Введение к работе
Актуальность темы. Отечественными и зарубежными учеными разработаны основы динамики металлорежущих станков, а также проведен значительный объем работ по повышению виброустойчивости одношпиндельного процесса резания путем оптимизации режимов резания, увеличением жесткости несущей системы, а также применению различных демпфирующих устройств. Вопросам динамической стабильности одношпиндельных станков посвящено значительное количество работ, но в настоящее время наблюдается недостаток разработок, направленных на повышение динамической устойчивости многошпиндельной обработки.
При переходе от одношпиндельной к двухшпиндельной высокоскоростной фрезерной обработке мировое станкостроение столкнулось с тем, что в зоне резания происходят вибрационно-силовые явления, обусловленные наличием и взаимовлиянием дополнительного шпинделя, что приводит к снижению производительности и качества обработки поверхности.
Снижение виброустойчивости многошпиндельных станков при работе на интенсивных режимах резания обусловлено, появлением связанных колебаний между одновременно осуществляемыми процессами резания вследствие близости частот вращения Шпинделя 1 (Шп1) и Шпинделя 2 (Шп2), обусловленных одновременным (синфазным) врезанием режущих кромок инструментов Шп1 и Шп2. Проведенный анализ литературы показал, что возможно повышение виброустойчивости и, как следствие, производительности двухшпиндельной фрезерной обработки, посредством сдвига фазы врезания режущей кромки инструмента Шп2 относительно инструмента Шп1. Следовательно, для достижения максимальной производительности многошпиндельных станков необходимо воздействовать непосредственно на первопричину появления связанных колебании, а именно на разрушение самоорганизации одновременного врезания зубьев инструментов Шп1 и Шп2.
Задача научного обоснования оптимальных технологических условий осуществления высокопроизводительной двухшпиндельной фрезерной обработки, с учетом вибрационно-силового взаимовлияния одновременно протекающих процессов резания, является актуальной научно-технической проблемой.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы ГБ 2007.39 «Теория и практика машиностроительного производства» ГОБУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Цель работы: повышение производительности двухшпиндельной обработки на основе увеличения виброустойчивости процессов резания за счет разработанной гибридной демпфирующей системы, обеспечивающей интенсификацию режимов резания.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи работы:
1. Установить механизм возникновения процессов вибраций при двухшпиндельной обработке и определить диапазон частот для управления колебаниями с помощью гибридной демпфирующей системы;
2.Разработать математическую модель процесса двухшпиндельного фрезерования;
3.Установить роль гибридной демпфирующей системы в форсировании режимов резания;
4.Экспериментально подтвердить эффективность разработанной гибридной демпфирующей системы;
5.Разработать высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной обработки деталей из алюминиевых сплавов с применением гибридной демпфирующей системы;
6.Разработать рекомендации для промышленности по использованию созданных демпфирующих систем в многошпиндельных станках и апробировать результаты исследований.
Объект исследования. Процесс двухшпиндельного фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов.
Предмет исследования. Оптимальные технологические параметры гибридной демпфирующей системы с учетом вибрационно-силового взаимовлияния одновременно протекающих процессов резания, стабильно обеспечивающие повышение виброустойчивости, и как следствие, производительности двухшпиндельного фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов концевыми и торцевыми фрезами с числом режущих зубьев от 2 до 6.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения динамики станков, технологии холодной обработки металлов, теории колебаний, математического моделирования и математической статистики. В экспериментах и исследованиях использовалось современное оборудование и вычислительная техника.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась разработкой теоретической части работы на основе теории колебаний и принципов механической обработки, теории оптимизации и планирования экспериментов, апробированных методик проведения экспериментов.
Научная новизна работы. Следующие результаты работы характеризуются научной новизной:
1. Автором разработана математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка, учитывающая вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания. Модель позволяет определить оптимальные параметры гибридной демпфирующей системы, что обеспечивает увеличение виброустойчивости станка, интенсификации режимов резания и повышения производительности двухшпиндельного фрезерования.
2. Установлен диапазоны углов сдвига фаз врезания инструмента Шп2 относительно Шп1, гарантирующие увеличение виброустойчивости, и как следствие повышение производительности двухшпиндельного фрезерного станка.
3.Выявлены зависимости амплитуды колебаний инструментов от угла сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования динамического гасителя колебаний, режимов резания, числа зубьев на инструменте. Новизна заключается в том, что для снижения амплитуды колебаний инструментов при двухшпиндельном фрезеровании необходимо учитывать значение угла сдвига фаз.
Практическая значимость включает:
Использование разработанной гибридной демпфирующей системы позволяет разрушить вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания, повысить виброустойчивость двухшпиндельного фрезерования, увеличить глубину резания до 32%, при этом производительность станка возрастает до13% деталей в год.
Разработана методика определения амплитуды колебаний электрошпинделя по заложенным в конструкцию динамического гасителя колебаний (ДГК) упругих и демпфирующих характеристик, что позволяет сократить время и затраты на проектирование ДГК.
Разработан высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной фрезерной обработки с применением гибридной демпфирующей системы, что повышает эффективность использования двухшпиндельных фрезерных обрабатывающих центров (ОЦ).
Разработаны рекомендации для промышленности по использованию и настройке гибридной демпфирующей системы в двухшпиндельном фрезерном ОЦ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка, позволяющая определить такие значения оптимальных углов сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования ДГК, режимов резания и числа зубьев на инструменте, которые обеспечивают повышение виброустойчивости и производительности двухшпиндельного фрезерования.
2. Математические выражения определения амплитуды колебаний инструментов двухшпиндельно станка в зависимости от угла сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования ДГК, режимов резания.
3. Результаты теоретического определения оптимальных диапазонов углов сдвига фаз при двухшпиндельном фрезеровании с числом зубьев на инструменте от 2 до 6.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния гибридной демпфирующей системы на виброустойчивость и режимы резания двухшпиндельного фрезерования.
5. Новое устройство для сдвига фазы врезания инструмента Шп2 относительно Шп1, позволяющее повысить виброустойчивость, форсировать режимы резания и увеличить производительность двухшпиндельного станка.
Личный вклад автора. Лично автором разработана математическая модель двухшпиндельного фрезерного обрабатывающего центра, учитывающая вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания, методика расчета амплитуды колебаний инструментов по заложенным в конструкцию ДГК упругих и демпфирующих характеристик. Выполнен весь комплекс экспериментов с последующим анализом экспериментальных и теоретических данных, разработан высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной обработки деталей из алюминиевых сплавов, приведены рекомендации для промышленности по использованию гибридной демпфирующей системы для многошпиндельных станков. При личном участии автора разработана гибридная демпфирующая система, состоящая из устройства для сдвига фазы шпинделей и ДГК.
Область исследований. Содержание диссертационного исследования соответствует п. 3. «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки», п.5 «Создание, включая исследования, проектирование, расчеты, комплектующих агрегатов и механизмов, обеспечивающих достижение требуемых технологических и технико-экономических параметров оборудования» паспорта научной специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований по разработке устройства для сдвига фазы шпинделей при многошпиндельной обработке внедрены на предприятии ООО «ВоронежПромКомплект» (г. Воронеж) при одновременной обработке двух деталей из алюминиевого сплава АЛ5 двумя шпинделями с годовым экономическим эффектом 56670 руб. Внедрение результатов исследований позволило повысить виброустойчивость, форсировать режимы резания и увеличить производительность многошпиндельного фрезерования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научных конференциях ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2009-2011 годах, 9-я международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в 2010 году в Санкт-Петербурге, научных конференциях ГОУВПО «Брянский государственный технический университет» в 2009-2010 годах, научной конференции ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» в 2013 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах и изданиях, подана заявка на изобретение РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – разработка модели двухшпиндельного станка; [3,4] –методика повышения виброустойчивости оборудования; [5] – разработка физической модели, описывающей взаимовлияние процессов резания друг на друга при многошпиндельной обработке; [6] – разработка алгоритмов работы устройства для сдвига фазы шпинделей; [7] –методика экспериментальной разработки карты стабильности для двухшпиндельного фрезерного станка; [8] – разработка физической модели возникновения автоколебаний при двухшпиндельной обработке; [9] – особенности фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов на многошпиндельных станках.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из 132 наименований. Основная часть работы изложена на 220 страницах, содержит 82 рис., 11 таблиц.
