Opplagring av dempet borstang i roterende arbeidsstykke for økt tilgjengelighet under maskinering av dype hull

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer et forslag til dimensjonering og design av en borstang for kammerboring som kombinerer opplagring mellom borstangen og det roterende arbeidsstykke med en demper inne i borstangas frie ende. Kammerboring på store overheng medfører en rekke utfordringer. Det er store krefter og det induseres store vibrasjoner i skjærspiss. Sandvik Teeness AS har spesialisert seg på dempede verktøy, kjent over hele verden under navnet Silent Tools. Verktøyene har en passiv demper inne i borstang, så nære skjæret som mulig, hvor utbøyingen er på sitt største. Demperen består av et tungt massivt legeme opphengt i to elastiske gummiringer. Mellomrommet mellom dempermassen og de indre vegger av borstangen er fylt med en væske som demper massens bevegelse. Når vibrasjon oppstår i borstang under maskinering vil demper omgjøre den kinetiske energien til varmeenergi og svingningene vil bli absorbert. Funksjonell lengde borstang i stål uten demper er fire ganger egen diameter. Dempede borstenger i stål har begrensning til 14 ganger borstangens egen diameter. Sandvik Teeness AS ønsker å se mulighetene for å strekke borstang vesentlig lengre ved å kombinere demper med opplagring av borstang inne i det roterende arbeidsstykket. Borstang utviklet i dette oppdraget er 50 mm i diameter og skal maskinere et kammer inne i en jetmotoraksel. Kammeret har lengde 500 mm og befinner seg 1000 mm fra inngangshullet. Borstangen trenger derfor funksjonell lengde lik 30 ganger egen diameter. Prototyp har et overheng fra skjærets nærmeste opplagringspunkt lik lengde på kammer (10 ganger borstangens diameter) slik at maskinering kan gjøres i et steg, som sikrer en sømløs overflate. Rapporten er første fase i utvikling av det tenkte verktøyet og prototyp er forenklet og har ikke skjær, demper eller styrestang til å bevege skjær i radiell retning. Det er gjennomført et litteraturstudie på egnet opplagring mellom borstang og arbeidsstykke. Litteraturstudiet konkluderer med at det i hvert opplagringspunkt er gunstig med fire støttelister i hardmetall i en differensial plassering rundt periferien til å avbalansere kreftene som oppstår i skjær. Til prototyp ble det benyttet Sandvik støttelister 800-10A P1. Støttelistene er kvadratiske med en størrelse på og har en avrundet overflate som er i kontakt med forboret hull i arbeidsstykket som de er opplagret mot. Orientering av støttelister er funnet gunstig i 0, 80, 178 og 225 grader fra skjær. Lesjöfors fjærskiver under støttelistene ble benyttet til å sikre god pasning. Simuleringer i Ansys fant fem gunstige opplagringspunkter mellom borstang og arbeidsstykke basert på modalanalyse. Etter å ha plassert to opplagringspunkter basert på geometriske begrensninger ble ytterligere tre opplagringspunkter plassert i lokale maksimale utbøyinger for første svingemode langs borstangen. Opplagringspunktene befinner seg i en avstand 330, 500, 690, 810 og 1000 mm fra borstangens innspenning. Basert på resultater fra simuleringer er det blitt konstruert en forenklet prototyp av borstang. FRF-målinger av prototyp viser at første egenfrekvens har økt fra 16Hz til 100Hz ved opplagring med støttelister. Denne frekvensøkningen dokumenterer en vesentlig økning i verktøyets stivhet. Stivheten til verktøyet avhenger av stivheten til arbeidsstykket som den er opplagret i. Med flere briller til opplagring og avstiving av arbeidsstykket ville trolig egenfrekvens til verktøyet steget ytterligere. Simuleringer viser at torsjonskritisk turtall har økt med 40Hz med differensiell plassering av støttelister sammenlignet med glideflate 360 grader rundt periferien. Opplagring med støttelister har et tap på 25 % sammenlignet med ideell innspenning av borstang med samme overheng. Rapporten konkluderer at med plasseringen av fem opplagringspunkt mellom borstang og arbeidsstykke legger til rette for at demper kan tilpasses og borstangens funksjonelle lengde kan økes fra 14 til 30 ganger egen diameter.

The master thesis presents a design of a boring bar for chamber boring, combining bearing between the boring bar and the rotating workpiece with a damper inside the free end of the boring bar. Internal chamber boring for big overhangs causes many challenges. This is due to the occurring moment and vibration induced in the cutting edge when machining. Sandvik Teeness AS specializes in damped tools, advertised worldwide under the name Silent Tools. The company is well known for its applications, time efficient production and cost saving possibilities. This is achieved by having a passive damper inside the boring bar, as close to the cutting-edge as possible, where the amplitude of the oscillation is at its maximum. The damper consists of a heavy tuning body suspended in two rubber bushes. The space between the tuning body and the inner walls of the boring bar is filled with a special liquid. If vibration arise during machining the dampener will react against radial movement, and the kinetic energy will be absorbed, minimizing vibration. The damper offers great advantages for flexibility when machining compared to competitors solutions. A solid undamped boring in steel bar can machine up to four time its diameter. A damped boring bar in steel have a functional length up to 14 time the diameter of the boring bar. Sandvik Teeness AS wants to see the possibilities for combining their damper with one or several bearings between boring bar and the rotating work piece that is being machined. The success of a combined application is thought to give new possibilities for tool geometry and time efficient production on longer overhangs. This report presents a prototype with the combined application. A literary study on different bearing solutions has been conducted and a solution with supporting pads has shown to show the greatest potential for this type of application. The supporting pads are rectangular, with a curved surface in contact with the predrilled hole in the workpiece. The given task is to make a tool for machining a chamber inside a jet engine shaft. The chamber is 500 mm long and is located 1000 mm inside the shaft. The diameter of the pre-drilled hole in the shaft is 55 mm wide. The prototype consists of a boring bar with a diameter 50 mm and a functional length for machining of 1500 mm. This equals a functional length of the boring bar to be 30 times its diameter. Modal analysis found five ideal bearing positions. An overhang of 10 times the diameter from the cutting edge to the closest bearing secures the possibility for making one smooth surface when doing the chamber boring. Five bearing positions was selected based on results from modal analysis with a goal to increase the first eigenfrequency of the boring bar. The five bearing positions are located 330 mm, 500 mm, 690 mm, 810 mm and 1000 mm from the rigidly clamped end of the boring bar. In every bearing position 4 support pads in placed in a differential orientation around the periphery of the boring bar to balance the resultant cutting force and minimize chatter vibration. The orientation of the support pads around the periphery is 0, 80, 178 and 225 degrees from the cutting edge. A physical prototype has been made and a Frequency Response Function Test (FRF) has been executed with the tool inside a premade workpiece clamped in a lathe. The FRF was done by placing an accelerometer to the static system and inducing vibrations with an impact hammer. The accelerometer registers the movements of the boring bar and returns a graph with an amplitude and frequency. The FRF show good correlations with the simulated boring bar and workpiece. The report states that with the combined application there are potential for increasing the functional length of the boring bar from 14 times the diameter to 30 times the diameter of the boring bar. With the increased stiffness to the boring bar, it is possible to tune a passive damper.