Введение к работе
Актуальность темы. Характерными признаками современного производства являются расширение номенклатуры и увеличение конкурентоспособности выпускаемой продукции, которое достигается, в частности, увеличением гибкости и улучшением эксплуатационных и технико-экономических характеристик металлорежущих станков. Широкие перспективы в этом направлении открывает внедрение многоцелевых станков (МЦС).
Увеличение сложности оборудования, как правило, влечет за собой снижение его жесткости, а в совокупности с тенденцией постоянного роста частот вращения шпинделей до 40 тыс. об/мин и более выдвигает на передний план и делает актуальной задачу обеспечения виброустойчивости реализуемых на них процессов. Вибрации в шпиндельных узлах приводят к сокращению ресурса подшипниковых опор, снижению точности, увеличению износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности. Многие станкостроительные фирмы рассматривают эту задачу как приоритетную при проектировании МЦС. Одним из доминирующих факторов возбуждения вибраций при таких скоростях является дисбаланс вращающихся элементов динамической системы станков. В станках фрезерно-расточной группы он усугубляется сложностью и многовариантностью инструментальной оснастки, погрешностями ее установки. Вероятность возникновения вибраций приводит к необходимости занижения режимов резания и, следовательно, приводит к снижению эффективности использования МЦС и современного режущего инструмента.
Исследования проявлений дисбаланса в динамических системах достаточно широко освещены в научно-технической литературе. Применительно к металлорежущему оборудованию они охватывали в большинстве случаев приводы шлифовальных станков. Для других групп станков они были долгое время неактуальны, так как частоты вращения шпинделей не превышали 2000...3000 об/мин.
Таким образом, актуальной является задача повышения производительности МЦС путем назначения максимально возможных режимов резания, исключающих возникновение вибраций, обусловленных дисбалансом. Для теоретического их обоснования необходимо разработать математическое описание динамической системы станка, учитывающее эволюцию ее параметров в процессе эксплуатации и позволяющее формализовать условия возникновения автоколебаний.
Представленная диссертационная работа выполнялась в рамках исследований по проекту РФФИ 07-08-97631 «Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов механической обработки металлов, использующих дополнительное дискретное электрическое воздействие, оптимизирующее процессы разрушения на наноуровне».
Объектом исследований являются механизмы возникновения и эволюции динамических ограничений, накладываемых технологической системой на процессы резания, и их проявление в выходных показателях обработки.
Предметом исследований являются динамические процессы в МЦС на операциях фрезерования заготовок, проявляющиеся в условиях дисбаланса в вибрациях шпиндельных узлов, накладывающих ограничения на выбор режимов резания.
Цель работы заключается в повышении эффективности фрезерования заготовок на МЦС на основе рационального выбора режимов резания, учитывающих изменяющиеся в процессе эксплуатации динамические ограничения системы "шпиндель-оправка-инструмент", идентифицируемые при мониторинге энергоемкости процесса обработки.
В связи с поставленной целью в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследования.
-
Провести анализ особенностей фрезерования заготовок на МЦС, приводящих к возникновению ограничений режимов резания, снижающих технологические показатели процесса обработки.
-
Установить взаимосвязь режимов обработки и параметров технологической системы, определяющую условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом и нарушающих стабильность технологических показателей процесса обработки.
-
Обосновать выбор процессов, отражающих внешние проявления динамических ограничений технологической системы и позволяющих формировать наиболее информативные сигналы для определения условий нарушения стабильности процесса фрезерования.
-
Исследовать влияние динамических характеристик технологической системы на стабильность процесса фрезерования и ограничения на режимы резания.
-
Разработать методику рационального выбора режимов резания при фрезеровании, учитывающую динамические ограничения, накладываемые системой "шпиндель-оправка-инструмент", и эволюцию ее параметров на основе результатов мониторинга энергоемкости операции.
Методы исследования. Теоретические исследования вопросов устойчивости сложных электромеханических систем проводились с использованием методов теории управления нелинейными системами, механики, трибологии, основных положений электротехники и технологии машиностроения. Вычислительные эксперименты осуществлялись с применением современных методов и средств математического и имитационного моделирования электромеханических систем на основе стандартных пакетов и программ. Экспериментальная проверка результатов работы проводилась на реальном технологическом оборудовании. Достоверность теоретических положений подтверждается их совпадением с результатами экспериментальных исследований и известными достижениями технологии машиностроения.
Наиболее существенные научные результаты, полученные соискателем.
1. Математическая модель динамической системы МЦС "шпиндель-оправка-инструмент", учитывающая нелинейности в реакциях опор и зависи-
мость силовых и энергетических характеристик от режимов резания, положенная в основу методики назначения рациональных режимов резания.
-
Результаты математического моделирования динамической системы МЦС, подтвердившие эволюционный характер ее АЧХ и условий возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом.
-
Результаты исследования диагностических признаков вибраций, вызванных дисбалансом динамической системы МЦС и позволяющих идентифицировать условия их возникновения на основании функциональных связей параметров системы, режимов обработки и энергоемкости фрезерования.
-
Методика назначения рациональных режимов резания на МЦС, учитывающая эволюцию параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" на основе результатов мониторинга энергоемкости фрезерования.
-
Экспериментальное подтверждение теоретических положений и методики определения режимов резания.
Научная новизна. Установлены закономерные связи режимов обработки, параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" с энергопотреблением и ее АЧХ, эволюционирующей в процессе эксплуатации и определяющей условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом. Эти связи раскрываются на основе математического описания, учитывающего нелинейности в реакциях опор шпиндельного узла, зависимостях силовых и энергетических характеристик от режимов резания. Предложенное математическое описание положено в основу методики назначения рациональных режимов резания, базирующейся на мониторинге энергоемкости фрезерования.
Практическая значимость работы. В диссертации разработано методическое обеспечение интенсификации процесса фрезерования заготовок на МЦС при сохранении высокой стабильности технологических показателей и регламентированном значении износа инструмента.
Разработанная методика рационального выбора режимов резания при фрезеровании, учитывающая эволюцию параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" на основе мониторинга энергоемкости операции, обеспечивает повышение производительности процесса и заданные технологические показатели обработки на протяжении всего периода эксплуатации оборудования благодаря идентификации условий возникновения вибраций, вызванных дисбалансом.
Практическая реализация. Сформированный подход и предложенная методика позволяют повысить производительность процесса фрезерования на МЦС при сохранении регламентированного значения износа инструмента. Они прошли апробацию и рекомендованы к внедрению в ОАО «Щегловский вал» (г. Тула). Результаты работы внедрены в учебный процесс по специальности 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» в дисциплине «Технологические процессы и производства».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских научно-технической конференциях «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула, 2010г.), «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2010г.). Все-
российской научно-исследовательской конференции молодых ученых в области энергосбережения «Эврика 2010» (г. Новочеркасск, 2010г.), Международной молодёжной конференции научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (г. Таганрог, 2012г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2013г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 5 в изданиях, входящих в «Перечень утвержденных ВАК Российской Федерации изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 145 наименований, имеет общий объем 116 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков, 10 таблиц и 3 приложения.
