Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы технологического обеспечения шероховатости поверхностей силовых гидроцилиндров судового оборудования 13
1.1 Виды и причины повреждений силовых гидроцилиндров судового оборудования 13
1.2 Технологическое обеспечение шероховатости поверхности штока силового гидроцилиндра судового оборудования 15
1.3 Анализ методов технологического обеспечения шероховатости поверхностей силовых гидроцилиндров 26
1.4 Анализ литературных данных, постановка цели и задач проводимого исследования 40
ГЛАВА 2 Технологическое обеспечение шероховатости поверхности при токарной обработке на основе использования анизотропных свойств материала державки режущего инструмента
2.1 Технология изготовления демпфирующего режущего инструмента при использовании анизотропии материала державки .
2.2 Анизотропия механических свойств металлов .
2.3 Микроструктурные и фрактографические исследования анизотропии сталей
2.4 Технологическое обеспечение шероховатости поверхности при токарной обработке на основе анизотропных свойств державки
Выводы по второй главе
ГЛАВА 3 Оценка качества обработки ответственных поверхностей силовых гидроцилиндров при чистовом точении резцом с многослойной державкой 70
3.1 Многомерная математическая модель технологической системы механической обработки силовых гидроцилиндров 70
3.2 Упрощенная модель технологической системы механической обработки штоков силовых гидроцилиндров 83
3.3 Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки силовых гидроцилиндров резцом с многослойной державкой 87
3.4 Расчетные и экспериментальные значения виброперемещений для инструментальной подсистемы резца с многослойной державкой 97
Выводы по третьей главе 100
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования влияния анизотропных свойств державок на технологическое обеспечение шероховатости поверхности силовых гидроцилиндров судового оборудования 102
4.1 Сравнительные испытания износостойкости режущего материала при использовании демпфирующих свойств инструмента 103
4.2 Сравнительные исследования шероховатости поверхности при использовании демпфирующих свойств инструмента 105
4.3 Сравнительные исследования погрешности размеров и формы геометрической точности обрабатываемой детали при использовании демпфирующих свойств инструмента 113
4.4 Анализ фактического запаса точности обрабатываемой поверхности при использовании демпфирующих свойств инструмента 120
4.5 Оценка области устойчивости системы механической обработки с учетом демпфирующих свойств инструмента 122
4.6 Рекомендации по технологическому обеспечению шероховатости поверхности при обработке силовых гидроцилиндров резцом с многослойной державкой 129
Выводы по четвертой главе 129
Заключение 131
Список литературы
- Технологическое обеспечение шероховатости поверхности штока силового гидроцилиндра судового оборудования
- Анизотропия механических свойств металлов
- Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки силовых гидроцилиндров резцом с многослойной державкой
- Сравнительные исследования погрешности размеров и формы геометрической точности обрабатываемой детали при использовании демпфирующих свойств инструмента
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Специфика условий и режимов эксплуатации судового оборудования, предназначенного для работы в агрессивной морской среде, обуславливается стесненностью рабочего пространства, сложными эксплуатационными условиями (включая предельно высокие и предельно низкие температуры, воздействие соленой воды, проливного дождя, льда), сложностью проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту, монтажу и демонтажу оборудования и пр. Поэтому к оборудованию для морского применения предъявляются жесткие требования по безопасности, надежности, эффективности выполнения всех рабочих функций при одновременном устранении тяжелого физического труда, трудоемкости монтажно-демонтажных работ и работ по обслуживанию.
Эффективность эксплуатации гидравлических систем, используемых в корабельном оборудовании (грузовых трапов судов, приспособлений для дифферентовки плавучих доков, подъемных платформ, корабельных кран-балок, устройств люковых закрытий, аппарелей и пр.) обеспечивается требованиями по их надежности, производительности, степени совершенства схемы их работы, технологичности, универсальности, унификации, стандартизации, ремонтопригодности и др.
Одним из наименее надежных агрегатов гидравлических систем, применяемых на морских судах и шельфовых платформах, являются силовые гидроцилиндры исполнительных механизмов, на которые приходится около 40% всех отказов гидросистемы. Установлено, что около 70% отказов гидроцилиндров происходит по причине выхода из строя уплотнителей, 24% – из-за изгиба штоков, 45% – из-за образования задиров на рабочих поверхностях штоков и гильз, 1,5% – из-за обрыва поршней и проушин.
Основным видом отказов силовых гидроцилиндров судового оборудования является нарушение герметичности и наличие протечек вследствие интенсивного износа уплотнений.
Причина появления протечек в процессе эксплуатации напрямую связана с
обеспечением качества и точности изготовления рабочих поверхностей силового
гидроцилиндра, состояние которых оказывает решающее влияние на ресурс оборудования,
применяемого в судостроении. Эффективность и качество обработки рабочих поверхностей
при тонкой лезвийной обработке существенно зависят от динамического поведения
технологической системы «станок – приспособление – инструмент – деталь». Таким
образом, задача обеспечения устойчивости технологической системы за счет снижения
уровня колебаний является одной из важнейших в области изготовления прецизионных
поверхностей силовых гидроцилиндров для морского применения на основе
виброустойчивой инструментальной системы и приобретает особую актуальность при изготовлении изделий на станках с ЧПУ.
Одним из наиболее эффективных методов снижения уровня вибраций, возникающих в процессе изготовления прецизионных поверхностей силовых гидроцилиндров для морского применения, является метод использования виброустойчивой инструментальной системы, обладающей диссипативными свойствами. Особенность такой инструментальной системы заключается в использовании многослойной державки резца, позволяющей существенно снизить уровень вибраций, возникающих в процессе резания. Данный метод позволяет обеспечить динамическую стабильность технологической системы в широком диапазоне режимов резания и обрабатываемых материалов, повышает стойкость режущего инструмента и обеспечивает заданную шероховатость поверхностей изделий, применяемых в современном судостроении.
Объектом исследования является технология обеспечения шероховатости прецизионных поверхностей деталей штока силового гидроцилиндра.
Предметом исследования является шероховатость прецизионных поверхностей штока силового гидроцилиндра.
Целью работы является технологическое обеспечение заданной шероховатости поверхности деталей штока силовых гидроцилиндров морских судов и шельфовых платформ на основе снижения уровня вибраций в технологической системе посредством применения анизотропных свойств державок режущего инструмента с повышенными демпфирующими свойствами.
Методы исследования базировались на основных положениях технологии машиностроения, теории резания металлов, теории колебаний. Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с применением оригинальных методик, современной аппаратуры, измерительных преобразователей и систем. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и планирования эксперимента.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается физической и математическо й корректностью постанов ки задач и методов их решения; использованием при исследовании современных методов технологии машиностроения, теории резания, динамики технологических систем, вычислительной техники; высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных; положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях.
Научная новизна работы – новое решение актуальной научной задачи – выявление связи между динамическими свойствами подсистемы «инструмент» и шероховатостью поверхности деталей штока силовых гидроцилиндров судового оборудования, позволяющей разработать новую технологию изготовления поверхностей на основе использования инструментального оснащения, обладающего анизотропными свойствами демпфирующей державки режущего инструмента.
Составляющими научной новизны являются:
– выявление закономерностей влияния интенсивности колебательного процесса по дсистемы «инструмент» на техно логическое о беспечение шероховатости прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра;
– установление доминирующего влияния высокочастотных колебаний инструментальной подсистемы на обеспечение шероховатости поверхности деталей штока гидроцилиндра;
– разработка математической модели технологической системы при изготовлении прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра с учетом особенностей демпфирующего инструмента с анизотропными свойствами;
– установление параметров влияния демпфирующих свойств инструментального оснащения на технологическое обеспечение шероховатости прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра.
Практическая ценность работы:
– разработанная технология изготовления прецизионных поверхностей деталей силовых гидроцилиндров с обеспечением требований по шероховатости поверхности;
– предложенная технология изготовления деталей прецизионных поверхностей штока силовых гидроцилиндров на основе инструментального оснащения с демпфирующими свойствами державки режущего инструмента (патент № 111788 «Державка режущего инструмента»);
– практические рекомендации для выбора демпфирующих свойств инструментального оснащения на основе оптимального влияния высокочастотных колебаний по дсистемы «инструмент» на техно логическое о беспечение шероховатости прецизионных поверхностей штока силовых гидроцилиндров.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Математическая модель, позволяющая оперированием конструктивными
особенностями инструментальной системы, обладающей анизотропными свойствами
демпфирующей державки режущего инструмента, обеспечить технологию изготовления
прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра;
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологии изготовления прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра на основе инструментальной системы с анизотропными свойствами державки, которые позволили установить влияние режимов резания на шероховатость поверхности деталей штока гидроцилиндра.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XIX Петерб ургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н. Н. Давиденкова (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 50-й Международный симпозиум «Актуальные проблемы прочности» (Белар усь, г. Витебск, 2010 г.); XVI Междунаро дная научно-техническая конференция «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); XV Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы современной науки» (г. Таганрог, 2012 г.); III Международная научно-практическая конференция «Физико-математические и естественные науки» (г. Таганрог, 2012 г.); IV Международная научно-практическая конференция «Конференция молодых ученых» (г. Таганрог, 2012 г.); VII Всероссийская научно-практическая конференция «Научная дискуссия: гуманитарные, естественные науки и технический прогресс» (г. Ростов-на-Дону, 2015 г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Машиностроение» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» в 2016 г.
Основные положения работы и результаты исследований отражены в научно-технических отчетах в рамках участия в Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г., Государственный контракт № П149 от 15 апреля 2010 г. Проект: «Разработка и исследование кристаллических материалов для изготовления державок режущих инструментов на основе анизотропных свойств»; Государственный контракт № 14.740.11.1126 от 30.05.2011 г. Проект: «Разработка теории и практики моделирования и управления в области прогнозирования динамических свойств технологических систем»; 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 при тонкой токарной обработке державки режущего
инструмента предложенной конструкции, опробована в производственном процессе
следующих предприятий: ОАО «Кузнецов» ПК «Управленческий», г. Самара;
ООО «Кабельный завод «АЛЮР», г. Великие Луки.
Отдельные научные положения работы приняты к внедрению в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению «Технологии, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получен патент на полезную модель № 111788, заявка № 2011117615/02 (026142) от 29.04.2011.
Структура и содержание. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и прило жения. Диссертационная работа изложена на 176 страницах машинописного текста, в том числе содержит 23 таблицы, 83 рисунка, 100 наименований литературы.
Работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 «Технология машиностроения». В соответствии с формулой специальности в ней «изучаются связи, и устанавливаются закономерности в процессе изготовления машин при совершенствовании существующих и разработке новых методов изготовления деталей с целью повышения качества изделия машиностроения и снижения себестоимости их выпуска» (п. 4), а также в соответствии с п. 7 – «технологическое обеспечение с целью повышения качества шероховатости поверхности, точности и долговечности деталей машин».
Технологическое обеспечение шероховатости поверхности штока силового гидроцилиндра судового оборудования
В процессе токарной обработки в технологической системе станка возникают колебания, лежащие в диапазоне [14]: низких частот 70...400 Гц (частоты вибраций шпинделя, суппортной группы); средних частот 1000...6000 Гц (частоты вибраций державок резцов, статора и ротора двигателей); высоких частот 12... 15 кГц (частоты вибраций узла режущей пластины).
При токарной обработке заготовки штока гидроцилиндра режущий инструмент совершает колебания в области высоких (12... 15 кГц) и средних (1000...6000 Гц) частот и, как правило, является наименее надежным звеном технологической системы обработки [14].
Уровень амплитуды автоколебаний значительно зависит от условий лезвийной обработки и величины рассеивания энергии в системе. Исключение из эксплуатационных всех потенциальных автоколебательных режимов при обработке достигается за счет определения границы области устойчивости системы.
На сегодняшний день не существует единства мнений о точных причинах и особенностях механизма возникновения автоколебаний в технологической системе обработки. Это можно объяснить сложностью процесса и его недостаточной изученностью. В связи с чем существует целый ряд различных теорий возникновения и причин наблюдаемых на практике процессов автоколебаний в металлорежущих станках.
Фундаментальным исследованиям автоколебаний при резании металлов посвящены работы И.С. Амосова [1], И.Дж. Армарего [3], В.Л. Вейца [16, 20], В.А. Кудинова [46], Л.С. Мурашкина [54], С.Л. Мурашкина [56], В.Н. Подураева [62, 63], В.Э. Пуша [66], М.Е. Эльясберга [85], В. Ву [100], С. Дой [93], И. Тлустый [77], С.Тобиас [99] и др.
В работе [33] Н.А. Дроздов одним из первых указал, что возникающие вибрации при обработке резанием носят автоколебательный характер. Им впервые автоколебания при резании были объяснены воздействием непериодических внешних сил трения и резания. Он показал, что резонанс частоты скалывания элементов стружки и частоты собственных колебаний заготовки не объясняют наблюдаемые вибрации.
Основой анализа автоколебаний при резании в работах А.И. Каширина [42] была взята зависимость силы трения от скорости резания. Рассмотрены частные механизмы влияния на вибрации: изменения сил трения о резец в зависимости от изменения сил резания (как следствие изменений рабочих углов резца при вибрациях), изменения сил трения о резец в зависимости от скорости относительных колебаний заготовки и инструмента. Источником возникновения вибраций принимается влияние тепловых явлений и пластических деформаций на силы трения при резании.
Этой точки зрения о природе возникновения автоколебаний придерживаются Л.С. Мурашкин, С.Л. Мурашкин [54, 55, 56]. Причиной неустойчивости процесса резания указывая зависимость силы резания от скорости, которая имеет ниспадающую характеристику. Ими была рассмотрена характеристика сил резания по скорости, имеющая попеременно подымающиеся и падающие участки, а также их нелинейность.
В работе [68] А.П. Соколовского технологическая система станка представлена как колебательная система с одной степенью свободы, режим автоколебаний в которой возникает вследствие наличия неоднозначной зависимости силы резания от скорости колебательного движения. Основной причиной возникновения вибраций указывается неравнозначность силы резания при врезании инструмента в металл и его отталкивании.
И.И. Илницкий в работе [41] причиной автоколебательного режима считает переменную силу, которая действует по задней грани резца и возникает как следствие периодически изменяющихся задних углов в процессе колебаний. Поддержание незатухающего колебательного процесса резания обеспечивается за счет переменной силы трения (при прогибе резца вниз увеличивается, при прогибе вверх уменьшается), которая действует по задней грани резца и зависит величины его заднего угла. И.С. Амосов и В.А. Скраган в работе [1] установили взаимосвязь силы резания с взаимным относительным перемещением вершины резца и заготовки. Основываясь на этих исследованиях, И. Тлустый [77], В.А. Кудинов [45, 46] в своих работах сформировали новый подход к вопросу причин динамической нестабильности в технологической системе механической обработки.
В.А. Кудинов в работе [46] первым ввел понятие динамической характеристики резания, которая является элементом динамической системы станка и описывается зависимостью изменения силы резания от относительного смещения инструмента и заготовки, вызвавшего это изменение. Силой, поддерживающей в технологической системе автоколебательный процесс, В.А.Кудинов [46] указывает силу, образуемую в процессе резания, которая запаздывает по фазе от изменения толщины среза.
М.Е. Эльясберг [83, 84, 85] в своих работах за основную причину возбуждения автоколебаний также принимает отставание силы резания относительно изменения толщины срезаемого слоя.
В своей работе [39] В.В. Зарс систематизирует и разделяет все возможные в технологической системе источники самовозбуждения вибраций на первичные и вторичные.
Возникновение автоколебаний как следствие работы по волнообразному следу после предыдущего прохода описывается в работе В. Ву [100]. Также эта теория прорабатывалась в работах [63, 99], где волнистость поверхности и возмущающая сила принимались взаимозависимыми. В своей работе М.Е. Эльясберг [85] описывает как недетерминированную величину сдвиг фазы колебаний резца относительно формы оставленного следа.
Анизотропия механических свойств металлов
В изломах вертикальных образцов разрушение происходило преимущественно по скоплениям неметаллических включений различных размеров и морфологии. Разрушение по основному металлу, свободному от неметаллических включений, не превышало 20% от площади излома и представляло собой преимущественно вязкое внутризеренное разрушение. Отдельные небольшие участки квазихрупкого внутризеренного разрушения и хрупкое внутризеренное разрушение обнаружено вблизи эвтектических сульфидов марганца.
Таким образом, для сталей промышленного производства анизотропность свойств обусловлена преимущественно не параметрами микроструктуры, а структурной неоднородностью, количеством и морфологией неметаллических включений.
Известно, что при увеличении стр укт урной неоднородности ма териала возрастает его демпфирующая способность, что может быть использовано для снижения автоколебаний в технологической системе на уровне подсистемы «инструмент» в процессе высокоскоростного тонкого и чистового точения деталей типа «тел вращения».
Метод создания инструмента оснащенного многослойной державкой, демпфирующие свойства которой обусловлены анизотропными свойствами, предполагает использование анизотропии свойств пластин державки, создающейся в результате обработки давлением.
Пластическая деформация сталей горячей прокаткой приводит к изменению направления волокон макроструктуры, структурных составляющих и включений вдоль ее направления, наряду с кристаллографической текстурой образуется механическая текстура деформации. Державку режущего инструмента предлагается изготавливать из трех пластин собранных в пакет и контактирующих межд у собой по плоскостям, ориентированным параллельно опорной поверхности державки [94].
Из листового проката вырезаются пластины с вертикальной 1, поперечной 2 и продольной 3 ориентацией текстуры относительно плоскости направления их прокатки (Рисунок 2.16).
Схема вырезки пластин для державки из листового проката: 1 – пластина с вертикальной ориентировкой прокатки; 2 – пластина с поперечной ориентировкой прокатки; 3 – пластина с продольной ориентировкой прокатки; L – длина пластины; B – ширина пластины
Известно, что максимальное сопротивление растягивающим напряжениям прокатанный металл оказывает в продольном направлении, а минимальное - в вертикальном направлении относительно направления прокатки. Максимальным сопротивлением сжимающим напряжениям, наоборот, прокатанный металл обладает в вертикальном направлении, а минимальным - в продольном. Сопротивление металла в поперечном направлении и растягивающим, и сжимающим напряжениям имеет промежуточные значения [30].
Вырезанные по предложенному способу пластины, обладающие анизотропными свойствами, собираются в пакет (Рисунок 2.17) с учетом действия на державку сил резания. При этом учитывается тот факт, что верхние слои державки испытывают преимущественно растягивающие напряжения р, а опорные сжимающие напряжения сж.
Поэтому направление прокатки ориентируется следующим образом: опорная пластина 1 - параллельно действию тангенциальной составляющей силы резания; верхняя пластина 2 - параллельно действию радиальной составляющей силы резания; средняя пластина 3 - параллельно действию осевой составляющей силы резания.
Для достижения максимального эффекта диссипации энергии колебаний необходимо обеспечить максимальную разориентацию текстуры деформации по плоскостям соприкосновения пластин, так как при ее малой величине демпфирование колебаний будет незначительно. В связи с этим в предлагаемом техническом решении пластины ориентируют и собирают в пакет таким образом, чтобы текстура деформации в пластинах изменялась на 90 ± 100 относительно действия на режущий инструмент максимальной составляющей силы резания Pz.
Колебания, возникающие под действием максимальной составляющей силы резания – тангенциальной силы Pz, распространяются через поперечное сечение пластин державки, и энергия возникающих в процессе резания колебаний инструмента не только гасится вязкоупорным слоем клея, но и рассеивается внутри пластин, составляющих державку, вследствие анизотропии механических и физических свойств прокатанных (текстурованных) материалов, в том числе анизотропии частот и логарифмических декрементов собственных колебаний.
Испытания новой конструкции инструмента с державкой, обладающей анизотропными свойствами Сравнительные испытания в процессе токарной механической обработки заготовок державкой прототипом и державкой аналогом позволили установить, что при использовании державок с неодинаково ориентированной структурой в пластинах позволяет получить наименьшую шероховатость обработанной поверхности. Это объясняется тем, что более эффективное динамическое гашение колебаний при резании достигается за счет большой диссипативной силы сопротивления материала державки с ориентированной в разных направлениях текстурой деформации металла.
Кроме того, вытянутые неметаллические включения, располагающиеся вдоль границ, слабо связанные с металлической матрицей или резко отличающиеся от нее по упругим характеристикам (пленочные эвтектические сульфиды), а также микроскопические несплошности металла вблизи границ неметаллических включений, располагающиеся по-разному в отношении прилагаемого в процессе точения внешнего воздействия, усиливают рассеивание энергии колебаний.
Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки силовых гидроцилиндров резцом с многослойной державкой
Для построения упрощенной динамической модели технологической системы станка, максимально полно отражающей процессы, протекающие при токарной обработке штока силового гидроцилиндра, и проведения качественной оценки динамических свойств необходимо выделить: основные подсистемы станка, выявить структуру связи между ними, определить число степеней свободы выделенных подсистем [22, 47].
При детальном рассмотрении исследуемого станка необходимо отметить нелинейный характер протекающих в нем процессов, наличие в технологической системе станка распределенных масс с большим числом степеней свободы и обладающих каждая своей парциальной частотой. В связи с чем составление точной математической модели такой системы значительно затруднено.
С целью упростить расчетную модель принимаем следующие допущения: 1. пренебрегаем степенями свободы элементов, частоты которых значительно отличаются от лимитирующих частот системы [39, 54, 56 и др.]; 2. считаем, что деформация и демпфирование стыков каждого элемента станка определяют деформацию и демпфирование всей технологической системы [36]; Выделим особенности исследуемой технологической системы: 1. Технологическая система станка является автономной и замкнутой. Влияние на нее внешних источников исключено. Однако автономность системы является условной, так как в частных случаях необходимо выполнять оценку влияния внешних источников через фундамент станка; 2. Характеристику процесса токарной обработки в выбранной технологической системе станка можно привести к зависимости сил взаимодействия элементов технологической системы от их смещения [67]. 3. Динамические особенности исследуемого станка являются заданной величиной и в зависимости от его состояния определяются расчетно-экспериментальным методом [16, 46, 54]; 4. Система исследуемого станка является нелинейной технологической системой механической обработки. Однако необходимо отметить, что большинство важных практических задач динамики технологических систем возможно решить в линейной постановке [47]; 5. Координаты, описывающие перемещение кромки режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, являются формообразующими координатами и определяют размерные характеристики будущего изделия; 6. Колебания крутильной подсистемы, их форма и логарифмические декременты указывают на ее высокую демпфирующую способность во всем частотном диапазоне вращения шпинделя станка. Крутильная подсистема исследуемого станка оказывает незначительное влияние на колебания, возникающие при токарной обработке штока силового гидроцилиндра. Учитывая, что исследуемая технологическая система станка имеет ограниченный частотный диапазон возмущений и слабые диссипативные свойства, осуществляем переход к адекватной математической модели малой размерности. Обоснованность такого перехода с учетом близости спектральных характеристик упрощенной и полной модели была осуществлена по методике В.Л. Вейца [20].
Согласно методике В.Л. Вейца [20], упрощенная математическая модель является оптимальной, а обе системы, исходная и упрощенная, являются эквивалентными. Обеспечивается близость амплитудно-частотных и фазовых характеристик исходной и упрощенной моделей, если выполняются следующие условия: r(Wисх ,Wупр ) e, (3.13) r(Wисх ,Wупр ) = minr(Wисх ,Wупр ) , (3.14) где Wисх. - матрица частотных характеристик исходной модели; где Wупр. матрица частотных характеристик упрощенной модели; r(Wисх ,Wупр ) метрика, задающая расстояние между матрицами частотных характеристик исходной и упрощенной моделей; e - малая, определенная заранее величина допустимой ошибки. При составлении расчетной математической модели токарно-винторезного станка 1К62 влиянием крутильной системы можно пренебречь [20, 47].
Тогда предварительная, упрощенная модель технологической системы механической обработки штоков силовых гидроцилиндров с учетом близости спектральных характеристик упрощенной и полной модели может быть представлена в виде, приведенном на рисунке 3.12, где четырехконтурная динамическая модель технологической системы состоит из двух основных подсистем «заготовка» и «инструмент», имеющих каждая свою систему координат и связанные между собой через формообразующую точку Ас, определяющую качественные характеристики обрабатываемого штока силового гидроцилиндра.
Сравнительные исследования погрешности размеров и формы геометрической точности обрабатываемой детали при использовании демпфирующих свойств инструмента
Для определения взаимосвязи между запасом точности и/ и использованием в процессе токарной обработки резца с анизотропными свойствами выполнили вычисления запаса точности для выбранных режимов резания. Результаты вычислений были сведены в таблицу 4.9.
На основе вычислительной техники была установлена зависимости запаса точности при изготовлении прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра от составляющих режимов резания для цельной державки и державки многослойной с анизотропными свойствами: где Cv – коэффиц иент резания, x, y, z – показатели степени, зависящие от режимов резания. Результаты вычислений были сведены в таблицу 4.10.
Построена графическая зависимость (Рисунок 4.17) запаса точности от вида применяемой державки при технологии изготовления прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра с изменением режимов обработки – скорости резания v, подачи инструмента s и глубины резания t.
По анализу графических зависимостей (рисунок 4.17) устанавливается возможность определения запаса точности и прогнозировании при изготовлении прецизионных поверхностей деталей штока силового гидроцилиндра.
Оценка области устойчивости системы механической обработки с учетом демпфирующих свойств инструмента
Целью экспериментального исследования являлась оценка демпфирующих свойств инструментального оснащения на технологический процесс изготовления прецизионных поверхностей силовых гидроцилиндров судового оборудования и определение технологических возможностей предложенного резца, оснащенного державкой, обладающей анизотропными свойствами.
Исследование проводилось в несколько этапов. На рисунке 4.18 в качестве иллюстрации приведена полученная экспериментально диаграмма области устойчивости по двум параметрам bc и Vs. Граничные кривые, приведенные на диаграмме, характеризуют зоны устойчивости для резцов с различными державками при изготовлении прецизионных поверхностей деталей штока гидроцилиндра. Справа от этих границ расположена область режимов резания, на которых процесс изготовления прецизионных поверхностей силовых гидроцилиндров судового оборудования является неустойчивым и приводит к возникновению вибраций инструмента, слева – зона устойчивого процесса точения.
Точки Аi, А2 и Аз являются точками абсолютной устойчивости исследуемой технологической системы по скорости резания для обычного резца с цельной державкой (точка Аі), для резца с державкой слоеной без анизотропных свойств (точка А2) и для предложенного резца с державкой, обладающей анизотропными свойствами (точка Аз), соответственно.
Как видно из диаграммы зона устойчивости предложенного резца лежит левее точки Аз, то есть при Ьс Ьсаз, что позволяет обеспечить устойчивую обработку. В экспериментальных точках Ai и А2 при использовании цельной державки получаем следующее соотношение Ьс ЬСаіЬСаз и для резца с державкой из слоев без ориентации зерна в структуре металла bcbCai Ьса2Ьсаз.
В среде MatLab, выполнено имитационное моделирование для исследуемых резцов, при следующих параметрах и размерных характеристиках: обрабатываемый материал - сталь 45 (исходное состояние -НВ 185); инструмент, оснащенный маркой режущего материала - ВОК-63 {у = 5о; а = 7о; (р = 60о; г = 0,2 мм ); сх = су = 15-Ю6 Н/м; Ьх = Ьу = 3600 Нс/м; к = 1700 Н/мм2; 1р = 0,3 мм; IQ =0,3 мм; сох = соу = 250 с"1; , =1,8; = 0,2 мм; сі = 2-Ю11 Н/м2; С2 = сз = 2,5-109 Н/м2;/Ь = Д? = 2-Ю7 Нс/м2.
Анализ результатов показал, что при последовательном решении системы уравнений (3.50 - 3.55) имеется существенное смещение границы области устойчивости для предложенного инструмента с многослойной державкой, обладающей анизотропными свойствами.
На рисунке 4.19 приводится осциллограмма расчетных виброперемещений для предложенного резца, которые зафиксировали режимы технологической системы механической обработки в точке Аз, до границы ее области устойчивости.
На рисунках 4.20 - 4.21 приводятся осциллограммы расчетных виброперемещений для обычного резца и резца-аналога, которые зафиксировали режимы технологической системы механической обработки в точке Аз за границей ее области устойчивости.
Для предложенного инструмента, оснащенного многослойной державкой, обладающей свойствами анизотропии, в точках А1, А2 и А3 в соответствии с имитационным моделированием реализуются режимы, которым соответствуют затухающие виброперемещения. Для обычного резца, оснащенного цельной державкой, и резца-аналога в точке А3 наблюдается развитие колебательного процесса (Рисунки 4.20 – 4.21).
Из анализа расчетных осциллограмм видно, что анизотропия механических свойств, связанная с механической текстурой деформации, обусловливает изменение скоростей упругих волн, траектории их распространения и коэффициента рассеивания (затухания) в различных направлениях. Это определяет возможность использовать характерную для большинства конструкционных материалов анизотропность для разработки и создания конструкции державки режущего инструмента с повышенными демпфирующими характеристиками.
Проведенные экспериментальные исследования при точении заготовки с использованием державки цельной и державки многослойной с анизотропными свойствами на вибродиагностической установке двухканального виброанализатора «Prftechnik MT GmbH» (см. рисунок 4.22) позволили выявить с нижение уровня вибраций у многослойной держа вки, обладающей свойствами анизотропии, на 30…35 %, что зафиксировано на рисунках 4.22 -4.25.
Использование виброустойчивых свойств державок с такими характеристиками целесообразно, но прежде всего, при чистовой и тонкой обработке на высоких скоростных режимах резания, при малой жесткости заготовок, переменной, непрерывной или разрывной поверхности обработки, когда предъявляются повышенные требования к геометрической точности обрабатываемого профиля детали и шероховатости поверхности.