КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лисенко Олександр Володимирович

УДК 621.941.025-521

ПІДВИЩЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ
ПРИ ТОЧІННІ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград –2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Металорізальні верстати та системи"
Кіровоградського національного технічного університету
Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор,
Пестунов Володимир Михайлович,
Кіровоградський національний технічний університет,
професор кафедри “Металорізальні верстати та системи”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент, Данильченко Юрій Михайлович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Конструювання верстатів та машин”;

кандидат технічних наук, Кривошея Анатолій Васильович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля Національної Академії Наук України, старший науковий співробітник відділу обробки металів різанням та деформуванням.

Провідна установа:

Одеський національний політехнічний університет, кафедра “Металорізальні верстати, метрологія і сертифікація”, Міністерство освіти і науки України,
м. Одеса

Захист відбудеться 01.10.2004 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Універси-тетський, .

Автореферат розісланий 31.08.2004 р.

Учений секретар
спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи полягає в тому, що в напрямку удосконалення процесу точіння за рахунок підвищення режимів різання, вибору оптимальних технологічних параметрів процесу досягнутий певний рівень, який наближається до свого максимуму. В той же час досягнення у напрямку цілеспрямованого регулювання динамічних властивостей технологічної оброблювальної системи (ТОС) є недостатніми, а резерви досить великими.

За даними виконаних досліджень та з практики машинобудівних виробництв, саме похибки обробки, викликані пружними деформаціями технологічної системи, є домінуючими у загальному балансі похибки. Особливо велика роль змінних у часі деформацій, які не завжди можна, а у багатьох випадках просто неможливо, компенсувати простим розмірним підналагоджуванням технологічного ланцюга.

У теоретичному плані залишається актуальною проблема розробки концепції управління динамічними параметрами ТОС під час обробки за рахунок використання спеціальних компенсуючих пристроїв і вбудовування їх у найбільш чутливий елемент ТОС, яким є інструмент. Відсутність надійного математичного апарату, який би враховував замкненість процесу та основні його характеристики і був би реалізований на сучасному програмному рівні, стримує практичне впровадження методів та пристроїв для підвищення динамічних характеристик пружної ТОС.

Тому робота, спрямована на вирішення саме таких проблем управління динамічними параметрами верстатів та режимом обробки з метою усунення вібрацій, підвищення точності обробки і зменшення технологічної спадковості є актуальною як для науки так і для машинобудівного виробництва.

Зв`язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконувалась у відповідності до міжвузівських наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (наказ Міністерства освіти України №37 від 13.02.96 р., п.1), планом науково-дослідницьких робіт КНТУ по тематиці “Розробка високоефективних приводів перемінної структури агрегатно-модульного верстатного обладнання" (державний реєстраційний № 0103V003115) та планом робіт Галузевої науково-методичної лабораторії з віртуальних засобів навчання МОН України (створена за наказом Міністерства освіти і науки України № 532 від 19.07.2001 р. у структурі НТУУ "КПІ", кафедра "Технологія машинобудування").

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення динамічних характеристик ТОС для забезпечення точності форми деталі при токарній обробці за рахунок спеціальних інструментальних пристроїв, що реалізують управління динамічними параметрами на базі математичного уявлення процесу точіння як такого, що відбувається в замкненій пружній системі.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв`язати такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об`єкт дослідження – процес токарної обробки та верстатні системи.

Предмет дослідження – спеціальні інструментальні пристрої - гасники автоколивань, технологічна спадковість форми.

Методи дослідження. У роботі використовувались методи теорії автоматичного управління, динаміки верстатів та методи системного аналізу, а при виконанні експериментальних досліджень – методи математичної статистики та теорії перетворення та обробки сигналів.

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. ).

Еквівалентна пружна система (ЕПС) представлена блоками, що відображають її реакцію у вигляді пружної деформації (складові dx, dy і dz ) 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 dz пружної деформації у складову dyz, що впливає на глибину різання.

Швидкість зміни деформації dz впливає на фактичну швидкість різання Vф, оскільки її вектор співпадає з вектором швидкості різання. Такий зв`язок на функціональній схемі відтворюється за допомогою порівняльного пристрою ПП3. Аналогічно, швидкість зміни деформації dx 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:

(1)

де застосовані наступні змінні стану: x1=dx, x2=sdx, x3=dy, x4=sdy, x5=dz, x6=sdz, (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.

Рис.2. Динамічна модель двомасової системи з процесом різання

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.

Рис.4. Розрахункова схема компенсації похибки обробки

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:

(2)

де коефіцієнти моделі розраховуються за формулами: a1=l1/m1; a2=cy1/m1; a3=cx1/m1; a4=cz1/m1; a5=1/m2; a6=l2/m2; a7=cy2/m2; a8=l2/m1; a9=cy2/m1; a10=cx2/m2; a11=cx2/m1; a12=cz2/m2; a13=cz2/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.

Рис.5. Схема алгоритму визначення технологічної спадковості

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(w0n) – 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. , 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 tп – час перехідного процесу, dzmax, dzуст – 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).

Рис.6. Перехідні характеристики вихідної ТОС (а) і з інструментальним пристроєм (б)

Рис.7. Залежність похибки форми від частоти обертання

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.

Рис.8. Експериментальна установка(а) і осцилограми складових сили різання (б), (в)

Аналіз осцилограм показує, що при однакових усталених значеннях складових сили різання амплітуда максимального значення складових сили різання різна: найбільше значення для складової Pz, найменше – для Px. Це повністю відповідає результатам теоретичних досліджень розробленої моделі, виконаних за допомогою відповідної прикладної програми. Найбільше демпфірування коливань відбувається за складовою Py сили різання, що позитивно впливатиме на показники форми обробленої поверхні. Проведений аналіз спектрів експериментальної залежності складової Pz 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 Pz сили різання для обробки звичайним різцем (рис.9, в) і запропонованим інструментальним пристроєм (рис.9, г). Зміна характеру складової Pz 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.

Рис.9. Складові сили різання при точінні ексцентричної заготовки:

частота обертання 315 об/хв а) звичайний різець; б) інструментальний пристрій;

частота обертання 1600 об/хв в) звичайний різець; г) інструментальний пристрій

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.

Рис.10. Круглограми деталей, оброблених а) – запропонованим інструментальним пристроєм; б) – звичайним різцем: 1 – 315 об/хв, 2 – 500 об/хв, 3 – 800 об/хв, 4 – 1250 об/хв,
5 – 1600 об/хв; ціна поділки (між штриховими лініями) – 0,02 мм

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: dmax – максимальне відхилення контуру, dmin – мінімальне відхилення контуру, D – амплітуда відхилення, j  – фазовий кут максимального відхилення.

Таблиця 1

Установка деталі у патроні і задньому центрі

№

перерізу | Обробка різцем | Обробка інструментальним пристроєм

dmax, мм | dmin, мм | D, мм | j, град | dmax, мм | dmin, мм | D, мм | j, град

1 | 0,172 | 0 | 0,172 | -25 | 0,116 | 0 | 0,116 | -20

2 | 0,300 | 0,092 | 0,208 | -45 | 0,248 | 0,092 | 0,156 | -35

3 | 0,424 | 0,152 | 0,272 | -80 | 0,332 | 0,168 | 0,164 | -55

4 | 0,244 | 0 | 0,244 | -40 | 0,160 | 0,040 | 0,120 | -30

5 | 0,144 | -0,056 | 0,200 | -40 | 0,060 | -0,052 | 0,112 | -35

6 | 0 | -0,176 | 0,176 | -5 | 0 | -0,094 | 0,094 | -30

Таблиця 2

Установка деталі у патроні

№

перерізу | Обробка різцем | Обробка інструментальним пристроєм

dmax, мм | dmin, мм | D, мм | j, град | dmax, мм | dmin, мм | D, мм | j, град

1 | 0,260 | -0,100 | 0,360 | -25 | 0,284 | 0,112 | 0,172 | -35

2 | 0,256 | -0,060 | 0,316 | -45 | 0,200 | 0,068 | 0,132 | -30

3 | 0,196 | -0,044 | 0,240 | -80 | 0,148 | 0,056 | 0,092 | -25

4 | 0,132 | -0,068 | 0,200 | -40 | 0,116 | 0,060 | 0,056 | 0

5 | 0,068 | -0,072 | 0,140 | -40 | 0,076 | -0,024 | 0,100 | -35

6 | 0 | -0,152 | 0,152 | -5 | 0 | -0,098 | 0,098 | -25

Загальні висновки і рекомендації

1. На основі системного уявлення технологічної оброблювальної системи як замкненої, багатомасової зі зворотними зв`язками за глибиною, швидкістю і подачею розроблений принцип підвищення її динамічних властивостей, який використаний у створеному інструментальному пристрої, а також концепція прогнозування технологічної спадковості, що дозволило знизити похибку токарної обробки ї підвищити її якість.

2. Розроблена структурно-параметрична функціональна схема базової моделі ТОС разом з процесом різання, що базується на представленні динамічної системи як одномасової, але з трьома ступенями рухомості за відповідними осями координат, яка повинна доповнюватись до двомасової (з паралельним або послідовним з`єднанням мас) при проектуванні динамічних гасників коливань і до трьохмасової при прогнозуванні технологічної спадковості деталі у поперечному перетині.

3. Запропонований принцип корекції динамічних характеристик всієї ТОС за рахунок спеціально введеного елементу у ланцюг проходження сигналу у замкненій пружній системі. Цей елемент, крім корекції у напрямку динамічних характеристик (гасіння коливань ТОС при різанні), виконує ще й корекцію геометричних параметрів формоутворення, яка призначена для компенсації похибки від пружних деформацій ТОС, що виникають під час обробки. Розроблена математична модель системи з таким інструментальним пристроєм, яка дозволяє проводити імітаційні дослідження з метою встановлення найбільш раціональних конструктивних і динамічних параметрів запропонованих інструментальних пристроїв при їх проектуванні та оцінці ефективності.

4. Встановлено, що технологічна спадковість, яка часто визначає точність деталі, залежить не тільки від частотних характеристик верстату, а й від таких характеристик ТОС в цілому, які змінюються в залежності від координати формоутворюючого руху за довжиною заготовки. Для урахування впливу формоутворюючої координати на технологічну спадковість була отримана приведена до вершини різця динамічна модель з параметрами жорсткості, що є функціями повздовжньої координати. Отримані статичні залежності для визначення приведених жорсткостей Cy і Cz у функції від поточної координати x з урахуванням жорсткості деталі для двох способів установки деталі: у патроні та у патроні і задньому центрі. Запропонована методика представлення будь-якого збурення у вигляді зміни припуску за поперечним перетином заготовки за допомогою розкладу у ряд Фур`є.

5. Розроблений новий метод і відповідний алгоритм визначення технологічної спадковості форми деталі у поперечному перерізі у функції повздовжньої координати, що полягає у використанні частотних характеристик ТОС при різанні другого роду, за допомогою яких відбувається фільтрація кожної гармоніки збурення форми припуску перед перетворенням її на відповідну гармоніку похибки форми у поперечному перерізі деталі.

6. Розроблена прикладна програма, що моделює як вихідну ТОС так і ТОС із запропонованим інструментальним пристроєм. Моделювання відбувається у часовому просторі і допускає зміну всіх вихідних параметрів у широкому діапазоні. Проведене моделювання технологічної спадковості у поперечному перерізі деталі за повздовжньою координатою формоутворення довело, що в залежності від способу установки заготовки на верстаті, звичайні форми (бочкуватість при установці у патроні і задньому центрі, конусність – при установці у патроні) мають значне викривлення, яке залежить від режиму точіння, зокрема, швидкості різання.

7. Проведені дослідження перехідних процесів ТОС при різанні спеціально підготовленої заготовки з повздовжніми пазами підтвердили позитивний вплив на динамічні характеристики ТОС запропонованого інструментального пристрою, який проявляється у більшому затуханні складової Py сили різання, а також якісну адекватність з результатами, що були отримані за допомогою розробленої прикладної програми. Аналіз спектрів складової Pz сили різання також свідчить про збільшення демпфіруючих властивостей ТОС з інструментальним пристроєм: максимальна амплітуда складової Pz, що міститься у її спектрі, зменшується в 1,25 рази у порівнянні з процесом точіння вихідною ТОС.

8. Аналіз осцилограм при обробці заготовки з ексцентричним розташуванням припуску показує, що при точінні інструментальним пристроєм відбувається гасіння коливань насамперед складової Pz сили різання. За експериментальними даними виміру круглограм деталей, що були оброблені із заготовок з ексцентричним розташуванням припуску на різних частотах обертання шпинделя виявлено, що амплітуда похибки обробки, яка характеризує технологічну спадковість зменшилась у порівнянні з вихідною ТОС у 1,4 рази, а фазовий кут зсуву значно менший як за діапазоном зміни (15 і 30), так і за абсолютною величиною.

9. Аналіз круглограм, побудованих за довжиною деталей, виготовлених із заготовок з ексцентричним розташуванням припуску, як для обробки у патроні, так і для обробки у патроні і задньому центрі показує, що застосування розробленого інструментального пристрою приводить до суттєвого позитивного результату – зменшення відхилення обробленої поверхні від ідеальної. Це обумовлено перш за все частковою компенсацією похибки від пружних деформацій, а по-друге – поліпшенням динамічних характеристик ТОС, що впливає на зменшення амплітуди загальної похибки і фазового кута зсуву. Виміри показують, що застосування інструментального пристрою дозволяє зменшити відхилення від округлості майже в 1,2 рази.

10. Рекомендується застосовувати розроблений принцип підвищення динамічних характеристик ТОС токарних верстатів і інструментальний пристрій при чистовій обробці деталей з глибиною різання до 1 мм. Розроблена методика визначення технологічної спадковості повинна використовуватись при визначенні режимів різання (швидкості різання) при токарній обробці. Особливо перспективне застосування отриманих результатів при обробці деталей з заздалегідь відомим нерівномірним розташуванням припуску, наприклад, поршнів двигунів внутрішнього згорання, які мають не круглий поперечний переріз, а виготовляються з круглої заготовки. В такому випадку важливе значення має зменшення фазового зсуву, що дозволить значно підвищити точність розташування не круглого поперечного перерізу поршня по відношенню до вісі поршневих пальців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лисенко О.В. Модульні системи адаптації // Зб. наук. пр. КДТУ. Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.– Кіровоград, 1998.– Вип. 4.– С. 181-185.

2. Лисенко О. Підвищення точності обробки різанням за допомогою модульних систем адаптації // Зб. наук. пр. КДТУ. Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Кіровоград, 2000.– Вип. 6. – С. .

3. Пестунов В.М., Лисенко О.В. Розробка та дослідження модульних систем адаптації // Вестник национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", Машиностроение.– 2000.– № 39.– С. . (Особистий внесок – розроблено інструмент з адаптивними властивостями)

4. Петраков Ю.В., Лисенко О.В. Моделювання динамічних характеристик процесу токарного точіння // Зб. наук. пр. КДТУ. Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Кіровоград, 2002.– Вип. 11.– С. 257-263. (Особистий внесок – розроблена математична модель процесу різання в замкненій пружній ТОС та прикладна програма що її реалізує)

5. Петраков Ю.В., Лисенко О.В. Моделювання частотних характеристик технологічної оброблювальної системи токарного верстата // Вестник НТУУ "КПИ", Машиностроение.– 2002.– Вып. 43 – С. 79-83. (Особистий внесок – розробка алгоритму визначення похибки форми деталі за допомогою АФЧХ ТОС)

6. Лисенко О.В., Петраков Ю.В. Прогнозування технологічної спадковості при токарній обробці // Вісник СумДУ. Технічні науки.– Суми, 2003.– № 2 (48).– С. 91-95. (Особистий внесок – розроблена методика визначення технологічної спадковості при токарній обробці)

7. Петраков Ю.В., Лисенко О.В. Управління динамічними характеристиками технологічної оброблювальної системи при точінні // Зб. наук. пр. КДТУ. Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Кіровоград, 2003.– Вип. 12.– С. 41-48. (Особистий внесок – обробка результатів експериментів по дослідженню інструмента, що дозволяє управляти динамічними параметрами ТОС)

8. Пестунов В.М., Лысенко А.В. Адаптивный и переналаживаемый инструмент // Техника машиностроения.– 2000.– № 1.– С. 13-24. (Особистий внесок – розробка загального алгоритму проектування інструменту, що дозволяє управляти динамічними параметрами ТОС)

9. Пестунов В.М., Лысенко А.В. Переналаживаемые системы станочного оборудованияТехника машиностроения.– 2000.– № 4.– С. 14-24. (Особистий внесок – огляд існуючих методів покращення динамічних властивостей ТОС)

10. Пат. 24661А Україна, МПК 6 В 21 К 5/12. Різець/ Пестунов В.М., Лисенко О.В. (Україна); Кіровоградський інститут сільськогосподарського машинобудування. – № 97062976; Заявл. 23.06.1997; Опубл. 30.10.1998; Бюл. № 5.

11. Пат. 25283А Україна, МПК В 23 В 27/00. Токарний різець/ Пестунов В.М., Лисенко О.В. (Україна); Кіровоградський інститут сільськогосподарського машинобудування. – № 97073882; Заявл. 22.07.1997; Опубл. 25.12.1998; Бюл. № .

12. Пат. 51785 Україна, МПК В 23 В 27/12. Токарний різець/ Пестунов В.М., Лисенко О.В. (Україна); Кіровоградський державний технічний університет. – № 99105659; Заявл. 15.10.1999; Опубл. 16.12.2002; Бюл. № 12.

13. Петраков Ю.В., Лисенко О.В. Прогнозування технологічної спадковості при токарній обробці // Тези доповідей Другої Всеукраїнської молодіжної науково-технічної конференції "Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво".– Суми: СумДУ, 2002.– С. 62-64.

14. Петраков Ю.В., Лисенко О.В. Управління динамічними характеристиками технологічної оброблювальної системи при точінні // Тези доповідей Першої Міжнародної науково-технічної конференції "Машинобудування та ме-талообробка – 2003".– Кіровоград: КДТУ, 2003.– С. 179-181.

АНОТАЦІЯ

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.

Дисертація присвячена розробці, теоретичним та експериментальним дослідженням нових засобів підвищення точності токарної обробки за рахунок управління динамічними характеристиками пружної технологічної оброблювальної системи (ТОС) верстату під час різання. Розроблена структурно-параметрична модель процесу точіння, де ТОС представлена як замкнена зі зворотними зв`язками через пружну систему верстата. Запропонований принцип корекції динамічних характеристик всієї ТОС за рахунок спеціально введеного елементу у ланцюг проходження сигналу у замкненій пружній системі. Сконструйований інструментальний пристрій, який, крім корекції у напрямку динамічних характеристик (гасіння коливань ТОС при різанні), виконує ще й корекцію геометричних параметрів формоутворення, яка призначена для компенсації похибки від пружних деформацій ТОС, що виникають під час обробки. Розроблена математична модель системи з таким інструментальним пристроєм та прикладна програма, яка дозволяє проводити імітаційні дослідження з метою встановлення найбільш раціональних конструктивних і динамічних параметрів запропонованих інструментальних пристроїв при їх проектуванні та оцінці ефективності. Досліджений механізм утворення технологічної спадковості форми при точінні від нерівномірного припуску і розроблена методика її прогнозування яка базується на використанні сімейства амплітудно фазових частотних характеристик другого роду, що відображають зміни динамічних характеристик за повздовжньою координатою. Проведені експериментальні дослідження підтвердили зниження рівня коливань за спектром складової Pz сили різання в 1,25 рази, зменшення технологічної спадковості в 1,4 рази, а також відхилення від округлості в 1,2 рази.

Основні результати роботи одержали апробацію у вигляді розроблених інструментальних пристроїв і впроваджені у виробництво при проектуванні систем і технологічних операцій токарної обробки у вигляді створених прикладних програм на ВАТ “Гідросила”.

Ключові слова: динаміка, точність, похибка форми, технологічна спадковість, динамічне гасіння