IT201900012186A1 - Metodo per la soppressione del fenomeno del “chatter” in una macchina utensile - Google Patents

Description

Descrizione di invenzione industriale

Metodo per la soppressione del fenomeno del “chatter” in una macchina utensile

[0001] La presente invenzione riguarda un metodo per la soppressione del fenomeno del chatter in una macchina utensile, in particolare, ma non solo, in macchine utensili dotate di barre di alesatura.

[0002] Con il termine “chatter” si intende l’instaurarsi di vibrazioni dannose durante la lavorazione di un pezzo, che influiscono negativamente sulla qualità della lavorazione, in particolare nel caso di lavorazioni di precisione, sulla produttività della macchina utensile, e possono danneggiare la parti meccaniche della macchina utensile.

[0003] Il fenomeno del “chatter” dipende dal comportamento dinamico della macchina utensile e dai parametri di lavorazione.

[0004] Sono note diverse tecniche per ridurre o eliminare il fenomeno del “chatter” in una macchina utensile:

- Strategie off-line

- Strategie in-process

- Tecniche passive

- Tecniche attive

[0005] Le strategie off-line mirano all’ottimizzazione dei parametri di lavorazione della macchina utensile, quali la velocità di taglio, l’avanzamento, la tipologia di utensile utilizzato, la profondità di passata, al fine di utilizzare la macchina al massimo delle prestazioni. I metodi matematici utilizzati in queste strategie off-line, richiedono la stima dei cosiddetti diagrammi a lobi, che sono delle mappe di stabilità della macchina utensile, funzione di velocità di taglio e profondità di passata, per determinati valori prestabiliti degli altri parametri costanti. Le suddette strategie off-line necessitano della conoscenza approfondita del comportamento dinamico della macchina utensile e del controllo di tutti i parametri che influenzano la bontà della stima dei suddetti valori prestabiliti.

[0006] Le strategie in-process ambiscono alla modifica di parametri di lavorazione e/o dinamici significativi per la stabilità della macchina utensile, quando il fenomeno del “chatter” viene identificato attraverso opportuni sensori. Si tratta delle tecniche più evolute ed efficaci, in quanto non necessitano di una conoscenza pregressa della particolare lavorazione da effettuare.

[0007] Le tecniche passive mirano all’ottimizzazione del comportamento dinamico della macchina utensile in fase progettuale, grazie all’utilizzo di tecniche di progettazione avanzata e materiali innovativi. Lo scopo risiede nella massimizzazione della rigidezza dinamica al mandrino, aumentando lo smorzamento e minimizzando la massa.

[0008] Le tecniche attive sono la naturale evoluzione di quelle passive, ma l’ottimizzazione dei parametri dinamici avviene attraverso attuatori azionati con opportune leggi di controllo. Alcune applicazioni sono state commercializzate per applicazioni su macchine utensili.

[0009] Per quanto riguarda le strategie cosiddette “in-process”, risultano molto promettenti la “Spindle Speed Variation”, cioè la variazione della velocità del mandrino, e la “Stiffness Variation” cioè la variazione della rigidezza del sistema. Entrambi le tecniche possono funzionare con due logiche:

- variazione discreta, che permette di riportare la lavorazione in regime stabile, grazie alla modifica della velocità di taglio o della rigidezza del sistema;

- variazione continua periodica, che varia con una legge periodica la velocità di taglio o la dinamica della macchina. In questo modo, durante la lavorazione, si attraversano periodi di stabilità e di instabilità. Quando il periodo di stabilità è sufficientemente lungo da dissipare l’energia accumulata durante il periodo instabile e la durata del periodo di instabilità è abbastanza breve da limitare l’ampiezza delle oscillazioni, la lavorazione resta stabile. Pertanto, questa variazione permette di aumentare la produttività della macchina.

[0010] Nel caso di barre di alesatura, sono stati effettuati studi per variarne in modo discreto la rigidezza tramite fluidi magneto-reologici o elettro-reologici quando la lavorazione diventa instabile.

[0011] Altri studi sono stati effettuati per variare in modo periodico la rigidezza di una barra di alesatura tramite un fluido magneto-reologico.

[0012] E’ stata anche studiata la possibilità di variare la rigidezza radiale del mandrino di una macchina utensile tramite attuatori piezoelettrici.

[0013] Uno scopo della presente invenzione è di fornire un metodo per variare periodicamente in modo semplice ed efficace la rigidezza di un sistema di lavorazione di pezzi per asportazione di truciolo, al fine di eliminare il fenomeno del “chatter” durante la lavorazione di un pezzo.

[0014] Un altro scopo della presente invenzione è quello di ottenere la variazione della rigidezza del sistema senza dover ricorrere all’uso di fluidi magneto-reologici o elettroreologici, o all’uso di attuatori piezoelettrici.

[0015] Gli scopi della presente invenzione sono raggiunti con un metodo per variare la rigidezza di un sistema di lavorazione di pezzi per asportazione di truciolo secondo la rivendicazione 1.

[0016] Grazie all’invenzione è possibile ottenere in modo semplice ed efficace l’eliminazione del fenomeno del “chatter” durante la lavorazione per asportazione di truciolo di un pezzo in una macchina utensile, rendendo stabile la lavorazione senza dover intervenire sui parametri di lavorazione, quali, ad esempio la velocità di taglio e la profondità di taglio, ottenendo una elevata qualità di lavorazione e incrementando la produttività della macchina utensile.

[0017] Ulteriori vantaggi e caratteristiche dell’invenzione potranno essere ricavati dalla descrizione che segue, fatta a puro titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

[0018] le Figure da 1 a 3 illustrano in modo schematico un primo esempio di attuazione dell’invenzione;

[0019] le Figure da 4 a 9 illustrano schematicamente un secondo esempio di attuazione dell’invenzione e

[0020] le Figure da 10 a 12 illustrano un terzo esempio di attuazione dell’invenzione.

[0021] Secondo la presente invenzione, l’eliminazione del fenomeno del chatter viene ottenuta variando periodicamente la rigidezza della macchina utensile durante la lavorazione di un pezzo, secondo una legge di variazione prestabilita, tra un valore massimo e un valore minimo in un intervallo di tempo prestabilito, cioè in un periodo. La variazione della rigidezza viene effettuata come spiegato più dettagliatamente nel seguito, interpolando spostamenti lungo due assi della macchina utensile in modo da mantenere invariata la posizione dell’utensile durante la lavorazione di un pezzo, oppure variando la rigidezza dei pattini idrostatici della macchina tramite variazione della pressione di alimentazione di fluido ai pattini, oppure tramite la variazione della resistenza capillare del circuito di alimentazione dei pattini idrostatici.

[0022] I parametri principali della suddetta legge di variazione sono la forma della funzione, che descrive come varia la rigidezza in ciascun periodo; la frequenza cioè il numero di periodi di variazione della rigidezza nell’unità di tempo e l’ampiezza della variazione della rigidezza, cioè la differenza tra il valore massimo e il valore minimo di rigidezza nel periodo.

[0023] Da un punto di vista puramente teorico, la forma della funzione che garantirebbe il miglior effetto di riduzione del fenomeno del “chatter” sarebbe un’onda quadra, cioè una variazione a gradino della rigidezza tra un valore massimo mantenuto per una prima metà di ciascun periodo e un valore minimo mantenuto per una seconda metà del periodo.

[0024] In pratica, però non è possibile ottenere la suddetta forma d’onda, ma si potranno ottenere forme d’onda più o meno arrotondate, per esempio forme d’onda che approssimano una sinusoide.

[0025] La frequenza di variazione della rigidezza è legata alla frequenza con la quale i taglienti dell’utensile vengono in contatto con la superficie del pezzo da lavorare. Se l’utensile ha un numero n di taglienti e ruota a una velocità di rotazione pari a m giri/min, la frequenza f di contatto dei taglienti con il pezzo sarà pari a f = m/60*n Hz.

[0026] Preferibilmente la frequenza di variazione della rigidezza deve essere inferiore alla frequenza con la quale i taglienti dell’utensile entrano in contatto con la superficie del pezzo da lavorare ed è limitata, come valore massimo, dalla dinamica del sistema utilizzato.

[0027] Per quanto riguarda l’ampiezza di variazione della rigidezza essa è sostanzialmente inversamente proporzionale alla frequenza, nel senso che quanto maggiore è la frequenza di variazione, tanto minore e l’ampiezza massima di variazione che è possibile realizzare, a causa dei limiti dinamici del sistema utilizzato.

[0028] Nella Figura 1 è illustrata in modo schematico una macchina utensile nella quale una riduzione del fenomeno del “chatter” viene ottenuta tramite interpolazione di moti lungo due assi di macchina.

[0029] La macchina utensile comprende un carro 1 di lavorazione mobile lungo un montante M della macchina utensile. Il carro 1 supporta una slitta 2, detta anche ram, mobile rispetto al carro 1 lungo una direzione X perpendicolare a detto montante M. La slitta 2 supporta un bareno 3, mobile rispetto alla slitta 2 lungo detta direzione X. Sul bareno è montato il mandrino al quale è fissato un utensile di lavorazione 4 con il quale viene effettuata una lavorazione per asportazione di truciolo su un pezzo 5, detto utensile di lavorazione 4 essendo girevole intorno a un asse di rotazione A, parallelo a detta direzione X.

[0030] Per ridurre il fenomeno del chatter, durante la lavorazione del pezzo 5, la slitta 2 e il bareno 3 vengono mossi in versi opposti lungo la direzione X in modo che i movimenti della slitta 2 e del bareno 3 siano speculari, cioè si tratti di spostamenti uguali in tempi uguali, ma in versi opposti. Se si indica con Δx1 un primo spostamento della slitta 2 e con Δx2 un secondo spostamento del bareno 3 vale la relazione Δx1+ Δx2 =0, cioè Δx1=- Δx2.

[0031] Gli spostamenti della slitta 2 e del bareno 3 determinano una variazione della rigidezza del sistema tra una configurazione di minima rigidezza, illustrata nella Figura 1 e una configurazione di massima rigidezza, illustrata nella figura 2

[0032] Non essendo possibile ottenere una legge del moto a gradino a causa delle inerzie degli assi, dei valori limitati di jerk, cioè della derivata dell’accelerazione, di accelerazione e velocità degli azionamenti e perché si andrebbero a sollecitare in modo gravoso i componenti della macchina, inducendo vibrazioni, si è scelta una legge del moto approssimativamente sinusoidale, ottenuta con una variazione a onda quadra del jerk, rappresentata nella Figura 3.

[0033] Nella Figura 3 la curva contrassegnata con la lettera W rappresenta la legge del moto della slitta 2, mentre la curva contrassegnata con la lettera Z rappresenta la legge del moto del bareno 3. In prima approssimazione, se si considera l’intorno di un punto lungo una delle curve, la rigidezza della macchina varia pressoché linearmente con la posizione della slitta 2 e del bareno 3 lungo la direzione X.

[0034] Un valore tipico dell’ampiezza del primo spostamento Δx1 e del secondo spostamento Δx2 è compreso tra circa 25 e circa 150 mm, in un tempo variabile tra 0,2 s e 1 s, cioè con una frequenza compresa tra 1 Hz e 5 Hz. Ciò comporta che questo metodo di riduzione del chatter è utilizzabile in lavorazioni con frequenza di contatto tra i taglienti dell’utensile 4 e il pezzo 5 compresa, indicativamente, tra 20 Hz e 40 Hz.

[0035] Nelle Figure da 4 a 8 è illustrato un secondo esempio di realizzazione della presente invenzione applicato a una macchina utensile nella quale un utensile di lavorazione 4 è montato su un mandrino 6 a sua volta fissato a una slitta 2, o ram, mobile lungo una direzione X, all’interno di un carro 1 di lavorazione. L’utensile di lavorazione 4 è girevole intorno a un asse di rotazione A parallelo a detta direzione X. La slitta 2 è mobile rispetto al carro di lavorazione 1 su almeno una coppia di pattini idrostatici 7, 8, alimentati da un fluido in pressione.

[0036] La slitta 2 con i pattini idrostatici 7, 8 è schematizzabile come una trave prismatica 9, supportata da due appoggi cedevoli 10 e 11, con rigidezza variabile (si veda la figura 5).

[0037] La rigidezza dei pattini idrostatici 7, 8 può essere variata modificando la pressione del fluido che alimenta i pattini idrostatici.

[0038] Nella Figura 6 è illustrata in modo schematico una prima modalità di variazione della pressione del fluido che alimenta i pattini idrostatici.

[0039] Nella Figura 6 è rappresentato schematicamente un pattino idrostatico 7 alimentato da una pompa 12 attraverso un blocco di resistenze capillari 18 del circuito di alimentazione dei pattini idrostatici. La pompa 12 è azionata da un motore 19. La pressione di mandata Pa della pompa 12 viene regolata tramite una valvola di massima pressione 20. Tale valvola può essere controllata in modo proporzionale oppure a gradino.

[0040] Nel caso non sia possibile variare la pressione di alimentazione dell’intero impianto idrostatico, ma si voglia variare solo la pressione di alcuni pattini, si utilizza lo schema di Figura 7. Nella Figura 7 è rappresentato schematicamente un pattino idrostatico 7 alimentato da una pompa 12 attraverso un blocco di resistenze capillari 18 del circuito di alimentazione dei pattini idrostatici. La pompa 12 è azionata da un motore 19. La pressione di mandata Pa della pompa 12 viene mantenuta costante tramite una valvola di massima pressione 20 associata alla pompa 12. All’uscita della pompa 12 è prevista una valvola riduttrice di pressione 21, tramite la quale può essere regolata, in modo proporzionale oppure a gradino, la pressione Pt del fluido che viene inviato ai pattini idrostatici.

[0041] Controllando opportunamente la valvola riduttrice di pressione 21 è possibile ottenere una funzione prestabilita di variazione della rigidezza.

[0042] La relazione fra il valore della pressione di alimentazione e la rigidezza dei pattini idrostatici 7, 8 è mostrata nella Figura 8 dalla quale si evince che la rigidezza di due pattini idrostatici contrapposti e non sottoposti a carichi esterni è linearmente dipendente dalla pressione di alimentazione, quindi ben controllabile.

[0043] I vincoli sulla legge di variazione della rigidezza sono legati alla dinamica di azionamento della valvola proporzionale e alla dinamica del circuito idraulico di alimentazione. E’ possibile riuscire ad ottenere una legge di variazione della rigidezza che approssimi quella a gradino, che presenti delle rampe di aumento e riduzione della rigidezza inclinate e transizioni meno repentine rispetto alla funzione ideale a gradino.

[0044] Con la tecnica di variazione della rigidezza dei pattini idrostatici descritta sopra è possibile ottenere una variazione di rigidezza dell’ordine del 5-10%, con una frequenza di variazione della rigidezza relativamente elevata, fino a circa 50Hz.

[0045] Nella figura 9 è illustrata in modo schematico una seconda modalità di variazione della pressione del fluido che alimenta i pattini idrostatici.

[0046] In questo caso, al posto della valvola riduttrice di pressione 21 è prevista una valvola a tre vie 22, con un ingresso 23 collegato alla mandata della pompa 12, una prima uscita 24 collegata direttamente al circuito di alimentazione dei pattini idrostatici e una seconda uscita 25 collegata al circuito di alimentazione dei pattini idrostatici tramite una resistenza idraulica 26 che, quando viene attraversata dal fluido che alimenta i pattini idrostatici, genera una caduta di pressione�p.

[0047] Commutando la valvola a tre vie in modo da inviare il fluido in pressione proveniente dalla pompa 12 sulla prima uscita 24 o sulla seconda uscita 25, si può variare la pressione Pt all’ingresso del circuito di alimentazione dei pattini idrostatici tra il valore Pa della pressione di mandata della pompa e un valore Pa-�p. In questo modo si può ottenere una funzione di variazione della rigidezza dei pattini idrostatici che approssima una funzione a gradino.

[0048] Nelle Figure da 10 a 12 è illustrato un terzo esempio di attuazione della presente invenzione nel quale la rigidezza dei pattini idrostatici viene variata modificando la resistenza capillare del circuito che alimenta i pattini idrostatici 7, 8.

[0049] Un esempio di modifica della resistenza capillare è illustrato nella Figura 10. La modifica della resistenza capillare può essere ottenuta alimentando i pattini idrostatici 7, 8 tramite un primo ramo di circuito di alimentazione 13 comprendente una prima resistenza capillare 15 di lunghezza L1, oppure tramite un secondo ramo di circuito di alimentazione 14 disposto in parallelo al primo ramo di circuito di alimentazione 13 e comprendente una seconda resistenza capillare 16 di lunghezza L2>L1. Il primo ramo di circuito di alimentazione 13 e il secondo ramo di circuito di alimentazione 14 sono alimentati dalla pompa di alimentazione 12 a pressione costante. Tra la pompa di alimentazione 12 e i due rami di circuito di alimentazione 13, 14 è inserita una valvola 17 a tre vie, con un ingresso 27 collegato alla mandata della pompa 12, una prima uscita 28 collegata al primo ramo di circuito di alimentazione 13 e una seconda uscita 29 collegata al secondo ramo di circuito di alimentazione 14. Commutando la valvola a tre vie 17, la mandata della pompa 12 può essere connessa al primo ramo di circuito di alimentazione 13, o al secondo ramo di circuito di alimentazione 14, alternativamente. Azionando la valvola a tre vie con una frequenza di commutazione prestabilita si ottiene una variazione periodica della pressione del fluido che alimenta i pattini idrostatici e, conseguentemente, una variazione periodica della rigidezza dei pattini idrostatici tra due valori discreti. Per frequenza di commutazione si intende la frequenza con la quale la valvola a tre vie 15 collega alternativamente la pompa di alimentazione 12 con il primo ramo di circuito di alimentazione 13 e con il secondo ramo di circuito di alimentazione 14.

[0050] Anche in questo caso è possibile riuscire ad ottenere una legge di variazione della rigidezza che approssimi quella a gradino, che presenti delle rampe di aumento e riduzione della rigidezza inclinate e transizioni meno repentine rispetto alla funzione ideale a gradino.

[0051] Con questa tecnica di variazione della rigidezza dei pattini idrostatici è possibile ottenere una variazione di rigidezza dell’ordine del 5-10%, con una frequenza di variazione medio bassa, fino a circa 10Hz.

[0052] Per quanto riguarda le lunghezze L1 e L2 delle resistenze capillari, si può ipotizzare di scegliere per L1 un valore fino a circa 500 mm e per L2 un valore fino a circa 4000 mm. Tali valori sono indicativi e dipendono dalla tipologia di macchina, in quanto influenzati dalla sua massa, dalla pressione di alimentazione dell’impianto idrostatico e da molti altri parametri.

[0053] Nella Figura 11 è illustrato schematicamente un ulteriore esempio di modifica della rigidezza dei pattini idrostatici 7, 8, tramite variazione della resistenza capillare del circuito che li alimenta.

[0054] Nell’esempio di Figura 11 i pattini idrostatici sono alimentati attraverso un circuito di alimentazione 30 alimentato a sua volta dalla pompa 12 con pressione di mandata Pa costante. Il circuito di alimentazione 30 comprende un primo ramo 31 di circuito di alimentazione, che presenta una prima resistenza capillare 35 avente lunghezza L3 e una seconda resistenza capillare 36 avente lunghezza L4, disposte in serie, e un secondo ramo 32 di circuito di alimentazione, tramite il quale è possibile escludere la seconda resistenza capillare 36 dal circuito di alimentazione 30. Il secondo ramo 32 di circuito di alimentazione è dotato di una valvola di non ritorno 33, normalmente chiusa, che può essere aperta tramite un segnale di pressione Pp inviato alla valvola 33 attraverso un circuito di pilotaggio 34. L’invio del segnale di pressione Pp provoca l’apertura della valvola di non ritorno 33 in modo che il fluido in pressione che alimenta i pattini idrostatici passi attraverso il secondo ramo 32 di alimentazione senza passare attraverso la seconda resistenza capillare 36.

[0055] Azionando la valvola di non ritorno 33 con una frequenza di azionamento prestabilita si può ottenere una variazione periodica della lunghezza della resistenza capillare del circuito di alimentazione 30 dei pattini idrostatici tra due valori discreti, cioè tra un valore L3+L4, quando la valvola di non ritorno 33 è chiusa e un valore L3, quando la valvola di non ritorno è aperta.

[0056] La variazione periodica della lunghezza della resistenza capillare del circuito di alimentazione 30 comporta una variazione periodica della pressione di tasca dei pattini idrostatici e, di conseguenza, una variazione periodica della rigidezza dei pattini idrostatici tra due valori discreti.

[0057] La relazione tra la rigidezza dei pattini idrostatici 7, 8 e la lunghezza di una resistenza capillare non è lineare, come si può vedere dal grafico della Figura 12 che mostra la variazione della rigidezza in funzione della lunghezza della resistenza capillare. La rigidezza aumenta molto rapidamente fino a un massimo per bassi valori della lunghezza della resistenza capillare per poi diminuire progressivamente con un ulteriore aumento della lunghezza della resistenza capillare.

[0058] Un altro metodo di variazione della resistenza capillare, non illustrato, prevede l’uso di un attuatore, per esempio di tipo piezo-elettrico, che aziona una spina, per esempio conica, configurata in modo da occludere in modo variabile la sezione di passaggio del fluido che alimenta i pattini idrostatici, variando così la resistenza capillare del circuito di alimentazione dei pattini.

[0059] Le tecniche di variazione periodica e continua della dinamica di una macchina utensile secondo la presente invenzione permettono di aumentare la produttività della macchina in particolare in fase di sgrossatura. La tecnica di interpolazione di due assi paralleli e la variazione della rigidezza idrostatica attraverso modulazione della pressione di alimentazione e variazione della resistenza capillare hanno dinamiche differenti, per cui è pensabile un utilizzo combinato delle suddette tecniche, per massimizzare l’effetto di stabilizzazione di una lavorazione di fresatura.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la soppressione del fenomeno del chatter in una macchina utensile durante la lavorazione di un pezzo (5), detta macchina utensile comprendendo un carro (1) di lavorazione che supporta una slitta (2) mobile rispetto al carro (1) in una direzione (X), un bareno (3) supportato da detta slitta (2) e mobile rispetto a essa lungo detta direzione (X), un utensile di lavorazione (4) azionato a ruotare intorno a un asse di rotazione (A) da un mandrino supportato dal bareno (3), caratterizzato dal fatto che, mentre l’utensile di lavorazione (4) effettua una lavorazione su detto pezzo (5), la slitta (2) e il bareno (3) sono azionati a muoversi in versi opposti lungo detta direzione (X), in modo che uno spostamento Δx1 di detta slitta (2) in detta direzione (X) sia uguale e contrario a uno spostamento Δx2 di detto bareno (3) in detta seconda direzione (Y), essendo Δx1 + Δx2=0.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui lo spostamento Δx1 della slitta (2) e lo spostamento Δx2 del bareno (3) avvengono con una legge di moto approssimativamente sinusoidale.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, oppure 2, in cui lo spostamento Δx1 della slitta (2) e lo spostamento Δx2 del bareno (3) hanno un’ampiezza compresa tra 25 mm e 150 mm.
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la velocità di spostamento di detta slitta (2) in detta direzione (X) è, istante per istante, uguale e contraria alla velocità di spostamento di detto bareno (3) in detta direzione (X).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto primo spostamento Δx1 e detto secondo spostamento Δx2 avvengono con una frequenza compresa tra 1 Hz e 5 Hz.
6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto metodo è utilizzato con lavorazioni nelle quali una frequenza di passaggio su detto pezzo (5) di denti di un tagliente dell’utensile (4) è compresa tra 20 Hz e 40 Hz.