Strukturdynamik i slipsystem : En utvärdering av mätmetoder och kritiska parametrar

Abstract

Energiförbrukningen vid industriella processer är ett allt större fokusområde. Genom att optimera en slipprocess åstadkommer man inte bara energibesparingar men man säkerställer även att önskat slutresultat uppnås. Ett bra exempel på en sådan situation är då man lyckas undvika oönskad vibration, d.v.s. att en del av slipeffekten övergår till vibrationsenergi som inte bara är förlorad energi men även orsakar undermåligt slipresultat. Uppdragsgivaren för examensarbetet är Mirka Ltd i Jeppo, Finland, ett företag som producerar slipmaterial och diverse slipsystem för en rad olika tillämpningar. Huvudsyftet med arbetet är att skapa en djupare förståelse för vilka dynamiska egenskaper som bör eftersträvas hos sliphjul. Delsyften med arbetet är att identifiera lämpliga mätmetoder och metoder för numeriska simuleringar då man studerar dessa dynamiska egenskaper. Examensarbetet tar avstamp i en litteraturstudie kring mekaniken och strukturdynamiken i slipprocesser. Därefter följer en förstudie på ett antal sliphjul och sen utförs experiment med liknande sliphjul i en slipprocess för att studera hur slipsystemets mekaniska impedans påverkas av själva slipmaskinen och spindeln, i relation till de från förstudien bekanta egenskaperna för sliphjul. Ytterligare en variation av sliphjul, nu fysiskt större, testas för att få mera bredd i studien. Slutligen jämförs de experimentellt framtagna resultaten mot numeriskt simulerade resultat och paralleller dras till teorin och tidigare forskning. Baserat på resultatet återfinns de kritiska parametrarna för strukturdynamiken sällan i själva sliphjulet då man studerar mindre sliphjul med en diameter på 100 mm. Istället är det långt mekaniska impedansen och egenfrekvenserna hos resten av slipsystemet som kommer att utgöra de kritiska dynamiska parametrarna. För större sliphjul ser det annorlunda ut och resultatet av studien visar att designen av ett stort sliphjul kan resultera i onödigt låga egenfrekvenser och man riskerar eventuellt resonansproblem på så pass låga frekvenser som spindelvarvtal. Studien visar också att flexibiliteten hos sliphjul med en hjulkropp i kompositmaterial kan vara så låg att man riskerar kontaktvibrationer under slipningen. Resultatet av de numeriska simuleringarna visar att Finita Elementmetoden är ett kraftfullt verktyg för att kunna förutse de dynamiska egenskaperna hos sliphjul redan i design-skedet. Däremot bjuder inhomogena hjulkoppar med anisotropiska material på utmaningar. Här krävs noggrannare analyser av materialets mikro- och makrostruktur.

Energy consumption in industrial processes is an increasingly critical focus area. Optimizing a grinding process not only results in energy savings but also ensures that the desired end results are achieved. A prime example is the avoidance of unwanted vibrations, where part of the grinding energy turns into vibration energy, leading to energy loss and substandard grinding results. This thesis project is carried out for Mirka Ltd in Jeppo, Finland, a company that produces abrasive materials and various abrasive systems for a range of applications. The main purpose of the work is to create a deeper understanding of the dynamic properties that play an important role when optimizing grinding wheels. The sub-purpose of the work is to identify suitable measurement methods and methods for numerical simulations when studying the dynamic properties. The thesis begins with a literature study on the mechanics and structural dynamics of grinding processes. Then follows a pre-study on a number of grinding wheels. The pre-study is continued by experiments with similar grinding wheels in a grinding process to study how the mechanical impedance of the grinding system is affected by the grinding machine and spindle, in relation to the properties of the grinding wheels identified from the preliminary study. Additional variation of grinding wheels, now physically larger, is tested to broaden the study. Finally, the experimentally obtained results are compared with numerically simulated results and parallels are drawn to the theory and previous research. Based on the results, the critical parameters for structural dynamics are rarely found in the grinding wheel itself when studying smaller grinding wheels. Instead, it is the mechanical impedance and natural frequencies of the rest of the grinding system that constitute the critical dynamic parameters. However, for larger grinding wheels the situation is different. The outcome of the study shows that the design of a large grinding wheel can result in low natural frequencies and potentially resonance problems at frequencies as low as spindle speeds. The study also shows that the compliance of grinding wheels with a composite body can be very low resulting in a greater risk for contact vibrations during grinding. The results of the numerical simulations show that the Finite Element method is a powerful tool for predicting the dynamic properties of grinding wheels already at the design stage. However, inhomogeneous wheel bodies with anisotropic materials are challenging to simulate. Here, more detailed analyses of the material's micro and macro structure are required.