Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 7
1.1.Необходимость повышения качества обработки на металлорежущих станках 7
1.2. Точность обработки отверстий сверлением . 10
1.3.Движение формообразующих элементов металлорежущих станков 33
1.4. Цели и задачи исследования 40
Глава 2. Точность отверстий обрабатываемых сверлением 41
2.1. Силы, действующие на спиральное сверло 41
2.1.1. Силы резания, действующие на передней поверхности спирального сверла 43
2.1.2. Силы, действующие на задних поверхностях 47
2.2.Влияние видов контактного взаимодействия на силы резания 51
2.2.1. Контактное взаимодействие с образованием элементных и суставчатых стружек 52
2.2.2. Контактное взаимодействие с существованием пульсирующей зоны...53
2.2.3. Контактное взаимодействие с образованием нароста 55
2.2.4. Контактное взаимодействие с существованием участков пластического и вязкого контактов 57
2.3. Погрешности, возникающие при обработке отверстий 59
2.3.1. Разбивка отверстий 60
2.3.2.Увод сверла 62
2.3.3. Влияние динамики процесса сверления на точность обрабатываемых отверстии 65
2.4. Построение геометрического образа обрабатываемой поверхности при сверлении 66
2.5. Определение показателей точности детали 74
2.6. Моделирование деформаций инструмента в среде SolidWorks 75
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Исследования точности сверления отверстий 79
3.1. Исследование податливости и теплостойкости станка 79
3.2. Исследование траекторий формообразования при сверлении 88
3.2.1. Экспериментальная установка для измерения траекторий формообразования 89
3.2.2. Тарировка датчиков 95
3.2.3. Оценка погрешностей измерений 97
3.2.4. Обработка экспериментальных данных 99
3.2.5. Траектории оси вращения шпинделя 100
3.3. Влияние режимов резания на траектории формообразования 102
3.4. Сравнение траекторий оси сверла и геометрического образа обработанного отверстия 114
Выводы по главе 3 123
Глава 4. Повышение точности обработки отверстий сверлением 126
4.1. Параметры, характеризующие качество процесса обработки отверстий сверлением 126
4.1.1. Выбор оптимальных значений показателей назначения 128
4.2. Факторы, определяющие качество процесса сверления спиральными сверлами 132
4.2.1. Анализ факторов, влияющих на точность сверления отверстий спиральными сверлами 134
4.3. Повышение точности обработки отверстий сверлением на основе управления процессом 144
4.3.1. Управление траекториями формообразования 144
4.3.2. Повышение точности обработки отверстий сверлением на основе применения методов планирования эксперимента 146
4.3.3. Повышение точности обработки отверстий сверлением на основе статистического управления процессами 147
Выводы по главе 4 148
Выводы 150
Список литературы 152
- Точность обработки отверстий сверлением
- Силы резания, действующие на передней поверхности спирального сверла
- Экспериментальная установка для измерения траекторий формообразования
- Выбор оптимальных значений показателей назначения
Введение к работе
Одной из основных тенденций современного развития машиностроения является повышение точности. Анализ технологии изготовления деталей на металлообрабатывающих станках нормальной точности (Н) показывает, что точность традиционных методов обработки достигла величин близких к 1 мкм. Потребность промышленности в изделиях повышенной точности приведет к еще большему ужесточению параметров точности.
Высокоточные отверстия (7, 8 квалитет) являются конструктивными элементами большого числа деталей и узлов современных машин. К ним относятся отверстия под подшипники, штифты, установочные поверхности зубчатых колес. Такие отверстия обрабатываются за несколько технологических переходов. При этом их точность определяется на первом переходе, которым для отверстий малого диаметра, как правило, является сверление.
Сверление спиральными сверлами - один из основных методов обработки отверстий. Этому процессу посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако большинство из них направлены на исследования стойкости, производительности обработки отверстий, технологии изготовления, конструкции и условиям эксплуатации сверл. Количество работ, посвященных исследованию точности обработки отверстий невелико. Это объясняется сложностью процесса сверления, в частности: отсутствием доступа к режущим кромкам, переменной скоростью резания и, связанной с этим неоднородностью стружкообразования вдоль режущих кромок, относительно малой жесткостью сверла, наличием крутильных колебаний.
В связи с этим актуальным является исследование влияния перечисленных факторов на точность обрабатываемого отверстия непосредственно в процессе обработки, и при этом рассматривать станок, инструмент и деталь как единую технологическую систему.
Прогнозирование точности в процессе изготовления детали является новым направлением в технологической науке, сформировавшимся в середине 90-х годов XX века.
Для оценки точности обработки отверстий могут использоваться траектории формообразующих движений. Это позволяет с высокой точностью прогнозировать перемещение инструмента относительно заготовки детали. Следует отметить, что измерения траекторий формообразования при сверлении до настоящего времени не проводились.
Точность обработки отверстий сверлением
Ежегодно в мировой литературе публикуется до 300 экспериментальных и теоретических работ по сверлению [27]. Большинство из них посвящены исследованиям стойкости, производительности обработки отверстий, технологии изготовления, конструкции и условиям эксплуатации сверл [14, 29, 70, 74, 77, 83]. Количество работ, посвященных исследованию механизма формирования точности обработки отверстий невелико.
Исследование современного состояния обработки металлов резанием [99] показывает, что даже для резца нельзя создать универсальной теории резания, охватывающей все условия обработки и все обрабатываемые материалы, а спиральные сверла по условиям резания являются одним из самых сложных инструментов, на которые в процессе резания влияют сотни взаимосвязанных факторов [28], [32]. В связи с этим определение точности обработки отверстий сверлением является довольно сложной задачей.
Под точностью механической обработки, как правило, понимают степень соответствия изготовленной детали техническим требованиям. Рассматривая точность обработки изделия, различают: - точность выполнения размеров поверхностей детали; - точность геометрической формы поверхности; - точность взаимного расположения поверхностей детали. Применительно к обработке отверстий точность выполнения размеров соответствует диаметральному размеру отверстия и его глубине, точность геометрической формы поверхности - степени соответствия формы поверхности отверстия геометрически правильной поверхности кругового цилиндра, а в поперечном сечении - геометрически правильной окружности. К точности взаимного расположения поверхностей при обработке отверстий относят погрешности координат, характеризующих расположение оси отверстия, увод оси отверстия, отклонение от соосности расположения участков ступенчатых или прерывистых отверстий и т.п. Точность размеров регламентируют величиной допуска, указанного на чертеже детали. Погрешность геометрической формы, как правило, задают частью допуска на размер, поскольку погрешность формы сопряженных поверхностей в значительно большей степени влияет на работоспособность детали в узле, чем размер. Погрешность взаимного расположения обычно устанавливается на основе опытных данных, т.к. стандартами не регламентируется. Изучение вопросов точности основано на знании величин и закономерностей изменения сил резания и их моментов в зависимости от условий обработки. Закономерности изменения сил резания во многом определяются геометрией режущей части инструмента. Аналитические выражения сил для различных видов обработки разработаны Г.И. Грановским [22], В.Ф.Бобровым [9], П.Р.Родиным [72], Н.Н. Зоревым [34], Н.А.Шевченко, С.С. Петрухиным, Ю.П. Холмогорцевым. При сверлении в срезании стружки принимают участие две главных режущих кромки и дополнительно перемычка. На каждой режущей кромке действует сила резания, которую можно разложить на три составляющие (рисунок 1.2) : силу Pz, касательную к окружности на которой расположена точка режущей кромки, Ру, проходящую через ось сверла и силу Рх, параллельную оси сверла. На перемычке действует аналогичная система сил, однако, В.Ф.Бобров [9] указывает, что вследствие относительно малого влияния, оказываемого на силовые характеристики при сверлении двух составляющих, кроме составляющей Рхп, их во внимание не принимают. Вспомогательные лезвия в срезании стружки существенного значения не имеют. Однако вследствие того, что на фасках сверла вспомогательный задний угол равен нулю, между ними и стенкой отверстия имеется трение. Касательная, составляющая силы трения, обозначена на рисунке силой Р2ф. Сумма проекций действующих сил на ось X, совпадающую с осью сверла является осевой силой Ро при сверлении: Осевая сила противодействует движению подачи. По ней рассчитываются на прочность детали механизма подачи сверлильного станка. При больших вылетах осевая сила вызывает продольный изгиб сверла. Сумма моментов действующих сил относительно оси X называется крутящим моментом сопротивления резанию при сверлении (крутящим моментом резания): Для осуществления процесса резания крутящий момент, развиваемый станком Мет при определенном числе оборотов шпинделя, должен быть больше крутящего момента М резания, т. е. Мет М. Так как мощность, расходуемая на осуществление движения подачи, так же, как и при точении, очень мала, то эффективную мощность Ne станка (мощность, расходуемую на резание) определяют только по крутящему моменту резания: По крутящему моменту резания рассчитывают на прочность и жесткость шпиндель и детали механизма главного движения станка. Под действием крутящего момента резания происходит скручивание сверла.
Силы Ру, действующие на обеих главных режущих кромках сверла и направленные навстречу друг Другу, теоретически должны уравновешиваться. Однако вследствие неточности заточки сверла (неодинаковой величине углов в плане ф и длин главных лезвий) силы Ру не равны. Поэтому появляется равнодействующая сила ДРУ, направленная в сторону большей силы. Под действием равнодействующей происходит «разбивание» отверстия (увеличение диаметра отверстия по сравнению с диаметром сверла). «Разбивание» отверстия вызывает другую погрешность - увод сверла от геометрической оси отверстия, так как сверло перестает своими фасками центрироваться в отверстии. «Разбивание» и увод отверстия от геометрической, оси всегда присущи сверлению отверстий двухлезвийными винтовыми сверлами. Влияние конструктивных элементов сверла на силовые характеристики процесса сверления различно. Как видно из таблицы 1.1 [9], большая часть крутящего момента приходится на главные лезвия сверла. На перемычку же приходится большая часть осевой силы.
Силы резания, действующие на передней поверхности спирального сверла
При формировании нароста типа А уровень температур выше в зоне контактного взаимодействия с задней поверхностью нароста, и неустойчивая часть нароста уносится преимущественно поверхностью резания.
Некоторое увеличение силы резания при уменьшении скорости резания (при переходе к наросту типа А) объясняется следующим. С уменьшением скорости резания, и следовательно температуры в зоне резания, возрастает сопротивление пластическому деформированию в контактной зоне, что приводит к уменьшению значений угла сдвига и росту силы резания.
При определенных скоростях резания происходит переход от резания с пульсирующей контактной зоной к резанию с существованием участков пластического и вязкого контактов (рисунок 2.10) Смена этих видов контактного взаимодействия сопровождается резким увеличением сил резания. При этом участок пластического контакта на передней поверхности инструмента состоит из двух участков - деформационного упрочнения и температурного разупрочнения.
На участке упрочнения обрабатываемый материал по мере перемещения вдоль передней поверхности инструмента постепенно упрочняется. По высоте контактной зоны степень деформации увеличивается при приближении к поверхности инструмента, а скорость деформации - при перемещении к верхней границе контактной зоны. Высота зоны контактных деформаций увеличивается. В ходе процесса деформирования часть энергии выделяется в виде тепла, а часть накапливается в виде энергии внутреннего упрочнения. Температура элементарных объемов обрабатываемого материала постепенно возрастает. В конце участка упрочнения температура достигает таких значений, когда интенсивность деформационного упрочнения становится равной интенсивности температурного разупрочнения. Далее по мере удаления металла от режущей кромки идет процесс его разупрочнения, сопровождающийся резким выделением тепла. Высота зоны контактных деформаций постепенно уменьшается, а скорость деформирования металла возрастает. На границе пластического контакта, при уменьшении высоты зоны контактных пластических деформаций до минимальных размеров в связи с достижением предельно высоких скоростей деформации процесс пластического деформирования заменяется диффузионно-вязким течением металла [82].
Сила резания на передней поверхности инструмента определяется касательными и нормальными напряжениями, как в зоне контактных деформаций, так и в зоне стружкообразования. При переходе от контактного взаимодействия с пульсирующей зоной, к контактному взаимодействию с участками пластического и вязкого контактов происходит увеличение силы резания за счет роста размеров зоны контактного взаимодействия (появления участка разупрочнения) и значительного уменьшения угла сдвига.
При дальнейшем увеличении скорости резания силы резания постепенно уменьшаются в связи с уменьшением зоны контактных деформаций и ростом угла сдвига. Следует отметить, что при сверлении одновременно существуют несколько видов контактного взаимодействия. Это объясняется тем, что скорость резания на главной режущей кромке у вспомогательных режущих кромок максимальна, а у перемычки - приближается к нулю. Рассмотренные выше закономерности изменения видов контактного взаимодействия подтверждаются другими исследованиями.
В работе [89] приводится изменение осевой силы и крутящего момента, а также радиальных составляющих силы резания в зависимости от скорости резания. Эти зависимости соответствуют кривым, приведенным на рисунке 2.6 [82].
Зона малых скоростей резания (3—5 м/мин) соответствует контактному взаимодействию с образованием элементных и суставчатых стружек. Осевая сила Ро, крутящий момент М и радиальные составляющие Рв и Рн силы резания уменьшаются с увеличением скорости. Это уменьшение продолжается в диапазоне скоростей резания 5—40 м/мин, соответствующих контактному взаимодействию с образованием нароста. Наростообразование увеличивает фактический передний угол сверла и способствует уменьшению сил резания. Дальнейшее увеличение скорости приводит к возрастанию сил резания, что соответствует зоне контактного взаимодействия с существованием участков пластического и вязкого контактов.
Характерно [89], что разбивка отверстия изменяется аналогично осевой силе и радиальным составляющим силы резания. Это говорит о том, что точность отверстия при сверлении определяется силовыми факторами.
Экспериментальная установка для измерения траекторий формообразования
Систематическая погрешность АІ СИСТ измерения - это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при неоднократных измерениях. Эта погрешность поддается определению при многократном проведении эксперимента. Предельная случайная погрешность вихретокового датчика Alim 1 определялась путем сравнения с результатами измерений, проводимых другими способами, и в том числе оптическим способом. Погрешность не превышает 0,005 мкм. Предельная случайная погрешность усилителя определялась путем выявления нестабильности показаний и не превышает 0,01 мкм. Предельная случайная погрешность АЦП не превышает 0,005 мкм. Предельная случайная погрешность при тарировке составляла 0,02 мкм. Предельная случайная погрешность изготовления втулки сверла не превышала 0,1 мкм, а изготовления оправки - 0,005 мкм. Как видно их приведенных данных, наибольшая погрешность вызвана неточностью изготовления втулки сверла и оправки. Для ее снижения существуют два способа. Первый способ состоит в том, что измерения траектории производятся при помощи трех вихретоковых датчиков, оси которых пересекаются в одной точке, и располагаются под углом 120 друг к другу. Специальная программа обработки экспериментальных данных позволяет производить для каждого шага измерений определение истинного радиуса измерительного кольца и на основе этого .определять истинные перемещения оси в системе неподвижных координат. Недостатком метода является то, что оси всех трех датчиков должны пересечься в одной точке. Это требование не составляет большой сложности в смысле изготовления отверстий в кольце датчиков с большой точностью. Но дело в том, что при измерениях нужно рассматривать не геометрическую ось, а ось взаимодействия электромагнитного поля с кольцом, которая может смещаться в случае неоднородности физических свойств сердечника катушки, материала кольца и т.д.
Результаты измерений подвергались статистической обработке. По результатам измерений вычислялась разность значений двух последовательных сигналов, для которых рассчитывалась величина среднего арифметического значения х и стандартного отклонения S. Резко отличающиеся результаты х, проверялись с помощью критерия Грэббса, для чего вычислялось расчетное значение статистики: Если расчетное значение статистики превышало табличное: tp гтабл, то Xj исключалось из результатов измерения. Величина гтабл принималась равной 3,187, что соответствует количеству измерений п 100 [18]. Для определения геометрического образа обрабатываемой поверхности необходимо построение осредненных траекторий. Их построение осуществлялось следующим образом. На основе базовой метки датчика угловых перемещений (рисунок 3.12) определялось начало каждого оборота. Скорость вращения шпинделя считалась постоянной в пределах одного оборота. Интервал между двумя базовыми метками разбивался на отрезки соответствующие углу поворота шпинделя 0,5. Для каждого угла поворота шпинделя определялись координаты траектории оси шпинделя и оси сверла. Осредненная траектория строилась по 40 оборотам. Из рисунка 3.13 видно, что движение оси вращения шпинделя имеет явно выраженный стохастический характер, когда каждая последующая траектория несколько отличается от предыдущей. На рисунке представлено 40 оборотов шпинделя при сверлении, (сверло диаметром 12 мм, Р6М5 -Сталь 45, частота вращения шпинделя п = 2200 об/мин, подача s = 0,1 мм/об) Траектории оси вращения шпинделя. Сверло 12 мм, Р6М5 -Сталь 20, частота вращения шпинделя п = 2200 об/мин, подача s = 0,1 мм/об. На рисунке 3.14 представлены осредненные по 40 оборотам траектории оси вращения шпинделя на холостом ходу при скоростях 49,5, 83 и 114 м/мин. Из рисунка видно, что формы траекторий при различных скоростях отличаются незначительно. Размер траекторий около 35 мкм. С увеличением скорости происходит некоторое уменьшение траекторий на 3 - 4 мкм.
Выбор оптимальных значений показателей назначения
Проведены экспериментальные исследования податливости и теплостойкости фрезерного станка УФ-280, который использовался для сверлильных работ. Установлено, что в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии, станина имеет значительно большую жесткость и теплостойкость, чем в плоскости симметрии. 2. Экспериментально установлено, что движение оси вращения шпинделя имеет явно выраженный стохастический характер. Формы траекторий оси вращения шпинделя при различных скоростях отличаются незначительно. Траектория имеет вид неправильного эллипса, большая ось которого практически совпадает с осью Y (осью, лежащей в плоскости симметрии станины), т.е. плоскостью наименьшей жесткости станка. 3. Выявлено, что на траектории оси вращения шпинделя существуют колебания под углом приблизительно 45, частота которых при изменении частоты вращения шпинделя практически не меняется. 4. В результате исследования влияния скорости резания на форму и размеры траекторий движения оси шпинделя и . сверла установлены следующие зависимости. - для всех скоростей резания по мере заглубления инструмента траектория оси шпинделя уменьшается и смещается в направлении оси Y (т.е. плоскости симметрии станины), что объясняется наименьшей жесткостью станка в этом направлении. - размер траектории оси сверла по мере заглубления инструмента напротив увеличивается, что связано с изгибными деформациями сверла, которые увеличиваются при заглублении. - направление смещения траектории оси сверла для разных экспериментов различно, не совпадает с направлением смещения оси шпинделя и не имеет выраженной зависимости, поскольку направление изгиба сверла в системе координат технологической системы случайно. 5. Установлено, что по мере заглубления инструмента, для всего диапазона исследованных скоростей резания, смещение базовой окружности траектории оси сверла, относительно положения базовой окружности траектории оси сверла на холостом ходу, увеличивается. Это связано с изгибом сверла и является экспериментальным подтверждением зависимостей приведенным в [89]. 6. Установлено, что виды контактного взаимодействия, определяющие величину сил резания, определяют размеры траектории оси инструмента и величину смещения траекторий оси вращения шпинделя и сверла. Происходит увеличение смещения траекторий в зоне скоростей с наростообразованием, и уменьшение смещения траекторий в зоне скоростей пластического и вязкого контактов. 7. Установлено влияние величины скорости подачи на форму и размеры траекторий движения шпинделя и сверла при сверлении: - изменение размеров траекторий оси сверла и шпинделя и их смещение, по мере заглубления инструмента, для всего диапазона исследованных подач аналогично траекториям, исследованных при различных скоростях резания. - при увеличении подачи наблюдается небольшое (не более 2 мкм) уменьшение размеров траектории оси шпинделя. - размер траектории оси сверла с увеличением подачи возрастает. - смещение траекторий движения сверла и шпинделя с ростом подачи увеличивается. 8. Установлено, что изменение основных характеристик траектории оси сверла (размер траектории и ее смещение) при различных режимах резания соответствует характеру изменения сил резания в зависимости от скорости и подачи. Т.е. силы резания определяют траекторию движения оси инструмента, которая определяет размеры и форму обработанного отверстия, что подтверждается измерением разбивки обработанных отверстий. 124 9. Сравнение формы круглограммы с траекторией оси сверла позволяет сделать вывод о том, что они имеют близкое подобие. 10. Предложено в процессе сверления выделить два этапа, различающихся схемой действующих на сверло сил, видом траекторий формообразования и формой получаемого в ходе обработки отверстия: сверление до выхода главных режущих кромок из заготовки и сверление после выхода главных режущих кромок из заготовки. 11. Проведено сравнение фактических показателей точности обработанных отверстий с показателями рассчитанными на основе моделируемых траекторий движения инструмента. Экспериментально подтверждено, что разработанная методика расчета и построения геометрического образа обрабатываемого отверстия и прогнозирования точности обработки обеспечивает приемлемую точность расчетов. Обеспечение точности обработки необходимо рассматривать не только как задачу обеспечения технических требований к изготавливаемой детали, но и как задачу обеспечения качества процесса обработки, его точности и стабильности. Для решения этой задачи необходимо управлять процессом, непрерывно адаптировать процесс к постоянно меняющимся условиям обработки. Для управления процессом необходимо выявлять факторы, влияющие на выход процесса (его результат), и через воздействие на эти факторы снижать вариабельность процесса, т.е. уменьшать разброс результатов.
