Содержание к диссертации
Введение
Глава I Возможности повышения точности процессов токарной обработки. 9
1.1. Пути повышения точности при токарной обработке 9
1.2. Способы изменения жесткости технологической системы 14
1.3. Использование режущего инструмента с регулируемыми динамическими характеристиками как метод управления интенсивностью колебаний 21
1.4. Цель и задачи исследования 34
Глава II Исследование процесса резания с применением вероятностного подхода , схема резания и анализ действующих сил 36
2.1. Обоснование необходимости применения теории случайных процессов при исследовании точности механической обработки 36
2.2. Разработка резца с переменной жесткостью 41
2.3. Схема резания 53
2.4. Анализ действующих сил 54
Глава III Исследование вибраций при точении резцом с переменной жесткостью. Определение зоны виброустойчивости 63
3.1. Постановка эксперимента. Точение резцом с переменной жесткостью 63
3.2. Исследование условий возникновения и протекания вибраций 72
3.3. Спектральный анализ процесса возникновения и протекания вибраций 85
3.4. Разработка регрессионной модели зависимости амплитуды колебаний инструмента от режимов резания 94
3.4.1. Планирование эксперимента 94
3.4.2. Выбор интервала варьирования факторов 94
3.4.3. Получение математической модели объекта 95
3.4.4. Проверка значимости коэффициентов модели 99
3.4.5. Проверка адекватности модели 101
3.4.6. Интерпретация результатов 104
3.5. Влияние неточности изготовления прокладки на точность обработки деталей 105
Глава IV Разработка теоретико-вероятностных схем процесса резания 110
4.1. Динамическая модель системы 110
4.1.1. Исследование характеристик УС 114
4.1.2. Исследование характеристик процесса резания 116
4.1.3. Расчет виброустойчивости 117
4.2. Использование вероятностного подхода для исследования процесса резания 129
4.3. Реализация метода повышения виброустойчивости инструмента при нестабильных режимах резания путем введения в конструкцию звена с переменной жесткостью 133
Общие выводы по работе 140
Библиографический список 142
Приложение
- Использование режущего инструмента с регулируемыми динамическими характеристиками как метод управления интенсивностью колебаний
- Разработка регрессионной модели зависимости амплитуды колебаний инструмента от режимов резания
- Влияние неточности изготовления прокладки на точность обработки деталей
- Реализация метода повышения виброустойчивости инструмента при нестабильных режимах резания путем введения в конструкцию звена с переменной жесткостью
Введение к работе
Для успешного решения множества экономических и социальных задач, стоящих перед страной, необходимо обеспечить быстрый рост производительности труда, повышение технического уровня, эффективность и улучшение качественных показателей всех отраслей общественного производства.
В осуществлении этих задач машиностроению, как отрасли, обеспечивающей все сферы народного хозяйства современными машинами и оборудованием, принадлежит первостепенная роль.
Интенсификация производства невозможна без реконструкции народного хозяйства на базе новейших достижений науки и техники, перехода к ресурсосберегающим и безотходным технологиям.
Значительный удельный вес в трудоемкости изготовления деталей .машин приходится на токарную обработку. Станки токарной группы составляют свыше 40% всего станочного парка нашей страны. Поэтому повышение точности и производительности токарной обработки является важной задачей, решение которой будет способствовать дальнейшему прогрессу.
В современном машиностроении, в условиях автоматизации, создания новых материалов и технологий проблема обеспечения высокого качества продукции, стабильности технологических процессов занимает особое место и привлекает все большее внимание ученых и производственников. Разрабатываются новые высокопроизводительные и высоконадежные конструкции инструмента, обладающего высокой точностью размеров и профиля, возможностью применения в режущей v части высокопрочных материалов и износостойких покрытий. Но его применение зачастую ограничено себестоимостью процесса изготовления и возможностью использования серийного универсального оборудования. Помимо этого, при проектировании инструмента практически не учитывается случайный характер процесса резания, в то время, как детерминированный подход к описанию процессов резания не может в полной мере
7 описать все возможное 'разнообразие условий обработки и параметров технологического оборудования.
Применение вероятностного метода позволяет проводить анализ хода процесса, правильно оценивать его точность и степень влияния на него различных Факторов, заранее устанавливать теоретическую схемо-точностную диаграмму процесса, а также является необходимым условием для создания обоснованных методов проектирования надежных и оптимальных конструкций. Исследованию процесса резания с учетом случайного характера его протекания и сдзданю инструмента с переменными параметрами (жесткостью), являющимися одним из определяющих факторов достижения точности, и посвящена данная работа.
В первом разделе дан анализ работ по исследованию влияния различных факторов на вибрации, возникающие в процессе резания, приводятся наиболее распространенные методы снижения уровня колебаний в технологической системе путем изменения жесткости и повышения демпфирующей способности инструмента как звена упругой системы станка, наиболее легко поддающегося адаптации под определенный технологический процесс. Формулируются цель и задачи исследования.
Во втором разделе рассматривается конструкция резца переменной жесткости, разработана модель изгибных колебаний резца. Приводится схема резания, анализ действующих сил. Вибрации резца рассматриваются с учетом случайного характера изменения сил.
В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований резцов переменной жесткости. Приведена методика проведения экспериментов, на основе обработки экспериментальных данных проведен спектральный анализ процесса протекания вибраций, определена зона виброустойчивости. Приводится сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными.
В четвертом разделе исследуется точность токарной обработки с использованием теории случайных величин. Определена область применения и особенности эксплуатации резцов с переменной жесткостью.
Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Г.В. Шадскому за руководство работой, доктору технических наук, профессору Л.А. Васину за консультации, помощь и внимание к работе] благодарит коллектив кафедры Автоматизированные станочные системы, зам. начальника отделения 8 КБ приборостроения Б.П. Мокринского за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Использование режущего инструмента с регулируемыми динамическими характеристиками как метод управления интенсивностью колебаний
Управление интенсивностью автоколебаний технологической системы можно осуществлять инструментами с регулируемыми характеристиками, можно регулировать режимы резания и так далее.
Для этой цели в последние годы широко используют ЭВМ, связанные с датчиками вибрационного воздействия, что позволяет осуществлять управляемую виброизоляцию ( Рис.7 ). Разработано устройство для изменения амплитуды колебаний вращающейся упругой системы при переходе через резонанс. В цепи управления механизмом используется датчик угловой скорости, который включает механизм регулирования жесткости упругой системы, представляющий собой электромагнит, осуществляющий натяжение вала.
Широкое применение нашли пневмовиброизоляционные опоры как средство активной защиты технологического и другого стационарного оборудования от вредного воздействия вибраций. Соколовский А.П. предложил несколько вариантов конструкций виброгасителей, предназначенных для гашения колебаний детали [ 102, 14 ]. Действие виброгасителей основано на увеличении сил сопротивления колебаниям. Рассмотрим принцип работы устройства , устанавливаемого на суппорте токарного станка. В двух цилиндрических отверстиях корпуса вмонтированы два поршня. Полости цилиндров заполнены маслом и соединены между собой каналами. Силой упругости пружины, приложенной к поршню, в системе создается давление. Поэтому поршни прижимаются к поверхности обрабатываемой детали. Величина силы упругости пружины регулируется винтом, дросселем регулируется величина проходного сечения отверстия, соединяющего полости обоих цилиндров. С уменьшением этого сечения увеличивается сопротивление осевому перемещению поршней. Когда возникают колебания, то под действием радиальной составляющей колебательного движения поршни, контак тирующие с поверхностью детали, вынуждены будут совершать возвратно-поступательные движения, следуя за радиальными перемещениями детали. Перемещаясь, они будут вытеснять масло из одной полости в другую. В дросселе при этом будет возникать сила сопротивления перекачиванию жидкости. Она в первом приближении будет пропорциональна квадрату скорости прохождения жидкости через дроссель. Эта сила будет препятствовать перемещению поршней и, следовательно, увеличивать силы сопротивления колебаниям. Кроме того, при колебаниях будет возникать сила трения, приложенная к поршням со стороны сальников, способствующая затуханию колебаний ,-_,
Была разработана пневмоизолирующая опора с повышенной точностью поддержания уровня. Она состоит из рабочей и демпфирующей полостей, заполненных упругой средой и соединенных с виброизолируе-мым объектом. На входе в регулятор установлен подпружиненный шариковый клапан, под который подводят питание из пневмополости. Мембрана разделяет полость регулятора уровня на две камеры. При увеличении нагрузки на крышку последняя проседает и через толкатель утапливает шарик. Рычаг прижимается к соплу и нарушается равновесие между притоком сжатого воздуха из пневмополости и выходом его через сопло в атмосферу. При этом давление в опоре увеличивается и приподнимает виброизолиру-емый объект в исходное положение. На дросселе поддерживается постоянный перепад давления благодаря равенству сил, действующих на мембрану, что повышает жесткость виброопоры.
В некоторых отраслях техники нашли применение статические и астатические опоры [ 12 ]. Принцип действия основан на том, что вибро-изолируемый объект удерживается столбом сжатого воздуха в рабочей камере, которая через демпфирующее отверстие соединена с демпфирующей камерой. Один конец рычага обратной связи соединен с заслонкой, а другой - с регулировочным винтом , который настраивает требуемый уровень объекта. Регулятор астатической опоры содержит заслонку , выполненную в форме пружины Бурдона, которая реагирует на изменение давления в ре гуляторе и сводит к нулю величину его статизма.
Исследования показали [ 104 3 , что динамическая жесткость пневмовиброизолирующих опор при изменении объемов камер опоры может меняться в широких пределах. На резонансных частотах демпфирование в опорах очень велико, а на зарезонансных стремится к нулю, что делает их высокоэффективным средством защиты от вибраций. Существует целый ряд разновидностей пкезковиброизояяторов.
Пневматический изолятор [ 20 ] содержит корпус с демпфирующей камерой, опорную плиту в виде охватывающего с зазором корпус стакана, мембрану, соединенную с корпусом и опорной плитой и образующую с ними рабочую камеру, соединенную посредством демпфирующего канала с демпферной камерой, тороидальный упругий элемент, расположенный в зазоре между корпусом и опорной плитой, и автоматический регулятор уровня. С целью повышения надежности, он снабжен гибкой диафрагмой, расположенной в демпферной камере и делящей ее на две полости, из которых одна со стороны рабочей камеры сообщена с автоматическим регулятором уровня, а другая полость - с полостью тороидального упругого элемента.
Другой вариант виброизолятора С 15 ] содержит рабочую камеру переменного объема, демпферную камеру и периодически сообщающее камеры клапанное устройство, выполненное в виде корпуса и установленного в нем по оси поршня. С целью повышения эффективности виброзащиты за счет увеличения быстродействия и точности регулирования проходного сечения клапанного устройства, он снабжен источником питания, приводом перемещения поршня, выполненным в виде эластичной трубки, закрытой с торцев сильфонами, один из которых соединен с поршнем, и генератора волн, представляющего собой охватывающую эластичную трубку пьезокерамическое кольцо, подключенное к источнику питания, и соединенное с последним системой автоматического управления генератором.
Разработка регрессионной модели зависимости амплитуды колебаний инструмента от режимов резания
Анализ графиков спектральных плотностей показывает, что на этапах холостого хода колебания представляют собой детерминированный процесс, при вибрации наблюдается эргодический случайный процесс. Графики можно отнести к спектрам узкополосных шумов» так как средний квадрат шума распределен в некоторой полосе частот.
Низкочастотные составляющие определяются числом оборотов шпинделя в секунду: п 60 Спектральный анализ показал, что колебания определяются не внешними воздействиями на систему, а самой системой: во время вибрации отсутствовал источник внешней периодически меняющейся силы той частоты, с которой колеблется система. Это указывает на автоколебательный характер .
Автоколебательные системы являются нелинейными: именно за счет нелинейности в системе происходит ограничение амплитуды автоколебаний; в противном случае колебания нарастали бы до бесконечности.
Кроме того, автоколебательные системы являются неконсервативными, то есть первоначальный запас колебательной энергии меняется: он уменьшается за счет перехода в тепло и излучения в среду и нарастает за счет притока энергии в колебательную систему от источника энергии. Нарастание происходит до тех пор, пока приход и расход энергии не начинают компенсировать друг друга.
Возрастающие автоколебания близки по форме к гармоническим, а их частота близка к первой собственной частоте колебательного элемента. ( Рис. 33 ). Это указывает на то, что нелинейность является слабой и мало сказывается на форме колебаний.
Установлено, что при режимах резания t=2 мм, S=0.3 мм/об, п=400 об/мин доминирующие частоты колебаний составного резца (рис. 9) лежат в более широком диапазоне, чем частоты колебаний цельного резца. В результате экспериментов выявлена зависимость характера колебаний от режимов резания и связанная с этим неоднозначность результатов спектрального анализа. Составной резец был эффективен на режимах, указанных выше, а при глубине резания и подачах, значительно отличающихся от них, пластина выполняла лишь функцию ограничителя колебаний верхней режущей части. Это связано с тем, что форма поверхности А. была рассчитана на определенные условия обработки.
При использовании прокладочного элемента доминирующая частота колебаний инструмента смещалась в зону более высоких частот и составляла 6200 Гц при собственной частоте резца 5600 Гц. Из известных формул [ 61 ] следует, что данное изменение частоты обеспечивает снижение нарастания колебаний до Кл = 5 ( без учета диссипации энергии), что положительно сказывается на качестве обработки. Зависимость между спектральными плотностями упругих деформаций резца ( w ) и силы резания Q«( w ) выражаем: Расчет показывает, что значения отклонений величины з (t) от среднего значения может быть одного порядка с амплитудами функции s(t). Это еще раз убеждает в необходимости исследования процесса резания с использованием теории случайных чисел. Амплитуда колебаний является важнейшей характеристикой процесса резания, поэтому важно знать, какое влияние на амплитуду оказывают режимы резания. Проведенные эксперименты позволили выявить значимые параметры условия обработки, оказывающие наибольшее влияние на интенсивность колебаний резца,а именно: глубину резания t и подачу S. Для разработки регрессионной модели были проведены двухфакторные эксперименты с одновременным изменением обоих параметров [ 94, 120 ] . (Введены следующие обозначения: X , - подача S , мм/об, К л - глубина резания t, мм, Y - амплитуда колебаний А, мкм. Эксперимент проводился при следующих режимах резания и характеристиках заготовки и инструмента: Диаметр заготовки D = 30 мм, Материал заготовки - Сталь 35 , Материал инструмента - Т5К6 , Скорость резания v = 75 м/мин , Передний угол инструмента У - 15 , Главный угол в плане Ш =45. Так как предварительные расчеты и эксперименты показали, что зависимость Y = f ( X,{ , Х ) обладает существенно нелинейными свойствами, для исследования применяем планы второго порядка [ 70,83 ]. Выбор целесообразных уровней варьирования входов осуществлялся на первом этапе эксперимента. Так как зависимость нелинейна, исследуемые факторы во время опытов изменялись на трех уровнях: -1, 0, +1. В этом случае общее число необходимых для исследования экспериментов равно 9 .[ 70 ].
Влияние неточности изготовления прокладки на точность обработки деталей
При проектировании инструмента необходимо исследовать его виброустойчивость как важный кр терий высокого качества конструкции, обеспечивающий обработку деталей с заданной точностью при высокой производительности. Анализ устойчивости конструкции помогает совершенствовать ее, подбирать оптимальные параметры конструкции и режимов обра ботки; меняя те или иные параметры, расширять область виброустойчивости.
Проведем анализ упругой системы станка. Работающий станок представляет собой замкнутую динамическую систему, которая состоит из взаимодействующих элементов упругой системы станок-приспособление-инструмент-деталь ( УС ) и рабочих процессов: резания, трения, процессов в электроприводе. Система состоит из элементов, соединенных между собой таким образом, что информация, содержащаяся на выходе одного элемента, используется в последующих элементах в качестве входного сигнала. Воздействие рабочих процессов на УС является главным образом силовым и вызывает смещение ее конструктивных элементов: резца и заготовки ; воздействие УС на рабочие процессы выражается в изменении их параметров: скорости движения, сечении среза и других параметров. На звенья динамической системы воздействуют и внешние факторы: внешнее воздействие на УС оказывают тепловые источники, толчки и колебания, передаваемые извне через фундамент или возникающие в системе из-за погрешностей изготовления деталей или сборки станков, усилия зажима детали и инструмента. Внешнее воздействие на рабочие процессы выражается в изменении давления смазки, изменения электрического напряжения, подводимого к электродвигателю. Наличие обратной связи, которая управляет расходом энергии, является условием возникновения автоколебаний. Автоколебания обусловлены внутренними свя зями и взаимодействиями в самой системе. Поэтому математическая модель системы является грубой и существенно нелинейной.
Помимо замкнутости, другой особенностью рассматриваемой системы является ее многоконтурность. Для решения задач виброустойчивости перейдем к эквивалентной одноконтурной динамической системе.
Структурную схему динамической системы представим следующим образом (Рис. 33 ) : 7. ( t ) - внешнее воздействие на рабочие процессы, в частности на процесс резания как на наиболее важное звено при решении данной технологической задачи,
В соответствии с методикой динамического расчета станков [ 71 необходимо проанализировать динамическую характеристику резания, то есть зависимость между выходной и входной координатой системы при изменяющейся во времени входной координате. Об устойчивости системы суд из амплитудно-фазовой частотной характеристики ( АФЧХ ) системы. В ра боте исследуется нелинейная система, то есть оценку устойчивости системы можно проводить лишь приближенными методами.
Согласно Ляпунову [ 78 ], любое стационарное состояние системы является устойчивым, если при малом отклонении от него в начальный момент времени t=0 отклонение остается стольже малым в любой последующий момент времени 0 t О
Для исследования устойчивости разработанной нелинейной системы в работе используем метод эквивалентной линеаризации,теоретически разработанный Н.М.Крыловым и Н.Н.Боголюбовым и развитый рядом авторов в применении к техническим задачам.Основой данного метода является обобщение понятия передаточной функции и передаточной матрицы линейной системы на нелинейные элементы. Данное допущение основано на том, что отклик нелинейной системы на гармоническое воздействие часто оказывается близок к гармоническому. В работе ограничимся качественным исследованием.
Передаточная функция нелинейной системы представляет собой отношение комплексной амплитуды основной гармоники выходного сигнала к амплитуде гармонического сигнала на входе.
Реализация метода повышения виброустойчивости инструмента при нестабильных режимах резания путем введения в конструкцию звена с переменной жесткостью
Особенностью нелинейных систем является возможность существования нескольких периодических режимов при изменении частоты в определенных пределах, Реализация того или иного режима зависит от начальных условий движения. При увеличении частоты внешнего воздействия ( при резании по следу меняется частота вибрационных волн) амплитуда меняется по линии KL (Рис.43). В точке L происходит срыв колебаний и при увеличении частоты амплитуда будет меняться по линии MN. Увеличение амплитуды силы приводит к увеличению ширины кривой ( пунктирная кривая). Для исследования устойчивости системы введем выражение где - малое отклонение смещения % от JJ0 , соответствующего стационарному режиму. Подставляя выражение ( 93 ) в ( 92 ) и проводя преобразования получаем: Решение данного уравнения позволяет определить условие устойчивости в виде: Данное уравнение позволяет сделать вывод о том,что если увеличение силы приводит к увеличению амплитуды колебаний,движение устоичивс
И наоборот, стационарное движение неустойчиво, если возрастанию силы ее ответствует убывание амплитуды. Анализируя полученные уравнения, можно осуществлять на научной основе рациональный выбор параметров системы, обеспечисвающих устойчивую работу инструмента в широком диапазоне режимов резания. Увеличение отклонения частоты w от значения w. , повышение сил демпфирования позволяют расширять зону устойчивой работы резцов. Данные условия учитывались при разработке конструкций предложенных выше инструментов. Предложенные инструменты просты в изготовлении, не требуют для своего изготовления и функционирования сложного и дорогостоящего оборудования и спеиальной подготовки рабочих, могут применяться в широком диапазоне возможных режимов резания. 1. С целью определения области виброустойчивости проведен расчет динамической системы станка, включающей взаимодействие УС СПИД мс рабочими процессами. Для анализа систем использован математический аппарат современной теории автоматического управления, что позволило раскрыть физический смысл динамических явлений, протекающих во время точения. УС рассмотрена на основе классического положения теории упругости и колебаний как система со многими степенями свободы и координатными, скоростными и инерционными связями. Анализ устойчивости линеаризованной динамической системы при резании на основе разработанных представлений об элементах системы и их связях позволил дать совокупную оценку влияния параметров УС, процессов резания, трения на ззапас устойчивости. 2.
Получены значения оптимальных параметров конструкции и режимов резания, позволяющих расширить область виброустойчивости. Запас устойчивости оценивался по ширине срезаемого слоя. 3. Разработана методика анализа динамической системы станка с учетом случайного характера ее параметров. 4. Получены уравнени, описывающие основные параметры колебаний резца. Определена область возможных применений уравнений. 5. Проведены эксперименты , подтвердившие совпадение с расчетными характеристиками. 6. Теоретический и экспериментальный анализ позволил выя вить " слабые " звенья , влияющие на устойчивость системы. Выявле но, что улучшение динамического качества системы может быть достиг нуто путем усиления тех или иных звеньев системы, а именно: - Увеличением жесткости закрепления детали, жесткости стыков в станке; - увеличением демпфирования в конструкции; - изменением связей в системе: подбор оптимальных форм сечений, изменении направления сил трения и резания. 7. Предложены несколько вариантов конструкций державок, поз воляющих повысить динамическое кочество УС. 1. Проведенный анализ условий обработки металлов и параметров оборудования выявил их многообразие и случайный закон изменения, показал необходимость адаптивного конструкционного управления интенсивностью вибраций. Теоретически обоснована возможность применения инструмента с регулируемой жесткостью, позволяющего значительно уменьшить вероятность возникновения резонансных явлений при регенеративных колебаниях. 2. Разработана конструкция режущего инструмента, реализующая изменение жесткостных характеристик державки при нестабильных режимах резания, обеспечивая тем самым уменьшение вероятности возникновения резонанса в системе. Снижается влияние случайных изменений условий обработки, так как это "плавающая" схема, с уменьшением чувствительности к изменениям режимов резания. 3. Проведена экспериментальная проверка разработанной конструкции. Установлено, что применение исследуемого резца в 1.5 - 2.5 раза уменьшает вибрационное врезание в тело заготовки, что положительно сказывается на качестве обработки. Определен оптимальный диапазон режимов резания, обеспечиваемый оптимальным выбором державки. Установлено, что применение разработанного инструмента наиболее целесообразно для черновой обработки деталей с ярко выраженной не-круглостью, сложных фасонных поверхностей, деталей, предусматривающих большой вылет резца. Применение смазки в конструкции инструмента уменьшает амплитуду вибраций в 3 - 6 раз.
