Теорія інструментального оснащення з пружними напрямними та орієнтованою жорсткістю для токарної обробки

Результати аналізу віброграм затухаючих коливань (рис. 12, а) різцетримачів серійного та для мікрорегулювання різця, закріплених в РГ, показали, що при створенні динамічної моделі верстата маса серійного різцетримача може бути приведена до маси РГ, а масу різцетримача з пружними напрямними необхідно враховувати в якості окремої зосередженої маси. Порівняльний аналіз точності обробки вказаними різцетримачами показав (рис. 12, б), що на режимах напівчистової та чистової токарної обробки відхилення від круглості оброблених деталей практично однакові та є характерними для обробки на ТРВ підвищеного класу точності.

Рис. 11. Загальний вигляд різцетримача з напрямними із перпендикулярних пружних елементів (а) та графіки (б) залежності переміщень різця Ду від переміщень приводу Дпр та переміщень віджимної частини різцетримача з різцем Дх, Ду та Дz під дією сил Рх, Ру та Рz

Рис.12 Результати порівняльних досліджень частот власних коливань (а) та точності обробки за відхиленням від круглості (б) для різцетримачів серійного та з пружними напрямними

Дослідження ефективності використання різцетримачів з пружними напрямними для дроблення стружки проводилось на стенді (рис. 13), що створений на базі верстата мод. 1А616. Привод інструментального шпинделя створює умови для вібраційного дроблення стружки з частотою до 50 Гц різцетримачами на пружних напрямних, аналогічно верстату мод. 1П420ПФ40.

Досліджувались різцетримачі для дроблення стружки в осьовому та тангенціальному напрямках. На рис. 14 наведено приклад діаграми режимів стійкого дроблення стружки при коливаннях різця в тангенціальному напрямку.

Для аналізу впливу напрямку головних осей жорсткості підсистеми різець-супорт на вібростійкість різання створено нову оригінальну конструкцію різцетримача з орієнтованою пружними напрямними жорсткістю та демпфером із тарілчастих пружин, результати досліджень якого наведені на рис. 15.

Рис. 13. Конструктивна схема стенду для дослідження різцетримачів для дроблення стружки: 1 - корпус, закріплений на супорті; 2- кріплення різцетримача; 3,4 - привод обертання; 5 - пружні елементи напрямних; 6 - муфта; 7 - вхідний вал різцетримача; 8 - віджимна частина з різцем

Рис. 14. Діаграма режимів дроблення стружки різцетримачем з приводом тангенціальних коливань

Аналіз форми кругових діаграм (рис. 15) показує, що різцетримач не навантажений пакетом тарілчастих пружин забезпечує розворот головних осей жорсткості на кут в = 300 , а при навантаженні віджимної частини кут розвороту головних осей жорсткості можна змінити до в = 12,70. Крім того, внаслідок навантаження пакетом пружин підвищується жорсткість різцетримача за однією з головних осей жорсткості та демпфірування в пружній системі інструменту.

Для визначення ефективності використання різцетримача з орієнтованою жорсткістю, проведені його випробування на верстаті мод. 1А616 при різанні заготовки із сталі 45 на режимах: діапазон V = 80 ч 270 м/хв., S = 0,1 мм/об, діапазон глибин різання t = 1ч 7 мм. Для порівняння при аналогічних умовах та режимах проведені випробування при різанні штатним різцетримачем верстата мод. 1А616. Випробуваннями визначено, що гранична глибина різання при обробці штатним різцетримачем у вказаному діапазоні швидкостей різання не перевищує 5 мм.

При обробці різцетримачем з орієнтованою жорсткістю встановлено, що навіть при граничній для різця глибині t = 7 мм процес різання не втрачає вібростійкості (рис. 16).

Таким чином, використання різцетримачів з орієнтованою жорсткістю дозволяє не тільки забезпечити умови відсутності „від'ємної” жорсткості пружної підсистеми різець-супорт, а і підвищити продуктивність токарної обробки, особливо на чорнових режимах та при обробці важкооброблюваних матеріалів.

Рис. 15. Кругові діаграми переміщень віджимної частини різцетримача без демпфера та з демпфером від навантаження радіальною силою до 3,0 кН в напрямках 1 ч 12. В сьомому розділі роботи наведені рекомендації з проектування і ефективного використання інструментального оснащення з пружними напрямними для токарної обробки.

Матеріали, що наведені в попередніх розділах роботи, дозволили автору розробити методику проектування різцетримачів з пружними напрямними, яка дозволяє практично без випробування дослідних зразків отримати працездатні конструкції інструментального оснащення з пружними напрямними для різного технологічного призначення. Також в розділі, на прикладах використання на ТРВ та багатошпиндельних токарних верстатах систем автоматичного розмірного підналагодження, доведена ефективність використання різцетримачів з пружними напрямними для мікрорегулювання різців, як виконавчих пристроїв систем підналагодження.

Наведені основні джерела підвищення продуктивності токарної обробки інструментальним оснащенням з пружними напрямними, що є підтвердженням достатньо високої ефективності, яку можна отримати від застосування такого оснащення як на верстатобудівних підприємствах, так і на підприємствах, що експлуатують верстати токарної групи.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі в результаті виконаних комплексних досліджень ТРВ отримав розвиток новий напрямок вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення ефективності токарної обробки, пов'язаний із створенням теорії та основ проектування інструментального оснащення з пружними напрямними та орієнтованою жорсткістю, яке забезпечує підвищення точності позиціювання різального інструменту, можливість дроблення стружки в процесі різання та зменшення інтенсивності автоколивань.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

Створено теорію інструментального оснащення з пружними напрямними та орієнтованою жорсткістю для токарної обробки, використання якої забезпечує: - підвищення вібростійкості токарної обробки нежорстким інструментальним оснащенням за рахунок відповідної орієнтації головних осей жорсткості пружної підсистеми різець-супорт по відношенню до напрямку дії сили різання; - підвищення граничної ширини зрізу за рахунок конструктивної реалізації рекомендованого співвідношення жорсткостей оснащення за головними осями жорсткості; - передумови для створення автоматизованої системи проектуванні такого оснащення.

Конструктивні особливості інструментального оснащення з пружними напрямними враховані в розробленій комплексної математичної моделі замкненої динамічної системи ТРВ введенням в структуру підсистему різець-супорт окремої зосередженої маси з орієнтованими осями жорсткості для дослідження впливу пружних характеристик та напрямку головних осей жорсткості інструментального оснащення на інтенсивність відносних коливань інструменту і деталі, а також, введенням додаткового вібраційного приводу для дослідження впливу коливальних рухів різця на процес дроблення стружки при токарній обробці.

На основі теоретичних досліджень процесу токарної обробки інструментальним оснащенням з пружними напрямними, проведених на базі розробленої за допомогою візуально-орієнтованої мови програмування моделі, вперше отримані наступні результати:

- встановлено, що при куті розвороту головних осей жорсткості пружної підсистеми різець-супорт в4, що дорівнює половині кута б напрямку дії сили різання відносно дотичної площини до оброблюваної поверхні, а саме в4 = б/2, зміна співвідношення жорсткостей оснащення мало впливає на зміну податливості пружної підсистеми різець-супорт, що є запорукою збереження заданої точності обробки;

- на основі аналізу АЧХ та ФЧХ передаточної функції пружної підсистеми різець-супорт доведено, що умову в4 = б/2 можна рекомендувати і як одну з основних умов вібростійкої токарної обробки нежорстким інструментальним оснащенням;

- на основі аналізу АФЧХ передаточної функції розімкнутої динамічної системи верстата за критерієм Найквіста визначено вплив параметрів пружної підсистеми різець-супорт на величину граничної ширини зрізу. Встановлено, що найбільші значення ширини зрізу отримані за умови в4 = б/2 та при співвідношеннях жорсткостей різцетримача в напрямках головних осей жорсткості с41/с42 ? 0,7, або с41/с42 ? 1,4 при зміні напрямку головних осей жорсткості на 900.

На основі порівняльних розрахунків на моделях рамних конструкцій різцетримачів з паралельними та перпендикулярними пружними напрямними з використанням аналітичних методів та методу скінченних елементів встановлено, що найбільший вплив на статичні та динамічні характеристики різцетримачів мають товщина, довжина і ширина пружних пластин та податливість приводу віджимної частини різцетримача. При цьому для різцетримача з перпендикулярними пружними напрямними рекомендується з метою підвищення жорсткості віджимної частини забезпечити співвідношення довжин пластин пропорційним співвідношенню їх товщин.

Експериментальними дослідженнями ТРВ різних компоновок встановлено необхідність врахування при моделюванні: - параметрів пружних систем як інструменту так і деталі в зв'язку з неможливістю виділення домінуючої системи при обробці нежорстким оснащенням; - кута розвороту головних осей жорсткості супортної групи в залежності від компоновки верстата; - експериментальних значень частот власних коливань, коефіцієнтів жорсткості та демпфірування базових вузлів верстата та оснащення для забезпечення допустимого збігання результатів математичного моделювання з експериментальними даними.

Результатами експериментальних досліджень оригінальних конструкцій різцетримачів з пружними напрямними, захищених авторськими свідоцтвами та патентами, встановлено, що: - для ефективного використання різцетримачів з мікрорегулюванням для розмірного підналагодження різців необхідно забезпечити крок підналагодження різця в межах 1ч10 мкм при загальному діапазоні позицювання 0ч0,3 мм та жорсткість різцетримача не нижче 20 Н/мкм; - для ефективного дроблення „зливної” стружки різцетримачами з тангенціальними та осьовими вібраціями різця рекомендується забезпечити можливість регулювання коливальних рухів різця з амплітудами до 0,3 мм та частотами до 50 Гц; - зміною положення центру жорсткості пружної системи інструменту пружними напрямними різцетримача можна збільшити граничну ширину зрізу не менше ніж в 1,4 рази по відношенню до обробки штатним різцетримачем.

На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень встановлено основні вимоги до інструментального оснащення з пружними напрямними, створено методику проектування цього оснащення та розроблено рекомендації щодо його ефективного використання при токарній обробці.

Результати роботи впроваджено на трьох промислових підприємствах та в навчальний процес. При використанні різцетримачів з мікрорегулюванням різця в системах автоматичного розмірного підналагодження ТРВ досягнуто зменшення розмаху відхилень дійсних діаметрів деталей в партії більше, ніж в 2 рази. Використанням різцетримачів з орієнтованою жорсткістю для токарної обробки деталей з переривчатими поверхнями забезпечено підвищення продуктивності обробки в 1,2 ч 1,3 рази. На базі дослідних зразків вузлів верстатів та інструментального оснащення створено лабораторні стенди, що використовуються в навчальному процесі.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевченко О.В. Дослідження впливу орієнтації головних осей жорсткості пружної системи інструменту на формоутворення під час токарної обробки // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету", № 2(43). Кременчук, 2007, с. 26-29.

2. Шевченко О.В. Визначення статичних і динамічних характеристик різцетримачів з пружними елементами для токарної обробки // Промислова гідравліка і пневматика, № 1(15). Вінниця, 2007. с. 62-69.

3. Шевченко О.В. Підвищення вібростійкості токарної обробки нежорстким інструментальним оснащенням // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Вип. 20. Краматорськ, 2006. с. 123 - 128.

4. Шевченко О.В. Визначення частотних характеристик різцетримачів з пружними напрямними // Прогресивні технології і системи машинобудування / Міжнародний збірник наукових праць, - Донецьк: ДонНТУ, 2006. Вип.32. с.250 - 257.

5. Шевченко О.В., Вплив напрямку головних осей жорсткості токарного верстата на статичну характеристику пружної системи різець-супорт / Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт”, Машиностроение, вып.48, Киев, 2006. с.119-121.

6. Шевченко О.В., Використання методу скінченних елементів для визначення статичних характеристик різцетримачів з пружними пластинами / Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт”, Машиностроение, вып.49, Киев, 2006. с.107-111.

7. Шевченко О.В. Моделювання процесу токарної обробки різцетримачами на пружних напрямних // Прогрессивные технологии и системы машиностроения / Международный сборник научных трудов - Донецк: ДонНТУ, 2004. Вып. 28. с.187 - 191.

8. Шевченко О.В. Використання різцетримачів з пружними елементами для підвищення ефективності обробки на токарно-револьверних верстатах // Технологія і техніка друкарства / Збірник наукових праць - Київ: НТУУ „Київський політехнічний інститут”, 2004. Вып. 4(6). с.68 - 77.

9. Шевченко О.В., Вакуленко С.В. Визначення впливу системи шпиндель-патрон-деталь на точність токарної обробки // Прогресивні технології і системи машинобудування / Міжнародний збірник наукових праць, - Донецьк: ДонНТУ, 2005. Вип.30. С.239 - 246. (Здобувачем розроблено розрахункову схему та загальну методику розрахунку системи шпиндель-патрон-деталь)

10. Шевченко О.В., Бєляєва А.Ю. Ефективне дроблення стружки інструментальним оснащенням з пружними елементами / Вістник Сумського державного університету, Технічні науки (Машинобудування), № 12(58), Суми, СумДУ, 2003. с.189-196. (Здобувачем розроблено математичну модель пружної системи різець-супорт, виконано математичне моделювання процесу дроблення стружки та аналіз результатів)

11. Шевченко О.В., Бєляєва А.Ю. Дроблення стружки на токарному верстаті в процесі різання / Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт”, Машиностроение, вып.43, Киев, 2002. с.121-123. (Здобувачем виконано аналіз способів дроблення стружки при токарній обробці, розроблено методику та проведені експериментальні дослідження)

12. Шевченко А.В., Кравец А.М., Джаалук Али. Исследование устройства для дробления стружки // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 2000. Вып.14. - с.83-86. (Здобувачем виконано аналіз способів вібраційного різання та розроблено оригінальну конструкцію різцетримача).

13. Кузнєцов Ю.М., Шевченко О.В. Прогресивний метод токарної обробки з використанням спеціального інструментального оснащення // Науковий вісник АН ВШ України.- Київ,2004. - Вип. 28. - С.181-194.

АНОТАЦІЯ

Шевченко О.В. Теорія інструментального оснащення з пружними напрямними та орієнтованою жорсткістю для токарної обробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

В дисертації наведено результати досліджень, за якими створено теорію та основи проектування інструментального оснащення з пружними напрямними та орієнтованою жорсткістю, використання якого для мікрорегулювання різального інструменту, дроблення стружки в процесі різання та зменшення інтенсивності автоколивань підвищує ефективність токарної обробки.

Теорія визначає умови підвищення вібростійкості обробки нежорстким інструментальним оснащенням і полягає у врахуванні впливу орієнтації головних осей жорсткості оснащення в пружній підсистемі різець-супорт, забезпеченні відповідного положення головних осей жорсткості пружної підсистеми різець-супорт відносно напрямку дії сили різання та рекомендованого співвідношення жорсткостей оснащення за цими осями.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень токарно-револьверних верстатів за показниками якості побудовано комплексну математичну модель замкненої динамічної системи верстата, в якій у якості одного з вихідних параметрів отримана функція формоутворення, що дозволяє оцінити вплив параметрів інструментального оснащення з орієнтованими пружними напрямними осями жорсткості на процес формоутворення при точінні та встановити умови вібростійкої токарної обробки нежорстким інструментальним оснащенням.

Створено методику проектування та розроблено ефективні конструкції інструментального оснащення з пружними напрямними для різного технологічного призначення при токарній обробці.

Ключові слова: нежорстке інструментальне оснащення, пружні напрямні, орієнтована жорсткість, токарна обробка, вібростійкість, автоколивання.

АННОТАЦИЯ

Шевченко А.В. Теория инструментальной оснастки с упругими направляющими и ориентированной жесткостью для токарной обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. - Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке теории и основ проектирования инструментальной оснастки с упругими направляющими и ориентированной жесткостью, использование которой для микрорегулировки режущего инструмента, дробления стружки в процессе резания и уменьшения интенсивности автоколебаний повышает эффективность токарной обработки.

По результатам исследований создана теория, определяющая условия повышения виброустойчивости токарной обработки нежесткой инструментальной оснасткой и заключающаяся в учете ориентации главных осей жесткости оснастки в упругой подсистеме резец-суппорт, обеспечении соответствующего положения главных осей жесткости упругой подсистемы резец-суппорт относительно направления действия силы резания и рекомендованного соотношения жесткостей оснастки вдоль этих осей.

На основе теоретических и экспериментальных исследований токарно-револьверных станков по показателям качества создана комплексная математическая модель замкнутой динамической системы станка, в которой в качестве одного из исходящих параметров получена функция формообразования, позволяющая оценить влияние параметров инструментальной оснастки с ориентированными упругими направляющими осями жесткости на процесс формообразования при точении. На основе анализа передаточной функции упругой подсистемы резец-суппорт исследовано влияние угла разворота главных осей жесткости и соотношения жесткостей вдоль этих осей на частотные характеристики инструментальной оснастки с упругими направляющими и показано влияние этих параметров оснастки на виброустойчивость процесса резания.

Определены условия виброустойчивой токарной обработки нежесткой инструментальной оснасткой, а именно: наиболее виброустойчивой при резании является упругая система, у которой угол разворота главных осей жесткости равен половине угла, который определяет направление действия силы резания по отношению плоскости, касательной к обрабатываемой поверхности в точке резания; для увеличения ширины срезаемого слоя рекомендовано обеспечить соотношение минимальной и максимальной жесткостей оснастки по направлениям главных осей жесткости близьким к величине 0,7, при выполнении предыдущего условия.

Разработана методология теоретических и экспериментальных исследований токарно-револьверных станков по показателям качества, реализация которой позволила сформировать структуру математической модели процесса токарной обработки инструментальной оснасткой с упругими направляющими и установить необходимость введения в модель отдельной сосредоточенной массы с ориентированными осями жесткости для определения влияния параметров нежесткой инструментальной оснастки на интенсивность относительных колебаний инструмента и детали.

Выполнены экспериментальные исследования оригинальных конструкций резцедержателей с упругими направляющими для токарно-револьверных станков, которые подтвердили эффективность использования такой оснастки для микрорегулировки резца с целью компенсации систематических погрешностей обработки, эффективного дробления стружки в процессе резания и для повышения режимов виброустойчивого точения за счет обоснованной ориентацией главных осей жесткости системы инструмента.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований создана методика проектирования и разработаны новые эффективные конструкции инструментальной оснастки с упругими направляющими и ориентированной жесткостью, определены основные требования к этой оснастке и разработаны рекомендации по ее эффективному использованию при токарной обработке.

Ключевые слова: нежесткая инструментальная оснастка, упругие направляющие, ориентированная жесткость, токарная обработка, виброустойчивость, автоколебания.

SUMMARY

Shevchenko O.V. Theory of the toolholders with elastic ways and the oriented rigidity for turning. - Manuscript.

The dissertation for a scientific degree of a Doctor of science in engineering on speciality 05.03.01 - Machining processes, machine tools and tools. - National Technical University of Ukraine „Kiev Polytechnic Institute”, Kyiv, 2007.

By the dissertation researches the theory and the fundamentals of projection of the special toolholders with elastic ways and the oriented rigidity are created. Toolholders which are using for microregulation of cutting tools, сrushing of a chip during turning and decrease of intensity of self-excited vibrations are created for raise of efficiency of turning. The theory defines conditions of raise of a chatter stability of machining by the nonrigid toolholders and considers orientation of principal axises of rigidity of a toolholder in an elastic subsystem of cutter-carriage, a rule of principal axises of rigidity of an elastic subsystem of cutter-carriage concerning a cutting force direction, recommends relationships of rigidity of a toolholder along principal axises and creates the fundamentals of projection of toolholders with the elastic ways.

On the basis of theoretical and experimental researches of turret lathes on quality factors the complex mathematical model of the closed dynamic system of the lathe is created. In mathematical model one of exit parameters is function of surfaceforming, which evaluate the effect of toolholders with the oriented rigidity on process of surfaceforming at turning. By results of simulation chatter-resistant conditions of turning are defined for nonrigid toolholders.

The methodology of designing and effective constructions of the toolholders with elastic ways for different technological assignment at turning are created.

Keywords: nonrigid toolholder, elastic ways, oriented axis's of rigidity, turning, chatter stability, self-excited vibrations.

Размещено на Allbest.ru