Soluzioni innovative nella progettazione di ELETTROMANDRINI per High Speed Machining

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Giuseppina Rosso
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1 Laboratorio per l innovazione Soluzioni innovative nella progettazione di ELETTROMANDRINI per High Speed Machining Paolo Albertelli (paolo.albertelli@polimi.it) Politecnico di Milano ITIA CNR Capellini Srl

Machining Paolo Albertelli (paolo.albertelli@polimi.

2 Indice Elettromandrini Verso l incremento delle prestazioni Obiettivi della presentazione Strumenti di modellazione e simulazione Dinamica dei mandrini Processo di taglio ed instabilità Capacità di asportazione Caratterizzazione e validazione sperimentale Conclusioni

simulazione Dinamica dei mandrini Processo di taglio ed

3 Elettromandrini Componenti principali cuscinetti motore carcassa attacco utensile albero

4 Verso l incremento delle prestazioni MERCATO Incremento produttività (riduzione tempi e costi) Massimizzazione della capacità di asportazione di materiale FOCUS: incremento prestazioni ELETTROMANDRINI High Speed Machining (Leghe di alluminio) Aerospace Automotive Meccanica generale STRUMENTI INNOVATIVI A SUPPORTO DELLA PROGETTAZIONE DI ELETTROMANDRINI

prestazioni ELETTROMANDRINI High Speed Machining (Leghe di alluminio) Aerospace

5 Obiettivi della presentazione Metodologie e strumenti a supporto della progettazione Che strumenti usare? Strumenti software di prototipazione virtuale Perchè usarli? Simulare il comportamento del sistema Migliorare la conoscenza del sistema Valutare preventivamente l impatto di soluzioni innovative Ridurre il tempo di progettazione Ridurre lo sforzo di prototipazione Valutare il mandrino in condizioni operative (capacità asportazione)

Simulare il comportamento del sistema Migliorare la conoscenza del sistema Valutare preventivamente l impatto

6 Modellazione CONTROLLO NUMERICO coppie motori AZIONAMENTI misure spostamenti MOTORI SENSORI interazioni con macchina TRASMISSIONI GUIDE STRUTTURA MECCANICA interazioni con macchina parametri di taglio forze di taglio MANDRINO+UTENSILE PROCESSO DI TAGLIO + PEZZO spostamenti utensile qualità lavorazione + finitura pezzo

interazioni con macchina parametri di taglio forze di taglio MANDRINO+UTENSILE

7 Modellazione Obiettivo: Massimizzare la capacità di asportare in modo stabile il materiale o Struttura meccanica Cedevolezza albero Cedevolezza carcassa Effetti giroscopici (legati alla velocità di rotazione) o Cuscinetti Cinematica delle sfere ad alta velocità Cuscinetti alternativi (ad aria o magnetici) o Modellazione aspetti termici o Cedevolezza utensile o Cedevolezza pezzo o Dinamica del macchina su cui è montato o Processo di taglio Stabilità del processo di taglio (chatter rigenerativo) Non esistono attualmente SW in grado di modellare contemporaneamente tutti gli aspetti elencati

aria o magnetici) o Modellazione aspetti termici o Cedevolezza utensile o Cedevolezza pezzo o Dinamica del macchina su cui è montato o Processo di

8 Strumenti di modellazione e simulazione Un applicazione: CutPro-SpindlePro TM o Struttura meccanica Cedevolezza albero Cedevolezza carcassa Effetti giroscopici (legati alla velocità di rotazione) o Cuscinetti Cinematica delle sfere ad alta velocità Cuscinetti alternativi (ad aria o magnetici) o Modellazione aspetti termici o Cedevolezza utensile o Cedevolezza pezzo o Dinamica del macchina su cui è montato o Processo di taglio Stabilità del processo di taglio (chatter rigenerativo)

velocità Cuscinetti alternativi (ad aria o magnetici) o Modellazione aspetti termici o Cedevolezza utensile o Cedevolezza

9 Comportamento dinamico del mandrino Cedevolezza albero e carcassa Rigidezza cuscinetti modellazione FEM con elementi beam modello del mandrino albero completo Effetti giroscopici Effetti centrifughi Equazione di equilibrio dinamico

elementi beam modello del mandrino albero completo

10 Comportamento dinamico del mandrino Modello non lineare dei cuscinetti K = K( geometria, materiali, precarico, vel. rotazione) effetti centrifughi momento giroscopico

11 Comportamento dinamico del mandrino Modellazione utensile e cedevolezza attacco modellazione beam dell utensile modellazione cedevolezza attacco (HSK)

12 Comportamento dinamico del mandrino Caratterizzazione modello e validazione sperimentale albero Campagna di analisi modale sperimentale mandrino completo modello albero 1760 Hz Hz

13 Modellazione processo di taglio Possibilità di valutare la capacità di asportazione necessità di considerare chatter rigenerativo Perché? Limita capacità asportazione Qualità superficiale scadente Usuara eccessiva di utensili,inserti e mandrino Vibrazioni eccessive Maggior potenza assorbita Superficie ottenuta in condizioni di taglio instabile: CHATTER RIGENERATIVO zoom

Limita capacità asportazione Qualità superficiale scadente Usuara eccessiva di

14 Instabilità del processo di taglio: chatter rigenerativo E necessario considerare: La dinamica della macchina vista all utensile (FRF all utensile) La superficie generata dal passaggio del tagliente precedente esempio: schema di una fresatura

utensile (FRF all utensile) La superficie generata dal

15 Instabilità del processo di taglio: chatter rigenerativo DINAMICA DEL PROCESSO DI TAGLIO prof. passata attuale calcolo forze posizione taglienti profondità passata imposta dinamica macchina ritardo calcolo forze Valutazione coefficienti strappamento

passata attuale calcolo forze posizione taglienti profondità

16 Instabilità del processo di taglio: chatter rigenerativo DINAMICA DEL PROCESSO DI TAGLIO studio stabilità profondità di passata assiale =f(velocità rotazione) Unstable region stable region

17 Determinazione sperimentale diagrammi a lobi 10-6 Experimental FRF[m/N] mod FRF SPERIMENTALE deg hz Modello processo di taglio

SPERIMENTALE 500 1000 1500 2000 2500-50 deg

18 Diagrammi a lobi e prove di lavorazione Chatter NoChatter INCERTEZZA STIMA DEI COEFFICIENTI STRAPPAMENTO

1854.1Hz 1760 Hz Inserire LMS VERIFICA DEL MODELLO: ANALISI MODALI

19 Modellazione e validazione sperimentale DINAMICA MANDRINO PROCESSO DI TAGLIO MODELLO PROCESSO+FRF SPERIMENTALE UTENSILE MODELLO FEM Hz 1760 Hz Inserire LMS VERIFICA DEL MODELLO: ANALISI MODALI SPERIMENTALI IN FREE-FREE VERIFICA DEI DIAGRAMMI A LOBI PROVE DI LAVORAZIONE

20 Contesto attuale ITIA CNR CONTROLLO NUMERICO coppie motori AZIONAMENTI misure spostamenti MOTORI SENSORI INTERAZIONE CON MACCHINA forze di taglio TRASMISSIONI GUIDE STRUTTURA MECCANICA MANDRINO+UTENSILE spostamenti utensile PROCESSO DI TAGLIO fixed

MACCHINA forze di taglio TRASMISSIONI GUIDE STRUTTURA

21 Diagrammi a lobi e condizioni di vincolo mandrino mod [m/n] FRF: experimental Vs simulated(x axis) Dinamica macchina? fixed deg simulated(no machine dynamic) experimental hz

22 Diagrammi a lobi e condizioni vincolo mandrino FRF simulated Stability Lobes FRF experimental(no machine dynamic) Depth of cut[mm] Spindle Speed[rpm]

23 Interazione con macchina ITIA CNR

24 Conclusioni Strumenti di modellazione simulazione: +Comportamento statico e dinamico del mandrino +Processo di taglio e fenomeni di instabilità +Possibilità di valutare soluzioni innovative Mancanza soluzioni complete Caratterizzazione dei modelli Validazione sperimentale

25 Bibliografia 1. Altintas Y, E. Budak, Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling, ANNALS of the CIRP, 44(1): , Marco Leonesio, Giacomo Bianchi, Alessandro Brondi Machine- Process Interaction Analysis

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