Hassas Cnc İşleme İçin Sıkma Sistemlerinin Önemi (Teknik Makale)

Özet

Fikstürler, işleme sisteminin önemli bir unsurudur ve proses ile takım tezgahı arasındaki hassas yolun ve kuvvet akışının bir parçasıdır. Akıllı armatürler, kritik proses koşullarının tanımlanmasına, hata etkilerinin telafisine ve hatalı parçaların en aza indirilmesine olanak tanır. İlk olarak, bu katkı, bağlama düzeneğinin ve işleme sürecinin çeşitli adımlarında iş parçası özelliklerinin etkisinin analiz edildiği bir çalışma sunar. Dinamik proses davranışına ilişkin deneysel ve teorik sonuçlar, bu etkilerin işleme performansı ve iş parçası kalitesi ile olan ilişkisini ortaya koymaktadır. İkinci olarak, Avrupa araştırma projesi INTEFIX tanıtıldı. Akıllı fikstürlerin temsili yaklaşımları, iş parçası titreşimlerini ve bozulmalarını azaltma ve iş parçası hizalamasını iyileştirme açıklanır ve prototipler gösterilir. Üçüncü bölümde, iki akıllı armatür örneği sunulmakta ve daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. İlk örnek, ince cidarlı iş parçalarının frezelenmesinde titreşimin tanımlanması ve aktif olarak azaltılması için bir fikstürle ilgilidir. İkinci örnek, büyük ince duvarlı yapısal parçaların işlenmesinde meydana gelen iş parçası bozulmalarının telafisi ile ilgilidir.

Giriş

Fikstürler ve sıkma aparatları, malzeme kaldırma işlemleri için işleme sistemlerinin önemli bir parçasıdır. Ancak, üretim makinelerinin ve işleme çözümlerinin yerleşimi sırasında bunların önemi genellikle ihmal edilir veya küçümsenir. Armatürlerin üretkenlik, verimlilik ve kalite ile ilgisi çoğunlukla doğru bir şekilde değerlendirilmez, örneğin üretim sistemlerinin ve ilgili maliyetlerin planlanması ile ilgili olarak. Fikstür ve sıkma sistemlerinin ana görevleri:

• takım tezgahının çalışma alanında kenetlenmiş bir iş parçasının konumunu (konumu ve yönü) tanımlamak için
• statik ve dinamik mekanik ve termal yüklerin etkisi altında bile bu tanımlanmış konumu korumak
• ve bu yükleri, kuvvet akısı içinde makine yapısının ayrılmaz bir parçası olarak yönlendirmek

Otomasyon amaçları için, bir enerji kaynağının (hidrolik, pnömatik, elektrik gücü) ve ilgili arayüzlerin entegrasyonu gereklidir. Ayrıca, izleme görevleri için entegre sensörlü fikstürler ve kenetleme elemanları mevcuttur. Geleneksel olarak, fikstürler, işleme işlemi sırasında sıkma noktası konumlarında herhangi bir değişiklikten kaçınmalıdır. Esnek fikstürler, kenetleme arayüzlerinin iş parçası geometrisine uyarlanmasına izin verir. Aktif fikstürler, sıkma noktalarının harekete geçirilmiş hareketini sağlar, örn. iş parçası şekillerini bozmak için adaptasyon veya proses koşullarını iyileştirmek için iş parçasını harekete geçirmek için.

İş parçası ve fikstürü içeren bir sıkma senaryosunun doğruluğu, performansı ve güvenilirliği, sıkma cihazlarının ve destek pimleri veya referans elemanları dahil olmak üzere temas noktalarının sayısına, dağılımına ve konfigürasyonuna bağlıdır. Bir fikstürün yerleşimi ve sıkma sistemlerinin düzenlenmesi, bilgisayar destekli yöntemlerle gerçekleştirilebilecek zorlu bir görevdir. Fikstürler, işleme sisteminin doğruluk yolunun bir parçası olduğundan, toleransları işleme sonucunun kalitesini etkiler. Fikstür tasarımı sayısal hesaplama ve simülasyonla desteklenebilir. Önemli bir husus, sıkma sisteminin neden olabileceği iş parçası deformasyonlarının önlenmesidir. Bir fikstürde sıkılmış iş parçalarının statik ve dinamik davranışını doğru bir şekilde hesaplamak ve analiz etmek için, iş parçası ile sıkma elemanı arasındaki temasın doğru bir şekilde modellenmesi önemlidir. Hesaplama yaklaşımlarını parametrelendirmek ve doğrulamak için kontak arayüzlerinin test edilmesi gereklidir . Ayrıca, fikstür performansının değerlendirilmesinde ve bir fikstür düzeninin işleme süreci üzerindeki etkisinin tahmin edilmesinde süreç-iş parçası-fikstür etkileşimi dikkate alınmalıdır. Uyumlu ve ince duvarlı iş parçaları için, işleme sürecinin dinamik davranışı dikkatlice analiz edilmelidir. Proses parçası fikstür sisteminin modellenmesi, uygun bir fikstür düzeni elde etmek için optimizasyon stratejilerinin uygulanmasına izin verir. Bu nedenle önemli sayıda çalışma, otomatik fikstür konfigürasyon sistemlerini amaçlamaktadır. Ancak, fikstür tasarımına tasarım mühendisinin deneyimi ve bilgisi hakimdir. Bazı yaklaşımlar bu bilgiyi bilgisayar destekli yerleşim stratejilerine dahil eder. Armatürler için tasarım metodolojileri, özellikle akıllı armatürler açısından devam eden bir konu olarak kabul edilebilir.

Aşağıda, dinamik süreç-iş parçası-fikstür etkileşimi ile ilgili olarak fikstür düzeninin ilişkisini ortaya koyan bir çalışma sunulmuştur. Daha sonra, ince duvarlı ve uyumlu iş parçaları için sensör ve aktüatör entegre armatürlerin geliştirilmesini amaçlayan, devam etmekte olan bir Avrupa araştırma projesine genel bir bakış verilmektedir. Bu projenin nihai amacı, bu tür akıllı armatürler için tasarım yöntemleri sağlamaktır. Akıllı armatürlerin simülasyon destekli düzenine ilişkin iki örnek ayrıntılı olarak tanıtılmıştır.

Fikstürlerin Alakası

Fikstürler, bir işleme sisteminin kuvvet akışında bulunduğundan, statik, dinamik ve ayrıca termal davranışları, prosesin kalitesini ve performansını doğrudan etkiler. Verimlilik ve talaş kaldırma oranları ile ilgili olarak, iş parçası fikstürü alt sisteminin titreşim özellikleri, kararlı proses koşulları aralığını sınırlar. Sonuç olarak, armatürler, yeterli sertlik ve sönümleme sağlamak için çoğunlukla aşırı boyutlandırılır. Ancak bu aşırı boyutlandırma, yüksek maliyetlere ve kaynak tüketimine yol açar.

İyileştirilmiş bir fikstür düzeni için, fikstürlere sıkılan iş parçalarının dinamik davranışı hakkında ayrıntılı bilgi edinmek için temel analizler gereklidir. Ayrıca, son donanım gerçekleştirilmesinden önce yerleşim prosedürü sırasında sanal bir ortamda tasarlanmış bir fikstürün performansının değerlendirilmesine izin veren hesaplama ve simülasyon yaklaşımları gereklidir.

Fikstür kurulumunun örnek frezeleme operasyonlarında proses stabilitesi üzerindeki etkisini ortaya çıkarmak amacıyla, Roemheld şirketi ile işbirliği içinde yeniden yapılandırılabilir bir test fikstürü gerçekleştirildi (Şekil 1 ve Şekil 2). İlk fikstür kurulumu, iş parçasının referanslanması için üç sıkma noktası (destek pimleri ve döner klemplerle donatılmış) ve durdurucular içeriyordu (Şekil 1a). Bu kurulum, işlem sırasında titreşim etkilerinin görünürlüğünü artırmak için iş parçasının daha az desteklenen alanlarında kasıtlı olarak belirli bir dinamik zayıflık sergiler. Diğer konfigürasyonlarda, sıkma noktalarının ve ek desteklerin yerleri ve sayısı değişiklik gösterir (Şekil 1b).

Seçilen frezeleme testi senaryosu, sabitlenmiş ham madde bloğunun üst yüzeyinin yüzey frezelemesinden ve dairesel bir stratejiyle iki cep frezeleme döngüsünden oluşuyordu. Böylece, son iş parçası nervürlü ve ince duvarlı bir yapıya sahiptir. İş parçası malzemesi Al7075 idi. Dört kesme kenarı (z = 4) olan kaplanmış bir 12 mm karbür alet kullanıldı. İşlem parametreleri n = 13,000 dak-1, vf = 4,2 4,5m / dak, ap = 3 mm, ae = 6-11 mm idi. İş parçası titreşimleri, Şekil 2’de gösterildiği gibi üç eksenli bir ivmeölçer ile ölçülmüştür.

Zayıf ilk sıkma kurulumunda bile, yüzey frezeleme ve ön cep frezeleme proses adımları için kararlı proses koşulları hakim oldu. Arka cep frezelenirken, 15 mm’lik bir cep derinliğinden (13 mm’lik bir cep tabanı kalınlığına eşdeğer) başlayarak dengesiz koşullar ortaya çıktı (Şekil 3). Çatırdama, sadece, fikstürün en zayıf iş parçası desteğine sahip olduğu cebin sağ üst köşesinde meydana geldi (Şekil 3a). Dairesel frezeleme işlemi sırasında, kesme işlemi kararlı ve kararsız davranışlar arasında tekrar tekrar değişti. Cebin sol kısmı pürüzsüz bir yüzey gösterir (Şekil 3c).

Ölçülen iş parçası titreşimleri, kararlı ve kararsız koşullar arasındaki bu değişikliği doğrular (Şekil 4). Şekil 4a, yüzey frezeleme adımı sırasında ölçülen iş parçası titreşimlerini gösterir. Takım ile iş parçası arasında hiçbir temasın verilmediği bazı zaman noktalarının yanı sıra (doğrusal yolun sonunda taşma), tekdüze ve nispeten küçük titreşim genlikleri meydana gelir. Şekil 4b, arka cebin frezelenmesi sırasında iş parçası titreşimlerini göstermektedir. Çok daha yüksek ve değişen genlikler gözlemlenebilir.

Deneysel sonuçları yeniden oluşturmak ve iş parçası ve fikstür davranışının simülasyon tabanlı bir incelemesine izin vermek için, fikstür dinamiklerinin Sonlu Elemanlar (FE) analizi ve çatırtı tanımlama için süreç simülasyonları gerçekleştirilmiştir (Şekil 5 ve Şekil 6).

Şekil 5’te farklı iş parçası ve fikstür kurulumlarının ilk doğal modları sunulmuştur. Tablo 1, hesaplanan sonuçları ölçümlerle karşılaştırmaktadır. FE analizi, temas modellemesindeki basitleştirmeler nedeniyle doğal frekansları olduğundan fazla tahmin eder. Bununla birlikte, ek desteklerin etkisi iyi bir şekilde yeniden üretilmiştir. Hesaplama sonuçları ayrıca iş parçası dinamiklerinin belirli bir malzeme kaldırma durumunda baskın hale geldiğini ve toplam titreşim davranışının büyük ölçüde değiştiğini göstermektedir. İş parçası karışımı sisteminin modal parametre değerleri, istikrarsız proses koşullarını belirlemek için proses simülasyonlarında kullanılabilir (Şekil 6).

Bu çalışma, tüm proses-iş parçası karışımı sisteminin fikstür tasarımı, düzeni ve optimizasyonunda dikkate alınması gerektiğini doğrulamaktadır. İş parçası dinamikleri işlem sırasında önemli ölçüde değişebilir ve sistem davranışı büyük ölçüde değişebilir.

Akıllı armatürler

Avrupa araştırma projesi INTEFIX’te (“Düşük sertlikteki bileşenlerin üretimi için Akıllı Fikstürler”), havacılıkta ve ulaşım sektöründe ince duvarlı ve büyük iş parçalarının işlenmesinde titreşim, deformasyon ve konumlandırma zorluklarının üstesinden gelmek için sensör ve aktüatör entegre armatürleri geliştirilmiştir:

• İnce cidarlı parçaların işleme operasyonlarında, iş parçasının dinamik uyumu ve işlemin uyarması nedeniyle titreşimler meydana gelir.
• İnce cidarlı iş parçalarının deformasyonları yerçekimi ve sıkma kuvvetlerinden, işlem yüklerinden ve işleme sürecinden kaynaklanan artık gerilmelerden kaynaklanır.
• Büyük parçaların takım tezgahlarının çalışma alanı içinde konumlandırılması, genellikle referans noktalarına sahip olmayan kullanımı zor bileşenlerin referans alınmasını ve doğruluk gereksinimlerini karşılamak için iş parçalarının konumunun ve yönünün ayarlanmasını içerir.

Sensörlerin ve aktüatörlerin entegrasyonu, fikstürün otonom bir işlevselliğini veya takım tezgahı kontrolü ile bir etkileşim ve çalışmayı mümkün kılan kapalı döngü kontrol mimarilerine yol açar. Aşağıda, INTEFIX projesi kapsamında geliştirilen bazı prototip örnekleri tanıtılmaktadır. Bununla, yukarıda bahsedilen zorlukların üstesinden gelmek için yaklaşımlara genel bir bakış verilmektedir.

Uçak türbini muhafazalarının dönüşünde kritik titreşimlerden kaçınmanın ilk örneği Şekil 7’de gösterilmektedir. Yaklaşım, işlemin neden olduğu geçici iş parçası deformasyonunu kontrol etmek için kelepçe pimlerinin konumu ve kuvvetinin değişimini içerir (Şekil 8). Ek olarak, titreşim enerjisini dağıtmak ve parçayı nemlendirmek için MICA200M titreşim emiciler entegre edilmiştir.

İş parçası deformasyonlarının önlenmesi ve telafi edilmesine ilişkin örnekler Şekil 9’da gösterilmektedir. Şekil 9a, dağıtılmış sıkma pistonlarının konum kontrollü olduğu ve kenetleme kuvvetleri ve azalan yapısal sertlikten kaynaklanan iş parçası bozulmalarını telafi etmek için hareket ettirilebilen bir yaklaşımı tasvir etmektedir.

Şekil 9b’de artık gerilmelerin neden olduğu bozulmaların telafisi gösterilmektedir. Bu yaklaşımda, bozulmalar model hesaplamalarıyla tahmin edilir ve işleme için stoğun aktif bir modifikasyonu ile telafi edilir. Uyarlanabilir hidrolik klempler parçayı nervürlerinde tutar.

Şekil 10’da, kontrollü destek noktaları ile büyük parçaların tesviye edilmesine yönelik bir örnek gösterilmektedir. Konum düzeltmeye ek olarak, titreşimleri azaltmak ve iş parçasını önceden biçimlendirmek için ek destek noktaları için kendinden ayarlı bağlama üniteleri entegre edilmiştir. Şekil 11, iş parçası konturunu ölçen ve takım yolu düzeltmesi için takım tezgahı kontrolüyle etkileşime giren bir fikstürü göstermektedir. Bir lazer sensör, fikstür içindeki 3 eksenli bir alt sistem tarafından yönetilir. Destek pimleri, iş parçasına temas edene kadar düşük hava basıncı ile yükseltilir. Bu anda pimler o konumda bloke edilir. Ardından vakum pedleri iş parçasını sabitler. Deneylerde ilave vakum kapları kullanılarak sönümlemede 10 kat artış sağlanabilir.

İş parçası titreşimlerinin azaltılması için armatürler

Pervane kanatlarının işlenmesinde, ince duvarlı yapıların düşük sertliğinden dolayı çatırtı titreşimleri meydana gelir (Şekil 12). Bu, kabul edilemez bir yüzey kalitesine ve artan takım aşınmasına yol açar. Bu nedenle, bu tür kritik koşullardan kaçınmak için geleneksel olarak işlem parametresi değerleri azaltılır.

INTEFIX projesi kapsamında, çalıştırılan aktif fikstürler tarafından iş parçasına karşı uyarıların verildiği yaklaşımlar takip edilir. Karşı uyarımların amacı, rejeneratif çatırtı etkisini bozmak ve böylece öğütme sistemi dinamiklerini stabilize etmektir. İş parçası uyarımı üç farklı şekilde gerçekleştirilebilir: (a) iki öteleme serbestlik derecesi (DoF), (b) bir dönüşlü DoF veya (c) iki eğimli DoF (Şekil 13). Çözüm (b) yalnızca bir aktüatörle çalıştığı için, en az karmaşık ve en uygun maliyetli yaklaşımı oluşturur.

Çözüm (b) ‘yi analiz etmek için titreşim sensörlü aktif bir ayna, tek bir piezo aktüatör ve eğme menteşeleri geliştirilmiştir (Şekil 14). Ayrıca, titreşim ölçümü ve karşı uyarma stratejileri üzerine araştırmalara izin veren basitleştirilmiş bir 1-DoF çevirme test teçhizatı inşa edildi (Şekil 15).

Temel frezeleme deneylerinde, 1-DoF test fikstürü basit bir düz plaka taşır. İş parçası titreşimlerini ölçmek için, iş parçası ile fikstürün hareketli tablası arasına bir duyusal CFRP (karbon fiber takviyeli plastik) ped (INVENT tarafından sağlanır) monte edilir. İş parçası titreşimleri, test donanımına bağlanabilen lazer üçgenleme sensörleri ile de ölçülür. Deneyler, karşı uyarımların uygulanmasıyla daha az dalgalı işlenmiş bir iş parçası yüzeyinin elde edilebileceğini göstermektedir. Ra = 3.35 µm pürüzlülük değerleri Ra = 0.68 µm’ye düşürülmüştür. İnce levhanın frezeleme operasyonunun proses stabilitesi de proses simülasyonları kullanılarak analiz edildi (Şekil 16). Kararlı ve kararsız proses koşullarının meydana geldiği bıçak bölgeleri belirlenebilir (Şekil 17).

Simülasyon ayrıca kararsız (1) ve kararlı (2) bölgelerdeki yüzey özelliklerinin tahminine izin verir (Şekil 17). Ayrıca, 1.5 kHz frekanslı karşı uyarmanın dengeleyici etkisi onaylanabilir (3).

İş parçası bozulmalarını azaltmak için armatürler

İnce cidarlı alüminyum parçaların frezelenmesinde meydana gelen artık gerilmelerden kaynaklanan iş parçası bozulmaları sorununun üstesinden gelmek için, parçanın her iki tarafından da işlemeye izin veren özel fikstür çerçeveleri geliştirilmiştir (Şekil 18, Şekil 19). İş parçası, her bir kelepçeleme noktası konumunun parçanın çarpık şekline uyarlanmasını sağlayan dağıtılmış PosiFlex yüzer kelepçelerle (Roemheld tarafından) bu çerçevelerin içinde tutulur. İşlemeden sonra iş parçasının bozulmalarını en aza indirme stratejisi, tüm sürecin ara adımlarında fikstür içindeki iş parçasının sık sık gevşetilmesine dayanır. Bu gevşeme için, hidrolik pistonlar tarafından hareketli kelepçelerin harekete geçirilmiş bir hareketi sağlanır (Şekil 19). Çalıştırma mekanizmasına monte edilen gerinim ölçerler vasıtasıyla her bir kenetleme noktasında etkiyen kuvvetler ölçülebilir ve kontrol amacıyla kullanılabilir. Fikstürün sönümlemesini iyileştirmek amacıyla CFRP çerçeve elemanları (INVENT tarafından) başarıyla test edilmiştir (Şekil 18c).

Fikstür çerçevelerinin dinamik davranışı, FE simülasyonları ve kelepçeli bir iş parçası olan ve olmayan deneysel modal analiz ile ve ara işlem adımlarında iş parçasının farklı durumları için araştırılmıştır. Şekil 19’da fikstür için ölçülen doğal frekanslar Tablo 2’de özetlenmiştir. Fikstürün elde edilen dinamik özellikleri, proses simülasyonları ve stabilite analizi için girdi parametre değerleri olarak kullanılabilir (Şekil 20).

İki farklı iş parçası durumu için stabilite çizelgeleri örnek olarak gösterilmiştir. Stabilite sınırları, takım merkez noktasında (mavi sınır) ve iş parçasında (kırmızı sınır) ölçülen frekans yanıt fonksiyonları (FRF) kullanılarak hesaplandı. Takım tezgahının özmodlarının analiz edilen süreç için baskın olmadığını varsayarsak, takımda belirlenen FRF, takımın, takım tutucunun ve iş milinin dinamik davranışını temsil eder; iş parçasındaki FRF, fikstür-iş parçası sisteminin davranışı. Kararlılığın karşılaştırılması, analiz edilen sürecin kararlılığının fikstürün dinamik davranışıyla değil, takım-takım tutucu-iş mili sisteminin dinamikleriyle sınırlı olduğunu göstermektedir.

Özet ve sonuç

Bu yazıda, akıllı fikstür tasarımının mevcut durumu gözden geçirilmektedir. Fikstürlerin işleme proseslerinin performansı ve doğruluğu açısından önemi belirtilmiştir. Ayrıca, hassas iş parçalarının titreşim, deformasyon ve konumlandırma zorluklarının üstesinden gelmeyi amaçlayan sensör ve aktüatör entegre fikstürlerle ilgili güncel gelişmelere genel bir bakış da verilmiştir. Sunulan çalışma, fikstürlerin düzgün bir şekilde yerleştirilmesi ve optimizasyonu için proses-iş parçası-fikstür etkileşimlerinin detaylı bir analizinin gerekli olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Sonlu Eleman analizi ve süreç simülasyonları, fikstür performansının iyileştirilmesi için önemli bir destek sağlar. Çalıştırılmış kenetleme elemanlarına sahip aktif fikstürler, daha kararlı işlem koşullarına katkıda bulunabilir. Sonuç olarak, fikstürler modern işleme sistemlerinin güçlü bir unsuru olabilir. Yenilikçi fikstür teknolojisinin tam potansiyelini elde etmek için tüm sistemin ayrıntılı bir araştırması gereklidir.