Millaiset työstövoimat teräksellä?

[Miguel-]

Eli kuten otsikko kertoo, tarvitsisi tietää akseleille kohdistuvia työstövoimia.. Rungon suunnittelussa olen tällähetkellä simuloinut 10000N voimia (yhteen suuntaan ja yhdelle akselille kerrallaan) ja kokonaistaipumat ovat alle 1.5mm tms. ja tuota voi vielä optimoida jonkun verran. Millaista rautaa tuossa johteiden alla pitäisi käyttää (mallinsin 20 x 70mm terästä, mutta mitä laatua)?

[ttontsa]

1/2 millin terällä ihan pikkuvoimia ja 200mm kruunulla varmaan jo tosi isoja voimia!!  ..materiaalin lujuudet tuskin tulee ensimmäisenä kyseeseen eli jonkun 20x70mm 1500mm lankun kestää taivuttaa vaikka 50mm mutkalle eikä siihen synny vielä pysyvää muodonmuutosta eli liikutaan materiaalin myötölujuuden alapuolella. Tällöin rakenteen suunnittelussa lienee tärkeämpää keskittyä rakenteen jäykkyyden optimointiin oikeasa suunnassa eli värähtelyjen minimointiin. Hitsattavuuden ja koneistettavuuden kannalta lähtisin ehdottelemaan halvinta räkärautaa eli S235J0 ...S355J0. Kimmokerroin lienee perus rakenneteräksillä sama eli materiaalin myötölujuus onko se 255 vai 355MPa ei vaikuttane saman poikkipinnan taipumaan samalla kuormalla mitenkään. Taipumaan ja sitäkautta värähtelyyn vaikuttaa vain pinta-ala ja sen suunta kuormitusakselin suhteen.

[Miguel-]

En tarkoittanut sitä, että runkoon tulee pysyviä muodonmuutoksia, vaan että se taipuu tuon alle 1.5mm 10000N voimalla karaa vastaan. Ja runkohan palautuu taas lähtötilanteeseen, kun kuormitus otetaan pois. Ja ajattelin, että käykö tosiaan ihan patarautakin tuohon johteen alle (varsinaisen rungon ja johteen väliin, johon työstetään vasteet ohjaamaan johde suoraan ja oikeaan asentoon), vai olisiko jotain hyötyä laittaa kovempaa laatua..

Jos saisi jonkunlaista esimerkkiä noista voimista. Kyllä sen nyt tietää, että pienillä terillä pienet voimat ja isoilla isot.. Ja kiinnostaisi myös, paljon karatehoa kyseisen esimerkin jyrsintä vaatii.

Itse en ole "alalla", mutta ala kiinnostaa harrastuksena ja rakentelu myös, joten minulla ei todellakaan ole hahmotusta, minkälaisissa voimissa liikutaan esim. 12mm tappiterällä tai 50mm kruunulla (ja millaisilla syötöillä, karanopeudella yms.).. Näitä vehkeitä on turha lähteä rakentamaan, jos runko on tuhoontuomittu jo piirustuspöydällä tietämättömyyden takia. Siksi ajattelinkin laittaa tänne kysymystä, josko täältä löytyisi tietoa, että olenko kiipeämässä perse edellä puuhun vai onko oikea suunta..

[saulij]

Työstö/syöttö voimat ovat suhteellisen pieniä. Suurimmat voimat syntyy pikaliikkeistä, kun kiihdytetään kymmenien (satojen) kilojen massoja. Työstövoimat eivät yleensä ole ongelma ja työstövoimien aiheittamat taipumat eivät saa olla muutamaa satkua (1 satku = 0,01 mm) suurempia.  Kannattaa pyrkiä mahdollisimman tukeviin rakenteisiin ja lyhyisiin etäisyyksiin: Kara lähelle runkoa, tukipisteet etäälle toisistaan, suuret profiilien ulkomitat.

Voimista:
Kennametalin laskurilla D50 teräpää, 5 hammasta, lastunsyvyys 2 mm, leikkuuleveys 40 mm, syöttö 0,1 mm/hammas antaa leikkuuvoimaksi tavalliseen teräkseen (S355) 220 N ja tehontarpeksi 0,7 kW
http://www.kennametal.com/calculator/calculator_main.jhtml
Tuolla voipi itse haarukoida tehoja ja voimia.

[Jamiko]

Siis kaupallisissa koneissa runko on valurautaa koska halpaa ja seinämistä tulee paksut ja tukevat helposti. Johteiden paikat on koneistettu suoraan valuun ja vasta johteet on kovaa tavaraa pintakulutuksen takia. Jos teet niitä laskelmia niin huomaat että vahvempi aine sallii enemmän taipumaa kuin heikompi, toisinsanoen molemmat taipuvat saman verran samalla kuormalla.

Taipumaahan ei haluta koneeseen koska siitä seuraan epätarkkuuta => tarvitaan isot profiilit.

Mitoituksen voisit aloittaa vaikka ajomoottoreiden aikaansaamista maksimivoimista sillä jos meinaa enemmän esiintyä niin sitten mennään muualle kuin haluttuun suuntaan ja voima ei välttämättä juurikaan ylitä moottorin voimaa.

Sitten lopuksi, yleensä karan moottori menee ensimmäisenä polvilleen jolloin joudutaan hidastamaan syöttöä joka vaatii taas vähemmän syöttövoimaa. ;)

[Miguel-]

Noniin, tuo 220Nm kuulostaa ihan järkevältä, sillä tuo taipuma jotain 3-4 satkua tai alle.. Tuo ylärunko (=pöydän päällä oleva kehikko, jonka päällä kaikki akselit, tuo pöytä tulee sit massiiviseksi) tulee painamaan jotain tonnin pintaan ja liikkeinä n. X=1350, Y=900-1000, Z=800. Täytyy varmaan tuota runkoa hieman tiputtaa, kun tukematon Z:n pituus tulisi nykysellään olemaan jotain 1200mm.... Karamotiksi tulee luultavammin 1.8kW 4.52Nm@7000rpm servo, tosin tällä ei vielä ohjainta ja muutenkin on vielä aika paljon avoimena tuon suhteen :D

[Miguel-]

Nonni, runkoa tiputettu 200mm ja näyttäs, että taipumaa on enää pari satkua tuolla 220Nm työstövoimalla pahimmassa tapauksessa.

[PekkaNF]

Hmm?

"taipumaa on enää pari satkua tuolla 220Nm työstövoimalla pahimmassa tapauksessa."

Porauksessa voi tulla kohtalaisen paljon isompia voimia, luulisin. Olen yrittänyt selvitellä itselleni näitä asioita ja minusta vaikuttaa siltä että laskemalla vain yksi tekijä ei päästä kiinni rajoittaviin tekiöhin - reunaehtoihin. Parista paperista olen ollut ymmärtävinäni, että dynaamiset ilmiöt (mm. värinä) on lopulta enemmän rakennetta ohjaava tekijä kun vain staattisella laskennalla saatavat voimat, kuten työstövoima, kiihtyvyys, momentti.

Porauksesta: Googlasin Sandvikin Coromat Delta poralle R411.5 hieman arvoja. Taulukoista ja graffeista voi päätellä jotain tälläistä (jos olen tulkinnut niitä oikein):

R411.5, D20 mm:
Syöttövoima (poraus) 2,5 - 5 kN!
Tehontarve 3-4 kW

Syöttö n. 0,18 - 0,30 mm/r ja Vc 80-100 m/min useimmille teräslaaduille.

Valitsemalla 25/30 mm halkaisjiaksi tai lapioporan sais paljon raflaavampia arvoja!

Luulisi että tuolla syöttövoimalla ja teholla alkaa syntyä miehekkäitä momentteja jos jyrsin on tehty hyvin pienistä osista.

Pekka

[Maukka]

Jos terästä työstettäessa kone värisee pari "satkua" on terät nopeasti entisiä teriä..

[Miguel-]

Pystyporauksessa tuo runko kyllä kestää enemmän, kun karatehoa tulee koskaan olemaan.. Rungon taipuma on maks. n. 0.3mm 10 kilonewtonilla Z-suuntaan & 1000 Nm vääntöä karan kohdalle ja turvakerroin pysyy yli 15 koko rungossa. Tuollaiseen vääntöön vaaditaan jo aika järeä motti ja alennusvaihteisto..

Täytyy vielä katsella, jos saisi laskeskeltua resonanssitaajudet tuohon malliin, niin olisi (teoriassa) viisaampi senkin suhteen. Eihän tuo teoria ja käytäntö tietenkään täysin kohtaa, koska muuttujia on hieman liikaa (mm. hitsaussaumat ym.)..

[PekkaNF]

Toistan tässä vähän itseäni-itseäni-itsenäni....

Huomasitko katsoa tämän linkin:
http://www.mech.utah.edu/~bamberg/research/PrinciplesOfRapidMachineDesign/Principles%20of%20Rapid%20Machine%20Design.pdf

Siinä on muutama oikein mielenkiintoinen juttu runkorakenteista ja selostettu niin yksinkertaisesti, että jopa sähköinsinööri tajuaa.

Tosin tarina on enimmäkseen CNC työkalujen hiomakoneesta, mutta suunnitteluprosessi on avattu oikein kivasti.

Olisko kellään muulla "vaihtaria" työstökoneiden runkorakenteiden perusteista?

T: PekkaNF

[Miguel-]

Tuohan on mielenkiintoista luettavaa.. Sain sen pikaisesti selailtua läpi ja täytynnee tosiaan tutkiskella nuo nykyisen suunnitelman resonanssitaajuudet ym.. Täytynnee vielä laskea tuota ylärunkoa sen 100 tms. mm ja katsella, miten se vaikuttaa noihin taipumiin ja resonansseihin. Mitään überkonetta en yritä suunnitella ja täytyy pitää budjettikin mielessä (rautakin maksaa ja ei tuo liikemekaniikka/elektroniikkakaan ilmaista ole), harrastusvehkeistä kuitenkin kyse :)

[Miguel-]

Noniin, nyt on vähän simuloitukin rakenteita ja tuo värinä on tosiaan aika merkittävä epätarkkuuden aiheuttaja...

Esimerkki:

Yksi aikainen versio simuloituna näytti 500N:n voimalla karaa painettaessa epäedullisimpaan suuntaan jotain .1 mm vääntöä. Jos kuormituksena on rungon resonanssitaajuudella värähtelevä 500N:n voima, taipumaksi tulikin n. 2.4 mm :D Hiphei!
Resonanssitaajuus jäi tuossa tapauksessa alhaiseksi (n. 50Hz), jolloin työstön aiheuttama värähtely voi olla hyvinkin tuolla taajuudella tai sen kerrannaisilla (kuitenkaan 1. ja 2. kerrannainen eivät aiheuttaneet merkittävää taipuman lisääntymistä; korkeammille taajuuksille en simuloinut runkoa)..

Tuli testattua tuolla rungolla myös gantry-tyyppisen rakenteen taipumista yhdellä kuularuuuvilla vs. 2 ruuvia. Tuhannella newtonilla simuloitaessa kahdella ruuvilla saatiin n. 0.02mm:n etu verrattuna yhteen ruuviin. Itselläni ei tule, kuin yksi ruuvi joka akselille, jolloin kustannukset pienenevät todella paljon verrattuna kahteen ruuviin.

Täytyy vielä koettaa saada runkoa jäykemmäksi eri rakenteilla tms. koska budjetti on erittäin rajallinen. Luulen kuitenkin, että nykyinen versio on jo kohtuu käypä tuollaiseen autotalliajoon tuollaisenaan (ajetaan sitten hitaammin / pienempää lastua, jos runko näyttää olevan liian löysä tms.)...

[PekkaNF]

Mä oon vähän kateellinen - sulla on mahdollisuus ja osaamista simuloida....minä joudun vaan luottamaan kultuurievoluutioon.

Tuo rakennesuunnittelu on käytännössä jo sen tason hommaa, että siinä ei aina auta se että rakenne "näyttää oikealta" tai "kyllä tässä paikassa voi aina tuuman lisätä". Visualisoinnit ovat erittäin vakuuttavia.

Vaikeinta näissä on aina löytää ne peruspremissit, joiden pohjalta voi aloittaa. Sitten kun on lähtökohta ja jonkinlainen geometria, niin siitä voi saada jo paljon irti.

PekkaNF