Modellazione numerica del comportamento dinamico di una fresatrice a 5 assi

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1 Modellazione numerica del comportamento dinamico di una fresatrice a 5 assi Relatore: Antonio Scippa antonio.scippa@unifi.it Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali

2 Agenda - Presentazione del Manufacturing Research Laboratory - Obiettivi dell attività di ricerca - Modellazione multi-body di una fresatrice a 3 assi - Modellazione ibrida numerico-sperimentale per la previsione delle funzioni di risposta in frequenza al tooltip Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 1

3 Manufacturing Research Lab. Nasce nel 2007 sotto la guida del Prof. Andrea Del Taglia Risorse umane: - 2 Ricercatori - 3 Dottorandi - 2 Assegnisti Presidente: Prof. Kazuo Yamazaki (IMS-Mechatronics Laboratory) Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 2

4 Manufacturing Research Lab. Attrezzature: - Metrologia Rugosimetro Taylor Hobson Rotondimetro Taylor Hobson CMM Mitutoyo EURO-C A776 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 3

5 Manufacturing Research Lab. Attrezzature: - Metrologia - Sistemi di acquisizione Celle di carico Kistler Accelerometri PCB Scadas III LMS International Shaker e Martelli strumentati Bruel&Kijar Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 4

6 Manufacturing Research Lab. Attrezzature: - Metrologia - Sistemi di acquisizione - Macchine Utensili Fresatrice 5 assi Mori-Seiki NMV 1500 DCG Fresatrice 3 assi Modela MDX-40 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 5

7 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo Processo di Pressofusione (MSC Marc) Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 6

8 Pressione (N/mm 2 ) Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo α Tasso di asportazione [ mm 3 /s] (Preston): Velocità relativa [ mm/s ] Pressione [ N/mm 2 ] Coeff. Abrasione [mm 3 /J ] Processo di Lappatura (MSC Adams) Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 7

9 [g eq. CO2] Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing Lubrication strategy Lubrication power consumption Scraps to be treated Flooded Oil pump Oil soaked MQL Air compressor Dry Dry None Dry DRY FLOODED MQL Electrical Power Scrap Treatment Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 8

10 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali Specifiche tecniche Vincoli tecnologici Finitura: passate parallele all asse Ricostruzione geometrie Ricostruzione percorsi utensile G - code Finitura: passate a spirale rettangolare Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 9

11 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali - Dinamica delle MU Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 10

12 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali - Dinamica delle MU Errori di lavorazione: - Errori quasi statici: Cinematici termici Obiettivi: - Riduzione degli errori di lavorazione Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 11

13 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali - Dinamica delle MU Errori di lavorazione: - Errori quasi statici: - Errori dinamici: Deflessioni strutturali Obiettivi: - Riduzione degli errori di lavorazione Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 12

14 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali - Dinamica delle MU Obiettivi: - Riduzione degli errori di lavorazione - Incremento del tasso di rimozione del materiale feed-forward control Jerk control Look ahead Lavorazioni ad alta velocità (HSM) elevate forze inerziali Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 13

15 Manufacturing Research Lab. Attività di ricerca - Simulazione di processo - Green Manufacturing - Sviluppo di CAM Verticali - Dinamica delle MU Obiettivi: - Riduzione degli errori di lavorazione - Incremento del tasso di rimozione del materiale - Determinazione delle condizioni di stabilità del taglio Dipende dalla geometria dell utensile usato Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 14

16 Modela MDX-40: modello multi-body Il modello multi-body della Modela MDX- 40 è stato sviluppato in MSC Adams curando in particolare la modellazione dei giunti Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 15

17 Modela MDX-40: modello multi-body Il modello multi-body della Modela MDX- 40 è stato sviluppato in MSC Adams curando in particolare la modellazione dei giunti Le guide lineari sono state modellate considerando il gioco (funzione delle tolleranze di accoppiamento) e la rigidezza di contatto (valutata con teoria hertziana) Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 16

18 [N/m] Modela MDX-40: modello multi-body Il modello multi-body della Modela MDX- 40 è stato sviluppato in MSC Adams curando in particolare la modellazione dei giunti Axis position La rigidezza delle trasmissioni a cinghia è stata valutata in funzione della posizione e della direzione di moto Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 17

19 Modela MDX-40: modello multi-body Per simulare il processo di taglio è stata condotta una campagna sperimentale con cella di carico Kistler (type 9257A) Verificata l ipotesi di forze di taglio medie costanti per avanzamenti e profondità di passata costanti; Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 18

20 Modela MDX-40: modello multi-body Il confronto numerico sperimentale nel caso di profilatura circolare dimostra la capacità previsionale di un modello multi-body flessibile Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 19

21 Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody Modellazione MB Flessibile Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 20

22 Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody Contributo dei singoli corpi flessibili all errore globale di posizionamento Modellazione MB Flessibile Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 21

23 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 22

24 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido High Speed Milling Per fresa a 2 taglienti (z = 2): Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 23

25 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Per HSM è possibile utizzare un approccio ibrido numerico-sperimentale che accoppia un modello a parametri concentrati con il modello FE dell utensile Misure Sperimentali Modello a parametri concentrati K j (f) m j Rigidezza di contatto FEM utensile Diagramma di stabilità FRF tooltip Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 24

26 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Il collegamento tra modello a parametri concentrati e modello FE dell utensile è possibile tramite la riduzione di Craig Bampton Rigidezza di contatto FEM utensile Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 25

27 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Ogni componente è stato validato sperimentalmente mediante analisi modale sperimentale e model updating del modello FE (MSC Nastran) Misure Sperimentali Modello a parametri concentrati Rigidezza di contatto FEM utensile K j (f) m j FRF of Shank ISCAR Multi-Master shank Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 26

28 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Il confronto numerico sperimentale evidenzia un ottima capacità previsionale dell approccio sviluppato Modello FE accoppiato Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 27

29 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Il confronto numerico sperimentale evidenzia un ottima capacità previsionale dell approccio sviluppato Modello FE accoppiato Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 28

30 Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido Il confronto numerico sperimentale evidenzia un ottima capacità previsionale dell approccio sviluppato Modello FE accoppiato Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 29

31 Conclusioni La simulazione numerica può essere applicata con successo per la previsione del comportamento dinamico di macchine utensili. Nel caso di macchine utensili progettate per lavorazioni ad alta velocità (caratterizzate da elevate rigidezze) il comportamento dinamico dipende quasi esclusivamente dalle rigidezze dinamiche del mandrino: È possibile quindi utilizzare un approccio ibrido numerico sperimentale per la determinazione delle funzioni di risposta in frequenza al tooltip. Occorre introdurre un modello delle forze di taglio per determinare le curve di stabilità al Chatter. Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 30

32 Modellazione numerica della dinamica di MU Grazie per l attenzione antonio.scippa@unifi.it Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 31

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