Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор выполненных работ. задачи исследования 8
2. Анализ условий виброустойчивости ДСС 23
2.1. Модельные схемы ДСС. Характеристики элементов контура вибраций 23
2.2. Блок-схема замкнутого контура вибраций. Виброустойчивость ДСС 31
3. Общая методика экспериментальных исследовании 42
3.1. Условия и этапы проведения экспериментов 42
3.2. Виброизмерительные средства и их испытание 44
3.3. Устройства для определения характеристик элементов ДСС 51
4. Экспериментальное исследование характеристик элемен тов контура вибраций 61
4.1. Общие представления к определению характеристик ПР 61
4.2. Оценка закономерностей изменения коэффициента усадки и микротвердости стружки 62
4.3. Оценка комплекса показателей, в совокупности определяющих характеристики процесса резания 76
4.4. Оценка параметров собственных и вынужденных колебаний УСС (без резания) 84
4.5. Результаты экспериментальных исследований характеристик УСС и их анализ 93
5. Влияние пространственной ориентации характеристик усс на параметры вибраций, границу устойчивости и качество поверхности 102
5.1. Особенности методики, анализ результатов экспериментальных исследований 102
5.2. Оценка влияния направления подачи резца на вибрации системы ИЗ
5.3. Шероховатость обработанной поверхности в зависимости от вектора силы резания 115
6. Устойчивость ус сушорта. оценка точности обработки .. 124
6.1. Теоретические основания 124
6.2. Контрольные эксперименты 145
6.3. О связи статической характеристики УС суппорта с точностью обработки 156
7, Прошпшенная реализация результатов исследований ... 159
7.1. Методика промышленной оценки устойчивости токарных станков с ЧПУ 159
7.2. Реализация методик оценки виброустойчивости на многопозиционном станке с наклонными направляющими с ЧПУ 161
7.3. Реализация результатов исследований в промышленности и научно-дроизводетвеиных объединениях. 168
Основные результаты работы 175
Литература 180
Приложения 195
- Блок-схема замкнутого контура вибраций. Виброустойчивость ДСС
- Виброизмерительные средства и их испытание
- Оценка закономерностей изменения коэффициента усадки и микротвердости стружки
- Шероховатость обработанной поверхности в зависимости от вектора силы резания
Введение к работе
В решении задач научно-технического прогресса одно из ведущих мест принадлежит машиностроению и его важнейшей отрасли -станкостроению. Металлорежущие станки в силу своего функционального назначения призваны обеспечить надежную базу для развития различных отраслей народного хозяйства. От технического совершенства станков и технологических процессов, выполняемых на них, в значительной мере зависят такие важные характеристики машин, как надежность и долговечность. Они являются основным средством обеспечения точности и качества обработки поверхностей деталей-машин .
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" /I/,принятыми ХХУТ съездом КПСС, предусматривается значительное увеличение выпуска, расширение и обновление номенклатуры и типажа металлорежущих станков. Шире должен осуществляться переход от использования отдельных станков к автоматическим станочным системам, в том числе, оснащенным ЧПУ. Кардинальной является задача дальнейшего повышения точности обработки.
Установившаяся тенденция всевозрастающего использования станков с ЧПУ" в современном машиностроении вызывает широкий интерес у специалистов и исследователей. Он обусловлен перспективами автоматизации серийного и мелкосерийного производства.
Автоматизация технологических процессов в машиностроении с использованием станков - автоматов и автоматических линий, до последнего времени охватывала, главным образом, массовое и крупносерийное производство. Между тем, в настоящее время большая часть
5 (70-75 продукции машиностроения выпускается в серийном и мелкосерийном производствах. Рост средней серийности производства если и происходит, то весьма медленно. С тенденцией повышения серийности на основе нормализации, стандартизации, специализации и кооперирования действуют другие конкурирующие факторы: углубление специализации производственных и транспортных машин и рост их типажа, общее прогрессирующее ускорение развития конструкций машин, ускорение появления новых моделей, развитие экспериментальных производств.
В отличие от массового и крупносерийного производств в условиях мелкосерийного производства вопросы комплексной автоматизации решаются на основе использования станков с ЧПУ и гибких станочных систем, в которых технологическое и вспомогательное оборудование связываются единым управлением от ЭВМ с реализацией ЧШГ.
Станки с ПУ в сочетании с промышленными роботами и манипуляторами обеспечивают существенный рост производительности труда, стабильное и высокое качество изделий, не требуют рабочих высокой квалификации, сокращают материальные затраты и цикл подготовки производства.
Этим обусловливается интенсивный процесс насыщения парка металлорежущего оборудования станками с ЧПУ. Так, если в 1975г. в СССР число станков с ЧШГ составляло 2200 единиц, то в 1980г. количество их возросло в 2,4 раза. Еще более значительным будет рост выпуска станков с ЧПУ в одиннадцатой пятилетке.
Наряду с количественным ростом выпуска станков с ЧБУ повышается их качество и номенклатура. Возросло применение высокоэффективных многоцелевых станков типа "обрабатывающий центр", станков с наклонными направляющими.
Несмотря на эти преимущества станков с ЧШГ, их потенциаль-
ные возможности в направлении повышения производительности и качества обработки используются все еще недостаточно полно. Вопрос прежде всего касается возможности устранения погрешностей, возникающих вследствие влияния деформаций упругой системы, динамических воздействий, трения и ряда других факторов. Сигнал, управляющий исполнительными движениями станка, не учитывает эти погрешности, они обычно выявляются при непосредственном измерении обрабатываемой детали. Важной становится задача расширения технологических возможностей станков с ЧПУ, более рационального использования технологических параметров при варьировании свойствами обрабатываемого объекта и режущего инструмента. Отсюда следует, что эффективность процесса обработки на станках с ЧЛУ обусловливается не только степенью совершенства элементов конструкции (органов привода и управления), но в то же время деформационными и динамическими процессами, протекающими в них. Возникающие при этом отклонения в закономерностях движений исполнительных органов резко ограничивают эффективность использования системы в целом.
Появление станков с программным управлением, оцениваемое, как явление сравнительно новое, требует учета в показателях динамического качества особенностей выполняемых технологических переходов, своеобразие которых связано с изменением пространственной ориентации режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки, характеристик элементов контура вибраций, условий возникновения неустойчивости в том или ином проявлении.
Изложенное подтверждает актуальность и необходимость проведения работ по исследованию условий., обеспечивающих эффективность выполняемых на станках с ЧШГ технологических процессов обработки при реализации различных схем резания и изменении пространственной ориентации режущего инструїлента относительно) обраба-
7 тываемой заготовки. Б этой связи наибольшее внимание в работе уделено зависимости устойчивости динамической системы станка от этих факторов, и, хотя исследования выполнялись применительно к токарным станкам с ЧПУ, их результаты имеют более общее значение. Методологические аспекты, заложенные в основу работы, могут быть учтены в исследованиях устойчивости систем станков различного функционального назначения.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Ереванского политехнического института им.К.Маркса (гос. per. № 78018909). Она тесно связана с программой по решению научно-технической проблемы 0.16.05.
Блок-схема замкнутого контура вибраций. Виброустойчивость ДСС
Рассмотренные выше положения позволяют выполнить построение блок-схемы замкнутого контура вибраций (рис.2.4) и исследовать условия виброустойчивости ДОС. Для ее построения использованы уравнения, характеризующие передаточные функции отдельных элементов контура. Как видно, процесс резания непосредственно связан с УСС. Характеристикой же толщины среза обеспечивается обратная связь, необходимая для существования автоколебаний. Указан первичный путь обратной связи, существующий во всех случаях обработки, и вторичный, обусловленный воздействием "следов" вибраций, когда JU Ф 0. Он существует не во всех случаях обработки. Из (2.15) следует: Выражение (2.17) показывает связь между отношением толщины среза при вибрациях к ее номинальному значению с динамическими характеристиками УСС и ПР при учете влияния запаздывания силы резания, обусловленного членом JU .
Оно может служить основанием для определения условий виброустойчивости системы. Известно, что линейная система устойчива в том случае, если ее ответная реакция на импульсное воздействие со временем угасает. Математическая трактовка этого определения может быть представлена следующим образом: линейная система с сосредоточенными параметрами устойчива тогда и только тогда, когда все корни характеристического уравнения имеют отрицательные действительные части. Если какие-либо или все корни этого уравнения имеют положительные действительные части, система неустойчива. Если часть корней имеет действительные части, равные нулю, а остальные -отрицательные действительные части, то данное условие представ ляет границу устойчивости, и решения характеристического уравнения будут гармоническими. На рис.2.5 иллюстрируются виброграммы устойчивого, неустойчивого, гранично-устойчивого состояний системы /31/. Характеристическим уравнением рассматриваемого контура вибраций, согласно (2.17), будет: Обозначим динамическую добавку в динамической характеристике УСС lh2 1=П- Кет Из условия устойчивости следует, что корни этого уравнения должны ограничиваться левой половиной комплексной плоскости, не располагаясь на.мнимой оси или в ее правой половине. Имея ввиду, что р =LCJ , уравнение (2.20) представим в виде Как видно, левая часть (2.21) представляет произведение динамических характеристик ПР и УСС: Следовательно, Учитывая, что 0)1 = 2Jljl ( j - частота колебаний в Гц), напишем (2.23) в виде: Величина (JJI = 2Л (N + Vj , где N - целое число циклов резания на детали в процессе автоколебаний, соответствующее времени (пути) срезания последующих "следов" вибраций; V - коэффициент фазы - часть цикла резания на детали в процессе автоколебаний. Отсюда следует, что Величина L однозначно зависит от уи и V . В /85,31/ доказывается, что геометрическое место точек, описываемое (2.24), при постоянных значениях /U и V в полярных координатах представляет собой окружности. При этом, в случае yii = const , центр окружности имеет координаты (- / _уц2, +І.0 ) и радиус =Л(_іЛ При V = const координаты центра окружности имеют значения Эти окружности всегда охватывают точки (-1; + 10) и (0; + 10), но в зависимости от значений JU и V координаты центров окружностей и величины радиусов изменяются. На той же комплексной плоскости может быть построен график функции /ши)» Пересечением обоих графиков определяются корни характеристического уравнения - границы устойчивости. Так, по (2.3)
Виброизмерительные средства и их испытание
Разработка и выбор виброметрических средств, обладающих высокой чувствительностью и стабильностью выдаваемых сигналов, имеет решающее значение для получения достоверной информации о характере и параметрах колебаний. Параметрами, характеризующим колебательный процесс, являются: смещение, скорость, ускорение. Известно, что каждый из них по-разному откликается на колебательные сигналы той или иной частоты. Виброметрические средства, предназначенные для измерения колебательных смещений, чувствительны к низкочастотным колебаниям; средства же, используемые для регистрации колебательных ускорений, - к высокочастотным колебаниям [х (i)= flujsintivt+V)}, Что же касается средств для измерения скоростей колебательного движения, они чувствительны, преимущественно, к низко- и средне-частотным колебаниям [х(-)=Дшсо5 Динамическая система станка, обладая множеством степеней свободы и поличастотным возмущением, на выходе выдает спектр колебаний с составляющими, имеющими различную частоту. Следовательно, задача состоит в использовании средств измерений, позволяющих получить наиболее полный набор информации по частотному спектру колебаний. Испытывался ряд виброметрических средств, освоенных отечественной промышленностью, а также специально разработанных (виб-рощуп- для измерения скоростей колебательного движения; резец -трехкомпонентный измеритель вибраций).
Испытания приборов с целью получения их АЧХ осуществлялись на электро-динамическом вибрационном стенде резонансного типа методом заданного возмущающего воздействия /48/. Методика испытаний заключается в следующем. На вибрирующем столе, совершающем колебания в горизонтальной плоскости относительно неподвижной станины, устанавливается и закрепляется испытуемый датчик. Требуемая резонансная частота вибрирующего стола, получающего возмущения от звукового генератора, достигается изменением жесткости системы. Для измерения амплитуды и частоты колебаний стола используется контрольный датчик омического сопротивления, представляющий собой упругую стальную пластинку с размерагли 40 х 6 х 0,2 мм с наклеенными с двух противоположных сторон тензорезисто-рами с базой 20 мм. Основанием пластинка закрепляется к неподвижной станине стенда, а другой конец с закрепленной на ней иглой упирается в вибрирующий стол. За счет значительной упругости пластины обеспечивается синхронность колебаний контрольного датчика и стола. Для получения необходимого увеличения выходного сигнала, он предварительно усиливается, затем подается к гальванометру осциллографа. Коэффициент увеличения контрольного датчика определяется показаниями индикатора, наконечник которого с противоположной стороны касается стола, и отклонениями луча на экране осциллографа: где Д - отклонение луча на экране осциллографа, мм; О - фактическое смещение вибрирующего стола по показаниям индикатора, мм. Коэффициент увеличения испытуемого датчика можно определить выражением: где /J2 амплитуда записи колебаний испытуемого датчика. Основанием для построения АЧХ датчиков служат значения Ку полученные при различных частотах колебаний стола. Результаты испытаний вышеуказанных виброметрических средств в виде АЧХ иллюстрируются на рис.3.2. Как видно, с точки зрения стабильности чувствительности определенные преимущества имеет вибродатчик генераторного типа СШ-І6 и разработанный на его основе виброщуп. Существенно, что плоскостно-линейные участки АЧХ простираются в достаточно широком диапазоне частот. Кроме того, они выдают сигналы с достаточным увеличением без применения усилительных устройств, могут быть приспособлены для измерения абсолютных и относительных колебаний исследуемого объекта.
Оценка закономерностей изменения коэффициента усадки и микротвердости стружки
Опыты проводились на токарном станке общего назначения /32, 33/. Исследования осуществлялись в двух вариантах. В первом при постоянных значениях подачи S = 0,15 мм/об и глубины резания "t = 1,5 мгл изменялась скорость резания от I до 250 м/мин. Во втором - при постоянных глубине резания t - 1,5 мм и скорости ре зания V = 80 м/мин, установленной условием равенства усадки стружки \ при различных схемах резания, изменялась подача в диапазоне S =0,07 0,47 мм/об. На рис.4.1 показаны закономерности изменения \ при трех схемах в зависимости от скорости. Как видно, во всех случаях на кривых обозначаются экстремальные точки, восходящие и нисходящие ветви.
По скорости резания приведенную характеристику можно разбить на две зоны. В первой, охватывающей значения скорости выше 100 м/мин, характер изменения при всех схемах резания идентичен - с повышением скорости наблюдается монотонное уменьшение . Во всей зоне скоростей при защемленном резании больше, чем при других схемах. При этом количественная разница в значениях \ незначительна, отношение коэффициентов усадки составляет 1,2. Учитывая сказанное, данную область скоростей резания можно считать областью стабильного деформированного состояния стружки для всех схем резания. Иного характера изменения имеют место в области скоростей ниже 100 м/мин. В этом случае закономерности изменения для каждой схемы резания как по виду самой характеристики, так и по расположению определяющих точек различны. При свободном резании закономерность изображается типовой кривой с двумя максимумами при Y = 5 и 40 м/мин,соответственно, и с одним минимумом при V = 20 м/мин. При несвободном и защемленном резании на кривых \-\Ы) также имеются два максимума и один минимум. В этом отношении закономерности изменения % при различных схемах резания не отличаются друг от друга. Однако для каждой схемы имеются свои, отличные от других скорости резания, при которых деформация стружки получается наибольшей, либо наименьшей. Например, при свободном резании одна из точек максимума соответствует V = 40 м/мин, при несвободном резании при V = 50 м/мин, а в случае защемленного резания - при v = 100 м/мин. Можно сделать и иные сопоставления, однако это сути вопроса не меняет. Важно то, что в силу изменения расположения экстремальных точек на кривых =М в зависимости от схемы резания количественные соотношения между значениями при заданной скорости резания могут оказаться различными, независимо от схемы резания.
Другое отличие, как следствие первого, проявляется в интенсивности изменения в рассматриваемом диапазоне скоростей в зависимости от схемы резания. Наиболее резкие изменения , обусловленные изменениями скорости, имеют место при свободном резании. При несвободном, а в еще большей степени при защемленном резании изменения по скорости резания происходят более плавно. Следовательно, при защемленном резании изменения скорости приводят к меньшим изменениям деформации стружки, чем при несвободном, а при несвободном - к меньшим деформациям, чем при свободном.
Результаты опытов по определению влияния подачи на усадку стружки при трех схемах резания приведены на рис.4.2. Как видно, во всех случаях увеличение подачи в интервале от 0,07 до 0,47 мм/об вызывает некоторое уменьшение (от 2,72 до 1,74). Однако наиболее резкие его изменения происходят при защемленном резании. Результаты опытов показывают также, что в преобладающей области изменения подачи (от 0,11 до 0,47 мм/об) абсолютное значение при несвободном резании больше, чем в других случаях резания.
Шероховатость обработанной поверхности в зависимости от вектора силы резания
Оценка качества обработанных поверхностей производилась по показателю шерховатости R (по ГОСТу 2789-73) с установлением класса (по ГОСТу 2789-59) шероховатости (табл.5.3). Сопоставляя данные табл.5.3 с уровнем вибраций, обозначенных на рис.5.3, убеждаемся в том, что от пространственной ориентации силы резания существенно зависит шероховатость обработанной поверхности. Данное обстоятельство обусловлено именно изменением интенсивности вибраций при различной пространственной і—» ориентации силы резания. Обозначаются значения угла оС , наиболее благоприятные с точки зрения обеспечения наименьшей шероховатости ( ос = 270, 150, 90, 30). Наихудшие условия обработки имеют место при ОС = 135 и 300, что соответствует областям неустойчивости. На рис.5.10 иллюстрируются образцы профилограмм обработанных поверхностей при различных значениях угла ОС . Произведена также оценка шероховатости обработанных поверхностей при изменении направления подачи резца ( табл. 5.4, рис. 5.II). Данные табл.5.4 и рис.5.II показывают, что при обработке сталей 40Х и Р6М5 шероховатость при подаче резца от передней бабки к задней получается меньше.
Имеются позиции, при которых эта разница весьма существенна (например, при обработке стали Р6М5 с установкой на центрах). V Обеспечение высокого качества и производительности обработки на токарных станках с ЧПУ часто затрудняется деформациями и неустойчивостью УС суппорта. Ниже с приложением основных положений "теории координатной связи" /66, 129/ рассматриваются результаты теоретических исследований условий апериодической и периодической устойчивости УС суппорта. Допускаем, что обрабатываемая заготовка обладает значительной жесткостью, имеет устойчивое движение. Входной координатой является сила резания (или имитирующая сила), выходной - смещение резца. Координатная связь проявляется в том, что при перемещении центра жесткости в одном направлении (кроме направления главных осей жесткости) возникает также смещение в перпендикулярном направлении. Последнее рассматривается по двум обобщенным координатам и V , соответствующим главным осям жесткости. Модельная схема УС суппорта в упрощенном виде показана на рис.6.1. Допуская линейность упругости и пропорциональность сил сопротивления скорости колебательного движения, уравнения движения УС суппорта представим в виде /69/
