Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Обзор литературы по теме исследований. Обоснование цели и задач исследовании
1.1. Влияние концентрации операций на функционирование технологических систем роторного типа. .II
1.2. Влияние вида инструмента на его стойкость и точность обработки 21
1.3. Взаимосвязь параметров обрабатываемой детали с параметрами инструмента 26
1.4. Цель и задачи исследований 34
Раздел 2. Влияние вида инструмента на его стойкость и точность обработки отверстии . 36
2.1. Обоснование критериев точности диаметральных размеров отверстий. 36
2.2. Математическая модель упругих перемещений оси сверла в инструментальных блоках 38
2.2-І.. Модель упругих перемещений ступенчатого сверла 38
2,2,2. Упругие перемещения оси одномерного сверла. ...48
2.3. Аналитическое определение упругих перемещений оси сверла 50
2.4. Исследование точности обработки отверстий на технологических системах роторного типа 60
2.4.1. Методика проведения исследований. 61
2.5. Исследование стойкости инструмента и ее влияния на частоту отказов технологической системы 77
2.6, Повышение надежности обработки отверстий ступенчатыми сверлами 85
2.7. Выводы 91
Раздел-3. Взаимосвязь структуры:обрабатываемых поверхностей отверстий с параметрами инструмента .93
3.1. Взаимосвязь параметров обрабатываемой детали с параметрами инструмента 93
3.2. Структурно-логическая модель процесса формообразования поверхностей 97
3.3. Влияние схемы резания на технологическую и цикловую производительность 104
3.4. Выводы НО
Раздел 4. Исследование влияния вида инструмента на структуру и производительность роторных технологических систем 112
4.1. Общая характеристика функциональных связей ТС роторного типа .112
4.2. Структурно-логическая модель принципиальной кинематической схемы технологического движения . 114
4.3. Модель принципиальной функционально-структурной схемы ТС. 122
4.4. Влияние конструктивных параметров ТС на произ водительность .134
4.4.1. Влияние вида инструмента и способа обработки на длину кинематического и технологического цикла ТС...134
4.4.2. Влияние вида инструмента и способа обработки на кинематику движения исполнительных органов ТС 138
4.4.3. Влияние параме тров технологиче ского ротора на производительность ТС 146
4.5. Влияние вида инструмента и способа обработки на ожидаемую производительность ТС 159
4.6. Выводы 172
Раздел 5. Технико-экономическое обоснование результатов внедрения .173
5.1. Общая характеристика научных разработок, предлагаемых к внедрению. .. 173
5.2. Технико-экономические показатели нового способа обработки ступенчатых отверстий .175
5.3. Экономическое обоснование нового способа обработки ступенчатых отверстии.., 176
5.4. Результаты внедрения выполненных исследований 183
5.5. Выводы. 185
Основные выводы. .186
Перечень ссылок 188
Приложения 199
- Влияние вида инструмента на его стойкость и точность обработки
- Математическая модель упругих перемещений оси сверла в инструментальных блоках
- Структурно-логическая модель процесса формообразования поверхностей
- Структурно-логическая модель принципиальной кинематической схемы технологического движения
Влияние вида инструмента на его стойкость и точность обработки
Точность обработки ступенчатых отверстий характеризуется [22, 363: - точностью диаметральных размеров; - точностью координат взаимного расположения поверхностей отверстий, которые характеризуют увод оси отверстий или отклонение от соосности; - точностью форм поверхностей, характеризуемых круглостью отверстия. На ТС роторного типа, как правило, производится обработка единичных отверстий. Поэтому на данном этапе исследований целесообразно рассмотреть только точность диаметральных размеров отверстий.
Анализ исследований [36, 37, 38, 39, 79-831 показывает, что определяющее влияние на точность диаметральных размеров оказывает геометрическое смещение оси инструмента, вызванное погрешностями заточки рещущих кромок или связанное с индексацией инструмента. Наличие геометрического смещения режущих кромок вызывает появление неуравновешенных радиальных сил, которые вызывают упругие деформации инструмента. Установлено, что геометрическое смещение ревущих кромок и упругие перемещения оси инструмента составляют более 75 от всех погрешностей [36]. Поэтому на данном этапе исследований рассматривается только данный вид погрешностей, т. е. А и А .
Наличие погрешностей заточки режущих кромок, снимащйх основной припуск, приводит к разбиванию отверстий, т. е. когда диаметр отверстия становится больше диаметра сверла. Причем несимметричность заточки вызывает разбивание отверстий как за счет геометрического смещения режущих кромок, так и за счет появления неуравновешенных радиальных сил. При плавающем закреплении инструмента,, например, при развертывании, величина разбивания отверстий, в основном, определяется геометрическим смещением инструмента [381. При жестком закреплении инструмента как геометрическим смещением, так и упругими его деформациями, вызванными появлением неуравновешенной радиальной силы.
Анализ исследований [54] показывает, что при работе КИ из-за погрешностей их заточки возникают значительные радиальные неуравновешенные силы, которые являются одним из основных факторов разбивания отверстий.
Здесь же рассматривается вопрос упругих перемещений оси инструмента под действием трех составляющих силы резания для КИ с постоянными главными местностями, что характерно для зенкеров и разверток. В то время как сверло имеет переменную жесткость, что связано с наличием винтовой стружечной канавки.
Вопрос устойчивости и упругих перемещений оси инструмента с различными осевыми моментами инерции рассматривался в работах Ю.П. Холмогорцева [37] и С. Д, Пономарева [39] применительно к одномерным инструментам, причем от действия только одной радиальной силы.
Исследованиями, выполненными авторами работ [37, 391 установлено, что при длине сверла, превышающей шаг стружечной канавки Н, т. е. когда 1 Н = icdVtgco (где d - диаметр свера, оь угол наклона стружечной канавки сверла), сверло можно рассматривать как инструмент, у которого жесткость постоянна вдоль оси.
Вопросы упругих перемещений оси НИ с различными осевыми моментами инерции при многопараметричееком нагружении не рассматривались. Это говорит об актуальности данной задачи и о необходимости ее рассмотрения.
При одновременном действии радиальной и осевой сил значительно увеличивается кривизна оси стержня [37, 40], а следовательно, и кривизна оси инструмента [37, 391. крутящий момент при l/d 40 оказывает также влияние на кривизну оси инструмента, где I - длина инструмента, й - диаметр инструмента. При значении Х/й 40 степень влияния крутящего момента на кривизну оси инструмента не привышает одного процента, что позволяет им пренебречь Е37, 401. Поэтому в дальнейших исследованиях при определении упругих деформаций инструмента можно учитывать только влияние осевой и радиальной сил.
Анализ выполненных исследований показывает, что на жесткость сверла оказывают влияние размеры стружечных канавок [18, 26, 33, 37, 48, 39-44, 51-55, 631.
Установлено, что при увеличении размеров стружечных канавок отвод стружки увеличивается, но при этом точность обработки отверстий снижается.
Вопросу совершенствования конструктивных параметров сверл и их влияние на точность обработки отверстий посвящены работы [10, 12, 42, 46, 47, 631. А. С. Збнкйшм [231 рекомендуется заднюю поверхность второй ступени сверла затыловать. Это уменьшает несимметричность заточки и повышает тоочность обработки в автоматизированном производстве. Вопросы по совершенствованию конструкций комбинированных инструментов и сверл, в часности, рассматривались в работах [54, 59, 60, 64], однако сравнительный анализ точности обработки отверстий одномерными и комбинированными инструментами не проводился.
Выполнить сравнительный анализ точности обработки отверстий возможно на основе математической модели упругих перемещений оси инструмента, которые являются доминирующим фактором при разбивке отверстий [36, 37, 40].
Решение данной задачи позволит ответить на вопрос целесообразности применения ступенчатых сверл на ТС роторного типа.
Большая концентрация режущих кромок на одном инструменте ведет не только к увеличению сил резания, но и к росту температуры, а следовательно, увеличению износа инструмента. Кроме того, большой объем срезаемой стружки затрудняет ее транспортировку из зоны обработки, что ведет к выкрашиванию режущих кромок КИ, а соответственно, к снижению стойкости инструмента и увеличению числа отказов в ТС [261.
Выполненными исследованиями 1541 установлено, что при работе КМ наблюдается выкрашивание режущих кромок последующих ступеней. Это вызвано тем, что упрочненная стружка, выходящая из-под предыдущих ступеней, попадает под последующие, вызывая рост сил резания, а следовательно, и выкрашивание режущих кромок, что приводит к поломке инструментов. Для устранения выкрашивания режущих кромок применяют специальные предохранительные патроны [ 411. Снабжение ТС предохранительными патронами при увеличении сил резания отключает систему и требует устранения возмущения, а это ведет к значительным потерям производительности.
Для уменьшения вероятности поломки инструментов применяются устройства для дробления стружки 11001 Анализ показывает, что наличие дробленной стружки не дает желаемого эффекта, так как элементная стружка, попадая под режущие кромки, вызывает их выкрашивание 1541.
Математическая модель упругих перемещений оси сверла в инструментальных блоках
При определении упругих перемещений оси одномерного сверла приняты те же ограничения, что и для ступенчатого. Решение данной задачи на Сазе математического аппарата, используемого при определении упругих перемещений ступенчатых сверл упрощается. Это обусловлено тем, что одномерное сверло имеет одинаковый диаметр от режущей кромки к хвостовику. Наличием обратной конусности у одномерных сверл можно пренебречь, так как уменьшение диаметра сверла к. хвостовику составляет 0,05 - ОД мм при длине сверла 100 мм ( ГОСТ 10903-77). Это значит, что величина уменьшения диаметра к хвостовику при й. = 10 мм составляет 0,5 - 1%. Такой величиной погрешности при расчетах допустимо пренебречь.
Для качественного и количественного анализа ожидаемой точности обработки ступенчатых отверстий в зависимости от вида инструмента необходимо выполнить сравнительные исследования упругих перемещений оси одномерных и ступенчатых сверл при различной величине подачи, качестве объекта исследований приняты одномерные и ступенчатые сверла, основные характеристики которых приведены в разделе .
Для определения упругих перемещений и углов поворота оси сверла, согласно алгоритмов, полученных в разделах 2.1 и 2.2, и в соответствии с блок-схемой ( рис. 2.3), разработана программа расчета на ПЭВМ ( Приложение А). Разработанные алгоритмы и программа расчета упругих перемещений и углов поворота позволяет определить влияние на данные параметры вида инструмента, его длины, соотношения между длинами инструментов, величины подачи и погрешности заточки .
Из графика ( рис. 2.5) упругих перемещений оси ступенчатого сверла видно, что с увеличением длин ступеней величина Ду_ увеличиватся. Увеличение длины первой ступени оказывает большее влияние на величину перемещения оси по сравнению с увеличении длины второй ступени. Аналогичное действие оказывает увеличение длины ступени сверла и на угол поворота его оси, рис. 2.6.
Исследования показали, что изменение величины подачи от 0,05 до 0,25 мм/об практически не оказывает влияние как на величину упругих перемещений , так и на угол поворота оси сверла. Это обусловлено тем, что осевая сила оказывает существенное влияние на упругие перемещения только при 1/й 40. В исследуемом варианте это соотношение не превышало пяти. Этот вывод хорошо согласуется с исследованиями, выполненными в работе [37],
Характерно, что увеличение погрешности заточки Да от 0,02 до 0,12 мм увеличивает величину прогиба оси от 0,0025 до 0,19 мм. Это является наиболее важным, так как позволяет управлять точностью обработки отверстий за счет повышения качества заточки сверл, т. е. устранения ее несимметричности. Аналогичное влияние оказывает погрешность заточки на угол поворота оси сверла. Уменьшение угла поворота оси сверла уменьшает разбивание отверстий, особенно при их большой глубине.
При проверке адекватности математической модели эксперименты проводились вновь заточенными сверлами. Контрольная партия деталей Л. составляла 60 шт, при общем количестве деталей, ообработанных одним одномерным сверлом - 515 шт, а одним КМ - 435 шт, средняя величина погрешности, вызванная износом сверл не превысила 3. Это обусловлено тем, что при полной площадке износа \ 0,8 мм, усилие резания, по данным исследованиям В.С, Корсакова [91], увеличиваются в 1,6 раза, в то время как при обработке первых 60 деталей h = 0,05 мм. Это обуславливает минимальные погрешности. Поэтому погрешность, вызванную износом сверла, можно считать несущественной.
При расчете величин Д и их влияния на разбивание отверстий необходимо учитывать погрешности заточки по калибрующей части, которая формирует размеры отверстия. Величина погрешностей изготовления по калибрующим ленточкам значительно меньше, чем по главным режущим кромкам сверла и определяется полем допуска на диаметр сверла, который для сверл 1 -12 мм состовляет 0,018 мм.
Структурно-логическая модель процесса формообразования поверхностей
Применение комбинированного инструмента позволяет последовательно обработать несколько алементарых поверхностей одним инструментом с одной установки. Таким образом, на основании анализа процессов формообразования ступенчатых отверстий установлено, что поверхности (в настоящих услових развития техники) могут быть образованы: единовременно-непрерывно, непрерывно, единовременно - прерывисто. В то время как при обработке осевым комбинированным инструментом - только непрерывно. Это позволяет сделать вывод, что предложенный способ обработки ступенчатых отверстий КИ не оказывает влияния на процесс формообразования поверхно стей.
Одной из важных особенностей обработки ступенчатых отверстий КМ является зависимость процесса формообразования от заданной схемы резания, другими словами, последовательности взаимодействия каждой отдельной ступени КИ с соответствующей ступенью отверстия. Краткая характеристика схем резания представлена в табл.3.2.
Параллельная схема резанияt Обеспечивает максимальную производительность ТС, так как машинное время обработки одной ступени перекрывается временем обработки другой ступени. Ограничение - одинаковая длина ступеней. Недостатки -высокая концентрация сил резания, ведущая к снижению точности обработки, а иногда и уменьшения стойкости инструмента
Обеспечивает концентричность обрабатывемых поверхностей. Недостатки - совмещение операций невозможно из-за несовместимости режимов их работы, ( сверлние и нарезание резьбы)
Комбинированная схема резания. Для уменьшения сил резания одновременно обрабатывают ограниченное число ступеней. Производительность ТС увеличивается за счет сокращения вспомагатель-ного времени. Уменьшение машинного времени достигается за счет частичного перекрытия ступеней
Поверхность, подученная при обработке комбинированным инструментом одной ступени отверстия, исходя из анализа способа формообразования поверхности по принципу генерации образующей и направляющей во времени, проведенном в разделе 3.2, является отображением множества P. (t).
Необходимо отметить, что структурно-логическая модель (ЗЛІ) является наиболее применяемым методом описания процессов формообразования при обработке КМ. Анализ показал [66], что наибольший эффект от применения Кй достигается при параллельной схеме резания, но ее использование ограничивается соотношением длин между ступенями обрабатываемых отверстий и высокими силовыми нагрузками. Применение комбинированной схемы резания позволяет практически устранить все недостатки, присущие параллельной схеме резания. Однако производительность ТС при этом снижается.
Выбор оптимального варианта комбинированной схемы резания является весьма затруднительным из-за большого их количества. Рассмотрим случай, который предполагает зевкерованив различных ступеней отверстия соответствующими ступенями инструмента. В этом случае задача сводится к подсчету числа сочетаний с повторениями. Исходя из основного свойства комбинаторики, количество вариантов равно тГ, при п =t 6 б = 46656.
Анализ показал, что не все варианты могут быть реализованы из-за того, что соотношения мевду длинами ступеней отверстий регламентироваш конструктивными параметрами детали. Учитывая, что при обработке ступенчатого отверстия одновременно приходится обрабатывать как цилиндрическую поверхность, так и торец, что исключает свободный выход инструмента, количество комбинаций резко сокращается. Но все же остается значительным при числе ступеней п 3- Поэтому выбор вырианта, при котором обеспечивается максимальная производительность, может быть определен только для каадой конкретной задачи с учетом конструктивных параметров и технических требований, предъявляемых к конкретной детали.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, поскольку вид инструмента и схема резания определяется формой и размерами обрабатываемой поверхности, то следовательно, форма и размеры обрабатываемых деталей определяют конструктивные параметры и структуру ТС. В свою очередь, при конструировании деталей необходимо учитывать особенности их обработки на таких системах. Структурно-логический анализ процесса формобразования на ТС, оснащенных осевым комбинированным инструментом, показал, что их эффективность можно повысить за счет выбора оптимальной схемы резания и конструкции инструмента.
Целью исследований является повышение производительности роторных машин, оснащенных КИ, в зависимости от схемы резания, то вначале допустимо рассмотреть ее влияние на технологическую и цикловую производительность на примере одноинструментальной машины, когда число позиций и = 1. Это позволяет упростить метод исследования и получить достоверные результаты о качественных связях между исследуемыми параметрами.
Установлено, что КИ, работающий- по последовательной схеме резания, по сравнению с одномерными инструментами обеспечивает повышение только цикловой производительности в среднем на 20%, причем это достигается за счет сокращения времени на отвод и подвод инструмента. Параллельная и комбинированная схемы резания обеспечивают повышение как цикловой, так и технологической производительности в среднем на 40% и 34%, соответственно.
Установлено, что параллельная схема резания в чистом виде встречается крайне редко, так как длины ступеней отверстия редко равны друг другу. В большинстве случаев инструменты работают по комбинированной схеме резания.
Установлено, число возможных комбинаций работы КИ по комбинированной схеме резания определяется соотношением длин ступеней отверстий и составляет Pn = п!,
Структурно-логическая модель принципиальной кинематической схемы технологического движения
Проектирование ТС роторного типа для механической обработки ступенчатых отверстий осуществляется в соответствии с принятой принципиальной кинематической схемой. Технологические элементы ТС перемещаютя по траекториям относительного движений со скоростями, определяемыми режимами и схемами резания { одномерных и комбинированных инструментов). принципиальная кинематическая схема технологического воздействия - это схема по которой с помощью условных обозначений изображаются элементарные движения, их количество, состав и пространственное расположение, определяющие процесс формообразования поверхностей. Под элементарными движениями понимают два вида движений: поступательное и вращательное. Кинематика технологического воздействия системы слагается из двух составляющих: кинематики технологического движения и кинематики холостого цикла. При этом очертания формы обрабатываемых поверхностей деталей являются производной кинематики технологического движения на всем их протяжении или на отдельных участках. По принятой принципиальной схеме выполняются движения инструментальных блоков вместе с режущим инструментом. Изменение схемы резания оказывает влияние на изменение принципиальной кинематической схемы, что не оказывает влияния на форму обрабатываемой поверхности, но ведет к изменению структуры машины или системы, а также производительности.
Исследованиями, выполненными во второй главе, установлено, что для повышения стойкости КИ и уменьшения числа отказов в ТС, связанных с выкрашиванием режущих кромок, предложен новый способ обработки с выдержкой паузы в поступательном движении инструмента, т. е. с приостановкой.
Так как новый способ1 обработки предполагает остановку поступательного движения инструмента, т. е. когда Trans = О, то соответсвующая ему группа вращений Rot (уравнение (4.3)) на процесс формообразования влияние оказывать не будет. Поэтому в дальнейших исследованиях кинематики технологического движения КИ данную группу вращений Rot можно не учитывать.
На основании структурно-логической модели принципиальной-кинематической схемы технологического движения установлено, что предложенный способ обработки не оказывает влияния на кинематику технологического движения, т. е. на процесс формообразования -основную технологическую функцию системы. Поэтому необходимо исследовать влияние вида инструмента (одномерного и КИ) на функциональную структуру всей технологической системы.
В роторных системах сохраняется пространственное ориентирование деталей при передаче между соседними технологическими роторами. Поэтому число механизмов холостых ходов сведенно к рациональному минимуму.
Механизмы холостых ходов выполняют функции межроторного транспортирования деталей между соседними технологическими роторами с помощью транспортных роторов, переталкивателей, съемников, перегружателей и роторов - накопителей» Эта группа механизмов обеспечивает сохранение и принудительное изменение пространственной ориентации деталей.
Устройства управления рефлекторного типа { программные устройства, автоматические регуляторы, заполнители и т. д.) обеспечивают безотказное функционирование отдельных технологических транспортных роторов путем выработки управляющих воздействий по результатам контроля параметров процесса и машин. Управляющие воздействия прикладываются непосредственно к технологическим роторам и обеспечивают полное или частичное прекращение подачи деталей на вход в линию или отдельный ротор, автоматическую смену отказавших инструментальных блоков, корректировку режимов обработки и т.д.
Согласно исследованиям И. А.Клусова Е 3,4], производительность ТС определяется длиной кинематического и технологического циклов. Анализ, выполненный в разделе 4.3, показал, что оснащение роторных машин КИ вызывает количественные изменения структуры всей ТС. Поэтому возникает необходимость в определениии влияния вида инструмента на длину технологического и кинематического циклов.
В любой ТС роторного типа продолжительность нахождения детали в зоне обработки и вспомагательных операций определяется длительностью кинематического цикла Г , Период кинематического цикла Т зависит от времени срабатывания кинематических механизмов.
