Högskolan i Skövde

Vid svarvning ställs processer mot höga toleranskrav som kan vara svåra att hålla på grund av vibrationer och utböjning. Företaget Volvo Cars vill därför undersöka stationen OP30, som svarvar vevaxlar, för att utreda varför detta sker. Företaget har även ambitionen att implementera virtuella metoder genom finita elementmetoden (FEM) i produktionen. Detta för att undvika traditionella tillvägagångsätt med fysiska undersökningar som kan belasta produktionen med tidskrävande fysiska tester. För att undersöka orken till att toleranskraven kan vara svåra att uppfylla, undersöks vevaxels utböjning med hjälp av FEM där inspänningsvillkor, centrifugalkrafter och skärkrafter tas i beaktning. Vevaxlarnas egenfrekvenser undersöks även för att verifiera att inga svarvningsmoment utförs i eller i närheten utav kritiska varvtal.

För att verifiera de FE-analyser som görs utförs en analytisk beräkning med balkteori av en förenklad geometri med MATLAB. Beräkningen jämförs sedan med FE-analyser, vilket visar att solida modeller som används vid FE-analyser ger tillförlitliga resultat jämfört med balkteori. För att bekräfta den utböjning som fås av FE-analyserna tas en mätningsmetod med lasertriangulering fram som testas i en svarv på Högskolan i Skövde.

Resultatet visar att FEM är ett bra tillvägagångssätt vid undersökning av en komplex geometris utböjning. Arbetet visar på att utböjning som uppstår på grund av centrifugalkrafter är liten relativt vevaxelns kasttoleranser och den utböjning som erhålls vid axiell intryckning av vevaxeln. Därav dras slutsatsen att utböjning på grund av centrifugalkrafter inte är den grundläggande orsaken till att kasttoleranser ej uppfylls. Arbetet visar att de viktigaste faktorerna är skärkrafterna och den axiella intryckningen av vevaxeln, samt att det inte föreligger någon risk för att resonans uppstår vid de arbetsförhållanden som gäller i OP30. Arbetet visar att mätningsmetoden med lasertriangulering kan användas vid rotation av vevaxel men att mätutrustningen som har använts inte kan avläsa utböjningen.

During turning, processes are faced with tough tolerances that can be difficult to maintain due to vibrations and bending. The company Volvo Cars would therefore like to examine the work station OP30, which is a turning process for crankshafts, to better understand why this is. The company has the ambition to implement virtual analyses with the finite element method (FEM) in its production lines. This is sought after to prevent physical examinations which can cause delays due to time-consuming physical tests. In order to investigate the causes for the tolerance not being met, the crankshafts deflection will be examined using FE-analyses that will consider the clamping conditions of the crankshaft, the centrifugal forces and the cutting forces. The natural frequencies of the crankshafts are also examined to confirm that the turning process is not carried out near any critical rotational velocities. 

In order to verify the FE-analyses performed on the crankshafts, an analytical calculation based on beam theory of a simplified geometry is made using MATLAB. This is then compared with FE-analyses of the same simplified geometry, which shows that solid models used in FE-analyses gives reliable results compared with the beam theory. In order to confirm the deflection that is obtained from the FE-analyses, a measuring method using laser triangulation is developed. This is tested on a lathe at the University of Skövde. 

The results of this work show that the FEM is a good approach for examining the deflection of a complex geometry. It also shows that the deflection that occurs due to centrifugal forces can be considered small compared to the tolerances that need to be met and the deflection that occurs due to axial displacement of the crankshaft. Therefore the conclusion is drawn that the deflection due to centrifugal forces is not the main source for the tolerances not being met. The work shows that the most important factors to consider are the cutting forces and the axial displacement of the crankshaft. It also shows that there is no risk of resonance occurring within the work parameters of OP30. The work also shows that the measuring method using laser triangulation can be used on a rotating crankshaft, although the equipment used cannot measure the deflection itself.