Badania i zmniejszanie błędów cieplnych obrabiarek drogą do wysokiej wydajności wytwarzania

Specjalizacja Politechniki Wrocławskiej w kraju i na świecie
Błędy cieplne to największa zmora wysokowydajnych obrabiarek. W odniesieniu do obrabiarki stanowią od 40–70% wszystkich błędów. Stąd aktualne kierunki badań starają się szukać rozwiązań jak takim błędom zapobiegać.

W artykule przedstawiono główne kierunki rozwoju wysokowydajnych obrabiarek, rys historyczny pozyskiwania wiedzy niezbędnej do skutecznego doskonalenia właściwości cieplnych obrabiarek, aktualne kierunki i obiekty badań i uwarunkowania praktycznej realizacji redukcji błędów cieplnych z uwzględnieniem ich wzajemnego oddziaływania. Pokazano najistotniejsze problemy, sposoby ich rozwiązywania i istotność redukcji błędów cieplnych dla użytkowników obrabiarek.

Sprostanie wymaganiom obecnej lokalnej i globalnej konkurencji na rynku wyrobów w przeważającej mierze uzależnione jest od wysokowydajnego ich wytwarzania.

Głównymi składnikami wysokowydajnego systemu wytwarzania są obrabiarki skrawające łatwo przystosowywane do szybko zmieniających się zadań, wielozadaniowe, realizujące w razie potrzeby hybrydowe procesy, wysokoprędkościowe, zdolne do realizowania dokładnej i bardzo dokładnej obróbki przedmiotów i przy tym tanie w eksploatacji i o niskiej cenie zakupu. Realizacja tak licznego zbioru trudnych do spełnienia wymagań zmusza producentów obrabiarek do tworzenia bardzo doskonałych ich konstrukcji i układów sterowania, inteligentnego diagnozowania i nadzorowania ich dokładności oraz bardzo zaawansowanego i sprawnego oprogramowania [1].

Przyjęło się mówić, że obecnie wysokowydajna obrabiarka musi być inteligentna, by aktywnie reagowała na zakłócenia dokładności, sama minimalizowała energochłonność, nie dopuszczała do kolizji i uszkodzeń oraz była przyjazna w obsłudze.

Jak to było?
Badania zostały zapoczątkowane w połowie lat 60., kiedy to w Zakładzie Obróbki Metali obrabiano tuleje do silników samochodowych na tokarce rewolwerowej. Autor, wówczas mgr inż. Jerzy Jędrzejewski, późniejszy twórca i kierownik Zakładu, badał wpływ geometrii oraz odkształceń cieplnych i od sił skrawania układu obrabiarka–przedmiot – narzędzie na dokładność wymiarowo-kształtową tulei. Na obecną zdolność doskonalenia właściwości cieplnych obrabiarek złożyły się wpierw prace eksperymentalne, w których opracowano oryginalne, do dzisiaj aktualne metody pomiarów temperatur i przemieszczeń cieplnych, a następne modele obliczeniowe, ciągle doskonalone, stanowiące do dzisiaj wizytówkę naukową Zakładu. Prowadząc prace nad udoskonaleniem tokarek rewolwerowych, frezarek i tokarek uniwersalnych na zlecenia fabryk: H. Cegielski, JAFO Jarocin, FUM (FAT) Wrocław, wykazaliśmy, ze drogą do zmniejszania odkształceń cieplnych w zespole łożysk wrzeciona tokarki i zmniejszania przemieszczeń cieplnych jest podawanie do łożysk małych ilości oleju. Zapoczątkowało to w obrabiarkach erę smarowania minimalnego, które do dziś ma fundamentalne znaczenie w konstrukcji wszystkich wrzecion i elektrowrzecion.

Potrafiliśmy mierzyć nawet temperaturę w wirującej rolce łożyska walcowego (patent), co pozwoliło dokładnie weryfikować model generowania i rozpływu ciepła.
Powstawanie i przekazywanie ciepła oraz przemieszczeń cieplnych zespołów jest bardzo złożone i to tym bardziej, im większe są prędkości ruchów obrotowych i posuwowych. Błędy cieplne muszą być maksymalnie redukowane i kompensowane. Wymaga to bardzo rozległej wiedzy teoretycznej i praktycznej, posługiwania się bardzo dokładnymi metodami pomiaru błędów, ich modelowania, numerycznego i prognozowania, zachowania się w czasie rzeczywistym, w naturalnych warunkach eksploatacji obrabiarki.

Potrafiliśmy precyzyjnie mierzyć przemieszczenia cieplne wrzeciona za pomocą trzpienia odpornego na wpływ nagrzewania się wrzeciona. Dzięki odpowiedniej konstrukcji jego temperatura jest na poziomie temperatury otoczenia [2].

Ogromny wkład do badania i modelowania cieplnego zachowania się zespołów wrzecionowych wniosły prace doktorskie Joachima Potrykusa i Wojciecha Kwaśnego.

Do doskonalenia modeli obliczeniowych i zmniejszania błędów cieplnych musieliśmy określić bardzo dokładne zależności opisujące przekazywanie ciepła z obrabiarki do otoczenia, wewnątrz obrabiarki i w wyniku wymuszonego chłodzenia. Naukowo ujęto to w pracach doktorskich Kazimierza Buchmana, Bogdana Reifura i Ryszarda Iwanickiego. W pracach nad zmniejszaniem odkształceń cieplnych tokarki rewolwerowej na zlecenie fabryki obrabiarek H. Cegielski przełomowym osiągnięciem w 1966 r. było, po raz pierwszy w świecie, opracowanie, opatentowanie przez Autora i zastosowanie chłodzenia obudowy łożysk wrzeciona. Konstrukcja tokarki RVB40 miała ogromną, jak na owe czasy, prędkość obrotową wrzeciona o wartości 4000 obr./min (obecnie sięgają 6000 obr./min), co spowodowało bardzo duże przyrosty temperatury i niedopuszczalnie duże odkształcenia wrzeciennika i łoża obrabiarki. Dzisiaj bez takich układów chłodzenia nie mogą działać zarówno wysokoobrotowe wrzeciona, jak i elektrowrzeciona.

Przełomem w dokładnym numerycznym modelowaniu było zastosowanie przez Zbigniewa Kowala i Zdzisława Winiarskiego, a później Wojciecha Modrzyckiego w ich pracach doktorskich metody elementów skończonych. Aplikując bowiem metody, opracowano modele nagrzewania się i odkształceń cieplnych frezarek, uwzględniając wprowadzone przez W. Modrzyckiego zintegrowane w czasie w stanie dynamicznym modelowanie strat mocy, odkształceń i przemieszczeń cieplnych. Stworzono później, w oparciu o całą zgromadzoną wiedzę, bardzo sprawny system obliczeniowy SATO (p. rys.1), pionierski i unikatowy wówczas na skalę światową. Integruje on najnowszą wiedzę zarówno pozyskaną z literatury, jak i głównie wytworzoną na podstawie wieloletnich badań własnych [4].

System ten jest ciągle rozwijany i jest podstawowym narzędziem do doskonalenia właściwości cieplnych obrabiarek. Szczególny wkład w jego rozwój wnoszą doktorzy Z. Kowal, Z. Winiarski i W. Kwaśny.

Przyszłość
W analizowaniu i doskonaleniu właściwości cieplnych bardzo złożonych struktur obrabiarek, stosujemy też profesjonalne dostępne na rynku systemy obliczeniowe, takie jak CATIA, NASTRAN i ABAQUS – ostatnio w badaniach nad redukcją błędów cieplnych 5-cio osiowych wysokoobrotowych centrów obróbkowych z napędami posuwów silnikami liniowymi i napędami stołu uchylnego bezpośrednio silnikami momentowymi [3].

W prace te zaangażowany jest cały zespół, z wiodącym udziałem dr. W. Kwaśnego i dr. W. Modrzyckiego oraz mgr. inż. Andrzeja Błażejewskiego. Prace są przedmiotem aktualnie realizowanego projektu dla Fabryki Obrabiarek Doosan Infracore Corporation z Korei (dawna Daewoo Heavy Industry and Machinery) w ramach Koreańskiego Programu Rządowego. Współpraca z tą Fabryką, siódmą w świecie na rynku obrabiarek, trwa już 13 lat i doprowadziła do redukcji błędów cieplnych wielu tokarek i frezarek CNC, centrów tokarskich i frezarskich i wiertarko-wytaczarki. Elementem końcowym redukcji błędów jest ich kompensacja w czasie rzeczywistym za pomocą układu sterowania i w oparciu o opracowany prognostyczny model błędu i algorytm kompensacji. W pracach tych wiodącą rolę pełni dr W. Modrzycki. Na drodze kompensacji potrafimy zredukować nawet 80% błędu cieplnego [6].

Jak to się robi?
Redukcja błędów cieplnych obrabiarek rozpoczyna się już w fazie ich konstruowania. Konstrukcja powinna być symetryczna cieplnie i cechować się możliwie najmniejszymi stratami mocy w zespołach napędowych:
silnikach, łożyskach, przekładniach tocznych i we wszystkich urządzeniach pomocniczych, w tym hydraulicznych, transportu wiórów i innych. Ponadto powinno być przewidziane skuteczne odprowadzanie ciepła z dużych jego źródeł i izolowanie nośnych elementów obrabiarki przed nagrzewaniem będącym źródłem dużych błędów cieplnych. Kompensacji powinny podlegać wcześniej zminimalizowane błędy, zarówno w sposób bierny, jak i aktywny w czasie pracy obrabiarki.

Ponieważ proces doskonalenia właściwości cieplnych konstrukcji obrabiarek jest bardzo złożony, nie da się go skutecznie realizować bez kompleksowego działania według dobrze opracowanej i opartej na najnowszej wiedzy strategii, której przykład przedstawia rys. 2. Ważne w niej jest również to, aby wzajemna interakcja błędów była jak najmniejsza, nie tylko błędów cieplnych.

Ostatnim znaczącym osiągnięciem naukowym o dużym znaczeniu praktycznym jest opracowanie dokładnego modelu zachowania się zespołu łożysk i wrzecion pod działaniem dużych sił odśrodkowych, przy dużych prędkościach obrotowych i ich zmianach. Skutkuje to, przy prędkości wrzeciona 50 000 obr./min, przemieszczeniem osiowym wrzeciona rzędu 40 µm i skróceniu samej końcówki wrzeciona o około 8 µm [5]. To nakłada się na odkształcenia cieplne i musi być wraz z nimi kompensowane. Model tego zachowania zespołu wrzecionowego został przedstawiony przez Autora i dr. Wojciecha Kwaśnego na Zgromadzeniu Generalnym Akademii CIRP w roku 2010 i opublikowany, tak jak wszystkie poprzednie najważniejsze osiągnięcia, w CIRP Annals, 2010 Manufacturing Technology. Pierwszym jednak miejscem publikacji nowych prac są, wydawane pod redakcją Autora przy współpracy z dr. W. Kwaśnym, kwartalniki: „Inżynieria Maszyn” (od 1996 r.) i „Journal of Machine Engineering” (od 2001 r.).Jest nam bardzo miło, że z wynikami naszych prac możemy też zapoznać Czytelników czasopisma Polski Przemysł.

Na koniec
Świadomość występowania w obrabiarkach dużych błędów cieplnych i wiedza o możliwościach ich zmniejszania jest niezwykle ważna dla wszystkich użytkowników obrabiarek, a zwłaszcza, gdy stosuje się je do obróbki dokładnych przedmiotów. Mamy nadzieję, że w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka uda się zintegrować czołowe fabryki obrabiarek działające w Polsce i główne ośrodki naukowe w projekcie zmierzającym do znacznego zwiększenia innowacyjności produkowanych obrabiarek i ich konkurencyjności na rynku krajowym i globalnym. W projekcie tym prace nad redukcją błędów cieplnych będą miały znaczący udział.

Literatura
1. Jędrzejewski, J. (2011). Doskonalenie obrabiarek – trendy, redukcja błędów i dokonania producentów. Stal Metale & Nowe Technologie. Vol. 5/6, pp. 72–75.
2. Turek P., Kwaśny W., Jędrzejewski J., (2010), Zaawansowane metody identyfikacji błędów obrabiarek, Inżynieria Maszyn, Vol. 15/1-2, pp. 7–37.
3. Błażejewski A., Kwaśny W., Jędrzejewski J., Gim, T-W., (2010), Modelling thermal deformation of tilting rotary table with direct drive system, Journal of Machine Engineering. Vol. 10/4, pp. 26–40.
4. Winiarski Z., Kowal Z., Kwaśny W., Ha J-Y., (2010), Thermal model of the spindle drive structure, Journal of Machine Engineering. Vol. 10/4, pp. 41-52.
5. Jędrzejewski J., Kwaśny W., (2010), Modelling of angular contact ball bearings and axial displacements for high-speed spindles, CIRP Annals, Manufacturing Technology, Vol. 59/1, pp. 377–382..
6. Turek, P., Jędrzejewski, J. and Modrzycki, W. (2010), Methods of machine tool error compensation, Journal of Machine Engineering, Vol. 10/4, pp. 5–25.Jerzy Jędrzejewski

Politechnika Wrocławska, a ściślej Zakład Obrabiarek i Systemów Mechatronicznych, który powstał z pierwotnego Zakładu Konstrukcji Obrabiarek, a później Zakładu Konstrukcji Obrabiarek i Systemów Wytwarzania, specjalizuje się w badaniu i doskonaleniu właściwości cieplnych obrabiarek i jest uznanym autorytetem w tej dziedzinie w Polsce i na świecie.