Наукова новизна одержаних результатів:

-вперше визначені математичні залежності, що представляють процес точіння з урахуванням замкненості пружної ТОС, яка включає до себе елементи з саморегульованими параметрами, що дозволяє на етапі проектування обрати необхідні геометричні та динамічні параметри цих елементів;

-пропонується визначення технологічної спадковості при токарній обробці, з урахуванням зміни частотних характеристик другого роду пружної ТОС залежно від координати формоутворюючого руху інструменту за довжиною заготовки та її вихідної форми;

-вперше науково обґрунтовані та розроблені вимоги до нових інструментальних пристроїв з саморегульованими параметрами.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше розроблена серія інструментальних пристроїв, що захищені патентами України і у яких реалізовані запропоновані наукові концепції управління динамічними параметрами ТОС. Вперше розроблені алгоритми і програмно-математичне забезпечення для моделювання динамічних явищ при токарній обробці є важливим практичним засобом дослідження та проектування динамічних систем токарних верстатів (створена програма "Моделювання динамічних характеристик ТОС токарного верстату".

Результати роботи впроваджені у навчальний процес, а саме у навчальні курси "Теорія різання", "Різальний інструмент та інструментальне забезпечення", "Моделювання процесів механічної обробки", що використовуються при підготовці фахівців за спеціальностями 7.090202 "Технологія машинобудування" і 7.090203, 8.090203 "Металорізальні верстати та системи" та апробовані на підприємстві ВАТ "Гідросила" (м. Кіровоград).

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена структурно-параметрична модель процесу точіння з урахуванням замкненості пружної ТОС та з використанням спеціального інструментального пристрою, запропонований алгоритм визначення технологічної спадковості при токарній обробці, який ураховує зміни частотних характеристик другого роду пружної ТОС залежно від координати формоутворюючого руху інструменту за довжиною заготовки, науково обґрунтовані та розроблені конструкції нових інструментів з саморегульованими параметрами.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського державного технічного університету у 1997 - 2004 роках, 2-ій міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки" (м. Кіровоград, 23-24 вересня 1999 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Автоматика та комп'ютерні технології в промисловості та АПК" (м. Кіровоград, 16-18 квітня 2002 р.), 3-ій міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2002" (м. Севастополь, 24-28 червня 2002 р.), 2-ій Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво" (м. Суми, 30 жовтня - 2 листопада 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування та металообробка - 2003" (м. Кіровоград, 17-19 квітня 2003 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, з яких 7 [1-7] у наукових фахових виданнях України, отримано 3 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки, у тому числі 70 ілюстрацій за текстом, 7 таблиць, список використаних літературних джерел з 134 найменувань на 12 сторінках, 3 додатки на 30 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладені основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі представлений аналітичний огляд розвитку досліджень динамічних характеристик металорізальних верстатів: від робіт засновників таких досліджень М.С.Ачеркана, А.С.Пронікова, Д.М.Решетова, що приділяли головну увагу верстату, ураховуючи процес різання як кінцевий послідовної технологічної системи; через наукову школу В.О.Кудинова, який розглядав динамічні явища як такі, що відбуваються у замкненій через процес різання технологічній системі з урахуванням динамічних характеристик самого процесу різання до сучасного стану.

З аналізу впливу динамічних характеристик ТОС на вихідні параметри процесу різання зроблений висновок про необхідність і можливість управління такими параметрами чи, принаймні, їх урахування при технологічній підготовці виробництва. При сучасній тенденції підвищення швидкості різання і вимог до точності обробки питання визначення впливу технологічної спадковості форми заготовки залишаються не вивченими.

Проведений аналіз існуючих конструктивних рішень підвищення динамічних характеристик верстатів, які звичайно зводяться до різного виконання динамічних гасників коливань, параметри яких, як правило, обираються експериментальним шляхом.

Зроблений висновок про те, що для сучасного машинобудівного виробництва існує потреба у розробці систем управління динамічними параметрами та прогнозування і управління технологічною спадковістю, зокрема на операціях точіння.

Другий розділ присвячений розробці базової математичної моделі процесу точіння з урахуванням його структурно параметричної моделі, що складена на основі системного підходу з використанням математичного апарату теорії автоматичного управління (рис. 1).

Еквівалентна пружна система (ЕПС) представлена блоками, що відображають її реакцію у вигляді пружної деформації (складові ?_x, ?_y і ?_z ) на складові сили різання за осями координат. Проте, ці пружні деформації, в залежності від їх спрямування, по різному впливають на задані вхідні впливи. Так, установлено, що деформація за координатою Y безпосередньо впливає на задану глибину різання, тоді як деформація за координатою Z впливає через геометричні співвідношення схеми формоутворення. Такі впливи представлені на функціональній схемі за допомогою порівняльних пристроїв ПП1, ПП2 та передаточної функції W₁, яка відображає геометричне перетворення складової ?_z пружної деформації у складову ?_yz, що впливає на глибину різання.

Швидкість зміни деформації ?_z впливає на фактичну швидкість різання V_ф, оскільки її вектор співпадає з вектором швидкості різання. Такий зв`язок на функціональній схемі відтворюється за допомогою порівняльного пристрою ПП3. Аналогічно, швидкість зміни деформації ?_x впливає на фактичну величину повздовжньої подачі - порівняльний пристрій ПП4.

ЕПС у такому випадку представлена одномасовою динамічною моделлю, але з трьома ступенями рухомості і має наступну математичну модель руху (6-й порядок) у матричному вигляді з використанням змінних стану:

де застосовані наступні змінні стану: x₁=d_x, x₂=sd_x, x₃=d_y, x₄=sd_y, x₅=d_z, x₆=sd_z, (s=d/dt).

Для динамічного гасіння коливань ТОС при різанні була обрана схема з послідовним з`єднанням мас (рис. 2). У відповідності до завдань, що були сформульовані у першому розділі, був запропонований метод управління динамічними характеристиками ТОС, який базується на виборі оптимального балансу параметрів динамічної системи за схемою рис. 2, з одночасним перерозподілом пружних деформацій за осями координат таким чином, щоб загальна динамічна похибка зменшувалась.

Отже, було запропоновано використовувати позитивний ефект від застосування динамічних компенсаторів коливань з одночасним управлінням точністю формоутворення у поперечному перетині деталі. Ця ідея була реалізована у спеціальній конструкції інструментального пристрою, приклад якого представлений на рис. 3. Пристрій складається з різальної твердосплавної непереточувальної пластини 1, державки 3 з поперечним пазом, в якому розміщений гумовий демпфер 2, гвинта 4 для регулювання попереднього натягу і тарілчастої пружини 5. Таким чином, за рахунок розподілу державки різця на дві маси, жорсткість з`єднання яких може регулюватися, а також завдяки вибраному центру повороту верхівки різця, що розташований нижче лінії центрів верстату, він виконує поставлену задачу.

Для розробки математичної моделі такої системи була використана розрахункова схема за рис.4 та модель вихідної ТОС, що була доповнена до двомасової динамічної системи у відповідності до рис.3. Математична модель представлена у вигляді, зручному для чисельного інтегрування, має 12-й порядок і є суттєво нелінійною:

де коефіцієнти моделі розраховуються за формулами: a₁=?₁/m₁; a₂=c_y1/m₁; a₃=c_x1/m₁; a₄=c_z1/m₁; a₅=1/m₂; a₆=?₂/m₂; a₇=c_y2/m₂; a₈=?₂/m₁; a₉=c_y2/m₁; a₁₀=c_x2/m₂; a₁₁=c_x2/m₁; a₁₂=c_z2/m₂; a₁₃=c_z2/m₁. Всі індекси і позначення відповідають динамічній моделі за рис. 3.

У третьому розділі розглядаються питання, пов`язані з технологічною спадковістю форми при точінні. Зміна припуску у поперечному перетині заготовки, яка у загальному випадку може бути обумовлена або похибкою форми заготовки, або похибкою установки на верстаті, а частіше за все спільною дією таких похибок, викликає появу збурення у ТОС при різанні. Причому таке збурення відноситься до швидкоплинних, оскільки змінюється у часі у відповідності зі швидкістю різання.

Для визначення впливу такої зміни припуску на технологічну спадковість, що, в свою чергу, визначає похибку форми деталі у поперечному перерізі, пропонується діяти за алгоритмом, схема якого показана на рис. 5.

Таким чином, у відповідності до алгоритму, збурення у вигляді змінного за кутом повороту припуску повинно бути представлене, як сума гармонік, що отримані за розробленою методикою. Далі, кожна гармоніка розкладу збурення у ряд Фур`є перетворюється у складову гармоніку похибки (технологічної спадковості), трансформуючись через частотну передаточну функцію ТОС, що повинна бути представлена амплітудно-фазовою частотною характеристикою (АФЧХ) системи. Причому використовувати треба АФЧХ другого роду, тобто такі, що відображають реакцію ТОС на змінний припуск при точінні.

Оскільки технологічна спадковість, що визначає точність деталі, залежить не тільки від частотних характеристик верстату, а й від частотних характеристик всієї ТОС, які змінюються в залежності від координати формоутворюючого руху за довжиною заготовки, її прогнозування повинно передбачати визначення відповідної родини частотних характеристик, що побудовані у функції цієї координати.

Отже, пропонується наступний алгоритм визначення технологічної спадковості форми деталі у поперечному перерізі у функції повздовжньої координати.

Після розкладу у ряд Фур`є функції збурення у вигляді припуску та виділення значущих гармонік, (тобто гармоніки з незначними амплітудами відкидаються), треба провести відповідні розрахунки з використанням побудованих АФЧХ. У відповідності до частоти першої гармоніки на графіку АФЧХ будь-якого перетину знаходиться така точка і початок координат з`єднується радіус-вектором з нею. Величина радіус-вектора визначає значення амплітудно-частотної характеристики, а кут від напряму вісі дійсних чисел до радіус-вектора - значення фазово-частотної характеристики для такої частоти.

У відповідності до розробленого методу, гармоніки ряду похибки, що визначають технологічну спадковість форми деталі, розраховуються за залежністю для кожного перерізу:

(3)

де a--- полярний кут деталі; A(w₀n) - амплітудно-частотна характеристика; j(w_{_}n) - фазово-частотна характеристика ТОС.

Четвертий розділ присвячений розробці програмного забезпечення і моделюванню. Створена прикладна програма, яка дозволяє моделювати перехідні процеси у вихідній ТОС та у системі із запропонованим інструментальним пристроєм. Вихідна ТОС моделюється за математичною моделлю, що складена за структурно-параметричною схемою рис. 1, а система з інструментальним пристроєм - за математичною моделлю (2).

Компенсація динамічної похибки оцінювалась за похибкою на діаметр, що виводиться на екран ПЕОМ і за траєкторією руху верхівки різця у поперечному до деталі перерізі. Для оцінки динамічної якості запропонований інтегральний критерій:

(4)

де t_п - час перехідного процесу, dz_max, dz_уст - максимальне і усталене значення пружної деформації. Такі параметри визначаються за перехідними характеристиками системи.

На додатковому інтерфейсі вводяться динамічні і конструктивні параметри інструментального пристрою, останні відповідають прийнятій кінематичній схемі, що заміщує пружну систему за рис. 5.

При машинному експерименті, що був проведений за допомогою створеної прикладної програми, були вирішені дві проблеми: виконаний вибір оптимальних динамічних параметрів інструментального пристрою, а також таких значень конструктивних параметрів, що забезпечують компенсацію похибки обробки від пружних деформацій у сталому режимі точіння. В результаті при застосуванні інструментального пристрою динамічна якість за критерієм (4) була підвищена в середньому в 1,35 рази при майже повній компенсації похибки обробки від пружних деформацій ТОС (рис. 6).

Також було проведене моделювання технологічної спадковості деталі у поперечному перерізі при ексцентричному розташуванні припуску (величина ексцентриситету 0,5 мм). У відповідності до розробленої методики моделюванням була визначена похибка форми при різних частотах обертання деталі під час обробки (рис. 7).

Аналіз результатів розрахунків для умов прикладу (рис.7) показує, що при налагодженні верстату з компенсацією постійної складової похибки розмір деталі, в основному, відповідає кресленню, але відносно осі є похибка, яка визначається технологічною спадковістю і обумовлює похибку форми у поперечному перерізі. Причому амплітуда похибки і кут фазового зсуву суттєво залежить від частоти обертання деталі при точінні. Так, при частоті 1 рад/с (лінія 1) амплітуда похибки майже дорівнює статичній деформації ТОС при зміні сили різання, і не перевищує 0,034 мм, а фазовий кут у порівнянні з розташуванням припуску близький до нуля. Максимальна похибка (0,11мм) спостерігається при частоті обертання під час точіння 45 рад/с (430 об/хв), а максимальний полярний кут її розташування (фаза дорівнює 146) - при частоті обертання 80 рад/с (760 об/хв).

У п'ятому розділі представлені результати експериментальних досліджень, що складалися з дослідження перехідних характеристик ТОС під час різання, технологічної спадковості форми деталі від частоти обертання шпинделя і за повздовжньою координатою. Головною метою проведення експериментів було встановлення адекватності розроблених математичних моделей і визначення ефективності використання розробленого інструментального пристрою. Перед проведенням експериментів ТОС (рис.8,а) разом з інструментальним пристроєм була протарирована за всім вимірювальним ланцюгом.

Реєстрація перехідних процесів відбувалася при точінні спеціально підготовленої заготовки з двома радіальними пазами у вигляді осцилограм складових сили різання при частоті обертання заготовки 100 об/хв., причому осцилограма за рис.8,б - при точінні різцем, а за рис.8, в - інструментальним пристроєм.

Аналіз осцилограм показує, що при однакових усталених значеннях складових сили різання амплітуда максимального значення складових сили різання різна: найбільше значення для складової P_z, найменше - для P_x. Це повністю відповідає результатам теоретичних досліджень розробленої моделі, виконаних за допомогою відповідної прикладної програми. Найбільше демпфірування коливань відбувається за складовою P_y сили різання, що позитивно впливатиме на показники форми обробленої поверхні. Проведений аналіз спектрів експериментальної залежності складової P_z сили різання також свідчить про зменшення майже в 1,3 рази амплітуд спектру косинус-перетворення при застосуванні запропонованого інструментального пристрою, особливо у високочастотній частині спектру.

Друга серія експериментів проводилася при точінні заготовки з ексцентричним розташуванням припуску. Матеріал заготовки - Сталь 45, зовнішній діаметр 50 мм, ексцентриситет 1,5 мм. Заготовка оброблялась при різних частотах обертання шпинделю (315, 500, 800, 1250 і 1600 об/хв) з повздовжньою подачею 0,15 мм/об. Глибина різання змінювалась у відповідності до ексцентриситету від 3,5 мм до 0,5 мм за оберт деталі.

Аналіз осцилограм (рис.9) показує, що при точінні на низький частоті обертання заготовки 315 об/хв., що обумовлює частоту 5,25 Гц (32,98 рад/с) головної гармоніки збурення у вигляді зміни припуску, характер зміни складових сили різання приблизно однаковий для звичайного різця (рис.9, а) і запропонованого інструментального пристрою (рис.9, б). При підвищенні частоти обертання заготовки, відбуваються суттєві зміни у характері як складових сили різання так і впливу фазового запізнення між припуском та складовими сили різання. Найбільше значення він набуває при точінні на частоті обертання шпинделя 1600 об/хв., що відповідає частоті 26,7 Гц (168 рад/с) головної гармоніки збурення і саме тут зафіксовані суттєві принципові розбіжності у характері зміни складової P_z сили різання для обробки звичайним різцем (рис.9, в) і запропонованим інструментальним пристроєм (рис.9, г). Зміна характеру складової P_z сили різання обумовлена перш за все зміною частотних характеристик ТОС із запропонованим інструментальним пристроєм у бік гасіння коливань у напрямку вісі Z. Крім того, спостерігається деяке запізнення між дією збурення у вигляді припуску і реакції системи у вигляді сили різання. Таке запізнення викликане в першу чергу постійною часу стружкоутворення, яку за вимірами на осцилограмах, можна оцінити у межах до 0,01 с.

У відповідності до плану проведення експериментальних досліджень перш за все вивчалася технологічна спадковість у поперечному перерізі від частоти обертання заготовки при точінні звичайним різцем і запропонованим інструментальним пристроєм. Круглограми робилися на вимірювальному приладі фірми Taylor Hobson і в центрах індикатором Mitntyo 2109-10, ціна поділки 0,001 мм з однієї установки деталі при обертанні в одну і ту ж сторону всіх оброблених поясків деталі. При вимірюваннях фіксувалося також розташування припуску під точіння що був залишений на одному з необроблених поясків.

Таким чином, за результатами вимірювань можна оцінити технологічну спадковість як за амплітудою, так і за фазою (рис.10). У центрі круглограм на рис.10 показане розташування припуску сірим кольором, що суміщене за кутом з круглограмами оброблених поверхонь. Круглограми дозволяють визначити амплітуду як різницю між максимальним і мінімальним значенням відповідної круглограми поділену на амплітуду коливання припуску (1,5 мм) і фазу як полярний кут між мінімальним значенням припуску і мінімальним значенням відповідної круглограми. Ураховуючи, що обертання деталей при обробці виконувалося проти годинникової стрілки, то кут, виміряний за годинниковою стрілкою буде від`ємний, тобто технологічна спадковість запізнюється по відношенню до припуску.

За результатами виконаних вимірювань побудовані амплітудно-фазові частотні характеристики ТОС при різанні (рис. 11).

На рис.11 точками позначені експериментальні значення, що відповідають наступним частотам: 1 - 33 рад/с, 2 - 52 рад/с, 3 - 84 рад/с, 4 - 131 рад/с, 5 - 168 рад/с. Лінією а позначена АФЧХ для вихідної ТОС при різанні звичайним різцем, лінією б - АФЧХ ТОС при різання запропонованим інструментальним пристроєм, зони зміни фази показані сірим кольором.

Аналіз АФЧХ дозволяє констатувати наступні переваги обробки з використанням запропонованого інструменту:

- амплітуда, що характеризує технологічну спадковість, зменшилась у порівнянні з вихідною ТОС (для однієї і тієї ж частоти - точка 5: амплітуда при застосуванні запропонованого різця 0,128, а для вихідної ТОС 0,181);

- фазовий кут зсуву значно менше як за діапазоном зміни (15 і 30), так і за абсолютними значеннями при точінні запропонованим інструментальним пристроєм.

Для оцінки технологічної спадковості за повздовжньою координатою були проведені експерименти з обробки заготовок з ексцентричним розташуванням припуску при закріпленні у патроні та патроні і задньому центрі. Були виготовлені 10 заготовок, половина з яких оброблялася звичайним різцем, половина - розробленим інструментальним пристроєм.

Ураховуючи невелику кількість заготовок, для усунення випадкових помилок при вимірах, а також отримання достатньої кількості експериментальних даних для проведення їх статистичної обробки, виміри для кожного перерізу дублювалися при відхиленні за повздовжньою координатою від номінального перерізу на 0,5 мм в обидві сторони. Таким чином, для кожної точки було отримано 15 значень відхилень форми у поперечному перерізі.

Математична обробка результатів експериментальних вимірів проводилася у двох точках за кожним перерізом - при максимальному і мінімальному припуску на точіння, тобто через 180. Попередньо вибрана гіпотеза про нормальний закон розподілення підтвердилася. Така математична обробка дозволила знайти центри групувань відхилень у кожній точці і побудувати круглограми за емпіричними середніми значеннями відхилень у кожній точці за кутом для кожного перерізу і для кожного способу закріплення заготовки. Виявлено, що при обробці звичайним різцем загальна бочкуватість комбінується з “викрученням” деталі, що повністю корелюється з результатом, який був отриманий теоретично за розробленою методикою. Виходячи з отриманих експериментальних результатів, можна стверджувати, що запропонований інструментальний пристрій знижує вплив нерівномірного припуску на похибку форми як у поперечному перерізі, так і за кутовим розташуванням.

У таблицях 1 і 2 представлені основні дані, за якими можна підтвердити такий висновок. Прийняті такі позначення: d_max - максимальне відхилення контуру, d_min - мінімальне відхилення контуру, D - амплітуда відхилення, j --- фазовий кут максимального відхилення.

Таблиця 1 Установка деталі у патроні і задньому центрі

Лисенко О.В. Підвищення динамічних характеристик технологічної оброблювальної системи при точінні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01. - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Кіровоградський національній технічний університет Міністерства освіти і науки України, Кіровоград, 2004 р.

Ключові слова: динаміка, точність, похибка форми, технологічна спадковість, динамічне гасіння коливань, прикладні програми моделювання, інструментальні пристрої.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01. - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Кировоградский национальный технический университет Министерства образования и науки Украины, Кировоград, 2004 г.

Диссертация посвящена разработке, теоретическим и экспериментальным исследованиям новых средств повышения точности токарной обработки за счет управления динамическими характеристиками упругой технологической обрабатывающей системы (ТОС) станка во время резания. Разработана структурно-параметрическая модель процесса точения, где ТОС представлена как замкнутая с обратными связями через упругую систему станка. Разработаны математические модели токарных станков с учетом динамических характеристик процесса резания при представлении их динамических моделей как двух и трех массовых систем. Показано, что двухмассовые модели необходимо использовать при решении задач динамического гашения колебаний, а трехмассовые - при изучении технологической наследственности.

Предложен принцип коррекции динамических характеристик всей ТОС за счет специально введенного элемента в цепь прохождения сигнала в замкнутой упругой системе. Сконструировано инструментальное устройство, которое, кроме коррекции в направлении динамических характеристик (гашения колебаний ТОС при резании), выполняет еще и коррекцию геометрических параметров формообразования для компенсации погрешности от упругих деформаций ТОС, возникающих во время обработки. Разработана математическая модель системы с таким инструментальным устройством и прикладная программа, которая позволяет проводить имитационные исследования с целью определения наиболее рациональных конструктивных и динамических параметров предложенных инструментальных устройств при их проектировании и оценке эффективности.

Исследован и установлен механизм образования технологической наследственности от неравномерного припуска при точении и разработана методика и алгоритм ее прогнозирования. Метод состоит в представлении переменной составляющей припуска в виде гармоник ряда Фурье, которые трансформируются через специально полученное семейство амплитудно-фазовых частотных характеристик второго рода, отображающих изменение динамических характеристик в направлении продольной координаты в ряд гармоник погрешности формы детали.

Проведены экспериментальные исследования переходных характеристик ТОС при резании специально подготовленной заготовки с продольными пазами и технологической наследственности в поперечном сечении при эксцентричном припуске от частоты вращения заготовки, а также в направлении продольной координаты. Во время экспериментов динамическое качество процесса оценивалось по осциллограммам составляющих силы резания при обработке обычным резцом и предложенным инструментальным устройством. Установлено снижение уровня колебаний по спектру составляющей P_z силы резания в 1,25 раза при точении инструментальным устройством. Количественная оценка влияния формы заготовки на технологическую наследственность проводилась по круглограммам обработанных деталей при эксцентричном расположении припуска и при двух способах установки - в патроне и в патроне и заднем центре. Подтверждено уменьшение технологической наследственности в 1,4 раза, а также отклонения от округлости в 1,2 раза.

Основные результаты работы получили апробацию в виде разработанных инструментальных устройств и внедрены в производство при проектировании систем и технологических операций токарной обработки в виде созданных прикладных программ на ОАО “Гидросила”.

Ключевые слова: динамика, точность, погрешность формы, технологическая наследственность, динамическое гашение колебаний, прикладные программы моделирования, инструментальные устройства.