Machining chatter voorkomen met tap testing: Nauwkeurige stabiliteitskaarten bouwen

Bij tap testing wordt een geïnstrumenteerde hamer gebruikt om een structuur te exciteren en de trillingsrespons te meten met een transducer, zoals een accelerometer. Het doel van deze test is de frequentieresponsfunctie (FRF) te identificeren voor de geselecteerde mechanische structuur. Gegeven de FRF, kunnen we een stabiliteitskaart berekenen, die combinaties van spindelsnelheid en axiale diepte die chatter produceren (dat is, boven de blauwe grens) scheidt van die dat niet doen (onder de grens). Dit stelt de selectie van stabiele bewerkingsparameters in zonder proef en fout; zie Figuur 1.

Fig. 1: Frees stabiliteitskaart. Bron (alle figuren): Tony Schmitz

De basis hardware vereist om FRF's te meten is:

Uitgelichte inhoud

• een mechanisme voor bekende krachtinvoer over het gewenste frequentiebereik (of bandbreedte)
• een transducer voor trillingsmeting, weer met de vereiste bandbreedte
• een dynamische signaalanalyzer om de tijdsdomein kracht- en trillingsinvoeren op te nemen en om te zetten in de gewenste FRF.

Een dynamische signaalanalyzer omvat invoerkanalen voor de tijdsdomein kracht- en trillingssignalen en berekent de Fourier-transformatie van deze signalen om ze om te zetten in het frequentiedomein. Vervolgens berekent het de verhouding van het frequentiedomein trillingssignaal tot het frequentiedomein krachtsignaal; deze verhouding is de FRF. Een schema van de opstelling is gegeven in Fig. 2. Het omvat de tijdsdomein kracht en trilling, die de vorm kan aannemen van verplaatsing, x, snelheid, ẋ, of versnelling, ẍ, invoeren en versterkers voor elk. De versterkers worden gebruikt om de amplituden van de signalen te verhogen. De kracht en trilling zijn analoge signalen, die continu zijn in de tijd. Echter, het opnemen van deze signalen met de analyzer vereist het bemonsteren ervan op kleine tijdsintervallen, of het digitaliseren ervan. Dit proces wordt voltooid met behulp van een analog-naar-digitaal converter (ADC). Deze digitale signalen worden vervolgens gebruikt in de FRF-berekening door de dynamische signaalanalyzer. Gebaseerd op het trillinginvoertype, kan de FRF worden uitgedrukt als:

• receptantie of compliantie – de verhouding van verplaatsing tot kracht
• mobiliteit – de verhouding van snelheid tot kracht
• accelerantie of inertantie – de verhouding van versnelling tot kracht.

Fig. 2: Schema van FRF meetopstelling.

Er zijn drie veelvoorkomende typen krachtexcitatie. Deze omvatten:

• vaste frequentie zinusgolf – De FRF wordt één frequentie per keer bepaald. Bij elke frequentie binnen de gewenste bandbreedte wordt de sinusoidale kracht toegepast, de respons op de krachtingang wordt gemiddeld over een kort tijdsinterval en de FRF wordt berekend. Dit wordt een zinus-golftest genoemd.
• willekeurig signaal – De frequentie-inhoud van het willekeurige signaal kan breedbandig (witte ruis) of afgekapt tot een beperkt bereik (roze ruis) zijn. Gemiddeld over een vaste periode wordt opnieuw toegepast, maar alle frequenties binnen de geselecteerde bandbreedte worden in een enkele test geëxciteerd.
• impuls – Een korte duur impact wordt gebruikt om de structuur te exciteren en de corresponderende respons te meten. Deze benadering stelt een breed bereik aan frequenties in staat om in een enkele, korte test geëxciteerd te worden. Meerdere tests worden doorgaans gemiddeld in het frequentiedomein om de coherentie te verbeteren, of de correlatie tussen de kracht- en trillingssignalen.

Om deze verschillende krachten te genereren, worden twee veelvoorkomende typen krachtingangsapparatuur toegepast:

• schudder – Deze systemen omvatten een harmonisch aangedreven ankker en een basis. Het ankker kan langs zijn as worden geactiveerd door een magnetische spoel of hydraulische kracht. De magnetische spoel, of electrodynamische, configuraties kunnen excitatiefrequenties van tientallen kHz leveren met krachtniveaus van tientallen tot duizenden Newton (verhoogde kracht betekent meestal een lager frequentiebereik). Hydraulische schudders bieden hoge kracht met de potentieel voor een statische voorbelasting (dat is, de gemiddelde, of gemiddelde, kracht is niet nul), maar relatief lagere frequentiebereiken. In elk geval wordt de kracht vaak toegepast op de structuur van belang via een stinger, of een slanke staaf die axiale spanning en compressie ondersteunt, maar geen buiging of afschuiving. Dit zorgt ervoor dat de kracht in één richting alleen wordt toegepast. Een krachtcel is geïntegreerd in de opstelling om de invoerkracht te meten; zie Figuur 3.
• impacthamer – Een impacthamer bevat een krachttransducer gelokaliseerd bij een metaal, kunststof of rubber punt om de krachtingang tijdens een hamerslag te meten. Wanneer een hamer in combinatie met een trillingstransducer wordt gebruikt, wordt de meetprocedure tap testing genoemd. De energie-invoer aan de structuur is een functie van de hamer massa; een grotere massa levert meer energie. Daarom zijn veel maten beschikbaar. Ook hangt de excitatiebandbreedte van de krachtingang af van de massa en puntstijfheid. Stijvere punten neigen ertoe een breder frequentiebereik te exciteren, maar spreiden de invoerenergie ook over dit bredere bereik. Zacht punt concentreren de energie over een lager frequentiebereik. Harde kunststof en metaal punten bieden hogere stijfheid, terwijl rubber punten verminderde stijfheid geven.

Fig. 3: Schudder opstelling.

Trillingstransducers zijn beschikbaar in zowel contactloze als contacttypen. Hoewel contactloze transducers, zoals capaciteitssonden en lasertrillingsmeters, bevorzugd worden omdat ze de structuurdynamica niet beïnvloeden, zijn contacttypen, zoals accelerometers, vaak gemakkelijker te implementeren. Als compromis kunnen lage-massa accelerometers worden gebruikt om de invloed op de teststructuur te minimaliseren. Ze worden bevestigd op de locatie van belang met was, lijm, een magneet of een draadstang en daarna verwijderd wanneer de testen voltooid zijn.

Fig. 4: Belangrijkste elementen van de tap test.

Figuur 4 identificeert de belangrijkste elementen van de tap test. De linker onder foto toont een hamer die een gereedschappunt aantikt en een accelerometer (met was bevestigd aan het gereedschappunt) die de trillingsrespons meet. De bovenste rij toont de tijdsresponsen voor de kracht en trilling. We zien dat de tik een korte duur krachtingang produceert. Vanwege deze kracht trilt het gereedschap met een aflopende amplitude (vanwege demping). De middelste rij toont de omzetting van deze signalen naar het frequentiedomein. De tik exciteert een breed bereik aan frequenties. De onderste rij toont de FRF. Vanuit deze plot kunnen we de natuurlijke frequentie, stijfheid en dempingsverhouding voor elke trillingsmodus identificeren.