Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих методов обеспечения точности и некруглости при токарной обработке. Постановка цели и задач исследования 6
1.1. Анализ факторов, оказывающих влияние на точность обрабатываемых деталей.
1.2. Влияние процессов, протекающих в технологической системе на параметры точности обработки .
1.3. Анализ существующих методов обеспечения и расчета точности токарной обработки. 34
1.4. Выводы. Постановка задач исследования.
2. Моделирование динамических процессов в технологической системе, разработка методики выбора оптимальных режимов резания ' для обеспечения заданных значений некруглости . 41
2.1. Математическая модель колебаний при токарной обработке. 41
2.2. Прогнозирование некруглости цилиндрической детали при токарной обработке . 47
2.3. Оптимизация процесса токарной обработки.
2.4. Разработка методики выбора оптимальных режимов обработки для обеспечения заданных значений некруглости.
2.5. Выводы.
3. Разработка экспериментальной установки и программного комплекса для исследования статических и динамических параметров технологической системы и прогнозирования некруглости при токарной обработке . 65
3.1. Экспериментальная установка для исследования статических и динамических параметров технологической системы. 65
3.2. Разработка программного комплекса для выбора оптимальных режимов обработки, обеспечивающих заданное значение некруглости . 68
3.3. Проверка адекватности прогнозов. 73
3.4. Выводы. 76
4. Экспериментальные исследования процесса токарной обработки. разработка рекомендаций по обеспечению заданных значений некруглости . 78
4.1. Экспериментальные исследования значений некруглости при обработке с режимами резания, указанными в технологическом процессе. 78
4.2. Экспериментальные исследования значений некруглости детали при изменении направления обработки или после ее переворота . 109
4.3. Выводы. 116
Основные выводы 117
Список литературы 118
Приложения 127
- Влияние процессов, протекающих в технологической системе на параметры точности обработки
- Прогнозирование некруглости цилиндрической детали при токарной обработке
- Разработка программного комплекса для выбора оптимальных режимов обработки, обеспечивающих заданное значение некруглости
- Экспериментальные исследования значений некруглости детали при изменении направления обработки или после ее переворота
Влияние процессов, протекающих в технологической системе на параметры точности обработки
Силы неупругого сопротивления или силы демпфирования в упругих элементах станка определяются в основном трением в стыках деталей [76]. Поскольку в неподвижных стыках, в отличие от подвижных относительное смещение деталей возникает только в результате деформации упругой системы, силы трения в них всегда демпфируют колебания, рассеивают часть энергии, вносимой в упругую систему при ее нагружении. Вопросам расчета демпфирующей способности неподвижных соединений (стыков) посвящены работы Я.Г.Пановко и его сотрудников [32], Д.Н.Решетова и З.М.Левиной [75] и некоторых других авторов.
Деформация узлов станка оказывает существенное влияние на точность обработки [66]. В одних случаях подналадкой станка практически нельзя устранить или уменьшить это влияние. Например, при работе радиально-сверлильного станка в результате деформации колонны, хобота, шпиндельной бабки, направляющих и других элементов ось сверла отклоняется от своего первоначального положения на некоторый угол. Это приводит к изменению оси обрабатываемого отверстия, дополнительному уводу сверла вследствие его врезания в деталь под некоторым углом и «разбивки» отверстия - искажения его формы. В других случаях точность обработки может быть повышена путем подналадки деформируемого узла. Например, отжатие суппорта токарного станка вызывает увеличение диаметра обрабатываемой детали, но дополнительная установка резца в радиальном направлении позволит получить деталь нужного размера.
Переменная жесткость узла или неодинаковая жесткость отдельных элементов приводит к различию диаметров отверстий обрабатываемых деталей. На точность токарной обработки влияет и перераспределение сил, действующих на узлы, которое происходит в процессе обработки и во многих случаях приводит к изменению положения узлов. Появляющиеся при этом погрешности трудно устранить подналадкой станка. Например, при обточке детали в центрах токарного станка сначала усилие резания приложено около заднего центра, который деформируется, т.к. задняя бабка имеет некоторую жесткость. По мере обточки изделия резец приближается к передней бабке станка и составляющая, действующая на шпиндель станка, возрастает. В результате изменяются и деформации узлов. Таким образом, постепенно происходит изменение оси вращения обрабатываемой детали и даже без учета прогиба происходит искажение формы обрабатываемой поверхности.
Виброустойчивость станка характеризует его способность противодействовать колебаниям, отрицательно влияющим на точность и производительность обработки. В технологической системе различают несколько видов колебаний [4, 7, 36, 42, 50, 66]. Вынужденные колебания возникают из-за динамической неуравновешенности быстровращающихся деталей станка, режущего инструмента и самой обрабатываемой детали, погрешности отдельных деталей станка, колебания припуска на обработку, прерывистости обрабатываемых поверхностей детали, наличия зазоров в стыках, колебания других работающих машин. Автоколебания (незатухающие колебания системы) возникают при определенных условиях и продолжаются до тех пор, пока условия не будут изменены. Параметрические колебания возникают при периодически изменяющейся жесткости. Свободные колебания в технологической системе появляются при действии ударных нагрузок (при пуске, останове, врезании инструмента и т.д.).
В реальных условиях вибрации представляют собой дополнительные относительные движения в пространстве обрабатываемой детали, инструмента и всех других деталей технологической системы.
На основе ряда исследований [35, 82, 89] и других считается, что всегда первичные автоколебания при обработке почти всегда связаны с резонансными вынужденными колебаниями и усиливаются под действием последних. Например, во время каждого последующего прохода, инструмент срезает стружку не с гладкой, а с волнистой поверхности детали, вследствие чего глубина резания, а, следовательно, и сила резания на протяжении каждого прохода периодически меняются. Частота изменения силы резания совпадает с частотой автоколебаний, которые за предшествующий проход вызвали появление волнистости на обрабатываемой поверхности. В результате совпадения частот возникают дополнительные резонансные вынужденные колебания, усиливающие и расширяющие область автоколебаний [4].
Основной способ борьбы с вибрациями - повышение жесткости технологической системы путем создания конструкций, обеспечивающих большую степень определенности базирования деталей технологической системы, уменьшение количества звеньев в размерных и кинематических цепях, правильного создания и использования предварительного натяга.
Мероприятия по сокращению влияния внешних сил: уменьшение возмущающих сил, например, уменьшение центробежных сил путем лучшей балансировки быстровращающихся деталей технологической системы; выбор для обработки таких режимов резания, при которых частота возмущающих сил далека от частоты собственных колебаний звеньев системы (т.е. отсутствие резонанса); изменение частоты собственных колебаний звеньев технологической системы; изоляция технологической системы от влияния внешних воздействий в виде колебаний других станков, молотов, работающих двигателей и т.д.
Отклонения качества материала (колебания твердости) и отклонения припусков на обработку существенно влияют на колебания силы резания. Для уменьшения этого влияния необходимо уменьшить колебания твердости, что можно достичь уменьшением допуска на отклонение от твердости, и уменьшить колебание отклонений припусков на обработку от расчетной величины, что требует уменьшения допусков на сортовой материал и все виды заготовок.
Износостойкость характеризует способность станка сопротивляться размерному износу. Размерный износ инструмента - это процесс постепенного изменения размеров по его поверхности вследствие трения. Наибольшее влияние на размерную стойкость инструмента оказывают скорость резания и ее колебания, вибрации, колебания силы резания (из-за колебания припусков на обработку и свойств материала деталей). Размерная стойкость инструмента больше всего зависит от качества материала режущего инструмента, его однородности и от стабильности качества изготовления инструмента. Пути уменьшения влияния размерного износа на точность обработки: повышение стабильности качества инструмента; увеличение доводки его режущих кромок для уменьшения величины первоначального размерного износа; стабилизация сил резания; сокращение вибраций в технологической системе; выбор наиболее экономичных режимов обработки; своевременная смена инструмента для его переточки; правильный подбор и применение смазочно-охлаждающей жидкости; своевременная компенсация размерного износа инструмента путем поднастроики размерных цепей технологической системы; правильная установка и закрепление инструмента с учетом изменения его геометрии при возникновении силы резания и упругих перемещений и др.
Теплостойкость станка характеризует его способность сопротивляться температурным деформациям (перемещениям, порождаемым изменением температуры). Основными источниками тепла в технологической системе является механическая работа, затрачиваемая на резание и преодоление сил трения, возникающего в стыках движущихся деталей; а также тепло, образующееся в гидравлических и электрических системах станка и тепло из окружающей среды. Распределение теплоты между стружкой, деталью и инструментом зависит от метода, условий обработки, материала обрабатываемой детали и инструмента.
Прогнозирование некруглости цилиндрической детали при токарной обработке
Метод обеспечения качества и надежности токарной обработки путем прогнозирования и управления выходными параметрами точности шпиндельных узлов предложен в работах [21, 22]. В данных работах рассматривается влияние процессов быстрой и средней скорости на качество обработки деталей; кроме того, на основе статистического материала сделан вывод о возможности раздельного рассмотрения влияния данных процессов на точность и параметрическую надежность системы. Быстропротекающие процессы оказывают влияние на параметры точности. Процессы средней скорости (тепловые деформации) приводят к смещению оси вращения шпинделя и определяют запас надежности при изменении области состояния параметров точности во времени. Следовательно, расчет параметров точности осуществляется с помощью моделей двух типов: модели колебаний шпинделя на гидростатических опорах и модели теплового смещения и вращения шпинделя, построения с использованием методов идентификации.
Недостатком данного метода является то, что при расчете параметров точности учитывается лишь часть погрешностей, которые вносятся шпиндельным узлом. Это значит, что для каждой группы однотипного оборудования необходимо произвести трудоемкие экспериментальные исследования для определения доли шпиндельного узла в общем балансе точности обработки. Кроме того, в данном методе при действии рабочих нагрузок не учитывается взаимосвязь радиальных и осевых колебаний динамической технологической системы.
В работе [1] предложен метод обеспечения точности токарной обработки, названный авторами «вибропрогнозированием точности». Он разработан на основе модели типа «прогноз - коррекция». В процессе обработки с датчиков, измеряющих относительное вибросмещение между инструментом и заготовкой, получают виброметрическую информацию, основанную на колебаниях силы резания. Погрешность обработки определяется по измерениям текущего значения силы резания и вводится в вычислительное устройство, реализующее алгоритм прогнозирования, в базах данных которого также хранится информация о динамических характеристиках упругой технологической системы. После обработки информации данное устройство выдает команды об изменении технологических режимов.
Недостатком данного подхода для обеспечения точности обработки является то, что на каждый станок необходимо установить специальные управляющие виброметрические комплексы, что проблематично в условиях серийного, мелкосерийного и единичного производств.
В работе [48] рассмотрена структурно-параметрическая оптимизация токарной операции с использованием многоцелевой функции. В данном методе для проектирования токарной операции необходимо определить компоненты вектора таких искомых параметров (схему снятия припуска, межпереходные допуски и припуски, режимы резания для каждого перехода, геометрию и материал режущего инструмента), при которых должна обеспечиваться максимальная эффективность обработки и одновременно должны выполняться заданные технические требования к точности и качеству поверхности. Функциями искомых параметров являются фазовые переменные (износ инструмента, сила, мощность и температура резания). Этапы методики оптимизации: расчет фазовых параметров операции (метод теории подобия); расчет погрешности операции (метод координатных систем с деформирующимися связями); расчет упругопластической деформации режущих кромок инструмента (метод конечных элементов); решение задачи оптимизации токарной операции.
Недостатком данного подхода является то, что модели, используемые в данном методе, являются статическими и не учитывают динамические процессы в технологической системе.
В работах [90, 92] представлен метод обеспечения точности обработки с помощью интеллектуальной системы управления станком по состоянию технологической системы. Для работы интеллектуальной системы необходима следующая информация: исходные данные технологической системы, определенные в управляющей программе; данные о станке; о заготовке и требуемых параметрах детали; о процессах механической обработки и способах достижения требуемой точности; а также информация, поступающая от измерительных устройств, входящих в станочную систему. Интеллектуальная система включает в себя: экспертную систему формирования алгоритмов и моделей движений в конкретной станочной системе с прогнозированием их результата; базу данных, служащую источником информации для базы знаний перечисленных экспертных систем.
Ограничением предлагаемого метода является необходимость наличия у станка развитой системы ЧПУ, на основе персонального компьютера или установки компьютера к менее мощному ЧПУ и оснащения станка измерительными устройствами и датчиками. А также для каждого типа станка необходимо разработать математическое обеспечение большого объема. Следовательно, основным недостатком данного метода является то, что на оборудовании, не оснащенном ЧПУ, данный подход не может быть использован.
В работах [17, 26, 51, 69, 70] предложен метод обеспечения точности и производительности токарной обработки по результатам прогнозирования геометрического образа детали. Метод заключается в подборе оптимальных по точности и производительности режимов обработки по результатам сравнения идеального геометрического образа и прогнозируемого, который формируется как совокупность ожидаемых значений координат точек поверхности детали в пространстве. Диагностический комплекс включает в себя: токовихревые датчики, датчик оборотов шпинделя (для синхронизации), усилитель, аналого-цифровой преобразователь и осциллограф. Программный пакет выполняет следующие функции: реализовывает режим ввода данных по параметрам резания и станка; производит расчет упругой линии смещения системы «шпиндель - патрон - деталь»; расчет геометрического образа детали в плоском сечении и в пространстве; расчет по построенному геометрическому образу параметров точности: овальность, биение, отклонение от размера; производит графические построения геометрического образа. Далее программное обеспечение производит оптимизацию режимов резания. Процесс оптимизации заключается в варьировании сочетаниями значений частоты вращения и подачи в заданных диапазонах с фиксацией режимов резания, отвечающих требованиям точности детали, с дальнейшим выбором из них наиболее производительного.
Разработка программного комплекса для выбора оптимальных режимов обработки, обеспечивающих заданное значение некруглости
Программный комплекс выбора оптимальных режимов обработки, в основе которого лежит математическая модель колебаний технологической системы, позволяет прогнозировать ход процесса обработки, а также получаемые в результате параметры точности профиля обрабатываемой детали, что очень важно при обработке прецизионных дорогостоящих деталей. Поэтому перед внедрением данного программного комплекса в производство необходимо произвести проверку адекватности прогнозов. Для этого были выполнены экспериментальные исследования некруглости при обработке с режимами резания, указанными в технологическом процессе изготовления деталей, и произведено сравнение значений некруглости, полученной в результате моделирования и экспериментально.
Экспериментальные исследования проводились на АО «Хабаровский станкостроительный завод» в цехе №4, где имеются в наличии следующие станки: 1К62, 16К20, 16К20ПФЗ, 16К20ВФЗ. На данном участке была проанализирована номенклатура деталей и выбраны те, у которых требования к точности не ниже 7 квалитета. По ним была составлена база данных, включающая в себя название, обозначение, материал и массу детали, обрабатываемые размеры, поля допусков, материал режущей части инструмента, оборудование и режимы резания, указанные в технологическом процессе. В базу данных входят 75 групп деталей. Величина выборки по каждой группе составила от 10 до 20 штук. 1) Вал 1И140П. 1.50.029 диаметром 0 30 js6 (±0,008), материал детали -сталь 40Х, черновая обработка производится на станке 1К62, марка твердого сплава инструмента Т5К10 (t = 0,5 мм; s = 0,8 мм/об; v = 58 м/мин), получистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента Т15К6 (t = 0,3 мм; s = 0,4 мм/об; v = 94 м/мин), чистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента Т15К6 (t = 0,2 мм; s = 0,08 мм/об; v = 132 м/мин). 2) Втулка 1И140П. 1.50.041 диаметром 0 40 js6 (±0,008), материал детали -сталь 45, черновая обработка производится на станке 1К62, марка твердого сплава инструмента Т5К10 (t = 0,6 мм; s = 0,9 мм/об; v = 62 м/мин), получистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента Т15К6 (t = 0,4 мм; s = 0,5 мм/об; v = 98 м/мин), чистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента Т15К6 (t = 0,2 мм; s = 0,08 мм/об; v = 136 м/мин). 3) Стакан 11Д65ПФ40.3.7.016 диаметром 0 192 h6 (-0.029), материал детали - СЧ20, черновая обработка производится на станке 1К62, марка твердого сплава инструмента ВК8 (t = 1,6 мм; s = 1,4 мм/об; v = 68 м/мин), получистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента ВК6 (t = 1 мм; s = 0,8 мм/об; v = 104 м/мин), чистовая обработка - на станке 16К20ПФЗ, марка материала твердого сплава инструмента ВК6 (t = 0,4 мм; s = 0,12 мм/об; v = 192 м/мин). Перед обработкой на станке все детали каждой группы измерялись на кругломере модели 290. По снятым круглограммам были определены начальные амплитуды и фазы погрешностей заготовок и занесены в базу данных. По этим данным с помощью программного комплекса был сделан прогноз некруглости для каждой детали при заданных в технологическом процессе режимах резания. После этого группа деталей была обработана согласно технологическому процессу, причем строго соблюдалась очередность деталей (по номерам), т.к. начальные параметры погрешностей заготовок различны. После чистовой обработки были определены значения некруглости деталей группы и проведено сравнение с прогнозированными значениями. В таблице 3.4 представлены результаты эксперимента для 10 деталей 1И140П. 1.50.029. Прогнозируемое значение некруглости детали №8 превышало заданное. После переориентации заготовки это значение уменьшилось почти в 2 раза (№8-1), что сделало деталь пригодной. Для экспериментального подтверждения этого факта заготовку установили в трехкулачковый патрон и обработали на 1/3 длины, после чего перевернули и обработали на 1/3 длины с другой стороны. После этого измерили некруглость с обоих концов. Эти данные полностью совпали с прогнозируемыми значениями, что подтвердило теоретическое положение, предложенное в п.2.2. 1. Для применения методики выбора оптимальных режимов обработки необходимо произвести настройку математической модели, т.е. измерить статические деформации, параметры свободных колебаний и рассчитать инерционные параметры заготовки и инструмента (задать коэффициенты жесткости, демпфирования, массы). Измерение жесткости технологической системы производится с помощью однокомпонентного механического динамометра, который устанавливается между обработанной деталью и инструментом. Измерение статических деформаций обрабатываемой детали и инструмента - индикаторами модели 1МИГП. Для измерения параметров свободных колебаний с целью определения коэффициентов демпфирования используются вибродатчики, связанные с экспериментальной установкой, разработанной на базе ПЭВМ IBM PC. 2. Для применения в производстве методики выбора оптимальных режимов резания для обеспечения заданных значений некруглости разработан программный комплекс. Он реализован в системе аналитических вычислений MAPLE. 3. Составлена база данных, включающая в себя 75 групп деталей, с выборкой по каждой группе 10 -20 штук, обрабатываемых по 5 - 7 квалитетам. Для каждой детали в базе данных имеется следующая информация: обозначение и наименование, код и размеры детали, значения начальных амплитуд и фаз 15 гармоник погрешностей заготовки, материал детали и режущего инструмента, оборудование и режимы обработки, указанные в технологическом процессе, допуск на некруглость и прогнозируемое значение некруглости. 4. Произведены экспериментальные исследования в производственных условиях с целью установления степени адекватности предложенной методики реальному процессу токарной обработки. Эксперимент показал, что расхождение прогнозируемого профиля с полученным не превышает 6 -т-10 %.
Экспериментальные исследования значений некруглости детали при изменении направления обработки или после ее переворота
Из таблицы 4.13 видно, что заданная некруглость деталей № 1, 10, 13, 7, 9 и 12 обеспечивается только при обработке в одном из направлений (для первых трех из них - в обратном направлении обработки, для трех других - при первоначальной установке). Для детали №17 заданное значение некруглости не обеспечивается вообще при режимах резания, указанных в технологическом процессе. Для остальных деталей заданная некруглость обеспечивается при обработке в любом направлении. Однако, некруглость при обработке в разных направлениях у некоторых деталей очень сильно отличается. Так, у детали №14 некруглость при обработке в одном направлении составила 3,76 мкм, а в другом - 3,04 мкм, разница между этими значениями - 19,3 % (рис. 4.10), хотя при обработке и в том и в другом направлении заданная некруглость обеспечивается. А у детали №7 значения некруглости при обработке в разных направлениях отличаются на 32,6 %: в одном направлении - 3,52 мкм, в другом - 4,66 мкм (рис. 4.11).
Влияние фазовых характеристик в процессе обработки на значения некруглости обработанной детали можно рассмотреть на примере сравнения деталей №2 и №10. Некруглость заготовки детали №2 значительно превышает некруглость заготовки детали №10 (1247 мкм и 1176 мкм соответственно), некруглость обработанных деталей - наоборот (3,81 мкм и 4,02 мкм).
Так как у детали № 17 заданная некруглость не обеспечивается, то для этой детали необходимо выбрать такие режимы резания, при которых заданная некруглость бы обеспечивалась. Для этого нужно рассчитать значения некруглости детали после каждого перехода при различных скоростях резания, при вращении заготовки в прямом и в обратном направлении. А также рассчитать оптимальные режимы резания для каждого перехода и выбрать скорости резания, близкие к оптимальным. На рис.4.12 представлены целевые функции оптимизации токарных переходов, а также результаты расчета оптимальных режимов резания. Точка А на графике соответствует оптимальной скорости резания, точка Б - скорости резания, указанной в технологическом процессе на изготовление детали.
В таблице 4.14 представлены рассчитанные значения некруглости детали после получистового перехода и процент разности между значениями некруглости детали при вращении заготовки в прямом и обратном направлении.
При черновой обработке принимаем оптимальную скорость резания v = 68 м/мин (рис. 4.12), несмотря на то, что производительность обработки на этом переходе получается ниже, чем при режимах резания, указанных в технологическом процессе.
Из таблицы видно, что с увеличением скорости резания некруглость увеличивается, в отличие от примеров 1 и 2. Т.е. при обработке чугуна лучше выбирать меньшие скорости резания. Так, скорость резания, указанная в технологическом процессе (v = 122 м/мин), в данном примере вполне приемлема. В таблице 4.15 представлены рассчитанные значения некруглости детали после чистового перехода и процент разности между значениями некруглости детали при вращении заготовки в прямом и обратном направлении.
Из таблицы видно, что заданная некруглость детали обеспечивается при обработке в любом направлении при скоростях резания v = 170 - 182; 192 - 194 м/мин, а при скоростях резания v = 166 - 168 м/мин заданная некруглость не обеспечивается вообще. Наименьшие значения некруглости при обработке в обоих направлениях получаются при v = 170 м/мин. Но в данном случае на чистовом переходе можно принять и скорость резания, указанную в технологическом процессе (у = 180 м/мин). Таким образом, чтобы обеспечить заданную некруглость данной детали, достаточно было изменить скорость резания на черновом переходе, все остальные скорости резания можно оставить такими, как в технологическом процессе. Если принять на получистовом переходе оптимальную скорость резания (v = 132 м/мин) и тем самым увеличить производительность обработки на переходе на 7,5 %, то заданная некруглость обработанной детали в обоих направлениях обработки будет обеспечиваться только при одном значении скорости резания: v = 170 м/мин. При этом производительность обработки на чистовом переходе уменьшится на 5,5 %. Заданная некруглость обработанной детали будет обеспечиваться только в одном направлении обработки при скоростях резания v = 172 - 176; 182 - 198 м/мин, что наглядно видно на рис. 4.13.
