Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель работы и задачи исследования 8
1.1. Неполнопрофильные отверстия, их служебное назначение и требования, предъявляемые к ним 8
1.2. Существующие методы и технологические средства, применяемые при обработке НПО 13
1.2.1. Приемы и методы сверления, область применения и основные характеристики 16
1.2.2. Технологическое оснащение операций сверления 24
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса сверления 33
1.4. Основные проблемы процесса сверления НПО малого диаметра по результатам статистических исследований 40
1.5. Выводы 49
1.6. Цель работы и задачи исследования 49
2. Математическое моделирование взаимодействия элементов технологической системы в процессе сверления неполно профильных отверстий 51
2.1. Анализ особенностей процесса сверления НПО 51
2.2. Моделирование технологической системы и процесса обработки 56
2.2.1. Модель технологической системы 56
2.2.2. Обобщенная математическая модель деформаций технологической системы при сверлении НПО 60
2.2.3. Комплексная математическая модель взаимодействия элементов технологической системы 78
2.3. Моделирование взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью 80
2.4. Моделирование взаимодействий сверла и кондукторной втулки 84
2.5. Моделирование процесса отвода стружки из зоны резания 92
2.6. Выводы 97
3. Экспериментальные исследования процесса сверления НПО 99
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 99
3.2. Исследование взаимодействия режущих кромок сверла с обрабатываемой деталью 100
3.3. Изгибные деформации и нагружение сверл при направлении по кондукторной втулке 103
3.3.1. Изгибные деформации спиральных сверл при неуравновешенном поперечном нагружении 103
3.3.2. Исследование взаимодействия сверла и втулки в зоне контакта 107
3.4. Исследование процесса отвода стружки из зоны резания 111
3.5. Исследование влияния силовых факторов процесса сверления НПО 116
3.6. Исследование влияния динамических факторов на деформации инструмента 119
3.7. Выводы 123
4. Методика расчета процесса сверления НПО 124
4.1. Подготовка исходных параметров 126
4.1.1. Описание параметров детали 126
4.1.2. Моделирование инструмента 129
4.1.3. Формирование параметров технологической системы и
условий обработки 131
4.1.4. Определение координат и параметров режущих кромок 132
4.1.5. Определение сил резания и деформационных характеристик сверла 134
4.2. Расчет статических нагрузок 136
4.2.1. Определение нагрузок от взаимодействия сверла с деталью 136
4.2.2. Определение изгибных деформаций сверл и их дополнительного нагружения при трении о кондукторную втулку 138
4.2.3. Определение дополнительного нагружения инструмента при взаимодействии со стружкой 138
4.2.4. Вывод расчетных параметров и их корректировка 139
4.3. Расчет динамических нагрузок 140
4.3.1. Деформации инструмента при вынужденных колебаниях 142
4.3.2. Определение устойчивости системы к параметрическим и автоколебаниям 143
4.3.3. Вывод результатов расчета, их анализ и корректировка 146
4.4. Выводы 147
5. Практическое применение результатов исследований 148
5.1. Технологическое оснащение операций сверления НПО 148
5.1.1. Устройства для закрепления деталей 149
5.1.2. Направление инструмента при обработке НПО 150
5.1.3. Отвод стружки при сверлении малоразмерных НПО 155
5.1.4. Управление динамическими параметрами процесса 157
5.1.5. Системы привода, замены и контроля инструмента 159
5.1.6. Комплексное технологическое оснащение операций сверления НПО 162
5.2. Применение результатов исследований в производстве 164
5.3. Использование результатов работы в учебном процессе 166
5.4. Выводы 167
Общие выводы по работе 169
Литература 171
Приложения 185
- Существующие методы и технологические средства, применяемые при обработке НПО
- Моделирование технологической системы и процесса обработки
- Исследование взаимодействия режущих кромок сверла с обрабатываемой деталью
- Расчет динамических нагрузок
Существующие методы и технологические средства, применяемые при обработке НПО
Обзор существующих технологических процессов и технической литературы [37, 38, 50, 66, 114, 150, 151 и др.] показал, что для получения НПО применяются преимущественно методы механической обработки, среди которых первое место занимают операции сверления. Электроэрозионные, электрохимиче ские, ультразвуковые и лучевые методы при обработке отверстий применяются ограниченно. Это связано с тем, что немеханические методы имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их широкое применение для обработки НПО.
Электроэрозионные методы [50, 100, 107, 114] при обработке отверстий уступают в производительности сверлению в 20...100 раз, а их энергоемкость в 25...40 раз выше энергоемкости механических методов обработки. Износ электродов при обработке малоразмерных отверстий составляет 80...140% от веса удаляемого материала, а в отверстии образуется дефектный слой высокой твердости, удаление которого затруднительно.
Электрохимическая обработка [33, 50, 100, 149] НПО малого диаметра также не эффективна, ее производительность в десятки раз ниже, а энергоемкость в 80...100 раз выше, чем процесса сверления. Воздействие на поверхность детали водных растворов солей, кислот или щелочей, применяемых в качестве электролита, вызывает их ускоренную коррозию.
Применение ультразвуковых методов [17, 20, 114] для обработки пластичных материалов малоэффективно, даже обработка деталей в абразивосодержа-щем электролите по производительности и энергоемкости в десятки раз уступает процессу сверления.
Лучевые методы обработки [49, 60, 114, 139] высокопроизводительны, но и они имеют ряд недостатков. Оборудование для лучевой обработки отличается высокой сложностью и стоимостью, сложно в наладке и эксплуатации, а энергоемкость обработки в 10... 15 раз выше, чем при сверлении. При обработке электронными и ионными лучами процессы выполняются в вакуумных камерах, что дополнительно усложняет процесс получения отверстий (необходима тщательная промывка и сушка деталей, длительное вакуумирование рабочей камеры после каждой загрузки деталей), кроме того, лучевые методы позволяют получать отверстия диаметром только до 0,5 мм и глубиной до 10 мм, а на обработанных поверхностях образуется дефектный слой высокой твердости.
Общим недостатком физико-химических методов обработки также является то, что они выполняются на оборудовании, существенно отличающемся от применяемого для механической обработки деталей, что затрудняет его установку в общую технологическую линию, наладку и обслуживание этих станков.
Попытки улучшить характеристики электрофизических и химических методов за счет одновременной обработки группы отверстий [57, 149], повышения плотности тока при электрохимической обработке [127], подогрева деталей и подвода энергии в виде электрических разрядов при лучевой обработке [49, 155], позволяют несколько улучшить характеристики, но все же они значительно уступают показателям процесса сверления.
В процессе сверления НПО, по сравнению с обработкой полнопрофильных, происходят значительные изменения, появляются новые факторы, влияющие на стойкость инструмента, производительность и точность обработки. Эти изменения вызваны рядом особенностей процесса, таких как периодические изменения составляющих силы резания в течение одного оборота инструмента неуравновешенное поперечное нагружение сверла при обработке большинства деталей с НПО и ряда других.
Существующие приемы и методы обработки таких отверстий, изменения, вносимые в элементы технологических систем, направлены на устранение или снижение влияния специфических особенностей процесса. Некоторые из них достаточно универсальны и применяются при обработке различных типов отверстий, другие — приемлемы только для одного типа, да и то в ограниченном диапазоне их параметров.
Приемы и методы, применяемые при сверлении НПО, можно разделить на три основных вида:— преобразующие форму поверхности детали в зоне неполнопрофильногоучастка отверстия;— снижающие и компенсирующие неуравновешенные нагрузки;— комбинированные методы, в которых преобразование формы сочетается скомпенсацией нагрузок.
В изменениях элементов технологических систем также можно выделить следующие основные направления:— снижение нагруженности элементов системы и уменьшение величины их деформаций в процессе обработки;— расширение универсальности элементов системы.
Моделирование технологической системы и процесса обработки
Как показал анализ, процесс сверления НПО имеет ряд специфических особенностей, существенно изменяющих закономерности нагружения элементов технологической системы и характер их взаимодействия в процессе обработки. Структура и параметры технологической системы в свою очередь также оказывают значительное влияние на процесс сверления, величину и закономерность изменения нагрузок, деформаций элементов. Такую взаимосвязь структуры, конструктивно-технологических параметров системы и рассмотренных специфических особенностей процесса необходимо учитывать в комплексной модели, отображающей закономерности процесса сверления НПО и взаимодействий элементов технологической системы.
Общей особенностью обработки всех видов НПО является циклическое изменение величины всех составляющих силы резания и крутящего момента. Деформируясь, каждый из элементов технологической системы и вся система в целом совершают крутильные, продольные и изгибные колебания [144]. Пользуясь принятыми [12] условными обозначениями упругих, вязких, пластичных и инерционных свойств элементов, для каждого элемента технологической системы можно составить его физическую модель, графически отображающую основные свойства элемента при его деформациях, а из них и всей технологической системы (рис.2.2) создать физическую модель системы.
При комплексном нагружении системы каждый из видов ее деформаций отображается физической моделью, аналогичной приведенной. Исключение составляют изгибные деформации, которые могут происходить в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а следовательно, имеют две степени свободы.
Деформационные колебания технологической системы, состоящей из п элементов, на каждый из которых действуют крутящие, продольные и изгибающие нагрузки, описываются математической моделью, представляющей систему дифференциальных неоднородных уравнений.
M(t), Po(t), Pn(t) — крутящий момент, осевая и изгибающая нагрузки. Решение такой объемной системы крайне затруднительно. Для упрощения задачи необходимо максимально сократить количество уравнений, входящих в систему, оставив только те, которые отображают деформации элементов, регламентирующих процесс обработки.
Рассмотрим модель колебательной системы. Она представляет собой колебательный контур, образованный последовательным соединением элементарных систем. Концы этого контура замыкаются элементами, отображающими взаимодействия сверла с обрабатываемой деталью и кондукторной втулкой.
Периодические силовые возмущения системы, возникающие при сверлении НПО в зоне обработки, приводят к возникновению колебаний составляющих ее элементов, но амплитуда этих колебаний у разных элементов, в связи с различным их расположением относительно источника возмущений и разброса конст руктивных параметров, может отличаться на несколько порядков. Прочностные характеристики элементов технологической системы также не одинаковы. Так, даже при резонансном нагружении станины станка, поглощающая способность которой в десятки, а масса, жесткость, прочность - в тысячи раз больше этих параметров малоразмерного спирального сверла. Нагрузки, достаточные для поломки инструмента, не только не приведут к разрушению станины станка, но и не вызовут ее значительных деформаций. Часть энергии, полученная технологической системой, будет затрачена на деформации ранее стоящих элементов, частично погашена в соединениях узлов и деталей, а оставшаяся часть при колебаниях станины затрачивается на внутреннее трение.
Наиболее слабым звеном в цепи элементов технологической системы является спиральное звено, непосредственно воспринимающее нагрузки, прочностные характеристики которого значительно ниже, чем любого другого элемента системы. Следовательно, для оценки величины деформаций системы, практически достаточно определить деформации только одного ее элемента - спирального сверла, приняв остальную часть системы как абсолютно жесткую.
Исключив из рассмотрения изгибные деформации сверла, амплитуда колебаний которых ограничивается кондукторной втулкой, и, пренебрегая потерями энергии на внутреннее трение, величина которых для стали составляет всего 0,01...0,02 [11], получим математическую модель крутильно-продольных деформационных колебаний упрощенной технологической системы, представленную в виде системы двух дифференциальных уравнений:
Упрощенная схема технологической системы с одной степенью свободы приведена на рис.2.3. В математической модели (2.2) возмущающие нагрузки M(t) и Po(t), величина и закономерность которых зависит от ряда факторов процесса, в том числе и от величины деформаций самого инструмента, представлены в общем виде и полностью не раскрывают особенностей поведения технологической системы. Более полное представление о характере деформаций инструмента дает обобщенная математическая модель.
Общие закономерности крутильно-продольных деформаций технологической системы при сверлении НПО рассмотрим на обобщенной математической модели представляющей собой трансформированную систему уравнений (2.2), в которых M(t) и P0(t) представлены обобщенными зависимостями, при этом К4 отображает пропорциональность влияния ширины в, толщины а и ее отклонения Ля, возникающих в результате крутильных деформаций инструмента, на крутящий момент и осевое нагружение сверла от сил резания, а К5 — пропорциональность увеличения нагружения инструмента при его трении о втулку. Величины См и СР учитывают нагружение сверла от сил трения стружки. В левой части системы уравнений (2.2) — величины, характеризующие инерционные параметры, упругость и перекрестную жесткость сверла, заменены соответственно на коэффициенты К/, К2 и /О При изменении коэффициентов и параметров уравнений, входящих в обобщенную модель (2.3), они могут отображать различные виды деформаций технологической системы, характерные для процесса сверления НПО. Некоторые виды деформаций, отображаемые уравнениями математической модели (2.3), и соответствующие им значения параметров и коэффициентов приведены в табл.2.1. Соответствующие изменения коэффициентов и параметров уравнений позволяют описывать и другие виды деформаций, а также их сочетания.
Для определения основных закономерностей поведения технологической системы при сверлении НПО проведем анализ обобщенной модели.Первоначально рассмотрим, как будет реагировать технологическая система на наиболее опасный вид ее нагружения, нагружение крутящим моментом, вызывающим разрушение сверл, то есть рассмотрим только первое уравнение системы (2.3)где: \\J0) — угол поворота режущей части сверла, W(t) = J, + 6(t) cov — угловая скорость вращения инструмента.
Исследование взаимодействия режущих кромок сверла с обрабатываемой деталью
По характеру отображающих воздействий на инструмент, математические модели, а, следовательно, и эксперименты по проверке их адекватности можно разделить на 2 группы: статические или квазистатические, определяющие величину силовых воздействий на сверло и его деформации при постоянном на-гружении, и динамические, отображающие влияние на деформации инструмента, не только величины, но и закономерности изменений нагрузки.
Методика экспериментальных исследований при статическом и динамическом, нагружении инструмента различна. При исследовании статических взаимодействий элементов технологической системы, для исключения влияния динамических факторов нагружения, скорость их взаимных перемещений принимают предельно малой, а сочетание исходных параметров принимают таким, чтобы охватить весь диапазон их возможных изменений. При исследовании влияния динамических факторов нагружения определяют, как изменяется величина деформаций инструмента при изменении закономерности его нагружения.
Экспериментальная проверка зависимостей, отображающих возможность появления отрицательной осевой силы при обработке периферийной частью сверла и малой глубине резания производилась с помощью однокомпонентного динамометра (рис.3.1), позволяющего определять осевые нагрузки на инструменте, действующие в любом из направлений, а также изменять величину осевых люфтов технологической системы.
Конструктивно динамометр (рис.3.2) выполнен в виде сборной державки, на одном из концов корпуса 1 которой расположен хвостовик, для установки корпуса на станке, а на втором — ступенчатая полость, частично перекрытая регулировочной гайкой 2. В полости корпуса 1 размещен с возможностью ограниченных осевых перемещений ступенчатый вал 3, выступающая центральная часть которого соединена с корпусом 1 посредством шариковых шпонок 4. Между выступающей частью вала 3 и торцевыми поверхностями гайки 2 и полости корпуса 1 размещены упругие элементы 5. На конце вала 3, выходящим за торец гайки 2, установлен патрон 6 для закрепления инструмента 7. Продольные перемещения вала 3, при воздействии на него осевой составляющей силы резания, регистрируются индикатором 8. Фиксация заданного расположения регулировочной гайки 2 обеспечивается подпружиненным прижимом 9, размещенном в радиальном канале корпуса 1 и взаимодействующего с рифленой внутренней поверхностью гайки 2.
При экспериментальных исследованиях процесса, для исключения влияния тангенциальной и радиальной составляющих силы резания и постоянного на гружения инструмента, величина осевой нагрузки на инструменте определялась при рассверливании отверстий диаметром 3,6; 3,7; 3,8; 3,9 мм, в образцах из стали 45 и 12Х18Н10Т. Обрабатывались отверстия диаметром 4 мм, обработка осуществлялась на токарном станке модели 16К20 при частоте вращения образцов 0,21 об/сек. За положительное направление осевой силы принималось направление, противоположное направлению подачи.
Результаты исследований приведены в табл.3.1 (в числителе для стали 45, в знаменателе — 12Х18Н10Т), а на рис.3.3 представлены графики влияния подачи на величину осевого нагружения инструмента при обработке стали 45.Влияние осевых люфтов между элементами технологической системы, при горизонтальном расположении инструмента, проявлялось только при нагруже-нии сверл тянущей осевой составляющей силы резания. При таком нагружении и наличии осевых зазоров подача кратковременно возрастала до величины =.% , после чего она снижалась до своего номинального значения.
Как показали проведенные исследования, абсолютная погрешность математических зависимостей, определяющих критическую глубину резания (2.27) и величину осевых перемещений инструмента (2.28, 2.29), не превышает 12%, и они с достаточной достоверностью отображают особенности нагружения спиральных сверл при малой глубине резания.
Значительное неуравновешенное нагружение спиральных сверл радиальной и тангенциальной составляющими силы резания при обработке НПО приводит к изгибным деформациям инструмента даже при направлении его по кондукторной втулке. Изгибные деформации сверл сопровождаются смещением и уводом режущей части сверла и дополнительным нагружением инструмента силами трения в зонах его контакта с кондукторной втулкой.
Для экспериментальной проверки адекватности математических моделей, отображающих закономерности изгибных деформаций спиральных сверл при их направлении по кондукторной втулке, был разработан стенд, позволяющий изменять взаимное расположение сверла и направляющего элемента, способ крепления инструмента, параметры направляющего элемента и величину поперечной нагрузки. Схема стенда приведена на рис.3.4.
Стенд состоит из плиты 1, на поверхности которой установлена стойка с направляющими, имитирующими втулку 2. Инструмент 3 закрепляется в зажиме 4, обеспечивающем жесткое, плавающее, качающееся и плавающе-качающееся закрепление инструмента. Угол поворота зажима 4 и его расположение относительно направляющей 5 устанавливается с помощью винтов 6 и 7. На стойке закреплен рычаг нагружателя 8, в конечной части которого размещаются грузики. Усилие с рычага передается посредством толкателя 9 на боковую поверхность сверла. Регистрация величины смещения режущей части сверла 3 обеспечивается индикатором 10, а угол наклона определялся с помощью угломера.
Проверка адекватности моделей, отображающих изгибные деформации спиральных сверл, направляемых по втулке, осуществлялась путем сравнения расчетного расположения зон контакта сверла с втулкой и величины смещения и увода режущей части инструмента с полученными экспериментально.Результаты экспериментов приведены в табл.3.2.
Расчет динамических нагрузок
По зависимостям (2.48, 2.49) определяют сопротивление перемещению стружки в кондукторной втулке FB и в обрабатываемой детали Fd. Дополнительное нагружение сверла крутящим моментом Мдс и осевой силой Рос от сил трения стружки производится по зависимостям (2.50...2.55). Кроме этого, из неравенств (2.57...2.61) находят минимальный угол наклона канавок сверла сос, обеспечивающий отвод стружки из зоны резания и наибольшую глубину сверления Лої между промежуточными выводами сверла для выброса стружки.
Вывод расчетных параметров процесса обработки и элементов технологической системы осуществляется подпрограммой вывода и корректировки исходной информации.
Информация о величине крутящих моментов от сил резания, трения сверла о втулку и трения стружки, а также суммарного момента, действующего на инструмент в процессе обработки, выводится в виде группы графиков, расположенных в единой системе координат.
На исходном графике отображается закономерность изменения моментов в зависимости от осевого положения сверла. При этом угол поворота инструмента соответствует положению, при котором суммарный крутящий момент имеет наибольшее значение. Кроме того, на этом графике выводится значение крутящего момента, допускаемого прочностью сверла. Аналогично выводится ин 140формация о закономерности изменения всех сил, действующих на инструмент и допускаемых его прочностью.
Графическая информация о нагрузке также может быть представлена и для других задаваемых угловых положений сверла или закономерностей изменения нагрузок при повороте инструмента в определенном осевом положении.
Вывод численных значений силовых параметров производится при задании осевого и углового расположения инструмента.
Информация о точностных параметрах процесса представляется в виде численных значений максимальных величин смещения и увода режущей части сверла.
В подпрограмме также предусмотрен вывод информации о критическом диаметре кондукторной втулки, количестве и расположении зон контакта сверла и втулки, величине поперечных нагрузок в каждой из них, минимально допустимом угле наклона стружечных канавок сверла и наибольшей глубине сверления при промежуточных выводах инструмента.
В подпрограмме также предусмотрена возможность оперативной корректировки части исходной информации и приведены рекомендации по совершенствованию процесса и технологической системы.
После определения величины статического или точнее квазистатического нагружения инструмента осуществляется проверка влияния динамических факторов процесса, при которой рассматривается влияние на деформации сверла вынужденных, параметрических и автоколебаний.
Для определения влияния динамических факторов нагружения на крутиль-но-продольные деформации сверла необходимо найти частоту его собственных колебаний.
Первоначально определяются частоты крутильных и продольных колебаний цилиндрической и спиральной частей инструмента
Для спиральной части сверла находятся зависимости влияния связей крутильных и продольных колебаний (рис.4.9), при которых взаимодействуют крутильные и продольные колебания только одного тона [21 ]
Рис.4.9. Влияние связи крутильных и продольных колебаний а) изменение частот совместных колебаний по сравнению с частотой парциальных; б) граница зоны влияния связи крутильных и продольных колебаний
Эту взаимосвязь крутильных и продольных колебаний также отображают уравнения: Fj, F2 — площадь поперечного сечения хвостовой и спиральной части; а1г а2 — скорости распространения колебаний; Р — частота колебаний сверла. Решение уравнения (4.15) осуществляется численным методом Ньютона. После определения собственной частоты крутильно-продольных колебаний инструмента производится расчет крутильных и продольных деформаций инструмента при вынужденных колебаниях.
Коэффициент А!,, определяется из условия равенства касательных напряжений ід/ и Т/з, возникающих на сверле при нагружении его крутящим моментом или осевой силой [47]. Величина крутильных деформаций рассчитывается для каждого из осевых положений инструмента, в каждом из которых последовательное изменение угла поворота инструмента позволяет определить закономерность изменений функций MK(t) и P0(t) и численно решить интегралы этих функций.
Величина продольных деформаций сверла определяется аналогично его крутильным деформациям.
В процессе обработки НПО могут также возникать параметрические и автоколебания, способные нарушить устойчивость процесса и элементов технологической системы, то есть привести к поломке инструмента.
Проверка устойчивости системы к параметрическим колебаниям производится путем сравнения расположения точки А с координатами у и А, относительно границ зон устойчивости системы.
При крутильных колебаниях координаты у и А, находятся из уравнениягде Мм — среднее значение крутящего момента на рассматриваемом участке обработки; АМк— амплитуда отклонения крутящего момента от его среднего значения.
Определение границ зон устойчивости при негармонических колебаниях затруднительно [12]. В связи с этим, для определения зон устойчивости системы, закономерность колебаний которой может изменяться, были приняты две хорошо известные диаграммы, определяющие границы зон устойчивости при гармонических колебаниях (диаграмма Айнса-Стретта) и колебаниях по закону прямоугольного синуса (рис.2.10), совмещенные в одну диаграмму (рис.4.10). Принятые закономерности колебаний в сущности являются граничными формами колебаний, происходящих при обработке НПО.
Похожие диссертации на Повышение эффективности сверления малоразмерных неполнопрофильных отверстий на основе оптимизации структуры и параметров технологических систем
