse pe placa din spate a carcasei;

– dispozitive de colectare a datelor și imput-urilor exterioare, inclusiv testele de impact, accelerometrele, termocuplele, senzorii infra-roșu, convertorul A/D și sistemul de achiziționare a datelor. Toate condițiile critice ale testului sunt monitorizate on-line, inclusiv temperatura (peste 40 de canale), curentul, tensiunea, rigiditatea, vibrația, forțele de tăiere, fluxul de lubrifiere și ratele de răcire, preîncărcarea, precizia arborelui la rotație radială.

Fig.18

Modelul termic

Modelulul fluxului de putere pentru arborii în construcție integrată sunt prezentate în figurile 18 și 19. Ca o descriere a acestui model disipația electrică la intrarea în cadrul motorului și transformarea acestuia în căldură(pierderea prin stratul de cuplu, prin stratul miezului magnetic, cât și prin stratul rotoric). Această căldură apare între stator și rotor. Remanența electrică este transformată în putere mecanică, care produce frecarea de jur în prejurul motorului, transmițându-se mai departe asupra rulmenților și care ulterior furnizează forțe de tăiere în timpul procesului și de accelerare a arborelui. Fluxul accelerațional al arborelui înmagazinează energie care este transferată când acesta lucrează la turații scăzute. Coeficientul transformațional de putere din interiorul arborelui este foarte puternic influențat de multe alte condiții, spre exemplu fluxul de căldură generat de rulmenți cu preîncărcare depinde de alți parametrii. Preîncărcarea, altfel spus, poate schimba rigiditatea mecanismului de preîncărcare, ca rezultat al dilatării termice

Dilatarea termică este dependentă de căldura totală generată de un număr de cauze și efecte care trebuiesc luate în considerare. Toate aceste efecte, cât și detalii asupra lor sunt prezentate în figura 19.

fig 19

Caracteristicile generale ale surselor de căldură asociate cu motorul, viscozitatea aerului, cât și a rulmenților sunt prezentate în figura 20.

Fig. 20

În figura 27 se prezintă un model finit diferit, o structură simplificată, cât și sursele de căldură relative. Sursele majore de căldură sunt prezente în procesul de așchiere, rulmenți și în cadrul construcției motorului. Mecanismul transferului de căldură descris în acest material arată cum căldura este repartizată de la sursă către extremități.

În figura 27 structura solidă a arborelui este descompusă în cinci-șase elemente, fiecare element are un singur grad de libertate care este în folosul temperaturii.

Mecanismul de transfer al căldurii în interiorul echipamentului

5.1. Transferul de căldură în rulmenți. Mecanismul de bază privind transferul de căldură în interiorul rulmenților este prezentat ca datorat convenției forțelor fluxului de aer din interiorul rulmenților și transferul datorat forțelor de contact. Aceste aprecieri sunt datorate următoarelor:

distribuția de temperatură pe fiecare bilă este considerată uniformă;

fiecare bilă este considerată la aceeiași temperatură deoarece rulmentul se rotește cu o viteză foarte mare; de asemenea, temperatura este uniformă în interiorul bilei;

temperaturi identice se întâlnesc între suprafețele de contact ale inelelor ;

rezistența fluxului de aer dintre(ulei-aer) bile și căile de rulare sunt neglijabile, rezultând o grosime a stratului de ulei infinit mică;

modelul considerat este axial simetric și prezintă o distribuție uniformă în rulmenți cât și în lagăre de jur împrejurul întregului perimetru;

5.2. Convecția lubrifierii cu aer. Lubrifierea tip ulei-aer pentru rulmenți utilizează cantități foarte mici de ulei, uzual 0,15 ml la 2 min funcționare atunci când fluxul de aer are 2,5x 10-3 m3 /sec.

Asuprafata = Asuprafata rulmentului + Zrul x Abilă + Ainelul exterior =π2/2 x dinel x ρinel + Zrul x π x d2inel + π2/2 x dextinel x ρextinel

unde: Zrul = nr. de bile;

dinel = diametrul inelului;

ρinel = raza de curbură a căii de rulare;

dextinel = diametrul exterior al rulmentului;

ρextinel= raza de curbură a celeilalte căi de rulare.

Coeficientul transferului de căldură este determinat din condițiile fluxului de aer din rulment, care este foarte vâscos și care prezintă o forță a fluxului axial ridicată. Forța axială între inele și alte căi de rulare, respectiv axială în interiorul rulmentului este:

Aax = π/4(d2 ext- d2int)

Viteza aerului în interiorul rulmentului(turația rulmentului ridicată) se obține prin superpozarea axială și tangențială a fluxului de aer.

5.3. Conducția dintre bile și căile de rulare. Calculele următoare privind zona de contact dintre bile și inele sunt bazate pe munca cercetătorilor Harris și Nakajima. Rezistența de contact depinde de forma și de dimensiunea ariei de contact exprimate prin geometri rulmentului și prin forțele interne de contact. Rezistența termică de contact pentru jumătatea spațiului din interiorul rulmentului se poate calcula astfel:

R= 1/4 πλ ∫ du/ √(a2 + u)(b2+u)u

unde: λ este conductivitatea termică pe jumătate de spațiu în timp ce a și b sunt semisumele axelor mici a suprafețelor de contact eliptice.

Fig 21

Utilizând integrala eliptică pe suprafață ecuația poate fi scrisă:

Rbo = ψ/4λ1 a + ψ/4λ2 a

Rbo = Rbo/N

unde: N reprezintă numărul de bile

Similar rezistența de contact a bilelor în inel poate fi determinată

5.4. Conducția între inelul exterior al rulmentului și carcasă. Conducția între suprefețele de margine ale inelului exterior și carcasă sunt modelate ca o funcție temperatură- toleranță. Pentru permisivitatea termică lungimea de conducție este definită ca un raport între temperatura nodului din centru față de secțiune și partea opusă față de carcasă.

Permisivitatea echivalentă este:

П = A/hinel/ λinel + A/hflux/ λaer

unde: λ este permisivitatea, iar A este aria suprafeței exterioare a inelului exterior.

hflux este fluxul de aer împrejurul perimetrului suprafeței de contact a rulmentului.

fig 22

Fig 23

Fig 24

5.5. Transferul de căldură de la arbore în fliude. Fluidele din acest test sunt lichidul de răcire-ungere, aerul înconjurător și aerul necesar răcirii rulmentului . calculele privind coeficienții transferului de căldură urmăresc o serie de etape. Prima este viteza fluidului care respectă suprafața solidă. Acest calcul este cunoscut utilizând numărul Reynolds.

Pentru orice fluid care trece printr-un canal rectangular sau o legătură între doi cilindrii numărul este:

Re = uhgap/vfluid

unde: vfluid este viscozitatea cinematică a fluidului.

Coeficientul de calcul al transferului de căldură care rezultă prin calcul este:

ά = Nu x λfliud /hgap

5.6. Convecția curentului de aer în motor. Profilul fluxului de aer între rotor și stator este prezentat mai jos

Fig 25

Fluidele dispuse între doi cilindrii rotativi, astfel viteza axială și circumferențială este necesară să îndeplinească condiția următoare:

u= √(u2axial + u2radial)

În figura de mai jos se prezintă coeficientul transferului de căldură în funcție de rata fluxului de aer din motor și din turația arborelui.

La turație ridicată aproximativ 25.000 rot/min, coeficientul de transfer este aproape independent de rata fluxului de aer care trece prin motor. La turații sub 5000 rot/min fluxul de aer este nesemnificativ față de suprafața interioară și față de coeficientul termic de transfer.

5.7. Convecția mediului ambiant. Pentru aerul staționar coeficientul transferului de căldură poate fi determinat în mod similar cu ecuația:

u= √(u2axial + u2radial)

Valorile măsurate sunt comparative cu cele stabilite cu termometru inflaroșu pe diferite plaje de turații. Pentru experimentul nostru valorile c0 =9,7, c1=5,33, c2=0,8, sunt satisfăcătoare atât față de fluxul de aer din rulmenți , cât și față de mediul ambiant . Astfel, vsuprafață = 0, valoarea ά =9,7 W/(m2K), utilizat pentru convecția staționară a suprafețelor . Soluția integrată urmărește diferite standarde și diferite metode. Actualul program al modelului termic a fost completat cu programul PC- MATLAB. Pentru a simula diferitele condiții de rulare a arborelui se poate introduce valoarea vitezei rotorului și se setează indici de preîncărcare a rulmenților.

Experimentele și simulațiile pot fi apoi comparate în raport cu condiții identice de operare. Rezultatele programului includ temperatura pe fiecare element. Fluxurile de căldură care strabat elementele, preîncărcări induse ș.a. Informația privind fluxul de căldură poate fi utilizată pentru verificarea modelului adițional.

6. Validarea modelului

Validarea modelului include analiza stadiului constant, a stadiului tranzitoriu și analiza echilibrului de putere.

Pentru validarea stadiului constant, temperaturile măsurate în diferite locații sunt comparate cu valorile preconizate la viteze diferite. Pentru validarea stadiului tranzitoriu, sunt luate în considerare două evoluții ale temperaturii rulmenților și rotorului.

6.1. Validarea stadiului constant. Figura de mai jos prezintă temperaturile măsurate și cele preconizate la nivelul a 14 locații distincte pentru cinci viteze diferite (5000 rot/min, 10 000 rot/min, 15 000 rot/min, 20 000 rot/min, 25 000 rot/min). Această validare este aplicabilă soluțiilor privind stadiul constant. Rezumatele sunt prezentate în tabelul următor.

Fig. 26

Figura de mai sus indică faptul că temperaturile preconizate pentru rulmenții frontali ale rotorului, carcasa cu apă a motorului și vârful rotorului se potrivesc cu cele măsurate pentru toate vitezele testate. Din contră, prognoza de temperatură pentru rulmenții din spate este mai puțin precisă, aceasta din cauză că este mai dificil de prevăzut preîncărcarea termică a setului de rulmenți din spate. În acest context, trebuie notat faptul că preîncărcarea rulmenților frontali este fixă, datorită sistemului hidraulic de preîncărcare.

Temperatura câmpului întregului rotor este prezentată în figura de mai jos. Temperatura câmpului furnizează informații de temperatură pentru elementele interne ale rotorului.

În acest context, trebuie remarcat faptul că temperaturile sunt semnificativ mai mari, date fiind capacitatea de căldură a bilelor relativ redusă și nivelul de rezistență ridicat prin rulmenți.

Reduceri mari de temperatură pot fi remarcate între elementele 48 și 34 și, similar, între elementele 39 și 34, din cauza rezistenței de conducție ridicate a cavității lineare a setului de rulmenți posteriori. Secțiunea motorului rămâne relativ rece, datorită carcasei cu apă de răcire a motorului. Fără așchiere, temperaturile rotorului se dovedesc a fi mai scăzute decât cele ale statorului. Temperatura rotorului se așteaptă să fie mai ridicată dacă sunt realizate așchieri dificile.

Figura de mai jos furnizează informații utile pentru calcularea fluxului de căldură. Informațiile pot fi folosite pentru a îmbunătăți design-ul rotorului, prin examinarea condițiilor de adaptare a componentelor, a condițiilor de răcire, lubrifiere și preîncărcare.

Fig 27

6.2. Validarea stadiului tranzitoriu. Figurile următoare prezintă validarea modelului tranzitoriu. Ambele figuri se raportează la aceleași experiment, care este un test de viteză constantă de 25000 rot/min, derulat pe durata a 80 minute. În prima figură, punctul de măsurare este rulmentul exterior al rulmentului frontal 1. În acest caz, temperatura urcă sau coboară în funcție de modificările de viteză.

În a doua figură, punctul de măsurare a evoluției de temperatură este rulmentul exterior de la vârful rotorului, măsurare realizată cu un senzor infraroșu. Rezultatele sunt adecvate, deși numărul de elemente ale arborelui este redus. Temperatura simulată a acestui element este, în fapt, relevantă doar pentru zona redusă ce a fost supusă măsurării.

Creșterea temperaturii la vârful arborelui după închiderea acestuia este, în aceeași măsură, vizibilă în experimente și simulații. Acest fenomen este datorat egalizării temperaturilor înalte din jurul axei arborelui.

Înainte ca rotația axei să înceteze, a fost înregistrată cea mai înaltă temperatură dedesubtul inelelor rulmenților.

Constantele temporale ale simulației sunt relativ mai reduse decât cele înregistrate în experimente, dar aceste discrepanțe sunt în parte datorate parametrilor modelului. Capacitanța termică ar putea fi adaptată ușor rezultatelor modelului printr-o mai bună adaptare a constantelor temporale, dar rezultatele inițiale tranzitorii sunt deja concordante, într-o măsură mulțumitoare, cu cele ale experimentelor.

6.3. Analiza echilibrului de putere. Procedura echilibrului de putere fixează toți indicatorii de generare internă a căldurii și a coeficienților de transfer al căldurii, ca funcții ale vitezei axei arborelui și ale curentului fluid. Fiecare sursă de căldură și coeficient de transfer al căldurii sunt calculate individual, pe baza unei matrițe integrale de viteze și combinații ale fluxurilor, caz în care ecuația trebuie să fie conformă cu derivarea teoretică. În mod independent față de calculul surselor de căldură, transferul căldurii interne este calculat pe baza temperaturii rezultate a câmpului. Toate sursele de căldură și toate dispozitivele de disipare a căldurii sunt, în final, însumate, iar rezultatele sunt considerate valide dacă echilibrul de putere este egal cu zero pentru toate combinațiile de viteze și de rate ale fluxurilor de fluid.

Puterea internă a curentului a fost analizată prin intermediul simulațiilor și experimentelor. Cantitatea totală de căldură generată de sursele de căldură este de 2445W, din care 1887 W va deveni căldură în motor, iar 5333 W reprezintă frecarea în cei patru rulmenți. Rulmenții frontali consumă aproximativ 373 W, iar cei posteriori 160 W. Căldura motrice aproape integral în stator. Consumul de căldură pentru circulația fluxului de aer între stator și rotor este de 25 W. În timpul staționării, căldura generată a uneltei este 0 W.

Căldura eliminată de dispozitivele de disipare a căldurii include 254 W pentru convecția aerului de lubrifiere prin toți rulmenții, 450 W din motor în motorul de aer, 81W sunt absorbiți de aerul din jurul rotorului, 1552 W sunt eliminați prin apa de răcire și 106 W sunt folosiți la ridicarea bazei rotorului. Totalul este de 2443 W. Prin comparație cu puterea inițială, a apărut o eroare de numai 2 W. Adăugând valorile de putere ale tuturor surselor de căldură și dispozitivelor de disipare a căldurii, echilibrul de putere este complet.

7. Concluzii

Modelul termic este conceput pentru a determina distribuția puterii într-un rotor de viteză ridicată, în special, pentru a determina transferul de căldură în interiorul rotorului și în dispozitivele de disipare a căldurii sub influența vitezei, a preîncărcării și lubrifierii. Acest model este bazat pe un rotor de 32 KW, special conceput în acest scop, cu înalte performanțe motrice și cu o viteză maximă de 25 000 rotații/min (1, 5 mil. DN).

Fig. 28

XI. CONCLUZII ȘI PERSPECTIVE

Bazat pe cauzele descrise privind dezechilibrul și efectele lui într-un sistem vibratoriu sculă/arbore se poate spune că acesta are un comportament unitar. Având drept scop creșterea preciziei în cadrul modelului vor fi necesare lămuriri privind influențele dintre conexiuni și mărimea sculei, altfel spus modelul poate fi extins și către alte interfețe față de cele considerate acum. Din acest scop noi studii vor fi necesare pentru examinarea în detaliu, a influențelor interfețelor asupra geometriei sculei.

In prezent, HSC este parte componenta a productiei avansate. Utilizarea HSC va continua sa se extinda in viitor. Noile unelte inovatoare de prelucrare si materiale aschietoare au fost adaptate cerintelor HSC, asigurand ca mai buna utilizare a centrelor de prelucrare. Avand in vedere diverse tipuri de materiale pentru peise de lucru, se impune folosirea a diferitelor tipuri de scule, a strategiilor de fabricare si a informatiilor avansate privind aschierea. Altefel spus, este necesar a se alege cea mai economica cale pentru fiecare operatie. In viitor, va exista o zona de tranzitie intre mediul conventional si mediul HSC, deoarece fiecare configuratie de prindere necesita compromisuri cu privire la turatie, moment de torsiune, putere si costuri. Partenariatul permanent si demn de incredere dintre utilizarea si producerea sculelor este o baza corespunzatoare pentru a asigura obtinerea unor rezultate bune in raportul tehnologie-costuri.

BIBLIOGRAFIE

Moraru, G., Brun –Picard, D., „Maintenance problems for high speed spindles”, International Conference on Manufacturing Systems, Editura Academiei Romane, 2004.

Walter, R., „Monitoring of High Speed Milling Spindles – Recuirements, concepts and solutions”, Weiss Spindletechnologie GmbH, Schweinfurt, Germania, 2001.

Arques, P., „Diagnostique predictif de l’etat des machines, Editia Masson, 1996.

Tanase, I., Pupaza, C., Moraru, G., “Sensors for high speed machining”, International Conference on Manufacturing Systems”, Bucuresti, 2002.

Komanduri, R., McGee, Thomson, R.A., „On a methodology for establishing the machine tool system requirements for high-speed/high-throughput nmachining”, Journal of Engineering for Industry”, Trasaction of the ASME, 1985.

6. Kaufeld, M., „High speed milling from a user’s and machine builder viewpoint”, Werkstatt und Betrieb, 1990.

Shoda, Y., Ijuin, S., Aramaki, H., „The performance of a hybrid ceramic ball bearing under high speed conditions with the unde-race lubrification method”, STLE Preprint, 1997.

Wan, G.T.Y., Gabelli, A., „Increased performance of hybrid bearings with silicon nitride balls”, STLE Preprint, 1997.

Carmichael, G.T.D., Davies, „Measurement of thermally -induced preloaded in anti-friction spindle bearings,” Strain, 1970.

Burton, R.A., „Thermal aspects of bearing seizure”, Wear 8, 1964.

Nakajima, K., „Thermal contact resistance between ball and rings of bearings under axial, radial and combined loads”, Journal of Thermophysics and Heat transfer, 9, 1995.

Chang Kang, M., Suk Him, J.,”A mmonitoring technique using a multisensor in high speed machining”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 113, 2001.