Simulation and Validation of a Vibrating Boring Bar

Abstract

Dempede dreiebomer har blitt populær i maskinerings industrien grunnet deres evne til å unngå vibrasjoner under bearbeiding. Deres egenskaper gir økt levetid på vendeskjær(kuttende del av verktøyet), muliggjør høyere lengde/diameter-forhold, og økt metallfjerningsrate. En vibrasjonsdempet dreiebom og simulering av den blir tatt under lupen i denne rapporten.

En vibrasjonsdempet dreiebom og dens komponenter skal simuleres i Comsol Multiphysics. Et økt fokus skal legges på simulering av gummi og justering av sentrale parametre i gummiens materialmodell basert på lab data for å forbedre simuleringene. Simuleringsresultatene vil bli målt opp mot data fra lab forsøk.

Gjennom rapport arbeidet har en stor grad av simuleringsutviklingen foregått selvstendig. I tillegg har et stort fokus blitt lagt på å tilegne meg kunnskap innen vibrasjoner og demping, noe som var et nytt emne for meg. Personlig deltakelse i impulsrespons forsøk utført hos Sandvik Teeness i Trondheim, ga meg viktig innsikt i dataene som parameterjustering og validering av simuleringene har blitt basert på.

Laboratorie og simuleringsresultat ble sammenlignet i deres frekvensrespons. Simuleringsresultatenes magnitude plottes basert på amplituden systemet svinger med når en harmonisk forstyrrelseslast virker på systemet, lastes påføres over et forhåndsdefinert frekvensområde i diskrete trinn. Laboratorie resultatene ble prosessert av Sandvik utifra måliger etter impulstester, og sendt over som frekvens respons med reel og immaginær part, hvor jeg så har plottet den respektive tilhørende magnitude. På denne måten har jeg kunnet samenligne resultater fra labratorie og simulering.

Etter justering av gummimaterialets parametere basert på passende data fra laboratorieforsøkene, ga simuleringene overraskende gode resultater, både når det gjelder nøyaktigheten til frekvens og magnitude. Simuleringenes evne til å estimere frekvensverdi på magnitudetopper funnet i labforsøkene er veldig god, med mindre enn 4% feilmargin. Magnitudenøyaktighet med tanke på amplituden ble satt som en sekundær prioritet, men simuleringen treffer ganske bra også her, med en gjennomsnittlig feilmargin på 73% i forhold til de målte magnitudetoppene. Skalering av simuleringsmagnituden basert på den første toppverdien i lab- og simuleringsresultatene, reduserte den gjennomsnittlige feilmarginen til 60%.

I lys av mål for oppgaven, sees rapporten og arbeidet som en personlig suksess, og skaper et solid grunnlag for videre arbeid og utvikling. For å gi selskaper som Sandvik nytte av Comsol som et simuleringsprogram, er det fortsatt mye arbeid å gjøre. forskjellige årsaker til feil må undersøkes, samt å kjøre simuleringer med en mer sofistikert matematisk modell som krever mer datakraft enn det som var innen min rekkevidde gjennom rapport arbeidet.

Vibration-damped tool holders have become popular in the machining industry due to their capability to avoid vibrations, enabling longer tool life, making higher length/diameter ratios possible, and increasing the metal removal rate. A vibration-damped tool holder and simulations of it are put in the spotlight of this thesis.

Elements of a vibration-damped tool holder shall be modeled and simulated in Comsol Multiphysics. Special emphasis is put on simulating rubber and tuning the rubber material model parameters based on lab data to improve the simulation. The simulation results will be validated against real-world lab measurements.

Throughout the thesis, a high degree of independent development has been put into the simulations and an effort to gain knowledge in the field of vibrations and damping. Attending lab experiments at Sandvik Teeness gave me crucial insight, providing me with impulse response data that enabled parameter tuning and validation of the simulations.

The lab experiments and simulations were compared against each other in the frequency response curve. The simulation results are plotted by monitoring the response at a selected point of the structure when a harmonic perturbation load is acting on the system, sweeping the load over a predefined range of frequencies at discrete steps. The Lab results are monitored by a force sensor at the impact hammer and an accelerometer, processed by Sandvik, and presented as frequency response with real and imaginary parts, finally computed to give the magnitude in the frequency response curve, making a relevant comparison of the simulation and lab results possible.

After tuning the rubber material parameters used in the simulations based on appropriate data from lab experiments, the results gave surprisingly good results both in terms of frequency and magnitude accuracy. The simulation's ability to predict correctly when it comes to the frequencies of the magnitude peaks from the lab data is very good, with less than 4% error. The magnitude accuracy in the frequency response was set as a secondary priority, but still performs quite well, with an average peak value error of 73%. Scaling the simulation magnitude based on the first peak value of the lab and simulation frequency response curves, reduced the average error to 60%

In light of the project goals and objectives, the thesis is seen as a personal success, creating a solid foundation for further work and development. In order to provide companies like Sandvik with useful results, there is still a lot of work to do. different roots of error must be investigated as well as running simulations with a more sophisticated simulation solver that require more computational power than what was in my reach through the thesis.