Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологии торцового фрезерования
1.1. Проблема повышения эффективности операции торцового фрезерования 8
1.2. Анализ исследований динамики технологической системы при фрезеровании 15
1.3. Условия возникновения вибраций в технологической системе при фрезеровании 19
1.4. Анализ методов воздействия на процесс развития колебаний при фрезеровании 24
1.5. Выводы по главе 30
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса торцового фрезерования
2.1. Структурная схема динамической системы станка 32
2.2. Математическая модель упругой системы станка 37
2.3. Математическая модель инструмента 46
2.4. Математическая модель заготовки 47
2.5. Экспериментальное подтверждение математической модели технологической системы 52
2.6. Выводы по главе 56
ГЛАВА 3. Исследование влияния прогнозируемых факторов обработки на процесс развития колебаний при торцовом фрезеровании
3.1. Исследование колебательных процессов в подсистеме инструмента 57
3.2. Исследование влияния силы резания на процесс развития колебаний з
3.3. Исследование влияния режимов резания на процесс развития колебаний 71
3.4. Методика выбора инструмента 83
3.5. Методика расчёта предельного износа инструмента 89
3.6. Выводы по главе 91
ГЛАВА 4. Обеспечение точности торцового фрезерования крупногабаритных деталей на практике
4.1. Разработка алгоритма управления процессом резания 93
4.2. Методика прогнозирования отклонений от плоскостности 98
4.3. Разработка системы контроля отклонений от плоскостности в режиме реального времени 102
4.4. Практическая реализация технологического обеспечения точности торцового фрезерования крупногабаритных деталей 108
4.5. Выводы по главе 113
Заключение 117
Литература
- Анализ исследований динамики технологической системы при фрезеровании
- Математическая модель упругой системы станка
- Исследование влияния силы резания на процесс развития колебаний
- Разработка системы контроля отклонений от плоскостности в режиме реального времени
Введение к работе
Актуальность темы. В работе рассматривается технология механической обработки плоских поверхностей корпусных крупногабаритных деталей. Такие детали являются основным элементом конструкции в различных металлургических агрегатах и горных машинах, являющихся продукцией предприятий тяжелого машиностроения. В современных условиях производства предъявляются высокие требования к качеству исполнения и работоспособности такого рода изделий. Это во много зависит от качества их сборки, для обеспечения которой в ряде случаев механическая обработка крупногабаритных деталей происходит после или в процессе их установки в конструкции агрегата, в результате чего уменьшаются погрешности базирования. В этом случае предъявляются высокие требования к геометрической точности обработанных поверхностей для обеспечения качества сборки.
Реализация такой технологии, как правило, требует применения портативного металлорежущего оборудования, жесткость которого меньше по сравнению со стационарным. Для плоских поверхностей в данном случае основным методом обработки является торцовое фрезерование. При этом процесс фрезерования по силовым и температурным нагрузкам часто протекает в крайне тяжелых условиях из-за его нестационарности. В результате жесткость технологической системы значительно меньше по сравнению с обработкой на стационарном станке. В таких условиях обеспечить геометрическую точность обработанных поверхностей очень сложно. Таким образом, была поставлена задача по обеспечению требуемой точности крупногабаритных деталей для условий маложесткой технологической системы. Что актуально и при модернизации оборудования, но в этом случае недостатком является большая длительность операции механической обработки крупногабаритных деталей, что может являться дополнительной причиной экономических потерь от простоя оборудования.
Разработка специальных мер, способствующих повышению точности торцового фрезерования в условиях маложёсткой технологической системы, является актуальной задачей, решение которой позволит также повысить производительность обработки.
Целью работы является разработка технологии, учитывающей влияние разнородных факторов на процесс торцового фрезерования длинно-размерных литых деталей, обеспечивающих повышение точности обработки за счёт управления процессом развития колебаний.
Для достижения поставленных целей были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Выбрать и обосновать метод повышения точности торцового фрезерования.
-
Разработать математическую модель процесса резания, учитывающую процессы и связи, образующие технологическую систему, а также механизмы возбуждения колебаний в ней.
-
Выявить область оптимальных значений изменения скорости резания и условия, при которых технологическая система может быть поставлена в режим демпфирования колебаний.
-
Разработать методики выбора инструмента для торцового фрезерования в условиях маложесткой технологической системы и определения его предельного износа.
-
Составить алгоритм управления процессом резания на основе отрицательной обратной связи.
-
Разработать методику и способ диагностирования отклонений формы обрабатываемой поверхности в режиме реального времени.
-
Обосновать эффективность практического применения разработанного технологического обеспечения.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования является процесс точного фрезерования плоской поверхности крупногабаритной детали с помощью портативного оборудования, методики проектирования и реализации технологического процесса, инструмент и оборудование для реализации технологии точной фрезерной обработки крупногабаритных деталей.
Методы исследования базировались на основных положениях науки о резании металлов, законах термомеханики и теплофизики лезвийной обработки, теории колебаний. При проведении испытаний применялись современные, автоматизированные измерительные средства для определения сил и параметров вибраций при резании. Анализ и обработка результатов экспериментальных исследований проводились с применением программного обеспечения MathCad для моделирования процесса фрезерования, разработки и анализа моделей инструмента, приспособления и заготовки с автоматизированной генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ, разработки конструкции станочной оснастки использовались: Inventor2012, КОМПАС v13 и ADEM CAM.
Научная новизна работы:
-
Раскрыт механизм влияния сил резания на уровень колебаний в технологической системе при торцовом фрезеровании с переменной скоростью резания, на основании которого выявлена область рациональных значений изменения скорости резания, для условий маложесткой технологической системы.
-
Установлены закономерности, характеризующие влияние прогнозируемых факторов обработки: подачи, частоты вращения, скорости резания, диаметра инструмента – на развитие колебаний в технологической системе, для процесса торцового фрезерования в условиях маложесткой технологической системы.
-
Создана методика определения области рациональных режимов торцового фрезерования поверхностей крупногабаритных деталей с переменной скоростью резания, в которой учтены условия демпфирования колебаний технологической системы.
Практическая значимость работы:
-
Определены условия, при которых технологическая система может быть поставлена в режим демпфирования колебаний, что позволило повысить точность и производительность операции торцового фрезерования крупногабаритных деталей.
-
На основе предложенных методик выбора инструмента и определения его предельного износа создано программное обеспечение, существенно упростившее технологическую подготовку операции механической обработки корпусных крупногабаритных деталей.
-
Разработана конструкция оправки для насадных торцовых фрез к станкам с ЧПУ, позволяющая проводить мониторинг отклонений от плоскостности обработанной поверхности в режиме реального времени, упростив процедуры контроля точности формы обработанной поверхности и предварительной настройки оборудования.
4. Инсталлированное в систему ЧПУ станка, как подпрограмма, математическое описание установленных закономерностей влияния факторов обработки на процесс развития колебаний в системе позволило обеспечить заданную геометрическую точность обработанной поверхности с повышением производительности, за счёт обработки с переменной скоростью резания, путём корректировки режимов резания на основе данных систем контроля.
Личный вклад соискателя заключается в:
– исследовании механизма влияния сил резания на уровень колебаний в технологической системе при торцовом фрезеровании плоских поверхностей большой площади.
– исследовании взаимосвязей нескольких факторов обработки: подачи, частоты вращения, скорости резания, диаметра инструмента – с уровнем колебаний в технологической системе при точной фрезерной обработке в условиях маложесткой технологической системы.
– разработке методики определения оптимальных режимов торцового фрезерования, обеспечивающих требуемую геометрическую точность обработанной поверхности крупногабаритной детали.
– создании нового программного обеспечения, которое позволяет быстро произвести технологическую подготовку производства в зависимости от допустимого уровня виброскорости шпинделя станка и инструмента для обеспечения требуемой точности обработки.
– разработке новой (на уровне патентов) конструкции оправки для насадных торцовых фрез, с помощью которой достигается требуемая точность обработки.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа внедрена на ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат" для механической обработки крупногабаритных деталей со значительным экономическим эффектом. Разработанные методики определения оптимальных режимов резания, выбора инструмента для фрезерной обработки и оценки его износа и программное обеспечение на их основе используются в работе технологической службы Механического цеха металлургического оборудования ОАО «НЛМК».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: научном семинаре "Современные технологии в горном машиностроении" в рамках «Недели горняка 2012» (Москва, 2012); Международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии" (Липецк, 2012); XV Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы техники и технологии – Технология 2012" (Орёл, 2012); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО "Липецкий государственный технический университет" (Липецк, 2011 - 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, получено положительное решение о выдаче патента РФ.
В работах, рпубликованных в сооавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю прнадлежат: в [1] конечно-элементная модель инструмента и заготовки; во [2] математическое описание взаимосвязей режимов резания с виброскоростью шпинделя станка с инструментом; в [4] схема измерения отклонений от плоскостности бесконтактным способом; в [7] алгоритм системы управления процессом резания на основе отрицательной обратной связи и описание условий, при которых технологическая система переходит в режим гашения колебаний; в [8] взаимосвязь режимов резания с колебаниями в технологической системе при торцовом фрезеровании; в [9] конструкция оправки для насадных торцовых фрез; в [13] методика оценки точности обработки крупногабаритных деталей; в [14] методика оценки качества обработанных поверхностей большой площади; в [18] область оптимальных значений режимов резания, характеризующиеся минимальным уровнем колебаний в системе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 124 наименований, 4 приложений. Основная часть работы изложена на 131 странице, содержит 53 рисунка, 4 таблицы.
Анализ исследований динамики технологической системы при фрезеровании
Процесс фрезерования по силовым и температурным нагрузкам часто протекает в крайне тяжелых условиях. Проблема повышения эффективности операции торцового фрезерования, в большей степени, связана с возникающими в процессе торцового фрезерования вибрациями. Появлению вибраций в процессе фрезерования способствует его нестабильность вследствие периодических входов и выходов зубьев из контакта с заготовкой, сопровождающихся ударными явлениями [22, 94]. Любая интенсификация процесса торцового фрезерования сопровождается резким возрастанием уровня колебаний в технологической системе [21, 57]. Поэтому ограничением для увеличения режимов резания и повышения точности обработки при фрезеровании зачастую оказываются именно вибрации, особенно для современных портативных фрезерных станков, обладающих достаточной мощностью.
Особенностью конструкции портативного фрезерного станка (рис. 1.1) является отсутствие станины и стола. В место них используется система разного рода направляющих, на одной из которых устанавливается фрезерная головка с приводом. Именно отсутствием жестко закреплённой стационарной станины обусловлена малая жесткость станка и технологической системы в целом. В такого рода станках основным источником вибраций является шпиндельный узел.
В работе [53] указывается, что в области высоких подач при больших глубинах фрезерования технологические возможности станка ограничиваются его виброустойчивостью. Наличие автоколебаний и резонансных вынужденных колебаний приводит не только к уменьшению предела устойчивости технологической системы, но и к ухудшению параметров качества обработанной поверхности. При окончательной обработке ограничения, накладываемые на значения глубины резания и подачи на зуб, обычно связаны с требованиями к качеству и точности обработанной поверхности. Величина подачи на зуб напрямую определяет высоту шероховатости обработанной поверхности и назначается главным образом из геометрических соображений.
О влиянии вибраций, появляющихся в процессе обработки, на геометрию обработанных поверхностей указывается во многих работах [1,5, 6, 21, 33]. Например, в работе [27] доказано, что на величину поверхностных неровностей, помимо геометрических параметров режущих кромок и режимов резания, оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала и свойства технологической системы (ее виброустойчивость). В этой работе показано, что возникающие в процессе резания вибрации влияют главным образом на макрогеометрию поверхности (волнистость). В работе [6] приводятся соотношения, отражающие корреляционную связь между высотой волнистости обработанной поверхности Wz (мкм) и амплитудой колебаний А (мкм) подсистемы инструмента (/=250 Гц, скорость резания 100 м/мин):
В работе [6] указывается, что высокочастотные колебания системы инструмента оказывают большее влияние на параметры волнистости обработанной поверхности, чем низкочастотные колебания системы стол-консоль.
Во многих работах отмечается также и о связи колебаний с параметрами микрогеометрии. Так, в работе [27] на основе экспериментального измерения амплитуды колебаний приспособления и шпинделя вертикально-фрезерного станка и величины получаемой шероховатости поверхности показано, что увеличение амплитуды колебаний практически пропорционально увеличивает высоту микронеровностей обработанной поверхности.
В работе [11] указывается, что снижение интенсивности колебаний в процессе концевого фрезерования в 10 раз ведет к уменьшению высоты макро- и микронеровностей поверхности в 1,8...2 раза, при этом среднее арифметическое отклонение профиля Ra возрастает менее интенсивно, чем высота и шаг волнистости, особенно при tpe3 4 мм.
В работе [21] показано, что зависимость высоты волнистости Wz от амплитуды автоколебаний А представляет собой почти прямую линию (рис. 1.2,а), проходящую через начало координат, что подтверждает прямую пропорциональность Wz от А. Шероховатость обработанной поверхности Ra также увеличивается с ростом амплитуд автоколебаний (рис. 1.2,6), однако эта зависимость прослеживается менее четко, так как шероховатость также зависит от режима резания, геометрии и износа инструмента.
Зависимость параметров микрогеометрии обработанной поверхности Rz, Wz и погрешности выполненного размера dy от а) глубины резания tpe3, б) коэффициента перекрытия Кпер Автором работы [33] было установлено, что наибольшее влияние на развитие этих колебаний оказывает глубина резания и коэффициент перекрытия. На рис. 1.3 представлены зависимости параметров микрогеометрии обработанной поверхности Rz, Wz и погрешности выполненного размера dy (от упругих отжатий элементов технологической системы) от глубины резания и коэффициента перекрытия, полученные моделированием процесса фрезерования.
Как видно из графиков 1.3, качество обработанной поверхности резко ухудшается, как только глубина резания и коэффициент перекрытия превысят определенную величину, соответствующую моменту возникновения интенсивных вибраций на собственной частоте системы.
Вибрации, возникающие в процессе обработки, влияют также и на стойкость инструмента [6, 8, 20, 21, 30, 42, 43, 47, 86, 95], и в зависимости от частоты и амплитуды вибраций это влияние может быть как отрицательным, так и положительным.
Математическая модель упругой системы станка
Входом объекта «упругая система» являются составляющие силы резания, а также модельное время, выходом — положение инструмента относительно заготовки, определяемое рабочими движениями органов станка и виброперемещениями его звеньев под воздействием этих сил. Поэтому математическая модель упругой системы включает динамическую модель, а также геометрическую для связи координат инструмента и заготовки
Для определения относительного положения инструмента и заготовки было введено несколько систем координат. Первая из них - это система координат (далее СК) станка О а представленная на рис. 2.2. Она была введена для отображения результатов расчета виброперемещений в удобном и привычном виде. Поскольку значения виброперемещений не зависят от положения колеблющейся массы относительно начала координат, то положение центра СК станка может быть произвольным, а направление ее осей должно совпадать с общепринятым при построении расчетных схем фрезерных станков [21, 47, 80]. Для упрощения расчетов приняты еще три дополнительные системы координат (рис. 2.2): Oxyz - базовая СК; она неподвижна, в ней задаются положения центров остальных СК, в ней рассчитывается их взаимное положение; ее положение зависит от расположения шпинделя относительно стола станка (горизонтальное или вертикальное); OjXjyiZj - СК инструмента, движется вместе с инструментом, и в ней записываются его геометрические параметры; 02Х2У2Ї2 — СК заготовки, движется вместе с заготовкой, и в ней производится запись геометрических параметров обрабатываемой поверхности.
Взаимное положение различных СК принято следующим: 1. Соответствующие оси всех СК направлены одинаково, все они правые. 2. В начальный момент системы координат Oxyz и OjXjyjZj совпадают. При этом ось z (и zj) направлена вдоль оси фрезы, а плоскость Оху ( и OjXjyj) касается обработанной поверхностью заготовки. 3. Центр СК заготовки О2 сдвинут относительно центра базовой СК О вдоль оси у на величину, соответствующую смещению заготовки относительно инструмента по ширине. Плоскость О2Х2У2 сдвинута относительно базовой плоскости Оху вдоль оси z на величину, равную разнице толщины заготовки и глубины резания.
Все перемещения элементов упругой системы фиксируются в базовой СК. Если центр СК заготовки 02 совместить с выходным звеном подсистемы заготовки, а центр СК инструмента Oj - с выходным звеном подсистемы инструмента, то координаты X0i, Yoi, %оі определят положение СК инструмента, а Хо2, Y02, -Z02 - СК заготовки относительно базовой СК Oxyz. Поскольку входом объекта «инструмент» являются координаты его положения относительно заготовки, то необходимо определить положение
ТОЧКИ О] В СК ЗаГОТОВКИ 02Х2У2%2 На рис. 2.2 показана взаимосвязь систем координат. Из приведенных рисунков нетрудно определить соотношения, связывающие координаты: X 20i — X oi — Xог\ YlOl =Yo\ -Yoi\
Соотношения (2.1) определяют положение точки Oi инструмента в СК заготовки. Они могут быть также использованы для определения положения в СК заготовки любой точки, для которой известны координаты в базовой СК, в том числе для точек, принадлежащим режущим кромкам инструмента.
Динамическая модель упругой системы станка связывает силы, действующие на ее выходные звенья, с их виброперемещениями. Упругая система горизонтально-фрезерного станка имеет сложную пространственную структуру, но с достаточной для практики точностью, по данным работ [21, 80], в каждом из направлений может быть представлена состоящей из четырех основных колебательных масс: консоль, салазки, стол и шпиндель с инструментом. В зависимости от положения относительно зоны резания они сгруппированы в две подсистемы: подсистему инструмента, содержащую всего одну массу - шпиндель, и подсистему заготовки, содержащую три остальные массы. Группирование колебательных масс в пределах одной подсистемы в соответствии с их положением относительно осей координат приводит к образованию контура упругой системы с названием, соответствующим его оси. Все массы, входящие в контур, совершают не только собственные виброперемещения, но и общее движение, накладываемое на контур извне. При этом контур выступает уже как единое целое, и его положение характеризуется координатой вдоль оси контура. Так, к примеру, если для контура X одной из подсистем задано равномерное движение со скоростью v. из начального положения Хок, то координата г -ой массы будет определяться из соотношения:
Общее движение контуров обусловлено рабочими движениями узлов станка: крутильный контур подсистемы инструмента совершает равномерное вращательное движение, обусловленное вращением шпинделя; контур X подсистемы заготовки совершает равномерное поступательное движение, обусловленное движением подачи; контуры Y и Z той же подсистемы имеют начальные смещения, соответствующие положению заготовки относительно инструмента перед началом обработки (рис. 2.1), т.е. контур Y смещен вдоль ширины заготовки на величину, равную ее смещению относительно инструмента, а контур Z - вдоль толщины заготовки на величину, равную расстоянию от поверхности стола до нижней точки режущей кромки инструмента.
Исследование влияния силы резания на процесс развития колебаний
Как видно из графиков (рис. 3.6), на некоторых режимах колебания тока практически отсутствуют, т.е. сила резания остаётся постоянной на протяжении всей обработки. Это означает, что при сложении первичных автоколебаний с вторичными резонансными вынужденными колебаниями на определённых режимах резания, происходит их взаимная компенсация (эффект динамического виброгасителя). Значит, можно определить область оптимальных значений силы резания, при которых система перейдет в режим демпфирования колебаний, что позволит улучшить точность обработки и качество полученной поверхности.
Для дальнейшего исследования, по данным эксперимента, был составлен график изменения уровня виброскорости (рис. 3.7) в зависимости от изменения фактических значений силы резания (по показаниям амперметров). Так же, сила резания была определена на основе математических моделей (2.1)...(2.9) в среде программного обеспечения MathCAD, для каждого режима резания. В результате был построен график зависимости виброскорости от расчётной силы резания (рис. 3.8). г\
Изменение виброскорости при изменении значений расчётной силы резания По графикам рассматриваемых параметров (рис. 3.7 и 3.8) видно, что взаимосвязь между ними носит колебательный характер, причём можно выделить диапазоны значений силы резания, при которых виброскорость инструмента будет снижаться. Значит, увеличение силы резания до определённых значений будет способствовать снижению вибраций в системе (особенно при большой протяженности обработки). Теоретически, это делает целесообразным применение режимов высокоскоростной обработки.
Различия в экспериментальных и расчётных данных, обусловлены различными механизмами возникновения колебаний в системе, что позволяет предположить наличие нескольких механизмов влияния силы резания на виброскорость шпинделя. Значит, виброскорость V можно представить как сумму нескольких составляющих, обусловленными различными механизмами возникновения колебаний в рамках рассматриваемой взаимосвязи:
Колебания (вибрации) при резании бывают, как правило, двух типов: вынужденные, когда причиной колебаний является периодически действующая возмущающая сила, и автоколебания, совершающиеся без воздействия внешней периодической возмущающей силы (колебания, самовозбуждающиеся в процессе стружкообразования).
Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в технологической системе внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы. Эти силы могут быть разделены на две группы:
Переменные силы, возникающие в системе вне зоны резания. К этой группе относятся колебания, вызванные дефектами механизмов станка: перекосом осей, погрешностями зубчатых или клиноременных передач, повышенными люфтами и т.п.; дисбалансом его отдельных вращающихся частей: заготовок, приспособлений, инструментов и т.п., а также колебаниями, передаваемыми на станок от других работающих машин. Этот вид колебания можно оценить по параметру виброскорости шпинделя станка с инструментом на холостом ходе: V0= const (3.4)
Как видно из графиков, рассматриваемая зависимость хоть и носит колебательный характер, но имеет определённую тенденцию к снижению виброскорости шпинделя при увеличении силы резания. Можно предположить, что сила резания может непосредственно влиять на изменение параметра виброскорости, а это влияние носит линейный или близкий к нему характер. Степень влияния следует оценивать с помощью определенного коэффициента с, поэтому данную зависимость, в общем виде, можно представить как уравнение: V3=f(x) = -c-x = -c-P. (3.7)
Интенсивность вибраций зависит также от изменения сил резания при обработке волнистой поверхности, образованной автоколебаниями после предыдущего прохода. Таким образом, первичные автоколебания складываются с вторичными резонансными вынужденными колебаниями. На основании этого, исходя из математического анализа экспериментальных данных, уравнение (3.3) преобразуется к следующей зависимости:
.Определение значений коэффициентов с, к и h осуществлялось с помощью компьютерного эксперимента, для чего использовалось программное обеспечение MathCAD. Подставив найденные значения коэффициентов в уравнение (3.7), получим модель, описывающую изменение виброскорости шпинделя станка при варьировании значений силы резания: V = Л, cos(/, Р0,42 + 4,5)- А2 sin(/2 Р0,7 + 2,71) -0,512 Р + V0. (3.8) В результате анализа уравнения (3.8) была построена область оптимальных значений силы резания (рис. 3.9), границами которой являются функциональные зависимости виброскорости шпинделя станка и параметров обработки: минутная подача, частота вращения, скорость резания, диаметр фрезы. Внутри полученной области находятся оптимальные значения силы резания, при которых система переходит в режим демпфирования колебаний. Поэтому, следующая задача состоит в выявлении указанных функциональных взаимосвязей и рассмотрение каждой из них в отдельности.
Следует учитывать, что резкое изменение силы резания может привести к снижению стойкости инструмента, этого можно избежать, если использовать плавные траектории движения инструмента, с разработкой соответствующих управляющих программ (Приложение 4).
Разработка системы контроля отклонений от плоскостности в режиме реального времени
Для этого предлагается использовать шариковые подшипники качения легкой и особо лёгкой серий. Они имеют наименьшие потери по трению, соответственно могут работать на больших скоростях вращения. Кроме того, соединительные кабели датчиков находятся в кабелепроводе, расположенном вдоль оси шпинделя, который так же имеет опорные подшипники. По кабелепроводу достаточно удобно проложить соединительные кабели для датчиков при подключении системы. Корпус с установленными датчиками вставляется в станочную оснастку с внешней стороны, при этом опорный подшипник корпуса фиксируется стопорными кольцами снаружи, а внутри устанавливается упругий элемент на рис. 4.7 рассмотрен вариант с конической пружиной), который создаёт достаточное распорное усилие для исключения поворота внутреннего кольца подшипника корпуса.
В предложенной схеме наружные кольца подшипников вращаются вместе со станочной оснасткой, а внутренние остаются неподвижными, что делает возможным подключить датчик к системе ЧПУ оборудования. Для удобства обслуживания и эффективного использования систему измерения, работающую по предложенной схеме нужно интегрировать в станочную оснастку. Три датчика положения располагаются по окружности относительно оси инструмента (шпинделя). В случае фрезерной обработки -система устанавливается в оправку для фрезы. Компьютерное моделирование работоспособности данной системы проводилось на базе оправки Sandvik Coromant для насадных торцовых фрез, центрируемых по отверстию, к станкам с ЧПУ (рис. 4.8). Создание моделей проводилось на базе пакета программ KOMIIAC-3D VI2 и Autodesk Inventor 2010.
Функционирование разработанной системы контроля, осуществляется на базе управляющей программы (УП), разработанной на основе уравнений (3.20)...(3.24). Таким образом, обрабатываемая поверхность разбивается на множество локальных участков, на каждом из которых достигается минимально возможное отклонение от плоскостности. При этом для соблюдения геометрической точности в габаритах всей поверхности, необходима единая измерительная база. Такой базой служит мнимая плоскость (рис. 4.9 и 4.10), которая является эталонной для обрабатываемой поверхности, её положение задаётся на программном уровне с помощью геометрических моделей (2.2), (2.7), (2.9) и заданного значения глубины резания. Оценка отклонений от плоскостности производится согласно рассматриваемой схеме (рис. 4.9), по двум критериям:
1) Определяется отклонение от эталонного значения. Эталонное значение показаний датчиков 1о задаётся, исходя из глубины резания. Далее, в одном из модулей УП определяется разность между предельными показаниями датчиков и 1о. A=\Ln-lo[
Полученные значения А сравниваются с предельными отклонениями, заданными по чертежу. Если значения А больше, то УП выдаёт рекомендации по изменению параметров обработки или меняет их автоматически, взаимодействуя с САМ-системой. Для своевременного реагирования необходимо предельные отклонения по чертежу делить на два. Таким образом, определяются отклонения от плоскостности на локальном участке поверхности детали в заданный момент времени. При этом датчики могут настраивать на программном уровне, с учётом погрешности установки (рис. 4.10).
2) Определяется пространственное положение плоскости. Оно определяется как проекция равностороннего треугольника (по вершинам которого проходят измерения) со стороной а (рис. 4.9) на обработанную поверхность детали. По разности в показаниях датчиков определяется угол наклона поверхности на заданном участке относительно эталонного уровня и определяется наибольшая разность в показаниях:
Значение Аизм рассчитывается с заданным временным интервалом, по мере того, как ось инструмента смещается на определённое расстояние, относительно начала обработки (которое задаётся требованиями чертежа).
Оправка для насадных торцовых фрез была изготовлена на базе оправки Sandvik Coromant (DIN 69871 А), для измерения использовались бесконтактные датчики Omron E2FM. Разработанная конструкция оправки для насадных торцовых фрез к станкам с ЧПУ, позволила проводить мониторинг отклонений от плоскостности обработанной поверхности в режиме реального времени, упростив процедуры контроля точности формы обработанной поверхности и предварительной настройки оборудования. Это позволило объединить во времени процесс резания и операции контроля, что привело к повышению производительности операции торцового фрезерования для условий маложесткой технологической системы.
Практическая реализация технологического обеспечения точности торцового фрезерования крупногабаритных деталей
Практическая реализация операции торцового фрезерования с адаптивной скоростью резания предполагает обеспечение заданной геометрической точности обработанных поверхностей, при повышении эффективности операции в целом. Для практической реализации указанного метода, на основе предложенных методик выбора инструмента (п. 3.4) и определения его предельного износа (п. 3.5), создано программное обеспечение (Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012616796 и №2012617165), существенно упростившее технологическую подготовку операции торцового фрезерования крупногабаритной детали портативным оборудованием.
На основе предложенной методики определения режимов резания и разработанного алгоритма процесса резания была осуществлена механическая обработка нижних плоских поверхностей станины прокатного стана 2000 (рис. 4.11). Эти поверхности являются опорными для подушек валков, поэтому к ним предъявляются жесткие требование по точности, критерием оценки которой служит максимальная величина отклонений от плоскостности: не более 0,1 мм на каждые 1000 мм длины. Сама станина представляет собой литую деталь массой 118 т из стали ЗОЛ. В результате анализа установленных зависимостей (3.17)...(3.24) было установлено, что скорость резания при реализации предлагаемого метода обработки следует изменять в пределах ±12 мм/мин от базового значения.
