автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Экспериментально-аналитическая модель выбора параметров динамических систем круглошлифовальных станков при случайных возмущениях

ВВЕДЕНИЕ.

Глава Г СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1Л. Методология экспериментального исследования.

Г2. О природе колебаний при шлифовании.

1.3. Выводы по обзору работ и постановка задачи исследования

Глава 2. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА И

ОСНАСТКИ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ.

2.1 .Стенд для испытания направляющих.

2.2. Жёсткость элементов конструкции шлифовального станка.

2.3. Методы определения демпфирующих свойств элементов конструкции шлифовального станка.

Глава 3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЫНУЖДЕННЫХ

КОЛЕБАНИЙ В СТАНКЕ.

3.1. Динамическая модель.

3.2. Методика спектрального анализа колебаний в станке.

3.3. Спектральный анализ источников динамических воздействий на станок.

3.3.1 .Внешние источники динамических воздействий.

3.3.2.ИСТОЧНИКИ инерционного возбуждения колебаний.

Глава 4. КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Составление упрощённой математической модели станка.

В рамках общей программы развития машиностроения особое внимание уделяется созданию промышленного потенциала прецизионного станкостроения, которое является основой развития таких важнейших отраслей промышленности, как приборостроение, аэрокосмическая, электронная, оборонная, подшипниковая и ряда других отраслей.

В среде прецизионного оборудования особое внимание уделяется созданию шлифовальных прецизионных станков, в частности круглошлифовальных, поскольку указанная группа станков используется на заключительных стадиях технологического процесса, а также практически только эта группа станков может быть использована для заготовительных операций при реализации так называемой "нанотехнологии".

Проведенные к настоящему времени исследования указывают на необходимость решения проблем в связи с повышением точности обработки на металлорежущих станках, разделяя их на ряд частных задач. Так, погрешности обработки на металлорежущих станках оцениваются точностью готовых изделий, а именно точностью размера обработанных поверхностей, их формы и взаимного расположения, величиной шероховатости поверхности.

Если рассматривать обработку деталей на станке как процесс, протекающий в замкнутой технологической системе, то все факторы, влияющие на точность размера обработки, в значительной степени зависят от применяемого метода шлифования. В настоящее время широко применяются четыре метода обработки деталей на круглошлифовальных станках - методы пробных проходов, с применением контроля по пути (до упора), с применением средств активного контроля выбранного геометрического параметра изделия в процессе обработки, с послеоперационным контролем и подналадкой технологической системы. Так, расчет баланса точности обработки на круглошлифовальном станке повышенной точности, работающем по методу контроля по пути [7], показал, что наибольшее влияние на точность обработки оказывают упругие и температурные деформаций технологической системы и износ инструмента. Суммарные погрешности, вызываемые геометрической неточностью станка, не превышают 5%; удельный вес погрешности, вызванной вибрациями от неуравновешенности шлифовального круга, не превышает 3%.

Однако баланс точности значительно изменяется при обработке на круг-лошлифовальных станках особо высокой точности, с использованием средств активного контроля [6,13,51]. Здесь на результаты обработки практически не сказываются температурные и упругие деформации станка, износ и затупление шлифовального круга и другие факторы.

В настоящее время требуется изготовление деталей изделий с суммарной погрешностью обработки менее 1,0 мкм, поэтому значительно выросло влияние таких факторов, как геометрическая точность станка и вибрации в технологической системе. Так, удельный вес погрешности обработки в виде волнистости и шероховатости поверхности может достигать 40-ь50 % от суммарной погрешности. В свою очередь волнистость и шероховатость контактирующих поверхностей оказывают решающее влияние на величину фактической площади их контакта, износостойкость, контактную прочность, герметичность соединений, возникновение вибраций, шумность, долговечность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель расчета параметров динамических систем круглошлифовальных станков, позволяющая в компьютерных экспериментах подбирать соотношения параметров, обеспечивающих минимальные относительные колебания шлифовального круга и заготовки.

2. Установлено, что в качестве базовой динамической модели можно принять 2-х массовую упругую систему с демпфированием.

3. Экспериментально установлено, что входные сигналы от внешних источников динамических воздействий характеризуются случайными функциями, имеющими две пиковые области в 1,5 . 5,5 Гц и 20. 27 Гц.

4. Выявлено, что спектр плотности составляющих случайных функций, отражающих динамические воздействия электродвигателей, характеризуется тремя шлифовальными областями в районе 25 Гц, 50 Гц и 100 Гц.

5. Обработка экспериментальных данных показала, что исследованные случайные процессы являются стационарными, т. е. математическое ожидание и дисперсия практически постоянны при неизменных исследуемых параметрах.

6. Разработан экспериментальный стенд в виде физической модели, позволяющей исследовать статическую и динамическую жесткость трех типов направляющих шлифовальной бабки, жесткость механизмов подачи и подшипников, необходимых для подстановки в разработанную математическую модель.

7. Установлено, что в качестве оценки варианта соотношения регулируемых параметров модели, а именно малые шлифовальные бабки и шпинделя шлифовального круга может быть использована дисперсия суммарного выходного сигнала.

8. При компьютерном моделировании установлено, что при любом сочетании параметров, которые можно изменять в пределах, определяемых

95

Прочностными и конструктивными особенностями круглого шлифовального станка связанность двух парциальных систем бабки и шпинделя оказывается весьма значительна, из чего следует, что упрощение модели может быть ограничено не менее 2-х массовой системой.

9. На примере исследований круглошлифовального станка модели ЗМ152 найдены величины масс шлифовальной бабки и шпинделя шлифовального круга, при которых будет реализована минимальная амплитуда относительных колебаний шлифовального круга и заготовки.

1. Абаков Л.В. Волнистость поверхности обработанной круглым шлифованием. - Кн. "Новые исследования в области обработки металлов резанием". -М.; Машгиз, 1957

2. Баранов СЕ. Оптимизация формы направляюших верхнего стола круглошлифовальных станков, СТИН 1999г. №11"

3. Бушуев В.В. Сверхточные станки. СТИН, 2000г, №6.

4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.:Физматгиз, 1962г.

5. Вибрации шлифовальных станков и их устранение. "Станкостроение за границей", 1952, № 2.

6. Воронцов Л.Н., Кондорф С.Ф. Приборы автоматического контроля размеров в машиностроении. М. Машиностроение, 1988. 280с.

7. Гельфельд О.М. Исследование точности круглошлифовальных станков. Дисс. канд. техн. наук. 1961 г.

8. Горохов В.А. Использование вибраций в обработке металлических деталей. Уч. Пособие для ВУЗов. Чернигов. ВСНТО, 1980г. 76с.

9. Горохов В.А. Регуляризация микрорельефов поверхностей изделий машиностроения. М: ВНИИТЭМР, 1991г. 60с.

10. Горохов В.А. Технология обработки материалов. Уч. пособие для ВУЗов. Мн. Беларусская навука, 200. - 439с.

11. Дж. П. Ден-Гартог Теория колебаний. Наука, Москва, 1954г.

12. Жариков Ф.И., Баранчиков В.И., Юдина Н.Д. и др. Прогрессивный режущий инструмент и режимы резания металлов. Справочник. Под общ. ред. Баранникова М.: Машиностроение, 1990. 400с.

13. Иванов Г.И., Левит Д.Г."Сверхпрецизионное оборудование." СТИН 1997г., №2.

14. Игнатьев A.A., Добряков В.А. и др. "Исследование динамического состояния прецизионных металлорежущих станков. СТИН, 1977г., №10.

15. Крутов В.И., Попов B.B. Основы научных исследований. М. "Высшая школа", 1989. 400с.

16. Кувшинский В.В. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. М, "Машиностроение", 1982. 272с.

17. Кудасов Г.Ф. Влияние вибраций на качество поверхности при круглом и бесцентровом шлифовании. В кн. Качество поверхности деталей машин. Сб. 3. Шлифование и отделочная обработка. -М., Изд-во АН СССР, 1957.

18. Кудинов В.А. Повышение виброустойчивости круглошлифовальных станков. В кн. "Модернизация круглошлифовальных станков". Руководящие материалы. М., Машгиз, 1957, стр. 72-80.

19. Кудинов В.А. Теория вибрации при резании (трении). В сб. "Передовая технология машиностроения" М., Изд-во АН СССР, 1955.

20. Кудинов В. А. "Автоколебания на низких и высоких частотах (устойчивость движений) при резании. СТИН 1997г. №2

21. Кудинов A.B. "Качественная идентификация вибраций и форм потери виброустойчивости в станках. СТИН 1999г. №7.

22. Лурье Г.Б. Вибрации при шлифовании.-Станки и инстр., 1959, № 6.

23. Лурье Г.Б. Автоколебания при шлифовании. Абразивы, вып. 27, М., ЦБТИ, 1960.

24. Лурье Г.Б. Вибрации при шлифовании. Вестник машиностроения, 1961, №6.

25. Маслов E.H. Основы теории шлифования металлов. М.:Машгиз, 1951

26. Мейза Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерения. -М.: Мир, 1990. -535с.

27. Пасько Н.И. Статистическое моделирование станочных систем. -Статистика, 1998г, №3.

28. Подачек М., Брым Л. Некоторые проблемы при повышении производительности шлифовальных станков. "Чехословацкая тяжелая промышленность", 1961, № 12.

29. Полачек М., Плухарк Л. Современные методы исследования самовозбуждающихся колебаний при шлифовании. "Чехословацкая тяжелая промышленность", 1964, №5, Стр. 29-35.

30. Прилуцкий В.А. Использование инерционных сил при абразивной обработке поверхностей вращения. СТИН 1996г. №3. С.

31. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. Физматгиз, 1963г.

32. Пузанов В.В. Характер колебания при врезном шлифовании. -Станки и инструмент, 1960, № 2.

33. Пуш A.B. "Основные принципы проектирования прецизионных и сверхпрецизионных станков." СТИН 1999г. №3.

34. Пуш A.B. Пятая международная конференция по "Динамике технологических систем." СТИН 1998г. №4.

35. Решетов Д.Н. "Методы снижения интенсивности колебаний в металлорежущих станках". М., ЦБТИ, 1950.

36. Ротцолл М. Волнистость на поверхности шлифовальных деталей и ее предотвращение. "Werkstadtstechnik und Maschinenbau", 1952, T.VIII, № 8.

37. Рыжков Д.И. Автоколебания при шлифовании. В кн.: "Высокопроизводительное шлифование". -М., изд-во АН СССР, 1962, стр. 215229.

38. Скриживан К. Новые способы балансировки вращающихся масс. Станки и инструмент, 1953, № 8.

39. Сломинский К. Новые способы бесцентрового шлифования. М., Машгиз, 1952.

40. Солодовников В.В. Введение в статистическую динамику систем автоматического управления. Гос. изд. технико- теоретической литературы. Москва 1952г.

41. Тлустый И. Автоколебания металлорежущих станков. М., Машгиз, 1956.

42. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки. М. Машиностроение, 1984. 184с.

43. Хомяков B.C., Вайс Ц.Д. Анализ динамического качества бесцентрово-шлифовальных станков с широким кругом. -СТИН, 1999г., №1.

44. Хомяков B.C., Молодцов В.В. "Моделирование подвижных стыков при расчетах станков." СТИН 1996г. №6.

45. Худобин Л.В., Гурьянихин В.Ф., Юганов B.C. Использование низкочастотного акустического сигнала для текущего контроля процесса шлифования. -СТИН, 2000г., №8.

46. Якобе Г.Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания. -М.: Машиностроение 1981. 279с.

47. Altintas Y. and Lee P. General A. Mechanics and Dynamics Model for Helical end Mills. Annals of the CIRP, 45(1): 59-64, 1996.

48. Altintas Y. In-Process Detection of Tool Breakages Using Time Series Monitoring of Cutting Forces. International Journal of Machine Tool and Manufacturing, 28(2): 157-172, 1988.

49. Allemang R.J. and Brown D.L. Multiple Input Experimental Modal Analysis -A Survey International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis, 44:37-44,1986.

50. Armarego E.J.A. Material Removal Processes-An Intermediate Course. The University of Melbourne, 1993.

51. Bollinger J.G. and Duffie N.A, Computer Control of Machines and Processes. Addison-Wesley, 1988.

52. Boothroyg G. Fundamentals of Machining and Machine Tools. McGraw-Hill, 1985.

53. Budak E. Y. Altintas, and E.J.A. Armarego. Prediction of Milling Force Coefficients from Orthogonal Cutting Data. Trans. ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 118:216-224, 1996.

54. Dewey B.R. Computer Graphics for Engineers. Harper and Row, 1988.

55. Doi S. An experimental study an chatter vibrations. "Transactions of the ASME", 1958,T.80,№ l,p. 133-140.

56. Famworth G.H. The influence of vibrations on quality in grinding. -Production Engineering". 1963, т. 12, № 9

57. Gymey J. An analysis of Surface wafe instability in grinding. -Mechanical Engineering Science, 1965, т. 7, JN« 2.

58. Hahn R.S. Grinding chatter, causes and cures. -The Tool and Manifacturing Engineer", 1963, IX №74.

59. Jawahir I.S. and C.A. van. Luttervalt. Recent Developments in Chip Control Research and Applications. Annals of the CIRP, 42/2:49-54, 1993.

60. Kaliszer H. Uber den Einfluss der Scheibenunwcht beim Schleifen. "Jndustrie Anzeiger", 1960. Т. 82, № 98. Landberg P. Versuche die Natur des Scheifvorganges Betreffen "Mikrotechnie" 1957, № 1.

61. King R.I. Handbook of High Speed Machining Technology. Chapman and Hall, 1985.

62. Kuo C.K. Digital Control Sistems. -Saunders College Publishing, 1992

63. Landberg P. Versuche die Natur des Scheifvorganges Betreffen "Mikrotechnie" 1957, № 1.

64. Oastadal B. Вибрации круглошлифовального станка мод. ВКЗ. Жур. "St. Vojen akad. Zapotockeho Vyznani raden", 1962, в. 10, № 4, стр. 147-154. Реферативный журнал "Технология машиностроения", 1963, № 10, стр. 144. Реф. 10В921.

65. Pahlitzsch G. Adavages in maschine tool desing and recearch-proceeding. 5 Jnt. M.T.P.R.Conf. Universiny ofBirmigham, IX, 1964/

66. Pahlitzsch G., Cuntze E. Selbsten-egte SchvAingungen als Ursache des Rattems beim Schleifen "Kleipzing-Fachberichte", 1964, т. 72, № 4, стр. 137-145.

67. Pahlitzsch G., Cuntze E. Reduction of Chatter vibration during cylindrical and plunge grinding operation. 6 Jnt. M.T.D.R. Conf. Manchester-Pergamon press. 1965.

68. Pahlitzsch G., Cuntze E. Berezeges keletkezese es csokkentese beszuro koszoruleskor "Gepgyartas Technoljgian", 1966, № 11.

69. Plaineveaux J.E. Theorie du Broutement dans les operations de rectification cylindrique "Mécanique", 1956, XII, 1957, III.

70. Polacek M., Pluhar L. Selbsterregte Schwingungen beim Schleifen. "Maschinenmarkt", 1964, т.70, № 11.

71. Rao S.S. Mechanical Vibrations. Addison-Wesley, 1990.

72. Ren H. Mechanics of Machining with Chamfered Tools. Master's thesis, the University of British Columbia, 1998.

73. Salje E. Forschungsergebnisse beim Aussenzundschleifen. "Werkstadtstechnik und Maschinenbau", 1953, № 3, стр. 103-107.

74. Salje E. Ursachen und Minderung von Werkzeugschwingungen. "Jndustrie Anzeiger", 1953.X.20, стр. 239.

75. Shamoto E. and Y. Altintas. Prediction of Shear Angle in Oblique Cutting with Maximum Shear Stress and Minimum Energy Principle. 1997 A S ME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, MED-Vol. 6-1:121128, 1997.

76. Singhal P., Kaliszer H. The effect of workpiece dimensions and wheel parameters on the surface waveness during grinding". 6 Jnt. M.T.D.R. Conf Manchester-Pergamon Press, 1965.

77. Snoeys R. Broutement en Rectification "Centre de Recherehes scientifiques et techniques de L Jndustrie des Fabrications Métalliques", conf, Paris, IX, 1966.102

78. Stephenson D.A. ,Material Characterization for Metal-Cutting Force Modeling. -Journal of Engineering Materials and Technology ,vol. 111:210-219.Apr.1989.

79. Sutherlang J.W. and DeVor R.E. An Improved Method for Cutting Force and Surface Error Prediction in Flexible Systems. Trans. ASME Journal of Engineering for Industry, 108:269-279, 1986.

80. Sweeney G. Grinding Jnstability. 6 Jnt. M.T.D.R. Conf. Manchester Pergamon Press., 1965.

81. Tobias S.A. Machine Tool Vibration. Blackie, 1995.

82. Wang F.C., Schofield S. and Wright P. Open Architecture Controllers for Machine Tools. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 425-432, 1998.