Введение к работе
Актуальность темы. Конкурентоспособность металлообрабатывающих станков в значительной степени определяется критериями их работоспособности, к которым относятся: точность, жесткость, виброустойчивость и др. Производительность обработки и качество изготавливаемых деталей зависят от ряда факторов, в частности, от динамических процессов в технологическом оборудовании.
Особенностью современного технического прогресса в машиностроении является рост скоростей резания, увеличение частот вращения шпинделей станочного оборудования, сокращение времени холостых ходов и вспомогательных перемещений. Всё это направлено на увеличение производительности при обработке деталей. Высокие скорости резания сопровождаются изменением физико-механических процессов в зоне резания и динамических процессов в упругой системе оборудования. В связи с малой изученностью данных процессов, является актуальным исследование работы шпиндельных узлов оборудования на высоких частотах вращения.
В теории динамики станков в замкнутой динамической системе в качестве основных сил, действующих на упругую станочную систему, рассматриваются силы резания и трения, вызывающие колебания в этой системе. Естественно, что при повышенных частотах вращения, помимо вышеуказанных сил, на упругую систему шпинделя будет действовать значительная центробежная сила инерции, обусловленная неуравновешенной массой. Например, при работе шпинделя массой 15 кг с эксцентриситетом 10 мкм на скорости 12000 мин" возникает центробежная сила инерции, равная 236 Н.
В замкнутой динамической системе станка будет наблюдаться взаимосвязь изменений величин силы резания и центробежной силы инерции из-за упругих смещений в станочной системе. Сила резания, воздействуя на упругую систему оборудования, приводит к изменению величины начального дисбаланса шпинделя. Изменение дисбаланса приводит к изменению величины центробежной силы инерции, которая в свою очередь влияет на изменение толщины срезаемого слоя и силы резания. В результате происходит сложный процесс изменения действующих сил и упругих деформаций станочной системы, отражающийся на размерной точности обрабатываемой поверхности, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.
Данная диссертационная работа посвящена изучению динамических процессов, возникающих при работе шпинделя станка на высоких частотах вращения, которые характерны для технологии высокоскоростной обработки. В качестве показателя, существенно влияющего на точность обработки, рассматривается траектория движения фиксированной точки, расположенной на оси вращения и торце шпинделя.
Математическое моделирование является важным этапом при изучении динамических процессов, позволяющим выявить и численно оценить наиболее важные факторы, влияющие на функционирование станков.
Математическому описанию и изучению динамики шпиндельных узлов
посвящено значительное количество исследований, однако, недостаточно исследовано взаимное влияние центробежных сил и сил резания при обработке деталей на высоких частотах вращения.
Таким образом, математическое моделирование динамических процессов, протекающих в шпиндельных узлах при работе на высоких частотах вращения (характерных для технологии высокоскоростной обработки), и разработка на этой основе методов повышения точности и производительности обработки являются актуальными задачами в области машиностроения.
Цель работы - повышение производительности концевого фрезерования на высоких частотах вращения.
Задачи исследования:
разработка расчётно-экспериментального метода определения траектории движения фиксированной точки, расположенной на оси шпинделя (инструмента);
разработка математической модели шпиндельного узла как упругой системы;
определение закономерностей изменения толщины срезаемого слоя и силы резания в зависимости от угла поворота концевой фрезы и её смещений, вызванных податливостью элементов системы шпиндельного узла;
оценка влияния конструктивных и технологических факторов исследуемой системы на размерную точность при фрезеровании деталей;
разработка методики определения режимов резания для концевого фрезерования на высоких частотах вращения шпинделя с учетом упругих деформаций шпиндельного узла.
Объект исследования - процесс обработки деталей концевой фрезой на высоких частотах вращения.
Предмет исследования - влияние упругих деформаций шпиндельного узла на размерную точность обработки при концевом фрезеровании на высоких частотах вращения шпинделя.
Методы исследования. Использованы основные положения и методы теоретической механики, теории колебаний систем, теории автоматического управления, математического моделирования, а также численные методы анализа и математического программирования. Моделирование проводилось в среде Matlab 6.5 / Simulink 5. Экспериментальные исследования проводились по известным и разработанным методикам в лабораторных условиях с применением методов статистической обработки результатов.
Научной новизной обладают:
математическая модель, описывающая траекторию движения инструмента с учётом взаимного влияния параметров упругой системы шпиндельного узла, вынужденных и параметрических воздействий при обработке деталей концевой фрезой;
установленное влияние на размерную точность деталей при обработке концевой фрезой соотношения скорости изменения силы резания во время обработки и скорости упругого восстановления системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка» .
Практическую значимость имеют:
методика назначения режимов резания при фрезеровании с учётом динамических характеристик шпиндельного узла многоцелевого станка для обеспечения повышенной производительности и требуемой размерной точности;
математическая модель шпиндельного узла, реализованная в среде Matlab / Simulink, которая может быть использована промышленными предприятиями, занимающимися вопросами проектирования, изготовления и эксплуатации многоцелевых станков для оценки конструкторско-технологических решений при создании шпиндельных узлов.
Результаты, выносимые на защиту:
метод расчета траектории движения фиксированной точки шпинделя с учетом микроперемещений из-за упругих отжатий элементов динамической системы;
программа расчета изменения толщины срезаемого слоя при фрезеровании деталей;
закономерности влияния частоты вращения инструмента на формирование размерной точности детали в процессе фрезерования;
методика назначения производительных режимов при фрезеровании деталей.
Реализация работы. Результаты работы в виде алгоритма расчёта упругих перемещений шпинделя многоцелевого станка внедрены в учебный процесс кафедры мехатронных станочных систем (УГАТУ). Методика назначения производительных режимов фрезерования внедрена на предприятии ОАО НПФ «Геофизика» (г. Уфа), принята к внедрению на предприятии ОАО «Кумертауское авиационное производственное предприятие» (г. Кумертау).
Апробация полученных результатов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); на международной научно-технической конференции «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем» (Уфа, 2009); на 5-ой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием (Уфа, 2010); на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликованы 14 печатных работ, в том числе 4 из них в журналах из «Перечня...» ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и результатов, списка использованных источников из 67 наименований. Работа выполнена на 146 страницах, включает 88 рисунков и 12 таблиц, 10 страниц приложений.
