Při provozu obráběcího stroje vzniká množství odpadního tepla, jehož šíření v konstrukci stroje způsobuje prvotně deformace jednotlivých konstrukčních prvků a v extrémním případě může vést k poruše funkce či dokonce k poruše konstrukce samotné (obr. 1). Teplotní deformace mají dvě složky – lineární a úhlovou, při čemž eliminace úhlové složky představuje podstatně náročnější úlohu. Pokud přesnost stroje posuzujeme jako odchylku špičky nástroje od požadované polohy, pak se dle řady publikovaných prací na výsledné výrobní chybě podílí teplotní deformace, způsobené šířením tepla, hodnotou 40 až 70 %. Proto je nanejvýš účelné již v prvých fázích konstrukčního návrhu predikovat teplotně- mechanické chování jednotlivých komponent stroje i stroje jako celku. V případě stroje již hotového, vykazujícího však nevyhovující teplotně-mechanické chování, je nutné diagnostikovat příčiny tohoto stavu a navrhnout účinná opatření k nápravě. Specifickou úlohu představuje analýza návrhu a výpočty teplotních polí a teplotní roztažnosti obráběcích vřeten. POUŽÍVANÉ METODY Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) se pro výpočtové analýzy teplotních polí a souvisejících teplotních deformací využívají a dále rozvíjejí postupy na základě metody konečných prvků. Modely struktur, sestavené na bázi konečných prvků, představují reálný systém, jehož výsledkem je rozložení teplot, tepelných toků a teplotních deformací v prostoru a čase. Je možné provádět „virtuální experimenty“ a minimalizovat negativní dopady jednotlivých tepelných zdrojů; MKP modely dovolují předpovídat a optimalizovat teplotně- mechanické chování struktur a šetří čas i náklady při návrhu nového stroje. Specialisté v RCMT jsou jako jedni z mála schopni provádět i teplotně- mechanické MKP analýzy celých strojů v čase, tedy nikoliv pouze analýzy ustáleného teplotního stavu, což dokladuje úspěšná aplikace na 5osém centru Kovosvit MCU 1100. Teoreticky získané závěry se ověřují souběžným měřením teplot a deformací v čase a takto je možné specifikovat geometrickou chybu, způsobenou kolísáním teploty okolí, velikost deformací vlivem otáčení vřetena za působení definované síly na nástroj i velikost teplotních deformací, způsobených pohybem v lineárních osách. Nevyhovující stav se diagnostikuje těmito metodami, což šetří čas i náklady a umožní navrhnout účinná opatření. PŘÍKLADY POSTUPU PRACÍ Cílem je možnost zjistit proveditelnost takových úprav stroje nebo jeho konstrukčních částí, které zmenší míru vznikajících deformací a povedou ke zlepšení jeho přesnosti. Eliminují se i funkční problémy – například zadírání pevně předepnutého kuličkového šroubu – teplotou způsobené. Na počátku je zpracování analýzy teplotních polí a poté vypracování prediktivních teplotně-mechanických modelů konstrukčních částí obráběcího stroje. Na základě dosažených výsledků lze navrhnout takové varianty konstrukce, u nichž se předpokládají menší teplotní deformace, a aplikací těchto modelů potom potvrdit zlepšení strukturálních funkcí stroje. U zmíněného kuličkového šroubu se pomocí teplotně-mechanického modelu celé soustavy pohonu s kuličkovým šroubem podařilo problém zadírání vyřešit návrhem dostatečného dimenzování chlazení zjištěných relevantních zdrojů tepla. Obr. 2: Model stávající konstrukce skříně vřeteníkuPříkladem možností modelování tepelných zdrojů, šíření tepla a z této analýzy vyplývajících návrhů na změnu konstrukce je optimalizace vlastností vřeteníku soustružnického centra. Hlavní příčinou nežádoucího teplotně-mechanického chování vřeteníku byla ložiska, z nichž se šířilo teplo a způsobovalo nárůst teploty a deformaci skříně vřeteníku; po zavedení vhodných okrajových podmínek bylo možno modelovat skříň vřeteníku izolovaně od ostatních částí stroje. Zadavatel požadoval minimalizovat úhlové deformace polohy osy vřetene, které mají za následek nežádoucí kuželovitost obráběných ploch (obr. 2). Zadána byla geometrie vřeteníku ve formě objemového modelu a se zadavatelem byly odsouhlaseny potřebné počáteční a okrajové podmínky (např. způsob uchycení vřeteníku k loži stroje, zdroje tepla z konvekce, teplota ložisek apod.). Takto vytvořený model se podrobil teplotně-mechanické analýze, jejímž prvním výstupem bylo pole posunutí a teplotní pole stávajícího vřeteníku ve stacionárním stavu (obr. 3). Obr. 3: zjištění deformace původní varianty / posuvové pole ve směru osy X a Y Na základě získaných poznatků se navrhlo celkem 10 variant úpravy vřeteníku, zahrnující například zvětšení průměru středového tubusu, přidání podélných žeber na tubus či zvětšení průměru středového tubusu včetně přidání odlehčovacího otvoru na čele vřeteníku. Tato poslední varianta byla vyhodnocena jako nejlepší (obr. 4). Obr. 4: Deformace navržené variany / posuvové pole ve směru X a Y Obr. 5: Časový průběh tuhosti ložiska vřetena s přihlédnutím k vlivu tepla jím generovanéhoDalším případem je provedená analýza vlivu teplotně-mechanického chování předepnutých ložisek vřetena brousicího stroje, jejímž cílem byla predikce dynamiky vřetena. U vřetena byly definovány vstupní podmínky (otáčky, výkon, typ mazání a mazací médium). Pomocí metody konečných prvků a s pomocí systému algebraických rovnic, popisujících poměry v ložisku bez vlivu jím generovaného tepla, se stanovily deformace a teplotní pole ložiska v závislosti na čase (obr. 5). Jako zdroj tepla se zvažoval ztrátový výkon ložiska a prokázalo se, že teplotní deformace jsou takového druhu, že radiální tuhost je vlivem vnitřního zdroje ložiska po určité době běhu řádově vyšší a může vést až k nestabilním stavům. PŘÍNOSY Z výsledků konečné prvkové analýzy skříně vřeteníku vyplývá, že se podařilo snížit úhlovou deformaci oproti původní variantě o 85 %. Analýzy kuličkových šroubů přinesly návrhy takových konstrukčních změn, které snižují možnost ohrožení teplotní stability konstrukčního celku z důvodu nárůstu předpětí i propočty nutného chladicího systému. Uvedená analýza dovolila předpovídat chování vřetena po určité době běhu a vedla k návrhu odpovídajících protiopatření. Aplikace podobných postupů při simulaci chování frézovacích vřeten dovolila porovnání variant konstrukčního provedení z hlediska teplotně-mechanické stability, tuhosti na nástroji nebo životnosti ložisek. Analýza teplotně-mechanického chování vřeteníku portálového obráběcího centra potvrdila možnosti snížení teplotní deformace o polovinu. Pomocí analýzy příčníku stroje MCU 1100 bylo zjištěno, že vyšetřovaná varianta s plochými saněmi vykazuje až 5krát nižší úhlové deformace oproti variantě se saněmi trojúhelníkovými a zbylé deformace lineárního charakteru lze kompenzovat pomocí pokročilého softwaru. Teplotní analýzy v RCMT tak uživatelům nabízejí diagnostiku příčin nevhodného teplotně-mechanického chování strojů. Jsou-li provedeny již v období návrhu stroje nebo konstrukční skupiny, pomáhají dosáhnout jejich žádoucího a předvídatelného chování; u konstrukčních uzlů již hotových nabízejí možnost jejich optimalizace, a tím zvýšení užitné hodnoty. S využitím možností teplotně- mechanických přenosových funkcí lze účinně kompenzovat vznikající teplotní deformace a jimi se bude zabývat další článek, věnovaný aktivitám RCMT. Ing. Petr Borovan
