Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы технологического обеспечения шероховатости поверхности и точности формы в процессе изготовления ступенчатых валов 13
1.1 Анализ основных проблем 13
1.2 Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления ступенчатого вала на точность формы и параметры шероховатости поверхности 16
1.3 Обзор методов технологического обеспечения шероховатости и точности формы ступенчатых валов 28
1.4 Обзор литературных источников, постановка цели и задач исследования
ГЛАВА 2 Способ технологического обеспечения качества поверхности ступенчатых деталей типа «тел вращения» на участках переходных режимов 42
2.1 Роль приводов в обеспечении требуемой точности ступенчатых деталей.
2.2 Трение в направляющих при наличии граничного слоя смазочного материала 51
2.3 Исследование нелинейных связей и условий их проявления в приводах подач 59
2.4 Выводы по второй главе 72
ГЛАВА 3 Динамическая модель технологической системы механической обработки ступенчатых валов с учетом процессов малоамплитудного трения в направляющих станка на переходных режимах 73
3.1 Упрощение нелинейной математической модели технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» 73
3.2 Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа "тел вращения" на основе переходного процесса 87
3.3 Имитационное моделирование влияния переходных режимов при смене направления обработки на динамическую устойчивость в технологической системе механической обработки ступенчатых деталей типа «тел вращения»
3.4 Выводы по третьей главе 100
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования влияния корректировки исполнительной программы чпу на технологическое обеспечение шероховатости и точности в процессе механической обработки ступенчатого вала 102
4.1 Экспериментальные исследования влияния корректировки исполнительной программы ЧПУ на процесс динамической устойчивости механической обработки 102
4.2 Экспериментальные исследования параметров шероховатости поверхности при изменяемых режимных параметрах в областях переходного процесса изготовления ступенчатых деталей 107
4.3 Экспериментальные исследования точности формы детали «вал-шестерня» редуктора с использованием метода корректировки режимных параметров на участках переходных процессов 117
4.4 Выводы по четвертой главе 122
Заключение 123
Список литературы
- Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления ступенчатого вала на точность формы и параметры шероховатости поверхности
- Обзор методов технологического обеспечения шероховатости и точности формы ступенчатых валов
- Трение в направляющих при наличии граничного слоя смазочного материала
- Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа "тел вращения" на основе переходного процесса
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Детали типа валов и осей являются одними из наиболее нагруженных деталей машин и механизмов и применяются во всех отраслях машиностроения. Исходя из условия прочности целесообразно конструировать валы переменного сечения, приближающиеся по форме к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма удобна для изготовления и сборки, уступы могут воспринимать большие осевые силы.
При изготовлении валов, для обеспечения надежности подшипников, снижения вибраций и изгибающих напряжений предъявляются высокие требования к точности размеров (h6...h8), геометрической форме, взаимному расположению отдельных поверхностей и шероховатости поверхности (0,40...1,25 мкм). Для изготовления высоконагруженных валов используют легированные многокомпонентные стали: 40ХН, 40ХН2МА, 40ХНТА, 30ХГТ, 30ХГСА. Валы из этих сталей обычно подвергают закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке ТВЧ с низким отпуском.
Наиболее трудоемкими считаются ступенчатые валы, для
установки быстроходных конических валов применяются
радиально-упорные подшипники, вследствие чего предъявляются
высокие требования к качеству и точности уступов вала.
Технологические переходы при изготовлении ступенчатых валов
характерны высокой концентрацией переходных процессов, при
которых происходит изменение режимных параметров обработки,
направления движения инструмента, осуществляемого
одновременно приводами продольных и поперечных подач.
Точность обработки валов ступенчатых поверхностей на станках с
ЧПУ характеризуется дополнительными специфическими
проявлениями: точностью линейного позиционирования рабочих органов, величиной зоны нечувствительности, отставанием при смене направления движения, точностью возврата, стабильностью выхода в заданную точку, а также режимом интерполяции в условиях переходных процессов.
Отличительной чертой обработки в условиях переходных режимов является резание с переменной величиной нагрузки в
сечении срезаемого слоя, что приводит к изменению сил резания, появлению вибраций, увеличению шероховатости поверхностного слоя и уменьшению точности размеров, усиленному износу режущей поверхности инструмента. Это в свою очередь снижает стойкость инструмента и способствует появлению зазоров и люфтов в технологической системе.
Важнейшим условием получения высокого качества
обрабатываемой поверхности является обеспечение устойчивости процесса резания. На развитие автоколебательного процесса в технологической системе механической обработки (ТСМО) в том числе оказывают влияние процессы малоамплитудного трения в суппортной группе станка, особенно это актуально на переходных режимах обработки.
К вопросам технологического обеспечения шероховатости и
точности поверхностей деталей, изготавливаемых на станках с ЧПУ
уже подходили со стороны прогнозирования износа режущего
инструмента, термических процессов, упругих деформаций
заготовки в процессе обработки. Однако при изготовлении ступенчатых валов, в которых предъявляются высокие требования к точности и шероховатости поверхностей одновременно торца и шеек вала (например, вал-шестерня) важно учитывать изменение динамических свойств ТСМО на участках переходных процессов.
Реализация алгоритмов построения исполнительного кода
системы ЧПУ в CAM-системах, учитывающих изменение
устойчивости технологической системы на участках смены
направления движения инструмента и областях разгона -
торможения, обеспечивающих "устойчивые" режимные параметры
обработки на всем технологическом переходе, обеспечит требуемые
параметры качества и точности изготавливаемых поверхностей,
позволит заменить операцию шлифования финишной токарной
обработкой на станке с ЧПУ, тем самым повысит
производительность, снизит удельные затраты на деталь, снизит
влияние человеческого фактора, повысит эксплуатационные
характеристики вала отсутствием канавок для выхода
шлифовального круга.
Объектом исследования является обеспечение параметров точности формы и шероховатости поверхности ступенчатых деталей типа «тел вращения».
Предметом исследования является шероховатость
поверхностного слоя и точность формы ступенчатых поверхностей деталей типа «тел вращения».
Цель работы заключается в технологическом обеспечении параметров точности и шероховатости поверхности ступенчатых валов на основе реализации алгоритмов создания исполнительного кода ЧПУ с учетом изменения устойчивости технологической системы на переходных режимах и процессов малоамплитудного трения в направляющих токарного станка при чистовой обработке.
Методы исследования работы основываются на основных
теоретических положениях технологии машиностроения, теории
резания однолезвийным инструментом металлов, теории
автоколебаний, трибоники. Проведение экспериментальных
исследований осуществлялось с применением современных средств компьютерного моделирования LabVIEW 2016, использованием высокоточных приборов VibxpertEx и MMQ 400 CNC.
Достоверность полученных результатов, выводов и
рекомендаций в диссертационной работе обеспечиваются: точными физико–математическими постановками задач и методов их решения; применением в исследовательской части работы современных методов технологии машиностроения, теории резания материалов, динамики технологической системы механической обработки и современных вычислительных приборов и техники; высокой сходимостью теоретических и экспериментальных значений; положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях.
Научная новизна заключается в решении актуальной задачи, направленной на выявление связей между заданными показателями качества поверхности изделия и динамическими свойствами технологической системы на участках обработки «углов», позволяющая разработать новый технологический процесс детали «вал-шестерня» за счет реализации алгоритма построения программы ЧПУ, корректирующей режимные параметры обработки
переходных процессов с учетом изменения границ области устойчивости ТСМО.
Составляющими научной новизны являются:
– разработка математической модели технологической системы
на переходных режимах при изготовлении ступенчатых валов с
учетом особенностей малоамплитудного трения в узлах
позиционирования инструмента на станках с ЧПУ;
– установление параметров влияния дискретности системы ЧПУ на технологическое обеспечение шероховатости поверхностей ступенчатого вала;
– создание алгоритмов интерполяции управляющей программы в областях переходных процессов с учетом изменения динамических свойств ТСМО.
– разработка алгоритма построения программы ЧПУ, автоматически корректирующей режимные параметры обработки переходного процесса с учетом изменения границ области устойчивости ТСМО и требуемых параметров шероховатости и точности обрабатываемой поверхности.
Практическая ценность работы:
- разработанная технология изготовления прецизионных поверхностей ступенчатых валов с обеспечением требований по шероховатости поверхности, точности размеров, прямолинейности, круглости;
- практические рекомендации по выбору режимных
параметров и дискретности системы ЧПУ на переходных режимах обработки прецизионных ступенчатых валов для обеспечения требуемой точности и шероховатости поверхности.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Функциональные зависимости, позволяющие устанавливать
скорость и дискретность перемещения суппорта для обеспечения
требуемой точности обработки траектории по направляющим
скольжения в условиях граничного трения на участках обработки
переходных процессов.
2. Математическая модель ТСМО, учитывающая влияние
изменения режимных параметров, возникающих на этапах
переходных процессов и этапах обработки сложной траектории с
припуском и режимами резания, необходимыми для обеспечения устойчивого резания и технологическим обеспечением параметров шероховатости и точности при изготовлении сложнопрофильных деталей типа «тел вращения».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих научно-практических
конференциях: Всероссийская конференция – конкурс студентов
выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2013г.); Международный
форум – конкурс молодых учёных «Проблемы недропользования»
(г. Санкт-Петербург, 2013г.); 1ая Региональная межвузовская научно
- практическая конференция «Инновационные системы плани
рования и управления на транспорте и в машиностроении» (г.
Санкт-Петербург, 2013г.); 2ая Международная научно -
практическая конференция «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); 3ая Международная научно - практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); «Инновации на транспорте и Машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Машиностроения» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» в 2017 г.
Основные положения работы и результаты исследований отражены в НИР в рамках выполнения проектной части государственного задания № 9-2642-2014/К от 11 июля 2014 г. Проект: «Разработка и исследование микроструктуры режущей керамики, ее влияние на управление работоспособностью инструмента и параметры качества обработки на станках с ЧПУ».
Методика использования изменяемых режимных параметров на основе обеспечения устойчивости технологической системы на участках переходных опробована в производственном процессе предприятия ООО «Научно-производственный центр «ЛКТ».
Отдельные научные положения работы приняты к внедрению в
учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 15.03.01 –
Машиностроение, профилю «Технология, оборудование и
автоматизация машиностроительных производств» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, 3 из них входят в перечень журналов, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и содержание. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, в том числе содержит 28 таблиц, 94 рисунка, 103 наименований литературы.
Работа соответствует паспорту специальности - 05.02.08
«Технология машиностроения». Согласно формуле специальности, в
ней «совершенствуются существующие и разрабатываются
новые методы обработки и сборки с целью повышения качества
изделий машиностроения и снижения себестоимости их
выпуска» в соответствии с пунктом (4), а также «соблюдается
технологическое обеспечение и повышение качества
шероховатости поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин» в соответствии с пунктом (7).
Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления ступенчатого вала на точность формы и параметры шероховатости поверхности
Проведя анализ действующего технологического процесса вала шестерни редуктора выявлено, что изготовление детали производится из марки стали 40ХН, химический состав и механические свойства которой представлены в таблицах 1.1, 1.2. Самые высокие требования предъявляются к поверхности вала на участке с диаметром (Рисунок 1.3), где необходимо помимо обеспечения параметра шероховатости по значению =0.8 мкм, соблюсти назначение допуска на цилиндричность, прямолинейность и округлость не более чем 0,1 мм. Также необходимо изготовить прилегающий торец по =1.6 мкм. Допуск торцевого биения на диаметр относительно оси А не должен превышать 0,012 мм, а радиальное биение -0,1 мм. Формирование качества поверхности на цилиндрическом участке вала диаметром осуществляется с учетом круглошлифовальной операции, которая как уже ранее было описано, может привести к формированию шаржированной поверхности, а также усталостной прочности и сниженной износостойкости, нарушая эксплуатационные свойства вала [6]. В целях устранения возможных негативных последствий целесообразно исключить из технологического процесса крглошлифовальную операцию, достигая заданные показатели геометрической точности формы и шероховатости поверхности в технологическом процессе изготовления детали коническая вал-шестерня на этапах механической токарной обработки.
Слежует отметить тот факт, что формирование качественных показателей на этапах механической токарной обработки требует проведения глубокого анализа, позволяющего выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на точность формы и шероховатость поверхности при изготовлении детали «вал-шестерня» редуктора. Решение данной задачи позволит в соответствии с технологическим процессом соблюсти необходимые качественные показатели ответственных поверхностей вала, как показано на чертеже, без применения круглошлифовальной операции. Таблица 1.1 - Химический состав стали 40ХН (ГОСТ 4543-71)
Так, формирующаяся шероховатость поверхностности на этапе механической обработки детали «вал-шестерня» редуктора зависит от ряда следующих приведенных факторов (Рисунок 1.4) [69]: - геометрической части режущего инструмента 1 определяющейся состоянием угла в плане и вспомогательным углом в плане , радиусом при вершине , а также влиянием кинематического перемещения инструмента;
Схема расчета высотного профиля шероховатости поверхности при механической обработке, где: 1 – задаваемый профиль; 2 – реальный профиль - колебательного движения инструмента 2 в направлении нормали к обрабатываемой поверхности заготовки, зависящего от скорости резания – , – глубины резания, – жесткости технологической системы, – твердости заготовки; - упругопластической деформации срезаемого слоя при контакте режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью 3. - шероховатости инструмента 4, описывающегося значениями шероховатости вершины резца и подачей – . В совокупности данные четыре фактора определяют среднюю высоту профиля шероховатости поверхности, образующуюся при механической обработке. На точность формы в технологическом процессе изготовления высокоответственной детали «вал-шестерня» редуктора может повлиять [1, 26]: размерный износ инструмента; наростообразование на режущей кромке инструмента (Рисунок 1.5); недостаточная жесткость технологической системы станка; вибрации при механической обработке.
АН и на увеличение шероховатости поверхности по параметру , где: 1 - режущий инструмент; 2 - нарост; 3 - обрабатываемая поверхность; 4 - стружка; рез - угол резания; 5Рез - угол резания при образовавшемся наросте Более подробно рассмотрим некоторые из перечисленных выше факторов, оказывающих наибольшее влияние на геометрическую точность формы и параметры шероховатости поверхности в технологическом процессе изготовления детали «вал-шестерня» редуктора.
Как показали исследования [49, 63], на формирование шероховатости при механической обработке наибольшее влияние оказывает воздействие значения подачи, геометрической формы углов и неровности режущей части инструмента. Так, за один оборот детали на величину подачи , мм/об совершается движение из положения (см. Рисунок 1.6, а), в результате которого инструмент оставляет на поверхности часть несрезанного металла в виде неровностей.
В результате, при уменьшении величины подачи происходит уменьшение высоты неровности (см. Рисунок 1.6, б). В свою очередь, изменение главного угла в плане и вспомогательного влечет за собой изменения, как высоты, так и формы неровностей поверхности (см. Рисунок 1.6, в). Увеличение радиуса закругления резца при вершине от 1 до 2 (см. Рисунок 1.6, г, д) приводит к уменьшению высот расчетных неровностей.
Влияние геометрических углов режущего инструмента на шероховатость поверхности Таким образом, из числа внешних геометрических факторов наибольшее влияние на шероховатость изготавливаемой поверхности при токарной обработке оказывает радиус скругления при вершине резца. На рисунке 1.7 показано влияние радиуса скругления на параметры шероховатости и обработанной поверхности при различных подачах. Рисунок 1.7 – Влияние изменений радиуса при вершине резца и подач на шероховатость обработанной поверхности при обработке стали 40ХН резцом Т1 К Из приведенных данных видно, что увеличение радиуса при вершине снижает показания шероховатости Rz обработанной поверхности. Проведенное сравнение экспериментальной и расчетной высот микронеровностей поверхности показало, что при точении стали 40ХН твердосплавным резцом Т15К6 с различными радиусами при вершине на подачах = 0.08 - 0.15 мм/об с постоянными значениями = 22 м/мин, = = 45 , = = 10, = 1 мм практически отсутствует разница между экспериментальной и расчетной высотами микронеровностей изготовленной поверхности (Рисунок 1.8). При обработке с подачами = 0,2 - 0,3 - 0,4 мм/об фактическая высота неровностей значительно ниже расчетной, и чем больше подача и меньше радиус при вершине, тем больше разница между фактической и расчетной шероховатостью. При механической обработке с подачей = 0,2 мм/об и радиусом = 0,5 мм высота микронеровностей изготовленной поверхности по сравнению с расчетной ниже на 5 мкм, при точении с подачей = 0,4 мм/об эта разница составляет 18,5 мкм. Меньшая высота микронеровностей полученной поверхности по сравнению с расчетной может быть объяснена боковым расширением стружки и срывом гребешков на поверхности. Расширению стружки может способствовать высокая пластичность металла [74].
Известно, чем более пластичен обрабатываемый материал и чем выше величины подач, тем значительнее сказывается эффект от срезания вершин микронеровностей обработанной поверхности.
При некотором значении подачи n, зависящем от величины радиуса при вершине резца, высота микронеровностей поверхности практически перестает изменяется со снижением скорости подачи (Рисунок 1.9).
Обзор методов технологического обеспечения шероховатости и точности формы ступенчатых валов
Обеспечения требуемой точности поверхности детали настолько сложная, многогранная и индивидуальная проблема для различных типов станков, что на настояще временя даже не разработана полная классификация видов погрешностей, определяющих результирующую точность. Для определения роли приводов в обеспечении точности детали сначала необходимо обозначить существующий взгляд на данную проблему.
Дополнительно к традиционным классификациям, основанным на анализе влияния физических явлений, сопровождающих процесс обработки заготовки, и принципе по месту возникновения, подход с точки зрения мехатронных систем базируется на анализе потерь информации, возникающих при её преобразовании, на пути от чертежа до готового изделия. В данном случае важное значение приобретает хронологический принцип классификации погрешностей, определяющий момент их возникновения. Согласно этому принципу выделяются четыре основных стадии преобразования информации: 1) определение основных параметров ТСМО (станок – приспособление – инструмент – деталь); 2) подготовка технологической системы к производству; 3) обработка заготовки; 4) контроль готового изделия.
Хронологический принцип ниболее важен при технологическом обеспечении точности путем коррекций и компенсаций, по причине того, что ошибки, возникшие на более ранних этапах, зачастую уже невозможно скомпенсировать в дальнейшем.
Погрешности, закладываемые на первой стадии, обусловлены выбором схем формообразования, базирования инструмента и заготовки, оборудования, технологической оснастки и инструмента. Сюда также можно отнести образующиеся специфические для станков с ЧПУ погрешности, вызванные непосредственно самим принципом программного управления, так как информация в форме чертежа на бумаге или векторной форме графического изображения проходит через преобразования в программный код. В процессе возникают ошибки, обусловленные особенностями вычислительных алгоритмов, аппроксимацией реального контура при разбиении его на программные кадры, также работой алгоритмов интерполяции в каждом кадре. Большая часть данных погрешностей носит закономерный характер.
Подготовка ТСМО к производству характеризуется: погрешностями установки приспособлений и инструмента на станке, также заготовки в приспособлении, упругими деформациями элементов технологической системы вследствие усилий их закрепления, характерными для станков с ЧПУ погрешностями, обусловленными невозможностью точно вывести инструмент и заготовку в расчётнй ноль программы и т.д. Большинство данных погрешностей носит случайный, или вызванный человеческим фактором характер.
В процессе обработки на деталь переносятся погрешности, закладываемые на двух предшествующих стадиях, а также возникают новые, вызванные совокупностью физических явлений, характеризующих процесс механической обработки заготовки. Их причинами являются: – деформации, обусловленные собственной упругостью элементов ТСМО и наличием зазоров в подвижных узлах станка, собственым весом узлов и усилий при резании, зависящие от позиционирования заготовки и инструмента в рабочем пространстве станка; – отклонения от заданного положения заготовки и инструмента по причине погрешностей формы и взаимного расположения базовых поверхностей узлов станка в различных интервалах рабочего пространства, характеризующие его геометрическую точность; – неидеальная взаимосвязь и согласованность при относительных перемещениях инструмента и заготовки, характеризующие кинематическую точность станка; – непостоянные температурные деформации, обусловленные термодинамическими процессами в технологической системе, величина и характер которых в большей степени определяются конструкцией элементов ТСМО и размещением источников тепловыделения, таких как: процесс резания, трение, двигатели, тепло окружающей среды и т.д. А также качеством производства, сборки и эксплуатационными условиями оборудования; – динамические процессы в технологической системе, обусловленные различными причинами: неравномерностью процесса резания вследствие колебаний величины припуска, неоднородностью усилий в подшипниках при различных углах поворота и т. д.; – трение и износ в механизмах станка, режущих кромок инструмента и базовых поверхностей станка, приспособлений и державок; – динамические процессы в приводах станков, связанные контурами обратной связи по положению и скорости, вызванные инерцией системы и упругодиссипативными свойствами задающего звена, запаздываниями при передаче информации, местами установки и точностью самих датчиков положения.
Также следует учитывать взаимосвязь физических явления, влияющих на точность. Например, процессы малоамплитудного трения в направляющих станка и упругие деформации привода приводят к развитию фрикционных автоколебаний при перемещении узлов станка.
К особенностям рассматриваемого комплекса факторов погрешностей следует включить их тесную взаимосвязь, а именно – как способность накладываться друг на другаа, так и в некоторых случаях частично компенсировать или полностью поглощать отдельные составляющие, зависимость от большого числа случайных или вариативных, плохо поддающихся точному учёту причин, от координат в рабочем пространстве станка, времени, и режимных параметров технологического процесса.
Трение в направляющих при наличии граничного слоя смазочного материала
Главным критерием динамической устойчивости ТСМО являются эксплуатационно пригодные условия. Анализ колебаний, развивающихся в подсистеме «инструмент-заготовка», сводится к определению зависимостей в динамике технологической системы, а также взаимосвязи свойств системы и стабильности функционирования исследуемой подсистемы. Оценить влияние подсистемы на динамическое состояние ТСМО позволяет определение границ области устойчивости. Для этого необходимо решить ряд задач [12, 13, 50, 52]: - построить математическую модель замкнутой автоколебательной технологической системы механической обработки с учетом особенностей инерционных и упруго-диссипативных свойств на переходных режимах; - произвести переход от сложной многомерной к упрощенной динамической модели, учитывающей изменение направления обработки, геометрии инструмента и колебательных процессов в направляющих станка.
Упрощение нелинейной математической модели технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения» В целях проведения качественного динамического анализа на устойчивость технологической системы механической обработки ступенчатых деталей типа «тел вращения» необходимо осуществить переход от многомерной модели к более простой. Для характеризации полного процесса протекающего в технологической системе на участках переходных реимов необходимо выбрать схему модели, связанную с выделением подсистем и выявлением структурных связей, определением числа степеней свободы, а также направления координат. В таком случае, технологическая система выражается в виде сложной подсистемы с элементами, объединенными в блоки.
Для этого необходимо выделить главные особенности технологической системы: - технологическая система является независимой и замкнутой; - при пространственном соотношении характеризуется межэлементарное взаимодействие системы, позволяеющее выразить характеристику данного процесса в виде зависимости приращения смещения элементов и сил взаимодействия; - координаты, характеризующие отклонения, в то же время являются выходными координатами рассматриваемого элемента технологической системы, а также входными координатами соответствующего процесса. Что приводит к тому, что вынуждающие силы, рассеивают или увеличивают результирующую энергию, как следовие, меняются характеристики взаимодействия сил, что приводит к перераспределению энергии внутри замкнутого цикла, в результате изменяется динамическое состояние, переходящее в неуправляемое; - имеющие место автоколебания в технологической системе являются нелинейными; - среди смещений в технологической системе возможно определить группу элементов, являющихся доминирующими в процессе механической обработки заготовки. К доминирующим относятся смещения по координате, определяющей перемещение инструмента по направлению нормали к заготовке.
В таком случае адекватный переход к модели пониженной размерности осуществляется исходя из ограниченности частотного диапазона возмущающих воздействий и малых диссипативных свойств технологической системы. Упрощение модели, осуществляемой по методике В.Л. Вейца [12, 13], обосновывается близостью спектральных характеристик с исходной моделью.
Упрощенная и исходная модель являются равносильными, в случае выполнения условия: рО,И ) ет; (3.1) p(W, W") = minp(W, W"), (3.2) где , - матрица частотных характеристик модели исходной и упрощенной, ( , ) - метрика, задающая расстояние между и , заданная величина ошибок. Выполнение условий обобщенной (3.1) и упрощенной (3.2) модели обеспечиваются близостью фазовых и амплитудно-частотных характеристик.
В данной работе объектом исследования принят токарно-винторезный станок с ЧПУ модели KNUTH PicoTurn CNC, общий вид которого представлен на рисунке 3.1. Конструкция станка состоит из следующих основных элементов: 1 - шпиндельный узел; 2 - суппорт; 3 - задняя бабка; 4 - режущий инструмент; 5 - заготовка. Пространственные координатные оси станка ориентируются в пространстве по следующему принципу: параллельно продольной оси подачи выбирается ось O ; параллельно поперечной оси подачи выбирается ось O ; O – направлена по нормали к плоскости OX .
На основании рассмотренной конструкции, априорную модель станка KNUTH PicoTurn CNC можно выразить в качестве подсистем связанных между собой через значения приведенных масс mi, коэффициентов вязкого сопротивления bi и жесткостных коэффициентов ci, где: X-X, Y-Y, Z-Z – суппорт – заготовка – шпиндель – задняя бабка; X-X, Y-Y, Z-Z – резцедержатель с инструментом и суппортом станка; шпиндельный узел в крутильном направлении с установленной заготовкой (Рисунок 3.2).
Элементы принятой априорной модели технологической системы токарно станка с ЧПУ модели KNUTH PicoTurn CNC представлены в таблице 3.1.
KNUTH PicoTurn CNC В дальнейшем необходимо определить частоты собственных колебаний, и вычислить составляющего логарифмического декремента затухания, в отдельности каждого элемента и направления.
Зависимости собственных затухающих колебаний фиксировались с применением многоканальной платы NI CompactRIO (Рисунок 3.3), состоящим из: 1 - контроллера; 2 - модулей ввода-вывода; 3 - компьютера с установленной высокопроизводительной графической средой LabVIEW v13.0 для записи и последующей обработки зависимостей затухающих колебаний
Платформа NI CompactRIO, подключенная к компьютеру с установленным программным обеспечением LabVIEW 14 для снятия затухающих колебаний Собственные колебания элементов станка регестрировались поочередно 5 раз. Частоты свободных затухающих колебаний fc вычисляются по формуле: fc = /1, (3.3) где / - период колебаний, - число полных циклов колебаний. В таком случае логарифмический декремент затухания А выражаетсяется следующей формулой: А=—/ , (3.4) где АІ и Ai+n - амплитуды колебаний, находящихся на расстоянии друг от друга на п число периодов.
Полученные измерений свободных колебаний для технологической системы станка KNUTH PicoTurn CNC, а также логарифмических декрементов затухания элементов в направлениях выбранных осей координат представлены в таблице 3.2 [1].
Вычисление коэффициентов жесткости элементов станка осуществлялся статическим методом на основе диаграмм нагрузка-перемещение. Технологическая система подвергалась воздействию ступенчатых нагрузок в направлениях принятых осей координат до момента достижения заданных значений номинальной нагрузки, установленной ГОСТ 18097-93 для станков данного типоразмера, равной 5500 Н.
Нагружающее воздействие на выделенные элементы станка производилось с использованием динамометра ДОСМ-3-02 (Рисунок 3.4). Каждый элемент станка подвергался ступенчатому нагружению в заданных направлениях не менее пяти раз, после предварительного пятикратного нагружения - разгружения системы с силовым воздействием, превышающим номинальное на 30%. Таблица 3.2 - Частоты собственных и логарифмических декрементов
Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа "тел вращения" на основе переходного процесса
Цель экспериментального исследования заключается в оценке влияния изменения условий обработки в области переходных режимов при изготовленияя ступенчатых поверхностей на технологический процесс изготовления детали «вал-шестерня» редуктора. Что позволит построить границы области устойчивости и определить технологические возможности предложенного метода. В качестве примера на рисунке 4.1 представлены диаграммы области устойчивости, полученные экспериментальным путем в плоскости параметров t и при механической обработке стали 40ХН в условиях переходного процесса для перемещения инструмента в продольном направлении и поперечном направлении, рисунок 4.2.
Построенные диаграммы отображают границв зоны устойчивости для процесса обработки с изменяемыми режимными параметрами и при обычном точении. Область с правой стороны данных границ характеризуют область режимов механической обработки, при которых процесс изготовления детали «вал-шестерня» редуктора является не стабильным, с точки зрения устойчивости технологической системы. В процессе обработке при режимах, выходящих за данные границы возникают вибрации, ухудшающие показатели шероховатости поверхности и точность формы изготавливаемой детали, а режимы с левой стороны характеризуются устойчивым процессом механической обработки.
Произвольные точки 1 и 2 соответствуют режимам механической обработки удовлетворяющим критерию устойчивыми по параметру скорости резания, где: 1 – точка, выбранная для стандартного процесса обработки; 2 – точка для процесса обработки с применением корректировки параметров на переходном процессе. В свою очередь точка 3, выходящая за границы области устойчивости, харрактеризует динамически неустойчивой процесс.
Анализ проведенного имитационного моделирования в программной среде NI LabVIEW 2014 позволяет при последовательном решении систем дифференциальных уравнений (3.20) с учетом изменения значений коэффициентов, отражающих изменение характера обработки и изменение механических свойств с уровня 1{xп1(t),zп1(t),i1,,j1 } на 2{ xп2(t),zп2(t),i2,,j2 }, по полученным расчетным осциллограммам оценить влияние заданной скорости перемещения инструмента в момент изменения направления обработки на динамическую стабильность технологической системы детали «вал-шестерня» редуктора.
Так, при механической обработке со снижением линейной скорости подачи перед изменением направления обработки до 55 мм/мин в точке 2 наблюдается снижение колебательного процесса (Рисунок 4.2) по сравнению с обработкой в точке 3 (Рисунок 4.3) находящейся за границей области
Расчетная осциллограмма виброускорения при механической обработке ступенчатых поверхностей за границей области устойчивости в точке Рисунок 4.5 – Расчетная осциллограмма виброускорения в точке 1 при механической обработке ступенчатых поверхности
Проведенные экспериментальные исследования механической обработки стали 40ХН, с корректировкой скорости подачи на участке переходных режимов, с применением вибродиагностической установки «Prftechnik MT GmbH», позволили выявить снижение интенсивности вибраций по сравнению с обычным процессом точения на 15 25%, что зафиксировано на рисунке 4.6. Рисунок 4.6 – Доминирующие вибрации, разложенные на спектры при обработке стали 40ХН с коррекцией режимных параметров на переходном процессе Алгоритмы корректировки параметров обработки на переходных процессках изготовления ступенчатых поверхностей целесообразно использовать на этапах чистового и тонкого точения, когда за один технологический переход необходимо добиться соответствия предъявленным повышенным требованим к геометрическим показателям точности формы и шероховатости поверхности как к обрабатываемому диаметру, так и к поверхности торца в процессе контурной обработки.
Экспериментальные исследования параметров шероховатости поверхности при изменяемых режимных параметрах в областях переходного процесса изготовления ступенчатых деталей
Для проведения экспериментального исследования, целью которого является оценка влияния переходных режимов при контурной обработке ступенчатых поверхностей на показатели шероховатости поверхности изготавливаемой детали «вал-шестерня» редуктора, производились измерения, как обычного процесса механической обработки, так и обработки с корректировкой режимных параметров в области переходного процесса.
С применением представленного на рисунке 4.7 профилометра модели «Surftest SJ-210» производства фирмы «Mitutoyo» (Япония) проводился комплекс экспериментов по измерению параметров шероховатости поверхности после механической обработки ступенчатой заготовки с заданными различными параметрами обработки. Измерение шероховатости поверхности осуществлялись в нескольких различных точках исследуемых обработанных поверхностей заготовки не менее пяти раз.
Исследования параметров шероховатости обработанной поверхности производились на тестовых ступенчатых деталях с диаметрами от 3 и 4 мм, изготовленных из стали 40ХН. Механическая обработка таких деталей проводилась по контуру с различными показателями снимаемого материала, другими словами имитировались этапы получистового, чистового и тонкого точения.
На основании рекомендаций то производителя инструмента по назначению режимныч параметров на технологических операциях точения, а также справочной литературы и паспортных значений оборудования, позволило принять следующие диапазоны значений для этапов механической обработки заготовки из стали 40ХН: =150…430 м/мин; = … 4 мм/ ; = 1…0.9 мм. Параметры линейной скорости подач на участках переходных режимов при этом варьировались от 40 до 70 мм/мин, а ускорения от 0,1 до 0,5 м/с2. На этапе получистовой обработки эксперименты проводились с изменяемыми параметрами скорости резания, значениями глубины резания и подачи режущего инструмента. Измерения показаний профилометра проводились для обычного процесса с применение млинейных интерполяций по контуру с жестко заданными режимами и при корректировки режимных параметров на участках обработки ступеней. Шероховатость поверхности заготовки измерялась в диапазоне режимов обработки: =150…23 м/мин; = … 4 мм/ ; = …0.9 мм.
Результаты эксперимента показали, что процесс контурной обработки заготовки с изменяемыми режимными параметрами на переходных процессах на этапе получистовой операции уменьшает величину микронеровностей по параметру шероховатости поверхности для стали 40ХН. Как следует из графиков на рисунке 4.8, 4.9 и 4.10, при стандартном процессе контурного точения наблюдается наоборот увеличение микронеровностей профиля обрабатываемого изделия в сравнении с процессом механической обработки, основанным на выборе устойчивых режимных параметров. Влияние корректирующих воздействий на этапе получистовой обработки сведены в таблицу в зависимости от изменяющихся скорости (4.1), подачи (4.2) и глубины резания (4.3).