CZ32099U1 - Fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká potlačování vibrací, vznikajících během řezného procesu. Konkrétní řešení je zaměřeno na vyvrtávací tyče. Je ale obecně využitelné i u jiných strojních součástí, např. smykadel, řezných nástrojů atp. Jedná se zejména o části strojů s převládajícím délkovým rozměrem, které mají nízkou vlastní frekvenci a jsou za provozu náchylné k mechanickému kmitání.

Dosavadní stav techniky

Při obrábění otvorů velkých průměrů se využívají vyvrtávací tyče. Největší průměry vyvrtávaných otvorů s běžně dostupnými nástroji se pohybují kolem 600 mm, ale najdou se i nástroje pro vyvrtávání děr až do průměru 3255 mm. Délky vyvrtávaných otvorů se obvykle pohybují do 3 až 5násobku vrtaného průměru. Vyvrtávání delších otvorů je problematické, neboť takto vyložený štíhlý nástroj je značně dynamicky poddajný a je náchylný ke kmitání. Vlastní frekvence jeho kmitů se mohou pohybovat i v oblasti pod 10 Hz. Kmitající vyvrtávací tyč při obrábění přenáší na obráběný povrch vlny, přičemž při následujícím obrábění takto zvlněné plochy může dojít k tzv. samobuzenému regenerativnímu kmitání. Hloubka záběru se mění, a v krajním případě dochází k cyklické změně průřezu z dvojnásobku až na záporné hodnoty, tj. nůž vyjede z řezu.

Kmitání vyvrtávacích tyčí je nežádoucí a v technické praxi se využívá několik způsobů, jakými je docíleno potlačení kmitání, nebo přesunu první vlastní frekvence tyče. Podepřením vyvrtávací tyče lunetou u čela obrobku dojde ke značnému přeladění struktury takovým způsobem, že první vlastní frekvence se přesune k výrazně vyšším hodnotám. Prodlužováním vyložené části tyče s nožem směrem do obrobku dochází k přelaďování struktury a frekvence prvního vlastního tvaru klesá. Potlačení vlivu kmitání vyvrtávací tyče lze docílit i konstrukčními úpravami včetně volby nekonvenčních materiálů.

Další možností pro snížení dynamické poddajnosti vyvrtávacích tyčí jsou různá zařízení pro potlačování vibrací. V oblasti obráběcích strojů jsou to především aktivní tlumiče a pasivní dynamické hltiče. Jedná se obecně o zařízení, která jsou schopna snižovat energii kmitající struktury, na které jsou umístěny a tím napomáhat stabilitě řezného procesu. Aktivní tlumiče obvykle sestávají z lineárního elektrického aktuátoru a hmoty, jejímž urychlováním vzniká síla určená k tlumení vibrací. Pasivní hltiče obecně sestávají z pružného elementu a hmoty. Pasivní hltič je svými parametry přizpůsoben frekvenci, kjejímuž potlačení je určen. Tyto parametry často nelze v průběhu obrábění měnit. Předpětí pružin lze během seřizování stroje upravit, nicméně úpravy se neobejdou bez aparatury vyhodnocující modální chování struktury.

Pružné prvky pasivních dynamických hltičů mohou být realizovány pružinami, elastomery, konstrukční úpravou dříku hltiče, nebo tekutinovým způsobem. Poměrně běžné je pneumatické odpružení mobilní techniky, ale i izolace strojů od seismických vlivů okolí pomocí pneumaticky předepnuté patky. Užitím vinutých pružin, které lze jednoduše předepínat stavěcím šroubem, je možné využít i tzv. záporné tuhosti, tudíž i velmi nízkých vlastních frekvencí. Konstrukční úpravou dříku na základě MKP výpočtů a dodatečným dobroušením je docíleno velmi přesně požadovaných vlastností, nicméně možnost následných úprav je komplikovaná.

Pro možnost tlumení se často využívají hltiče vícehmotové, přičemž hmoty mohou být umístěny paralelně nebo sériově. Princip vícehmotového hltiče umožňuje naladění na dvě a více vlastních frekvencí, resp. umožňuje rozšířit pásmo činnosti hltiče. Vyvrtávací tyče pro precizní obrábění jsou vybavovány koaxiálně umístěnými válečky, jejichž konce jsou usazeny v pružných

- 1 CZ 32099 U1 pouzdrech - hmota na pružině. Dvou či více hmotová varianta obsahuje koaxiálně umístěné válečky dva, přičemž druhá hmota je umístěna v té první. Uložení v pružných pouzdrech je realizováno shodně.

Aktivní dynamické tlumiče jsou v případě vyvrtávacích tyčí používány jen velice zřídka. Jedná se o sofistikovaná zařízení vyžadující počítač pro vyhodnocování zpětné vazby odvozené ze snímače vibrací a výpočtu akčního zásahu. Z hlediska jednoduchosti konstrukce se proto pro vyvrtávací tyče využívají hltiče pasivní. Jejich nedostatečné možnosti přeladění vlastní frekvence však toto řešení omezují na použití pouze při konkrétních obráběcích podmínkách a daném vyložení tyče.

Podstata technického řešení

Technické řešení podle tohoto vynálezu do značné míry odstraňuje nevýhody dosavadního stavu. Podstatou tohoto technického řešení je fluidní laditelný pasivního dynamického hltič vibrací obsahující vlastní těleso, setrvačnou hmotu tlumiče, lineární hydraulické motory, hydraulického vedení, hydropneumatický akumulátor, prvky úpravy tlaku, a zdroj tlaku. Pro dosažení kýžených tlumicích účinků je vzduchová mezera vyplněna tekutinou o vhodné viskozitě. Lineární vedení zajišťuje v mechanismu potřebný pohyb ve dvou osách.

Hydropneumatický mechanismus umožňuje změnou objemu plynného média, nebo kapalného média změnu tlaku v mechanismu a tím i jeho okamžité frekvenční přeladění. Identifikací modálních vlastností vyvrtávací tyče, nebo jiné tlumené strojní součásti v závislosti na vyložení, lze stanovit vztah k tlaku takovým způsobem, aby vlastní frekvence tlumiče klesala spolu s vyložením vyvrtávací tyče. Zařízení by bylo možné doplnit i o zpětnou vazbu např. ze snímače zrychlení a upravovat tlak v obvodu v závislosti na frekvenci buzení v místě nástroje. Tlak v obvodu je možné měnit běžnými proporcionálními prvky užívanými v automatizaci a hydraulice, nicméně náročné zpětnovazební řízení není nutné a ladění vlastní frekvence se tak obejde bez jakéhokoliv zásahu do mechanické konstrukce dynamického hltiče. Díky obecné vlastnosti hydraulických mechanismů - koncentrace velkých sil do malých rozměrů, umožňuje využít prostor určený pro vestavbu pro maximální možnou velikost pohyblivé hmoty. Tato vlastnost souvisí s možností oddělit zdroj energie a akční člen - motor. Pružiny jsou tím pádem realizovány mimo prostor dynamického hltiče a nezabírají tak cenný prostor v místě hltiče - na vyvrtávací tyči. Setrvačná hmota tlumiče na sebe přebírá kmity vyvrtávací tyče, čímž dochází k jejímu zklidnění. Stlačováním plynného média v akumulátorech se vytváří asymetrická reakce, která má tendenci vracet setrvačnou hmotu hltiče do střední polohy. Mezi akumulátory je umístěna clona, pro vyrovnávání tlaků v akumulátorech při změně nastavení hltiče úpravou tlaku. Clona zároveň působí jako tlumicí prvek. Jako akčními členy v tlumiči jsou užity lineární hydromotory, případně kapsy vybavené pružnými membránami. Pár hydromotorů je umístěn proti sobě, čímž je zajištěno, že hmota hltiče je vystředěna. Vnější působení síly se snaží hmotu vychýlit, přičemž reakce hydromotorů vždy vrací hmotu zpět - hmota tak kmitá okolo rovnovážné polohy. Takto popsané chování funguje pouze ve směru os hydromotorů. Možností rozšířit zařízení o další směr hlcení vibrací je užití dalšího páru hydromotorů včetně akumulátorů a řízení a pootočit je vůči prvnímu směru o 90 stupňů.

Fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací lze ladit dvěma způsoby. Ve fázi návrhu lze přizpůsobit hmotnost pohyblivé hmoty zvolené pružině o dané tuhosti takovým způsobem, aby bylo docíleno požadované vlastní frekvence. Z hlediska úspory prostoru, který je pro hltič ponechán k dispozici, je vhodné volit pohyblivou hmotu co možná největší a přizpůsobit s ohledem na požadovanou frekvenci tuhost pružných prvků. Návrh tekutinového tlumiče využívá namísto mechanických pružin hydropneumatického mechanismu, z jehož principu vyplývá možnost realizovat pouze tlačné pružiny. Tyto jsou umístěny proti sobě a svírají pohyblivou hmotu proti tělesu vyvrtávací tyče.

-2CZ 32099 U1

Objasnění výkresů

Předmětné technické řešení bude dále zobrazeno pomocí výkresů, kde na Obr. 1 je schematicky zobrazeno dvouosé provedení o jedné řiditelné frekvenci. Obr. 2 schematicky zobrazuje dvouosé provedení se dvěma řiditelnými frekvencemi. Na Obr. 3 je schematicky zobrazena varianta s jednou řiditelnou frekvencí a nepohyblivými přívody. Na Obr. 4 je schematicky zobrazena varianta se dvěma řiditelnými frekvencemi a nepohyblivými přívody a Obr. 5 schématický zobrazuje jednoosé provedení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Předmětem technického řešení je fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací. Tento hltič je v základním provedení schematicky zobrazen na Obr. 1. Technické řešení v provedení dvouosého fluidního laditelného pasivního dynamického hltiče vibrací obsahuje těleso 1, setrvačnou hmotu 2 tlumiče, čtyři lineární hydraulické motory 3, hydraulické vedení 4, hydropneumatický akumulátor 5, prvky 6 úpravy tlaku nebo další prvky 10 úpravy tlaku, a zdroj 7 tlaku.

Pro dosažení požadovaných tlumicích účinků je vzduchová mezera 8 vyplněna tekutinou o vhodné viskozitě. Lineární vedení 9 zajišťuje v mechanismu potřebný pohyb ve dvou osách.

Na Obr. 6 je schematicky zobrazeno dvouosé provedení se dvěma řiditelnými frekvencemi, tj. čtyři lineární hydraulické motory 3 jsou propojeny s dvojicí akumulátorů 5. Na Obr. 7 je schematicky zobrazena varianta s jednou řiditelnou frekvencí a nepohyblivými přívody hydraulické vedení 4 je připojeno k nepohybujícím se hydraulickým motorům 3. Na Obr. 8 je schematicky zobrazena varianta se dvěma řiditelnými frekvencemi a nepohyblivými přívody a Obr. 9 schématický zobrazuje jednoosé provedení.

Průmyslová využitelnost

Fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací podle tohoto technického řešení je využitelný při obrábění otvorů o velkých průměrech.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (2)

1. Fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací, vyznačující se tím, že obsahuje základní těleso (1), ve kterém je uložena setrvačná hmota (2) tlumiče, opatřená alespoň dvěma lineárními hydraulickými motory (3) propojenými hydraulickým vedením (4) s hydropneumatickým akumulátorem (5) opatřeným prvky (6) úpravy tlaku a/nebo dalšími prvky (10) úpravy tlaku a se zdrojem tlaku (7), přičemž mezi základním tělesem (1) a setrvačnou hmotou (2) tlumiče je mezera (8) vyplněna tekutinou s požadovanou viskozitou.

2. Fluidní laditelný pasivní dynamický hltič vibrací podle nároku 1, vyznačující se tím, že a hydraulické motory (3) jsou opatřeny lineárním vedením (9) pro pohyb ve dvou osách.