modellazione numerica del comportamento dinamico di una...

Modellazione numerica del comportamento dinamico di una

fresatrice a 5 assi

Relatore: Antonio Scippa antonio.scippa@unifi.it

Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali

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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

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Manufacturing Research Lab.

Risorse umane:

- 2 Ricercatori - 3 Dottorandi - 2 Assegnisti

Nasce nel 2007 sotto la guida del Prof. Andrea Del Taglia

Presidente: Prof. Kazuo Yamazaki (IMS-Mechatronics Laboratory)

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Manufacturing Research Lab.

Attrezzature:

- Metrologia

CMM Mitutoyo EURO-C A776

Rugosimetro Taylor Hobson

Rotondimetro Taylor Hobson

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Manufacturing Research Lab.

Scadas III – LMS International

Shaker e Martelli strumentati – Bruel&Kijar

Accelerometri – PCB

Celle di carico – Kistler

Attrezzature:

- Metrologia

- Sistemi di acquisizione

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Manufacturing Research Lab.

Fresatrice 3 assi Modela MDX-40

Fresatrice 5 assi Mori-Seiki NMV 1500 DCG

Attrezzature:

- Metrologia

- Sistemi di acquisizione

- Macchine Utensili

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Manufacturing Research Lab.

Attività di ricerca

- Simulazione di processo

Processo di Pressofusione (MSC Marc)

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Manufacturing Research Lab.

Attività di ricerca

- Simulazione di processo

Processo di Lappatura (MSC Adams) Pressione [ N/mm2 ]

Tasso di asportazione [ mm3 /s] (Preston):

Velocità relativa [ mm/s ]

Coeff. Abrasione [mm3/J ]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

α

Pre

ssio

ne

(N/m

m2)

20000

15000

10000

5000

0

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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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

DRY FLOODED MQL

Electrical Power

Scrap Treatment

[g e

q.

CO

2]

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Manufacturing Research Lab.

Attività di ricerca

- Simulazione di processo

- Green Manufacturing

- Sviluppo di CAM Verticali

Specifiche tecniche

Vincoli tecnologici

Ricostruzione geometrie

Ricostruzione percorsi utensile

G - code

Finitura: passate parallele all’asse

Finitura: passate a spirale rettangolare

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Manufacturing Research Lab.

Attività di ricerca

- Simulazione di processo

- Green Manufacturing

- Sviluppo di CAM Verticali

- Dinamica delle MU

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Manufacturing Research Lab.

Attività di ricerca

- Simulazione di processo

- Green Manufacturing

- Sviluppo di CAM Verticali

- Dinamica delle MU

Obiettivi:

- Riduzione degli errori di lavorazione

Errori di lavorazione:

- Errori quasi statici: Cinematici termici

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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

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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

Lavorazioni ad alta velocità (HSM)

elevate forze inerziali

• feed-forward control • Jerk control • Look ahead

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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

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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

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Modela MDX-40: modello multi-body

Le guide lineari sono state modellate considerando il gioco (funzione delle tolleranze di accoppiamento) e la rigidezza di contatto (valutata con teoria hertziana)

Il modello multi-body della Modela MDX-40 è stato sviluppato in MSC Adams® curando in particolare la modellazione dei giunti

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Modela MDX-40: modello multi-body

La rigidezza delle trasmissioni a cinghia è stata valutata in funzione della posizione e della direzione di moto

Il modello multi-body della Modela MDX-40 è stato sviluppato in MSC Adams® curando in particolare la modellazione dei giunti

[N/m

]

Axis position

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Modela MDX-40: modello multi-body

Verificata l’ipotesi di forze di taglio medie costanti per avanzamenti e profondità di passata costanti;

Per simulare il processo di taglio è stata condotta una campagna sperimentale con cella di carico Kistler (type 9257A)

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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

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody

Modellazione MB Flessibile

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody

Modellazione MB Flessibile

Contributo dei singoli corpi

flessibili all’errore globale di

posizionamento

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido

1 2

3

4 5

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido

High Speed Milling

Per fresa a 2 taglienti (z = 2):

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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

Modello a parametri concentrati Rigidezza di contatto

FRF tooltip

Diagramma di stabilità

FEM utensile

Kj (f) mj

Misure Sperimentali

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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

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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)

Modello a parametri concentrati Rigidezza di contatto FEM utensile

Kj (f) mj

Misure Sperimentali

ISCAR Multi-Master shank

FRF of Shank

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido

Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato

Modello FE accoppiato

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido

Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato

Modello FE accoppiato

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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido

Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato

Modello FE accoppiato

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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.

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Modellazione numerica della dinamica di MU

Grazie per l’attenzione

antonio.scippa@unifi.it