animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / Фрезерный станок с ЧПУ / Испытание Фрезерных Станков (Часть 3)

Испытание Фрезерных Станков (Часть 3)

Испытание фрезерных портальных

Обсудим сначала серию виртуальных испытаний фрезерного станка МС620 круговой силой Fкр, приложенной к концу шпинделя радиально. Испытания различались только частотой. Под действием силы шпиндель двигался по пространственной эллиптической траектории. Координаты его конца менялись синусоидально по X, Y, Z со сдвигами по фазе. Амплитуды синусоид δx, δy, δz были выбраны выходными сигналами. По ним построены три амплитудно частотные характеристики, представленные на рисунке 1.

Обнаружено, что у фрезерного портального станка МС620 под действием круговой силы возбуждаются только три резонансные пика, строго соответствующих модам М1, М2 и М4. При испытаниях не найдено возбуждений, в которых комбинируются две или более собственных моды. Пики резонансов отмечены на рисунке 1 длинными маркерами с указанием моды и частоты. Моды М3, М5 и М6 для возбуждения круговой силой остаются неактивными. Они не создают резонансных пиков и формально указаны на амплитудно частотных характеристиках короткими маркерами.

Итак, ожидается резонансное возбуждение только трех из шести общестаночных собственных мод колебаний. Соответственно, можно говорить о возбуждаемых и невозбуждаемых модах (см. Испытание портальных фрезерных станков с ЧПУ, рис. 2). Будем называть резонансным диапазоном интервал частот, занятый общестаночными резонансными пиками. Для рисунка 1 это диапазон М1 – М2 – М4, идущий от 20 до 42 Гц (считая по вершинам пиков) или от 17 до 45 Гц (по границам пиков).

В левой части диапазона интереса (0...100 Гц) находится дорезонансный диапазон (0...17 Гц). Здесь динамические эффекты еще не выявились. Ситуация близка к статической. В правой части находится зарезонансный диапазон (45...100 Гц). Тут возбуждающая сила осциллирует слишком часто по сравнению с инерционностью портала. Колебательные движения гасятся.

Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика для фрезерного формального станка МС620 при возбуждении круговой силой Fкр, в плоскости XY (длинный маркер, например, «М2 – 23 Гц» указывает на возбужденную моду, короткий маркер, например, «М5» – невозбужденную моду)

На рисунке 2 в результате испытаний фрезерного станка МС620 показана амплитудно частотная характеристика возбуждения вертикальной силой на шпинделе. Видно, что возникает только два резонансных пика. Они соответствуют клевкам портала станка (М1) и клевкам траверсы (М4). Остальные моды остаются неактивными. Это касается и М2, которой соответствуют поперечные колебания. Между вертикальной вынуждающей силой и модой М2 нет перекрестной связи.

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика для портального фрезерного станка МС620 при возбуждении вертикальной гармонической силой

Сопоставим амплитудно частотную характеристику на рисунках 1 и 2. С точки зрения практики ясно, что на данном станке не следует работать в резонансном диапазоне 17...45 Гц. Любые компоненты силы резания вызывают здесь раскачку портала. Колебания силы резания при фрезеровании происходят прежде всего на частоте

fфр = (nфр * z)/60 Гц,

где nфр – частота вращения фрезы, мин-1; z – число зубьев фрезы.

Следовательно, инструмент и скорость резания надо подбирать так, чтобы (статический, дорезонансный диапазон) или (зарезонансный диапазон) при наличии особых обстоятельств можно работать на частоте невозбуждаемой моды М3. Этот диапазон назовем межрезонансным. Его недостатком является узость по частоте.

Рассмотрим поведение «облегченного» фрезерного станка МС21Г25 портального типа. Его амплитудно частотная характеристика при возбуждении круговой силой приведена на рисунке 3. Обнаружено четыре резонансных пика, соответствующих модам М1, М2, М4 и М6. Мода М6 не проявлялась у «тяжелого» портала. В остальном круговые амплитудно частотные характеристики фрезерных портальных станков МС620 и МС21Г25 (рис. 1 и рис. 3) принципиально совпадают.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика для портального фрезерного станка МС21Г25 при возбуждении круговой гармонической силой в плоскости XY

Амплитудно-частотная характеристика «запрещает» работать в диапазоне частот 20...40 Гц, где лежат самые мощные резонансные пики М2 и М4. Между ними нет существенного просвета. Главный резонансный диапазон М1 – М2 – М4 тянется от 15 до 40 Гц. Дополнительно, резонанс по М6 делает нежелательным для работы интервал от 60 до 72 Гц. При этом пики М1 и М6 не очень высоки. Возможно, есть средства их демпфировать.

Однако лучше обходить резонансные диапазоны и работать на трех участках: 0...15 Гц, 40...60 Гц, от 72 Гц и выше. Самыми мощными на круговой амплитудно частотными характеристиками (см. рис. 3) являются пики М2 и М4.

Графики АЧХ для вертикального возбуждения приведены на рисунке 4. Присутствуют моды М4, М1 и М6 (перечислены по амплитудам перемещений в убывающем порядке). На всех частотах колебания идут в плоскости XZ. График поперечного перемещения δy на рисунке 6 практически совпадает с абсциссой. При круговом возбуждении (см. рис. 3) все три графика были «активны».

В целом амплитудно частотные характеристики на рисунках 1 и 2 согласуются друг с другом. Сделанные выше выводы о резонансных и рабочих диапазонах остаются неизменными.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика для портального станка МС21Г25 при возбуждении вертикальной гармонической силой

Испытания жесткости фрезерных станков портального типа

По результатам испытаний фрезерных станков методом гармонического анализа вычислены динамические жесткости модели МС620 (таблица на рис. 5) и МС21Г25 (таблица на рис. 6). Динамическая жесткость вычислялась для конца шпинделя как отношение пробной силы (100 Н) к перемещению шпинделя в данном направлении (или X, или Y, или Z). Перемещения брались на краях диапазона интереса (1 и 100 Гц) и на резонансных пиках М1, М2, М4. Жесткость шпинделя и его подшипников считалась достаточно высокой и не моделировалась. Шпиндельный узел был монолитом. Решения для частот 1...5 Гц практически являются статическими решениями. С этой характеристикой они обсуждаются ниже.

Динамическая жесткость портального станка МС620

Рис. 5. Динамическая жесткость портального станка МС620 на резонансных пиках

Как для статической jстат, так и для динамической жесткости jдин минимально необходимым для нормальной обработки считаем уровень jlim = 20 Н/мкм. При падении жесткости ниже 10 Н/мкм становятся весьма вероятными регенеративные автоколебания в процессе резания (regenerative chatter). Для жесткости они практически неизбежны.

Динамическая жесткость станка фрезерного портального МС21Г25

Рис. 6. Динамическая жесткость станка фрезерного портального МС21Г25 на резонансных пиках

Анализ таблиц показывает, что ситуации со статической и динамической жесткостью для обоих станков очень близки. Есть серьезные падения динамической жесткости по отношению к статической (выделено шрифтом). Отметим, что высота резонансных пиков на амплитудно частотных характеристиках обратно пропорциональна динамической жесткости. Повышение демпфирования в портальных станках должно сгладить резонансные пики. Это поднимет динамическую жесткость, но только на резонансных частотах.

В данной работе на всех амплитудно частотных характеристиках наблюдаются довольно узкие пики, поскольку принят невысокий (2 %) коэффициент демпфирования. При увеличении коэффициента демпфирования пики снижаются, но расширяются. Это ведет к расширению нежелательных резонансных участков.

В результате испытаний фрезерного станка, на рисунке 7 представлена обобщенная оценка динамической жесткости станка МС21Г25 во всем диапазоне интереса. Сплошная линия jmax отражает максимальную жесткость в горизонтальной плоскости XY на данной частоте испытания независимо от направления. Штриховая линия jmin показывает минимальную из текущих жесткостей по X или по Y. Провалы минимальной жесткости свидетельствуют о резонансах (Р). Они соответствуют модальным пикам на амплитудно частотных характеристиках, представленным на рисунке 3.

Подъемы jmax обращают внимание на то, что станок становится более жестким в определенном направлении на данной частоте. Это объясняет известный эффект антирезонанса (АР). В несущей системе станка должна существовать упругомассовая подсистема, которая локально резонирует. Её колебания автоматически подстраиваются в противофазе к внешней гармонической силе и могут почти полностью блокировать её действие. Внешне это проявится как «сверхжесткость» (например, шпиндельного узла) в данном направлении на данной частоте.

Рис. 7. Огибающие линии максимальной (jmax) и минимальной (jmin) жесткостей на шпинделе портального станка в плоскости XY для станка МС21Г25 (круговая сила)

Резонанс в одном направлении может сопровождаться антирезонансом в противоположном. Так происходит для станка МС21Г25 на частоте 33 Гц при возбуждении круговой силой моды М4 «Клевки портала» (таблица на рис. 8). Круговая сила эффективно раскачивает на резонансе портал в продольном направлении X. В поперечном направлении Y, наоборот, портал кажется на порядок более жестким, чем в статике. В этом и проявляется антирезонанс. Дополнительно таблица 8 указывает на перекрестную связь (crosstalk). Резонансная продольная раскачка ведет к раскачке вертикальной, по оси Z.

Рис. 8. Сравнение перемещений шпинделя в статическом случае и при возбуждении моды М4 «Клевки портала» круговой силой на портальном станке МС21Г25

Вернемся к графикам на рисунке 7. Как пики, так и провалы на них являются нежелательными местами для ведения обработки на станке. Во-первых, недопустима низкая жесткость станка в каком-либо направлении. Во-вторых, нежелательна сильно различающаяся по направлениям жесткость. В-третьих, как резонансы, так и антирезонансы непродолжительны по частотной шкале. Небольшие изменения параметров могут резко изменить динамику обработки.

В результате выявляется, что использовать станок можно использовать только в трех диапазонах:

  • дорезонансном (маркер 1 на рисунке 7) на частотах < 15 Гц;
  • межрезонансном (2) на частотах ~ 45 Гц;
  • зарезонансном (3) на частотах > 80...90 Гц.

В этих диапазонах отсутствуют резонансные явления. Жесткость в плоскости XY примерно одинакова в любом направлении. Средняя жесткость повышается с частотой. В дорезонансном (почти статическом) диапазоне она составляет примерно 150 Н/мкм. В межрезонансном диапазоне достигает 330 Н/мкм. В зарезонансном диапазоне на частоте 90 Гц средняя жесткость повышается до 560 Н/мкм. Понятно, что дорезонансный диапазон пригоден для медленной, возможно, силовой обработки. Проблемой межрезонансного диапазона является его узость. Зарезонансный диапазон очень перспективен и пригоден для высокоскоростной обработки (ВСО). Фреза должна быстро вращаться, может потреблять большую мощность, но не должна создавать больших сил резания (малые глубины резания и подачи на зуб). В зарезонансном диапазоне станок с субтильной несущей системой становится весьма жестким. Нужно лишь предвидеть и обходить локальные резонансы частей станка (например, шпинделя в опорах).

Итак, перспективно совместно использовать высокоскоростную обработку и зарезонансный диапазон, где динамическая жесткость несущей системы станка естественным образом повышается. Для обеспечения высокой частоты вращения инструмента нужна подготовка шпиндельного узла и главного привода. Высокоскоростная обработка позволит использовать облегченные несущие системы портала, уйти от понятия «тяжелый» станок.

Результаты моделирования испытаний фрезерных станков

Испытания фрезерных станков портального типа показали, что статическая жесткость обоих станков находится на достаточном уровне. В горизонтальной плоскости она (радиальная жесткость) почти не зависит от направления (X, Y или промежуточное). Это оказывает положительное влияние на точность низкоскоростной обработки. Статическая жесткость в вертикальном направлении Z (осевая жесткость) превышает радиальную не менее чем в 1,4 раза (МС620, вылет ползуна 200 мм). Различие усиливается при увеличении вылета ползуна (2,5 раза для МС21Г25 при вылете 500 мм).

Статическая радиальная жесткость «облегченного» станка МС21Г25 в среднем в 1,75 раза ниже, чем «тяжелого» МС620. Это ожидаемое обстоятельство, но многое зависит от вылета ползуна. После проявления динамических эффектов (от М1 и выше) равномерность жесткости по осям станка теряется для большинства участков диапазона интереса. Попадание на резонансный пик резко снижает жесткость по одной, иногда двум осям станка. Динамическая жесткость по третьей оси, как правило, растет и превышает статический уровень.

Для обоих станков возбуждение моды М2 «Складывание параллелограмма» приводит к падению динамической жесткости. Работать на этом резонансном пике недопустимо. Резонанса по моде М4 «Клевки портала» нужно избегать на обоих станках. Особенно опасен он на МС21Г25, отчасти из-за большего вылета ползуна. Здесь динамическая жесткость падает до рекордно низкого уровня. Это в 18 раз меньше статического показателя. Клевковые моды М1, М4 сопряжены друг с другом различием частот примерно вдвое (на октаву). Это наблюдается для обоих рассмотренных станков. Для МС620 f1 = 19,9 Гц, а f4 = 41,9 Гц. Станку МС21Г25 соответствуют числа 17,3 и 33,0 Гц.

Двукратное различие частот (f4 ≅ 2f1) усиливает возбуждаемость станков. При периодической, но не гармонической, силе резания ожидается совместное проявление мод М1 и М4. Пусть в силе резания есть импульсная компонента, например, от входа-выхода зубьев фрезы в обрабатываемую деталь. Импульсы силы при случайном совпадении с частотой моды М1 начнут через период возбуждать и моду М4. И наоборот, порции энергии в моду М1 будут накачиваться при резонансе моды М4.

Следовательно, моды М1 и М4 могут оказаться активными одновременно. Это должно усложнить динамическое поведение станка и понизить его динамическую жесткость. В рамках данной работы эта ситуация не моделируется, так как здесь рассматривается классическое линейное гармоническое возбуждение. Падение жесткости на пике М1 менее выражено, чем на М2 и М4.

Следует отметить, что на этом резонансе динамическая жесткость по X «тяжелого» станка до 1,7 раз меньше, чем «облегченного». Следовательно, массивность конструкции не является гарантией динамического качества.

В заключение исследования можно сделать следующие выводы:

  • при гармоническом нагружении фрезерных портальных станков силами на шпинделе существенно возбуждаются три резонанса. Каждый резонансный пик строго соответствует одной собственной моде. Комбинации мод в резонансных возбуждениях не обнаружены;
  • возбуждаемыми модами являются М1 «Клевки портала», М2 «Складывание параллелограмма», М4 «Клевки траверсы». Соответствующие резонансные пики стоят на амплитудно частотной характеристике в последовательности М1-М2-М4. Они образуют резонансный диапазон частот протяженностью в одну октаву;
  • резонансный диапазон М1-М2-М4 лучше считать запретным для обработки из-за близости резонансных пиков друг к другу. Для тяжелых станков типа МС620 диапазон соответствует 17...45 Гц, а для облегченных станков типа МС21Г25 – примерно 15...40 Гц;
  • клевковые моды М1, М4 сопряжены друг с другом двукратным различием частот (на октаву). Это наблюдается для обоих рассмотренных станков. Двукратное различие частот (f4 ≅ 2f1) усиливает динамичность станков. При периодической, но не гармонической силе резания ожидается совместное возбуждение мод М1 и М4;
  • МКЭ-моделирование указывает, что динамическое поведение всех портальных станков одинаково. Имеется три «спокойных» диапазона для обработки: дорезонансный (статический, до пика М1), межрезонансный (между группами пиков, трудный для использования из-за узости) и зарезонансный (выше М5, М6);
  • рассмотренные станки обладают существенной перекрестной связью продольных (X) и вертикальных (Z) перемещений шпинделя. Эта связь (crosstalk) усиливается в динамике. Приложение гармонической силы по X возбуждает примерно равные колебания по X и Z. То же происходит и при действии силы по Z;
  • перспективен переход на портальных станках к высокоскоростной обработке в зарезонансном диапазоне. Это обеспечивает рост динамической жесткости несущей системы не менее чем втрое;

переход к высокоскоростной обработке на зарезонансных частотах открывает возможность для облегчения портала фрезерного станка с чпу при одновременном повышении производительности и качества поверхности деталей.