НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Джугурян Тигран Герасимович

УДК 621.951

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ КЕРУВАННЯ ТОЧНІСТЮ ТА ЯКІСТЮ

ОБРОБКИ ПРИ ПРЕЦІЗІЙНОМУ РОЗТОЧУВАННІ

Спеціальність - 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків 

Дисертація є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Нарисна геометрія та графіка”

Одеського національного політехнічного університету

Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Лінчевський Павло Адамович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедри технології машинобудування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Карпусь Владіслав Євгенович,

Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”, професор кафедри технології

машинобудування та металорізальних верстатів;

доктор технічних наук, доцент

Мельниченко Олександр Анатолійович,

Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач і

професор кафедри проектування та експлуатації

технологічних систем машинобудування.

доктор технічних наук, професор

Павленко Іван Іванович,

Кіровоградський державний технічний університет,

завідувач кафедри технології машинобудування.

Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування,

Міністерство промислової політики України, м Харків.

Захист відбудеться 31 січня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “28 ” грудня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Порівняльний аналіз різних методів обробки точних координованих отворів показав, що одним із найбільш прогресивних серед них є прецизійне розточування інструментами одностороннього різання (IОР), що сполучає з процесом різання тонке пластичне деформування поверхневого шару направляючими елементами (НЕ). Ґрунтуючись на принципах операцій глибокого свердління і тонкого розточування, можна сказати, що прецизійна обробка розточувальними IОР (РIОР) істотно відрізняється від них геометрією і конструктивними елементами інструменту, режимами різання, що досягається точністю і якістю поверхні отворів і тому повинна розглядатися як самостійна викінчувальна операція. Перспективність використання в машинобудуванні операції прецизійного розточування IОР визначається її високою продуктивністю і широкими технологічними можливостями, пов'язаними з суміщеною обробкою отворів і інших функціональних поверхонь деталі, виготовленням як коротких, так і глибоких отворів (із відношенням довжини до діаметра отвору l0/d0 ? 20), що в комплексі не забезпечує жодна з існуючих оздоблювальних операцій. Наприклад, операції хонингування, шліфування й протягування не дозволяють здійснювати суміщену обробку, а операції глибокого свердління і розсвердлювання не забезпечують необхідну точність і якість поверхні отворів. Найближчою до ефекту, що досягається, є операція тонкого розточування, але і вона не вирішує ряд питань досягнення розмірної точності й продуктивності обробки, особливо при виготовленні глибоких отворів (l0/d0 > 5). При загальновизнаній прогресивності прецизійної обробки РIОР її широке застосування у машинобудуванні стримується недостатніми конструкторсько-технологічними рішенями і науково обґрунтованими рекомендаціями, спрямованими на забезпечення і підтримку точності обробки отворів із врахуванням їх геометричних параметрів.

При швидкісній обробці точних отворів із l0/d0 ? 7 без використання кондукторних втулок (КВ) невизначеність базування в системі “шпиндель – РIОР – заготовка” приводить до вібрацій, усунення яких досягається зниженням інтенсивності режимів різання, що обмежує продуктивність розточування й ефективне застосування сучасних інструментальних матеріалів. Підвищені вібрації та знос інструменту виникають і при наявності КВ у процесі розточування отворів із l0/d0 ? 20. Для обробки отворів РIОР характерні більш інтенсивні робочі подачі в порівнянні з тонким розточуванням, що сприяє збільшенню силових і теплових деформацій технологічної системи (ТС), які знижують точність операції. Ряд проблем, пов'язаних із розмірним зносом РIОР, виникає при обробці отворів у матеріалах із підвищеними фізико-механічними властивостями. Різна інтенсивність зношування різальних елементів (РЕ) і НЕ, неоднакові умови роботи РЕ при суміщенні обробки декількох функціональних поверхонь деталі, приводять до неповного використання можливостей РIОР, до підвищених витрат робочих елементів, зниження продуктивності обробки та поломок інструменту. Вирішення проблем розмірної стійкості РIОР за рахунок використання электромеханічних систем піднастроювання РЕ істотно ускладнює металорізальне устаткування (МУ), обмежує його технологічні можливості, наприклад, при суміщеній обробці отворів. Крім того, зазначені системи працюють на основі прямого контролю параметрів якості не оброблюваних, а оброблених отворів, що ускладнює своєчасне керування процесом розточування. Відсутність науково обґрунтованих методів і засобів непрямого контролю і керування станом ТС для підтримки необхідної якості обробки отворів РIОР, призводить до істотних втрат у вигляді бракованої продукції, що неприпустимо в умовах виробництва дорогих деталей.

У зв'язку з тим, що прецизійна обробка отворів є однією з найбільш трудомістких операцій, яка часто зустрічається в умовах сучасного машинобудування, особливу актуальність набуває велика науково-технічна проблема забезпечення й підтримки точності високопродуктивного розточування ІОР відповідно на етапах проектування і функціонування МУ, вирішення якої має важливе народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження й розробки в рамках дисертаційної роботи виконувалися відповідно до галузевих цільових програм Мiнверстатопрому (теми НДР і НДДКР Спеціального конструкторського бюро алмазно-розточувальних і радіально-свердлильних верстатів (СКБАРВ, м. Одеса) 120-83, 128-84, 130-84, 152-89, 157-90), а також у рамках НДР № 363-31 “Фізико-механічні основи технології прецизійного машино-будування” (номер державної реєстрації 0199U001547), що входила в план науково-дослідних робіт Одеського національного політехнічного університету (ОНПУ) на 1999-2000 р., затверджений Міністерством освіти і науки України; НДР № 350-33 “Сучасні проблеми геометричного моделювання проектування чистових багатозахідних черв’ячних фрез, зубчастих передач без інтерференції, різних технологічних процесів”, яка виконувалась згідно з наказом № 54 ОНПУ від 07.06.96 р.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційного дослідження – підвищення ефективності технологічної операції прецизійного розточування отворів ІОР на базі розробки основ забезпечення й підтримки точності обробки з потрібною якістю поверхні в широкому діапазоні розмірних параметрів отворів відповідно на етапах проектування і функціонування МУ.

Досягнення поставленої мети визначило задачі дослідження: 1. Встановити з урахуванням параметрів d0, l0/d0 основні фактори, що впливають на точність обробки РIОР, і визначити шляхи її підвищення без зниження продуктивності розточування. 2. На базі розробки динамічної моделі розточування, вивчення особливостей силових і теплових деформацій ТС, зносу інструменту виявити умови забезпечення точності обробки отворів (ЗТОО) РIОР, запропонувати методи і засоби віброзахисту і віброгашення інструменту, керування пружнопластичними деформаціями оброблюваної поверхні отвору, обмеження і стабілізації теплових деформацій ТС, розмірної компенсації зносу інструменту. 3. Розробити методи і засоби контролю станів ТС (КСТС), оснащеної РІОР, що включають контроль вхідний, вихідний, та граничних її станів, а також експрес - оцінки забезпечення і підтримки точності обробки РIОР. 4. Розробити основи підтримки точності обробки отворів (ПТОО) РIОР на базі керування технологічним процесом із використанням інформації системи КСТС. 5. Визначити види отворів, що найчастіше зустрічаються на практиці, для яких розробити рекомендації з комплексного використання методів ЗТОО і ПТОО РIОР, а також вибору технологічної схеми прецизійного розточування. 6. З урахуванням умов розточування розробити основи комплексної оцінки ефективності (КОЕ) застосування методів ЗТОО і ПТОО РIОР. 8. Узагальнити отримані результати теоретичних і експериментальних досліджень з метою впровадження їх у виробництво.

Об’єкт дослідження – технологічний процес обробки точних координованих отворів РІОР.

Предметом дослідження є визначення умов забезпечення і підтримки точності обробки РІОР відповідно на етапах проектування і функціонування МУ на основі вивчення впливу на них геометричних параметрів отворів заготовок, технологічної схеми розточування, фізико-механічних явищ, що виникають при обробці, а також можливостей контролю і керування технологічним процесом.

Методи дослідження. Розв’язання поставлених у роботі задач здійснювалося на базі наукових основ технології машинобудування, теорії різання матеріалів, динаміки верстатів і теорії коливань, теоретичної механіки, теорії машин і механізмів, теорії пружнопластичної контактної деформації, теплофізики механічної обробки, технічної діагностики, надійності машин, автоматичного регулювання процесу різання, теорії математичної статистики.

Досліджувались фізичні і технологічні параметри процесу прецизійної обробки отворів РІОР із застосуванням універсального і спеціального МУ, в тому числі із ЧПК, експериментальних стендів, вимірювальних машин, приладів, інструментів і методик. Зокрема, використовувалися прилад моделі ВИА6-5МА для вібровимірювань; динамометри для вимірювання коефіцієнту радіальної жорсткості системи “шпиндель – РIОР”, складових сил різання й вигладжування; мікроскопи для вимірювання зносу РIОР і глибини наклепаного шару; пристосування для розмірного настроювання РIОР, вимірювальна машина “Kardimet – 1200” і прилад “Talyrond” для вимірювання параметрів точності обробки, прилад моделі ПМТ-3 і профілометр-профілограф моделі 203 заводу “Калібр” відповідно для вимірювання мікротвердості поверхневого шару і шорсткості обробленої поверхні. Стенди оснащувалися вимірювальними приладами з тензорезисторними, індуктивними, індукційними перетворювачами й апаратурою для запису і візуальної реєстрації електричних величин.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розроблено технологічні основи керування тосністю та якістю обробки при прецизійному розточуванні отворів ІОР.

1. Вперше на основі “циліндричної” моделі шорсткості розточеної й вигладженої поверхні отвору розроблено теоретичні положення пружнопластичної взаємодії непереточуваних НЕ з заготовкою, що дозволило обгрунтувати методику визначення раціональної геометрії НЕ і якості обробки з урахуванням конструктивних параметрів РIОР, фізичних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів, режимів різання.

2. Вперше розроблено теретичні положення безперервно-періодичної компенсації зносу (БПКЗ) і повної компенсації зносу (ПКЗ) РIОР у процесі різання на основі вбудованих у корпус інструменту автономних механізмів компенсації зносу, що дозволили вирішити проблему забезпечення розмірної стійкості інструменту і точності розточування отворів у заготовках із підвищеними фізико-механічними властивостями.

3. Визначено умови ЗТОО і ПТОО РІОР із урахуванням динаміки процесу обробки, силових і теплових деформацій ТС, зносу робочих елементів інструменту; науково обґрунтовано і запропоновано вiброзахист і кероване вiброгашення консольних РІОР, що використовуються без КВ.

4. Розроблено системи керування динамічними і силовими параметрами процесу розточування, дискретного розмірного підналагодження РIОР “імпульсної” та за “упором” на основі розроблених механізмів, що вбудовуються у корпус інструменту.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено рекомендації з застосування запропонованих методів і засобів ЗТОО і ПТОО при розточуванні ІОР типових отворів.

2. Створено нові типи РIОР, у тому числі комбіновані і дволезові, що оснащені засобами вiброзахисту; автоматичного пере настроювання демпферу; БПКЗ і ПКЗ; розмірного підналагодження “імпульсного” та за “упором”; контролю розмірної точності обробки, зносу КВ та інструменту.

3. Розроблено: методики розрахунку конструктивних параметрів запропонованих РIОР; рекомендації для проектування, виготовлення й контролю якості обробно-розточувальних голівок (ОРГ), призначених для прецизійного розточування отворів, у тому числі і РIОР; експрес - оцінки ЗТОО і ПТОО; рекомендації з використання методів КСТС.

4. Розроблено матрицю “ситуація – дія” для виявлення причин виникнення негативних ситуацій і їх усунення з урахуванням поточних даних і даних про попередню обробку.

5. Запропоновано морфологічні матриці для класифікації й кодування розроблених методів ЗТОО і ПТОО РIОР, що дозволяють систематизувати умови їх комплексного застосування при розточуванні типових отворів.

6. Розроблено методику КОЕ застосування методів ЗТОО і ПТОО РIОР, що дозволяє вибрати раціональну схему прецизійного розточування з урахуванням конструктивних особливостей заготовки.

Результати роботи впроваджені в СКБАРВ і використовуються при проектуванні, виготовленні й експлуатації спеціальних обробно-розточувальних верстатів (ОРВ), верстатів із ЧПУ свердлильно-фрезерно-розточувальних та глибоких свердлінь, що застосовуються в різних галузях машинобудування України, країн СНД і далекого зарубіжжя, зокрема, на ВАТ “Машиностроительный завод “ЗиО-Подольск” (м. Подольск, Росія, 1997 р.).

Загальний річний економічний ефект від часткового впровадження результатів роботи в цінах 1991 р. склав 323,8 тисяч карбованців.

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач, аналіз деяких результатів, розробка окремих типів різального інструменту виконані з науковими консультантами і зі співавторами. Розробка стендів, їх налагодження, вимірювання контрольованих параметрів процесу обробки, якості розточених отворів виконані разом із працівниками СКБАРВ, кафедри металорізальних верстатів, метрології та сертифікації ОНПУ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати, представлені в дисертації, доповідалися на 10 міжнародних конференціях і семінарах: “Оснастка - 94” (м. Київ, 1994); “6-я конференция по обработке и отделке глубоких отверстий” (м. Дубниця над Вагом, Словаччина, 1996); “Современные проблемы геометрического моделирования” (м. Мелітополь, 1996; 1997, 2 доповіді); “Высокие технологии в машиностроении” (м. Алушта, 1997, 2000); “3-й міжнародний симпозіум Українських інженерів-механіків у Львові”, (м. Львів, 1997); “Прогрессивные технологии машиностроения и современность” (м. Севастополь, 1997); “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” (м. Севастополь, 1999); “Прогрессивные технологии в машиностроении” (м. Одеса, 2000), а також на республіканських науково-технічних конференціях і семінарах: “Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий” (м. Москва, Росія, 1992, 3 доповіді); “Новые технологические процессы в машиностроении” (м. Одеса, 1993); “Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении” (м. Одеса, 1997).

У повному обсязі дисертація доповідалась і схвалена на спільному засіданні профілюючих кафедр ОНПУ, на кафедрах “Різання матеріалів та різальні інструменти” та “Технологія машинобудування та металорізальни верстати” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, на ХІ міжнародному семінарі “Интерпартнер-2001” - “Высокие технологии: развитие и кадровое обеспечение”.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 52 роботах, у тому числі в 33 науково-технічних роботах, 15 матеріалах і тезах конференцій, 4 авторських свідоцтвах.

Структура й обсяг роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг роботи 467 сторінок, що включає 286 сторінок машинописного тексту, 111 рисунків на 103 сторінках, 10 таблиць в тексті, 11 таблиць на 12 сторінках, 3 додатка на 39 сторінках; 286 використаних літературних джерел на 28 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, дано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі на основі розгляду викінчувальних методів обробки отворів визначені призначення й область ефективного застосування операції прецизійного розточування IОР. Аналіз літературних даних показав, що: 1) досяжні параметри точності і якості поверхні отворів з урахуванням таких явищ, як вібрації, тепловиділення, пружні й теплові деформації ТС, знос інструменту, визначені приблизно у вузькому діапазоні умов обробки; 2) недостатньо вивчено вплив геометричних параметрів отворів, технологічної схеми обробки, геометрії РIОР, режимів різання на вихідні параметри процесу; 3) недостатній набір конструкторсько-технологічних рішень стримує підвищення точності і продуктивності обробки; 4) практично не вивчалися питання технологічної керованості процесом прецизійного розточування IОР, які визначають надійність операції. Як наслідок виконаного аналізу сформульовано мету і поставлено задачі дослідження.

У другому розділі дається опис експериментальних стендів, МУ, установок, мастильно-охолоджуючого технологічного середовища (МОТС) і РIОР, що застосовуються, а також вимірювальних машин, стендів, приладів і інструментів, методик досліджень. Зокрема, експериментальні стенди було виконано на модернізованих ОРВ моделей 2731В та 2754В із приводом головного руху (ПГР) типу МИС-132-IM83 і “КЕМТОР” і спеціальному агрегатному верстаті з ЧПК моделі “Електроніка МС2101” з ПГР і робочої подачі постійного струму, а також на токарному верстаті 1К62. Дослідження проводилися також на верстатах моделей 2К810ПМФ2, 2570ПМФ із ЧПК вітчизняного й зарубіжного (“Sinumerik 880TE”, фірми Siemens) виробництва, а також на ОРВ моделі 2754В, 2754Б і спеціальних агрегатних верстатах.

У процесі досліджень використовувалися традиційні і розроблені у ході експериментальних робіт спеціальні конструкції РІОР.

Для визначення жорсткісних параметрів, амплітудно-частотних характеристик, силових й температурних параметрів ТС, зносу РІОР і КВ, розподілення припуску на розточування і їх впливу на параметри якості обробки використовувалися як відомі (наприклад, методика дослідження зносу іструменту НВО ВНДІінс-трумент), так і розроблені експериментальні методики досліджень.

Третій розділ присвячений розробці основ ЗТОО РIОР на етапі проектування МУ.

Фактори, що впливають на точ-ність і якість поверхні отворів, можна розділити на чотири основні групи, які визначаються: 1) вібраціями РІОР; 2) силовими деформаціями ТС; 3) тепловими деформаціями ТС; 4) зносом РІОР. Питома вага впливу перелічених факторів на ЗТОО РІОР в кожному конкретному випадку відмінна і залежить в першу чергу від геометричних параметрів розточуваних отворів d0, l0/d0 і фізичних властивостей оброблюваного та інструмен-тального матеріалів, що визначають вибір технологічної схеми розточування – без КВ і з КВ. З урахуванням впливу зазначених факторів, ЗТОО РІОР, подане структурною схемою на рис. 1, пов'язане з розробкою методів ЗТОО, реалізованих новими конструкторсько-технологічними рішеннями.

Процес розточування отворів РIОР можна поділити на два етапи, на першому з яких РЕ формує вхідну ділянку отвору без взаємодії з ним НЕ. На другому етапі всі робочі елементи взаємодіють із заготовкою до кінця обробки отвору. Два твердих НЕ – бічний і опорний, встановлені в корпусі РIОР відповідно під кутом 45°-80° і не менше 180° відносно РЕ, при безвідривному контакті з поверхнею оброблюваного отвору під дією сили різання забезпечують базування й напрямок інструменту на другому етапі процесу розточування. Загальна динамічна модель другого етапу розточування отвору РIОР представлена системою рівнянь руху корпуса інструменту в граничних умовах обробки:

mК XК(ов,в)1,2 + оК XК(о,в)1,2 + cК XК(о,в)1,2 + с(О,В)1,2 (XК(о,в)1,2 – X(О,В)1,2 ) =

= F(О,В)1,2 + ( ДF(О,В)1,2 mK g) cos щф; ()

X(О,В)1,2 = e01,2 cos (щф цО, B),

де mК – приведена маса РIОР, кг;

оК – коефіцієнт дисипативної сили системи “шпиндель – РIОР”, Н·с/м;

cК – коефіцієнт радіальної жорсткості системи “шпиндель – РIОР” у зоні вершини РЕ, Н/м;

с(О,В)1,2 – коефіцієнт жорсткості контакту опорного і бічного НЕ з поверхнею отвору в граничних центрах коливань РIОР, Н/м;

F(О,В)1,2 и ?F(О,В)1,2 – постійні і змінні складові радіальних сил, що діють на корпус РIОР у напрямку вершин опорного і бічного НЕ, Н;

XК(о,в)1,2 – радіальні зміщення корпуса РIОР у напрямку опорного і бічного НЕ, м;

X(О,В)1,2 – радіальні зміщення опорного і бічного НЕ, м;

e01 і e02 – зміщення осі вхідної ділянки отвору щодо осі обертання РIОР у результаті першого етапу його обробки, м;

g – прискорення вільного падіння, м/с2;

щ – ?утова (циклічна) частота коливань, обумовлена кутовою швидкістю обертання РIОР, с-1;

ф – ?ас фази коливань, с;

цО, цВ – кути розвороту опорного і бічного НЕ відносно РЕ, рад.

Граничні умови визначаються, з одного боку, незношеним станом РIОР, мінімально допустимими за умовами розточування значеннями припуска на обробку і твердості матеріалу заготовки, а, з іншого боку - гранично допустимим розмірним зносом РIОР, максимально допустимими значеннями припуску на обробку і твердості матеріалу заготовки. Крім того, ці умови визначаються також мінімальними і максимальними сумарними значеннями векторів змінної сили різання і приведеній до НЕ сили тяжіння РІОР. Для зручності розпізнавання зазначених граничних умов обробки у формулах введені відповідно індекси “1” і “2”, а також знаки “–” і “+” при використанні знака “”. Такий підхід базується на положенні про те, що якщо в граничних умовах розточування відбувається ЗТОО ІОР, то вона буде забезпечуватися й у проміжних між ними умовах. Розробка динамічних моделей для граничних умов обробки дозволяє в околі граничних центрів коливань корпуса РIОР лінеаризувати нелінійну характеристику пружного контакту НЕ із заготовкою. Підставою для лінеаризації зазначеної характеристики є досить малі при прецизійній обробці відносні радіальні (контактні) переміщення НЕ і заготовки. Окремі умови обробки РIОР визначаються значеннями параметрів ?ДО і cК, що залежать від схеми розточування і методу напрямку інструменту. Використання системи “шпиндель - РIОР” для напрямку інструменту одержало поширення при обробці коротких отворів (l0/d0 ? 7) в тих випадках, коли конструктивні параметри заготовки чи верстат, що експлуатується, не дозволяють використовувати КВ. Метод напрямку інструменту за допомогою системи “шпиндель - РIОР - КВ” використовують при обробці як коротких, так і глибоких отворів. При обробці отворів без використання КВ ?ДО ? 0, cК ? 0, а у випадку її використання ?ДО 0, cК ? 0. У результаті розв’язання системи рівнянь (1) знайдені амплітуди першої гармоніки радіальних коливань вершин НЕ, а також вершини РЕ у двох граничних умовах початку другого етапу обробки

e11,2 =,

де e11 , e12 – амплітуди першої гармоніки радіальних коливань вершини РЕ в граничних умовах початку другого етапу обробки, м.

Загальна картина формування положення осі отвору у двох граничних умовах обробки розглянута на основі методу “заморожених” коефіцієнтів, реалізація якого пов'язана з розподілом отвору на рівні вздовж його довжини з кроком, що відповідає осьовому переміщенню РIОР за один його оберт. У процесі обробки отвору на зміщення його осі щодо осі обертання інструменту впливають радіальні коливання формотвірного леза РЕ. Амплітуда цих коливань із частотою ? визначає похибку такого зміщення. Тому на першому рівні отвору зсув його осі e11 та e12 у граничних умовах обробки буде визначатися відповідними амплітудами першої гармоніки радіальних коливань e01 і e02 вершини РЕ. Зміщення осі e11 і e12 отвору на першому його рівні визначає величину радіальних переміщень НЕ, які впливають на формування похибки осі на другому його рівні. Для визначення зміщення осі отвору на другому його рівні, підставимо послідовно e11 і e12 в друге рівняння системи (1) замість параметрів e01 і e02 і повторно вирішуючи її, отримаємо амплітуди першої гармоніки коливань вершини РЕ в граничних умовах обробки. Аналогічно можна визначити похибки розташування осі розточеного отвору на другому й наступних його рівнях. З огляду на те, що на практиці використовуються, як правило, РIОР із ?О = 180°, для цього випадку обробки можна одержати залежність для знаходження зміщення осі отвору на будь-якому його рівні

eN1,2 = e01,2 + , ()

де b1,2 = ;

f(ei 1,2) = ;

eN1,2 – зміщення осі на N-му рівні отвору в двох граничних умовах обробки при ?О = 180°, м.

На основі рівняння (2) отримано залежності для визначення зміщення осі отвору на довжині 100 мм при обробці з КВ і без неї

eK1,2 = + e01,2; ()

eБ1,2 = e01,2 + , ()

де eK1,2 – зміщення осі отвору на довжині 100 мм при обробці з КВ, м;

eБ1,2 – зміщення осі отвору на довжині 100 мм при обробці без КВ, м;

N100 – кількість рівнів на довжині 100 мм отвору.

Досягнення необхідних параметрів шорсткості, глибини й інтенсивності пластичної деформації обробленої поверхні отвору, а також розмірної точності розточування пов'язано з обмеженням значень радіальних сил, що діють на бічний і опорний НЕ. З урахуванням вимог до обмеження сил, що діють на НЕ, а також переносу похибок розташування осі отвору з попереднього на його наступний рівень, можна стверджувати, що ЗТОО РIОР можливе при виконанні наступних умов

F(O,B)min = mК XК(о,в)1,2 + оК XК(о,в)1,2 + cК XК(о,в)1,2 + с(О,В)1,2 x

x (XК(о,в)1,2 – X(О,В)1,2 ) mK g = F(O,B)max ; ()

e01,2 = e11,2 = e21,2 = … = eN1,2 = еД , ()

де F(O)min , F(O)max мінімальні і максимальні радіальні сили, що діють на опорний НЕ і визначають межі оптимальних умов його роботи з урахуванням вимог до точності обробки, Н;

F(B)min , F(B)max – мінімальні і максимальні сили вигладжування, що визначають межі оптимальних умов роботи бічного НЕ з урахуванням вимог до якості поверхні оброблюваного отвору, Н;

еД – допустиме зміщення осі отвору на другому етапі його обробки, м.

На основі теоретико-експериментальних досліджень встановлено, що необхідність урахування сили тяжіння РІОР виникає при обробці отворів діаметром більше 50 мм і 75 мм із l0/d0 ? 20 і l0/d0 ? 7 відповідно. Крім того, виявлено, що найбільш несприятливі умови з погляду ЗТОО РIОР виникають у тому випадку, коли КВ не використовується при швидкісному розточуванні. Це пов'язано з тим, що для формування точної вхідної ділянки отвору необхідне підвищення радіальної жорсткості системи “шпиндель – РIОР”, що, у свою чергу, негативно впливає на виконання умов (3). Тому для ЗТОО консольними РIОР при високошвидкісному розточуванні без використання КВ розроблено методи і засоби вiброзахисту й вiброгашення.

Виявлено, що при обробці отворів консольним РIОР з відносною довжиною його стебла не більш 3,5 основним джерелом порушення вібрацій є бічний НЕ, що, як показали дослідження, не робить істотного впливу на розмірну точність обробки. Тому вiброзахист консольних РIОР засновано на використанні в них обмежено рухливого пружного НЕ (ОРПНЕ) із нелінійною характеристикою амортизатора, виконаного, наприклад, із маслостiйкої гуми. Встановлено оптимальні по точності й продуктивності розточування конструктивні параметри РIОР з ОРПНЕ, режими й умови обробки. Зокрема, для однолезових РIОР оптимальні значення товщини недеформованого амортизатора hН = 0,1 – 0,6 мм і параметра ?О = 195°– 250°. Визначено умови ЗТОО РIОР з вiброзахисним НЕ в двох граничних умовах розточування

FНmin = mH e1щ2 + e1 + FН1 + ;

FНmax = mH e2щ2 + e2 + FН2 + ; ()

e1,2 = eД; e1,2 ? б1,20 ? б1,21 ? б1,22 … ? б1,2n , ()

де mН – приведена маса ОРПНЕ, кг;

FНmin і FНmax – допустимі мінімальні й максимальні сили вигладжування, що визначають границі оптимальних умов роботи ОРПНЕ, Н;

FН1 і FН2 – радіальні сили, що діють на ОРПНЕ внаслідок перевищення розміру настроювання РIОР діаметра розточеного отвору, Н;

FР1 і FР2 – радіальні сили, що діють на ОРПНЕ внаслідок процесу різання, Н;

cO1,2 – коефіцієнти жорсткості пружного елемента – амортизатора, Н/м.

Виявлено принципові відмінності між умовами ЗТОО консольних інструментів із вiброзахисним НЕ від інших типів РIОР, яке визначається нерівностями (4) і (6). Отримано залежності для уточнення розмірного настроювання РЕ й ОРПНЕ з урахуванням умов обробки. Виявлено, що метод вiброзахисту РIОР дозволяє підвищити продуктивність операції за рахунок збільшення швидкості різання в 1,5 – 4 рази без зниження точності обробки отворів діаметром 28 – 75 мм із l0/d0 ? 3,5, в результаті чого зростає ефективність використання сучасних інструментальних матеріалів.

Аналіз динамічної моделі обробки консольними РIОР показав, що підвищення швидкості різання пов'язано зі зниженням похибки розташування вхідної ділянки отвору. З цією метою запропоновано спосіб обробки отворів (А.с. 1808500), заснований на вiброгашеннi радіальних коливань консольних РIОР у момент врізання РЕ в заготовку за допомогою встановленого в корпусі інструменту демпфера, що складається з підпружиненого набору вантажів. Особливістю вiброгашення є керування динамічним настроюванням демпфера в процесі розточування, необхідніть якого виникає при суміщеній або багатоінструментальній обробці, коли частота збурюючої сили на другому етапі розточування може бути наближена до власної частоти демпфера. Встановлено, що для запобігання виникненню вібрацій, у таких випадках, доцільно змінити настроєння демпфера зразу ж після закінчення першого етапу обробки. Динамічне перенастроювання демпфера здійснюється зміною в його порожнині перепаду тиску МОТС, що подається в зону різання через отвори в шпинделі і РIОР. Оптимальні параметри перепаду тиску, що забезпечує ефективну роботу демпфера в момент врізання РЕ в заготовку, визначені експериментально і знаходяться в межах 0,1 – 0,2 МПа. При підвищенні радіальної жорсткості системи “шпиндель – РІОР” у момент входу НЕ в оброблюваний отвір зміна настроєння демпфера досягається створенням перепаду тиску ?PВ у його порожнині, при якому сили тертя між вантажами перевищують їхні інерційні сили. При ?PВ = 0,2 – 0,7 МПа багатомасовий демпфер працює як одномасовий або “виключається” (переміщення вантажів щодо корпуса РIОР вiдсутнє). В результаті експериментальних досліджень втановлено, що метод віброгашення консольних РІОР дозволяє підвищити продуктивність операціїї за рахунок збільшення швидкості різання в 1,3 – 1,4 рази без зниження точності обробки отворів діаметром 20 – 50 мм із l0/d0 = 3,5 – 7.

Розглянуто особливості взаємодії з поверхнею оброб-люваного отвору непереточуваних НЕ, профільний радіус яких менше половини діаметра робо-чої частини РIОР. Відомо, що бічний НЕ, який першим вступає у взаємодію з розточеною поверхнею отвору, здійснює її вигладжування. Опорний НЕ взаємодіє з уже вигладженою поверхнею отвору і переважно пружно деформує її. Аналіз профiлограм розточеної й вигладженої поверхні отворів показав, що найбільш близькою до реального профілю є “циліндрична” модель нерівностей, для якої характерні однакові радіуси вершин профілю виступів (рис. 2). Отримано емпіричні залежності для визначення середніх значень радіусів кривизни виступів, утворених РЕ і бічним НЕ, максимальної й мінімальної глибини пластичного впровадження бічного НЕ в розточену поверхню отвору. Це дозволило на основі “циліндричної” моделі шорсткості одержати рівняння для визначення максимального й мінімального значень приведеного радіуса контактуючих тіл і профільного радіуса бічного НЕ:

RПP= ,

де RПPmax, RПpmin – максимальне і мінімальне значення приведеного радіуса контактуючих тіл, мм;

FР(В) – радіальна сила, що діє на бічний НЕ, Н;

НД – пластична твердість матеріалу заготовки, Н/мм2;

hPmax , hPmin – максимальне і мінімальне значення глибини пластичного впровадження бічного НЕ в розточену поверхню отвору, мм;

dР – діаметр робочої частини РIОР, мм;

RН(В)max, RН(В)min – максимальне і мінімальне значення профільного радіуса бічного НЕ, визначині станом його зносу, мм;

RRP – середнє значення радіусів кривизни виступів, утворених РЕ, мм;

nдpmax , nPpmax , nдpmin , nPpmin – коефіцієнти, що залежать від співвідношення головних кривизн контактуючих тіл.

Отримані значення параметрів hPmax, hPmin, RПPmax, RПpmin дозволили знайти допустимий по якості обробки радіальний знос бічного НЕ, а також, за допомогою відомих залежностей, визначити максимальні значення глибини наклепаного шару і інтенсивності пластичної деформації обробленої поверхні. Крім того, виявлено вплив умов взаємодії бічного НЕ із заготовкою в процесі обробки РIОР на шорсткість поверхні отвору.

Для визначення твердості стику “НЕ – заготовка”, розмірної похибки обробки треба було знайти початкові приведені радіуси RП(О,В) контактуючих тіл – незношених НЕ і вигладженої поверхні отвору

RП(О,В) = ,

де RП(О), RП(В) – приведені радіуси контактуючих тіл відповідно незношених опорного і бічного НЕ з вигладженою поверхнею отвору, мм;

RН(О,В) – початкові профільні радіуси опорного і бічного НЕ, мм;

RRv – середнє значення радіусів кривизни виступів, утворених НЕ, мм;

nPO,B и nдO,B – коефіцієнти, що залежать від співвідношення головних кривизн контактуючих тіл.

Максимальну глибину пружного впровадження опорного і бічного НЕ у вигладжену поверхню отвору знайдемо за допомогою системи рівнянь

FP(О,B)j = FP(О,B); б(О,В)1 = б(О,В)1+ (j 1) tg цН(О,B)1

б(О,В)j = nдO,B

де ?(О,В)1, б(О,В)j – максимальне зближення опорного і бічного НЕ в контакті першого виступа та j-го виступа, мм;

FP(О) – радіальна сила, що діє на опорний НЕ, Н;

FP(О,B)j – навантаження, яке сприймається j-м виступом під дією опорного і бічного НЕ, Н;

NО, NВ – число послідовно розташованих виступів вигладженої поверхні отвору, з якими контактують відповідно опорний і бічний НЕ, шт;

цН(О,B)1 – допоміжні кути у плані опорного і бічного НЕ, рад;

kЗ, kО – пружні постійні заготовки і НЕ, мм2/Н.

Максимальна розмірна похибка обробки ?dД (мм) пов'язана з пружнопластичними переміщеннями НЕ:

ДdД = 2·(hPmax + б(O)1 cos цO).

З метою розвантаження робочих елементів при підвищеному припуску на обробку (більш 0,5 мм на діаметр) запропоновано дволезові РIОР з віброзахистом і плаваючою пластиною, що застосовуються для розточування отворів із d0 = 50 – 250 мм відповідно без КВ при l0/d0 ? 3,5 і з КВ при l0/d0 ? 20. Отримано залежності для визначення оптимальних параметрів зазначених РIОР, режимів і умов їх експлуатації, зокрема, оптимальна геометрія дволезового РIОР з віброзахистом: кути розвороту між чистовим (формотворним) РЕ й ОРПНЕ – 180°, між РЕ – 130°– 140, а дволезового РIОР з плаваючою пластиною: кути розвороту між чистовим РЕ й опорним, бічним НЕ корпуса, НЕ плаваючої пластини, чорновим РЕ відповідно – 25, 135145, 115130, 185190. Запропоновано коефіцієнт розвантаження НЕ дволезового РIОР з плаваючою пластиною, який визначається відношенням суми складових сил різання чистового й чорнового РЕ до середнього значення радіальної сили, що діє на НЕ. Встановлено, що найкращі результати по точності обробки з одночасним зниженням навантаження на НЕ досягаються при співвідношенні глибин різання чистового й чорнового РЕ в межах 0,6 – 0,8.

Отримано залежності для визначення зміщення осі вхідної ділянки оброблюваного отвору внаслідок теплових деформацій ОРВ з урахуванням інтенсивності його роботи, методу напрямку інструменту, а також особливостей підведення МОТС у зону різання. Встановлено, що найбільший вплив на відхилення розташування осі отвору, що розточується, роблять теплові деформації при розташуванні КВ на виносній опорі ОРГ або оправці шпинделя, а також при відсутності КВ. Сумарна найбільша похибка розташування осі обробленого отвору, пов'язана з впливом геометричної похибки, силових і теплових деформацій ТС, а також умов ЗТОО РІОР визначаються такими виразами:

ДП.Б = дУ + 104eБ 2 l0 + ДО.Т ? Д; ДП.БЗ = дУ + + ДО.Т ? Д;

ДП.КШ = дУ + 104 eК2 l0 + ДО.ТШ ? Д; ДП.КП = дУ + 104 eК2 l0 ? Д,

де ?П.Б, ДП.БЗ – відповідно похибка розташування осі обробленого отвору РІОР без віброзахисного НЕ і з ним при відсутності КВ, мкм;

ДП.КШ, ДП.КП – відповідно похибка розташування осі обробленого отвору при встановлені КВ на ОРГ і на пристосуванні верстата, мкм;

Д – допустима похибка розташування осі отвору, мкм;

e12 – зміщення осі обробленого отвору РІОР з віброзахисним НЕ при відсутності КВ, мкм;

дУ – геометрична похибка ТС, мкм;

ДО.Т, ДО.ТШ – похибки розташування осі отвору, що розточується, внаслідок теплових деформацій ОРГ при відсутності КВ і встановлені КВ на ОРГ, мкм;

l0 – довжина оброблюваного отвору, мм.

Для зниження теплових деформацій ОРВ розроблено і впроваджено у виробництво спосіб прикатки підшипників кочення (А.с. 1732041) ОРГ, що дозволив без зниження параметрів жорсткості шпинделя зменшити надлишкову температуру його нагрівання при обробці РIОР. Експериментально встановлено граничні значення надлишкової температури (2–15°С) нагрівання МОТС (НТМ), нестабільності температури навколишнього середовища ± (1–5°С), перепаду температур МОТС (? 2°С) на вході і виході з оброблюваного отвору (ПТМ) у залежності від необхідної точності розточування і конструктивних особливостей заготовки. Це дозволило визначити оптимальні параметри витрат МОТС з урахуванням інтенсивності тепловиділень у зоні обробки й можливості транспортування дробленої стружки.

Розроблено теоретичні положення БПКЗ і ПКЗ РIОР у процесі різання на основі, вбудованих у корпус інструменту автономних механізмів компенсації зносу що дозволили вирішити проблеми розмірної стійкості інструменту й точності розточування отворів діаметром більш 40 мм із l0/d0 ? 20 у заготовках з підвищеними фізико-механічними властивостями. Методи БПКЗ і ПКЗ базуються на відомих та розроблених нових положеннях компенсації зносу. До відомих положеннь відносяться: 1) наявність трьох НЕ в РIОР, які однозначно визначають діаметр оброблюваного отвору і пов'язані з РЕ кінематичним ланцюгом з передаточним числом, більшим одиниці; 2) інтенсивніше розмірне зношування РЕ у порівнянні з НЕ. В результаті реалізації цих положеннь відбувається радіальне висування РЕ внаслідок зміни діаметра обробленого отвору, що компенсує його розмірний знос. Новими положеннями, що визначають методи БПКЗ і ПКЗ, є: 1) виконання одного з трьох НЕ у вигляді ОРПНЕ; 2) наявність компенсуючої ланки у кінематичному ланцюзі, що зв'язує ОРПНЕ з РЕ. Відмінність методів БПКЗ і ПКЗ пов'язана з тим, що зазор у кінематичному ланцюзі, що усувається компенсуючою ланкою, утворюється відповідно при виводі РIОР з обробленого отвору й у процесі різання після висування РЕ. Реалізація цієї відмінності відбувається завдяки можливості РЕ зробити, у першому випадку, зворотний хід (до осі інструменту) в процесі обробки під дією сили різання, а, у другому випадку, тільки радіальне висування. Методи БПКЗ і ПКЗ реалізовані в нових конструкціях інструментів. Їх особли-вістю є модульне виконання, що дозволяє на основі уніфікованих деталей збирати інструменти з різними типами механізмів компенсації зносу. Модульні РIОР із механізмами БПЗ і ПКЗ, представлені на рис. 3, містять корпус-модуль 1, у якому встановлені РЕ 2, НЕ 3 і 4, робочий елемент 5 ОРПНЕ, коромисло 6. Оптимальне розташування робочих елеметів РІОР: ?1 = 45°, ц2 = 180°, ц3 = 230°. Розмірне настроювання РЕ 2, закріпленого в корпусі 1 прихватом 12, гвинтом 13 і пружною втулкою 14, реалізується набором штовхальників 10, 11, 16, 21 і гвинтами 15. Коромисло 6 встановлене в корпусі на пружній основі 16 із полімерного матеріалу з можливістю повороту навколо осі штифта 18. Поворот коромисла 6 обмежений пружною основою 16 і регульованим