автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Критерии виброустойчивости технологической системы

Введение.

1. Причины автоколебаний и методы борьбы с ними.

1.1. Анализ теорий возникновения автоколебаний при резании металлов.

1.2. Исследование вибраций при многорезцовой обработке.

1.3. Выводы, цель работы и задачи исследования.

2. Разработка математических моделей устойчивости для процессов многорезцовой обработки.

2.1. Структурный критерий устойчивости для многорезцовой обработки.

2.1.1. Определение характеристик жесткости системы де-таль-опоры-головка.

2.1.2. Изменения силы резания.

2.1.3. Структурный критерий устойчивости для многорезцовой обработки.

2.2. Определение устойчивости по критериям Гаусса-Гурвица. 33 Выводы.

3. Теоретико-экспериментальная проверка математических моделей

3.1. Проверка виброустойчивости по структурному критерию у-стойчвости.

3.1.1. Многосуппортная обработка валов.

3.1.2. Нарезание резьбы многорезцовыми головками.

3.2. Проверка виброустойчивости по критериям Гаусса-Гурвица

3.2.1. Многосуппортная обработка валов.

3.2.2. Нарезание резьбы многорезцовыми головками.

Выводы.

Одним из путей повышения производительности механической обработки является увеличение суммарной длины режущих кромок, одновременно участвующих в работе. Этот путь реализуется в процессах обработки заготовок многорезцовыми головками.

Возрастающие требования к производительности и точности работы станков постоянно заставляют заниматься проблемой обеспечения виброустойчивости точения. К настоящему времени отечественными и зарубежными учеными выполнена целая гамма фундаментальных исследований, объясняющих природу возникновения вибраций. При этом установлена связь между динамическими характеристиками и основами механики процесса резания, позволяющая глубже понять физическую суть динамики резания, лучше разобраться в причинах неустойчивости процесса.

Копирная обработка валов, а также нарезание резьб многорезцовыми головками часто сопровождается вибрациями с характерным шумом при резком ухудшении качества обрабатываемой поверхности. Дальнейшую обработку при их возникновении проводить нецелесообразно.

Появление вибраций при нарезании внутренней резьбы самозакрывающимися головками отмечено Ю.В.Мягковым. Вибрации носили вид затухающих колебаний по длине резьбы от входа к выходу в зарезьбовую канавку. Автор объясняет появление вибраций низкой радиальной жесткостью технологической системы, в которую входит тонкостенная деталь.

Ю.В.Мягковым рассмотрены также различные схемы резания для устранения вибраций, как уравновешенные, так и неуравновешенные. Экспериментально было установлено, что неуравновешенная сила резания К = 200.300 Н полностью устраняет вибрации. Это явление объясняется тем, что наличие неуравновешенной силы повышает жесткость системы. Как видно из (пл.1), незначительное колебание силы в зоне, близкой к началу координат, приводит к колебаниям относительного положения детали и инструмента с большой амплитудой. Такое же по величине колебание силы резания в зоне с некоторой неуравновешенной силой Р2 вызывает значительно меньшие относительные перемещения звеньев технологической системы, а, следовательно, и меньшие амплитуды колебаний.

В работе Ю.В.Мягкова дается лишь качественное описание влияния величины жесткости технологической системы на возникновение вибраций и нет никаких количественных данных по необходимой величине жесткости технологической системы для устранения вибраций и о влиянии других факторов на величину зоны виброустойчивости.

Более широко вопросы выявления условий возникновения и протекания вибраций, установление факторов, вызывающих появление вибраций, определение зоны виброустойчивости для многосуппортной обработки валов рассмотрены в работе Н.Б.Дорохина. Было исследовано влияние геометрии и формы пластинок применяемых резцов, влияние режимов обработки и различных схем расположения резцов в радиальном и осевом направлениях. На основании многочисленных экспериментов автор делает следующие выводы:

1. При многосуппортной обработке вибрации возникают и усиливаются с увеличением жесткости заготовки.

2. Увеличение глубины резания I при многосуппортной обработке способствует гашению вибраций.

3. Практически во всех случаях обточки жестких деталей, когда при многосуппортной обработке возникали вибрации, переход при тех же условиях к одкорезцовому точению, достигаемому удалением из головки одного или двух резцов с соответствующим уменьшением подачи до величины, приходящейся на один резец многосуппортной головки, приводит к полному исчезновению вибраций.

На основании проведенных экспериментов автором даются рекомендации по выбору радиального и осевого положения каждого из резцов головки при различных значениях глубины резания, подачи и числа оборотов для обеспечения безвибрационной работы. Однако данные рекомендации применимы только для конкретной системы. При переходе к другому станку или другой оснастке необходимо снова проводить исследования по определению зоны виброустойчивости. В работе отсутствуют данные по влиянию на возникновение вибраций таких факторов как масса системы и величина демпфирования.

Важными, на наш взгляд с точки зрения дальнейшего использования для выведения условий безвибрационной работы при многорезцовом точении, следует считать работы, выполненные Кудиновым и Тлустым. и развитые Лазаревым для однорезцового точения. В них колебательная система рассматривается как система с двумя степенями свободы. Лазарев рассматривает взаимодействие сил упругости и сил резания, которые образуют вокруг вершины резца силовые поля определенного вида.

В теории автоматического регулирования также широко применяются условия устойчивости Гаусса-Гурвица, показывающие в каких случаях решение уравнений движений системы не будет иметь корня с положительной вещественной частью. Эти условия также использовались для определения устойчивости технологической системы.

На основе проведенного анализа можно следующим образом сформулировать цель выполняемой работы: на основе теоретико-экспериментальных исследований разработать аналитические зависимости для определения условий виброустойчивости при многорезцовой обработке деталей.

Поставленная цель может быть достигнута при выполнении комплекса следующих основных задач.

1. Изучение особенностей возникновения вибраций при многорезцовой обработке деталей.

2. Разработка математических моделей, определяющих виброустойчивость процессов многорезцовой обработки, на основе имеющихся теоретических разработок.

3. Теоретико-экспериментальная проверка полученных математических моделей и разработка рекомендаций по их использованию.

В качестве исходных уравнений движения была принята система дифференциальных уравнений второго порядка.

Для определения динамической устойчивости системы в процессе работы нами были определены коэффициенты Су, входящие в уравнение системы, которые в свою очередь будут определятся характеристиками жесткости системы деталь- опоры-головка и характеристиками, определяющими изменение сил резания при отклонении системы от положения равновесия

Для расчета характеристик жесткости получена расчетная схема, приведенная на работе, в которой учитываются характеристики двух парциальных систем: деатль-опоры и многорезцовая головка-суппорт. Полученные в работе зависимости для расчета величин жесткости по главным осям и их ориентации в пространстве.

Кроме этого разработаны зависимости для расчета изменения составляющих суммарной силы резания при отклонении системы от положения равновесия. Далее используя полученные зависимости выведены условия безвибрационной работы для обработки заготовок многорезцовыми головками по критериям устойчивости, полученным Лазаревым и критериям Гаусса-Гурвица.

Таким образом решена вторая из поставленных задач, а именно, получены необходимые аналитические зависимости для определения устойчивости для многорезцовой обработки.

Проверка полученных математических моделей производилась сравнением результатов, полученных расчетным путем, с результатами ранее проведенных исследований. Для этого были использованы данные по многорезцовому обтачиванию валов и нарезанию наружных резьб многорезцовыми головками.

Вначале были проведены расчеты по условиям, разработанным на основе структурного критерия устойчивости, предложенным Лазаревым. Для этого разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ, графическое изображение результатов расчета показано , из сравнения их с результатами, приведенными в работе Дорохина, видно что они не совпадают с результатами эксперимента. Это на наш взгляд объясняется тем, что условия устойчивости не учитывают всех составляющих, характеризующих колебательный процесс. В них не учитываются такие составляющие как приведенная масса системы и коэффициенты демпфирования.

В результате проведенных исследований было установлено, что при реальных величинах характеристик упругой системы, нарушение устойчивости системы при многорезцовой обработке возможно лишь при невыполнении четвертого неравенства условий Гаусса-Гурвица, которое приведено на работе, также приведены полученные зависимости для расчета входящих в него составляющих. Расчет условий устойчивости также проводился с использованием разработанного для этого алгоритма и программы для ЭВМ.

Из графиков, приведенных на работе видно, что расчетные зоны устойчивости достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. В приведеных графиках, иллюстрирующие полученные Дорохиным выводы о том, что удаление одного из резцов повышает виброустойчивость технологической системы, а увеличение жесткости заготовки - снижает.

На работе приведены расчетные и экспериментальные данные по определению устойчивости при обработке резьбы многорезцовыми головками. Они также показывают их соответствие экспериментальным данным.

В результате выполненной работы удалось достичь поставленной цели: получены и экспериментально проверены аналитические зависимости для определения виброустойчивости при обработке заготовок многорезцовыми головками.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработаны аналитические модели определения виброустойчивости технологической системы при обработке многорезцовыми головками на базе теории "координатной связи" и условий устойчивости Гаусса-Гурвица.

2. Расчетами установлено, что виброустойчивость, определенная на основе теории "координатной связи" не соответствует экспериментальным данным. Причиной этого является отсутствие учета приведенной массы системы и коэффициентов демпфирования.

3. Математическая модель, основанная на условиях устойчивости Гаусса-Гурвица, достаточно точно описывает условия возникновения вибраций при обработке заготовок многорезцовыми головками.

4. Установлено, что для повышения виброустойчивости технологической системы необходимо увеличивать ее жесткость, демпфирующие способности и уменьшать приведенную массу.

5. Показано, что виброустойчивость технологической системы при обработке многорезцовыми головками зависит от количества резцов, причем с увеличением их числа, виброустойчивость снижается.

6. Определено, что для повышения виброустойчивости необходимо выбирать такую схему срезания припуска, которая обеспечивала бы максимальную величину вектора суммарной силы резания.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработаны аналитические модели определения виброустойчивости технологической системы при обработке многорезцовыми головками на базе теории "координатной связи" и условий устойчивости Гаусса-Гурвица.

2. Расчетами установлено, что виброустойчивость, определенная на основе теории "координатной связи" не соответствует экспериментальным данным. Причиной этого является отсутствие учета приведенной массы системы и коэффициентов демпфирования.

3. Математическая модель, основанная на условиях устойчивости Гаусса-Гурвица, достаточно точно описывает условия возникновения вибраций при обработке заготовок многорезцовыми головками.

4. Установлено, что для повышения виброустойчивости технологической системы необходимо увеличивать ее жесткость, демпфирующие способности и уменьшать приведенную массу.

5. Показано, что виброустойчивость технологической системы при обработке многорезцовыми головками зависит от количества резцов, причем с увеличением их числа, виброустойчивость снижается.

6. Определено, что для повышения виброустойчивости необходимо выбирать такую схему срезания припуска, которая обеспечивала бы максимальную величину вектора суммарной силы резания.

1. Лазарев Г.С. Автоколебания при резании металлов. - М.: Высшая школа, 1971.-243с.

2. Лазарев Г.С. Устойчивость процессов резания металлов. М.: Высшая школа, 19~3. - 184с.

3. Кудинов В.А. Теория вибраций при резании (трении). В кн.: Передовая технология машиностроения. М.: АН СССР, 1955.

4. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1956.

5. ВейцВ.Л. Дондошевский В.К. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.-Л.: Машгиз, 1959.

6. Уразаев З.Ф., Фадеев А.М. Измерение жесткости металлорежущих станков по углу поворота шпинделя. "Станки и инструмент", №5, 1966.

7. Медведев Л.П. Жесткость упругой системы станок-изделие при точении в патроне. Труды Куйбышевского авиационнго института, вып.1Х. "Повышение производительности процессов резания". 1959.

8. Жесткость металлорежущих станков. Под ред. Скрагана В.А. М.-Л.: Машгиз, 1°52.

9. Подпорки:-: В.Г. Жесткость крепления валов в центрах станков. "Станки и инструмент" №12, 1950.

10. Ю.Кузнецов В.П. Точность и виброустойчивость при нарезании наружных резьб многорезцовыми головками. Дисс. канд. техн. наук. Тула: ТПИ, 1983.

11. Н.Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344с. сил.

12. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1955. 515с. сил.

13. Альбрехт П. Автоколебания при резании металлов. Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1962, №3. - с. 11-25.

14. Дас М. Автоколебания станков. Пер. с англ. Кушнир Э.Ф. Автоматические линии и металлорежущие станки. 1982, вып. 17. - с. 10-18.

15. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. - 179с.

16. Каминская В.В., Кушнир Э.Ф. Динамическая характеристика процесса резания при сливном стружкообразовании. Станки и инструмент. 1979, №5.-с.27-30.

17. Каминская В.В. Приближенный расчет несущих систем станков, находящихся под действием стационарных случайных возмущений. -Станки и инструмент. 1969, №6. - с. 11-14.

18. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. - 199с.

19. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 259с.

20. Кудинов В.А., Каминская В.В., Левин В.И. Динамические расчеты металлорежущих станков. Расчеты на прочность. Сб. статей. Под ред. Н.Д.Таробасова. - М.: Машиностроение, 1978., вып.25. - с.183-198.

21. Схема стружкообразования (динамическая модель силы резания). Станки и инструмент. - 1962, №10. С.11-17, №11. С.26-29.

22. Молочков A.B., Пацкевич В.А. Высокочастотные вибрации при точении. -Станки и инструмент. 1972, №7. - с.11-13.

23. Мурашкин Л.С., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. Л.: Машиностроение, 1975. - 280с.

24. Паршаков А.Н., Стефаненков П.Н., Свирщев В.И. Об одном из путей управления автоколебаниями при резании металлов. Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении. - Пермь, 1984. - с.36-42.

25. Попов В.И. К вопросу о статистической динамики процесса резания. -Резание и инструмент. Харьков: Высшая школа, 1973, вып.7. - 47с.

26. Пятков П.П. Повышение виброустойчивости станков-автоматов профильного точения. Обработка резанием (технология, оборудование, инструмент). - НИИМАШ, 1982, №12. - с.6-10.

27. Тлустый И., Исмаил Ф. Учет нелинейности при анализе вибраций станков. Пер. с англ. Цейтлин JI.H. Автоматические линии и металлорежущие станки. - 1982. Вып.18. - с.1-12.

28. Томпсон Р. Модуляции вибраций, возникающих при механической обработке материалов. Конструирование и технология машиностроения. -М.: Мир, 1969, №3. - с.141-148.

29. Эльясберг М.Е. О независимости границы устойчивости процесса резания от возмущений по следу. Станки и инструмент. - 1976, №11. - с.32-36.

30. Эльясберг М.Е. О расчете устойчивости процесса резания с учетом предельного цикла системы. Станки и инструмент. - 1975, №2. - с.20-27.

31. Дроздов H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке. -Станки и инструмент. М.: 1937, №22.

32. Каширин А.И. исследование вибраций при резании металлов. M.-JL: АН СССР, 1944.

33. Соколовский А.П. Вибрации при обработке на металлорежущих станках. -Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. -М.: Машгиз, 1958. с.3-23.

34. Каширин А.И. Вопросы устойчивости рабочего движения при обработке металлов резанием. Исследования колебаний металлорежущих станков при резании металлов. - М.: Машгиз, 1958. - с.24-29.

35. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов. -Станки и инструмент. 1962, №10. - с.3-8, №11 - с.3-7.

36. Кучма JI.K. Учет сил сопротивления в автоколебательной системе деталь-станок-инструмент. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. - М.: Машгиз, 1956. - с.220-227.

37. Ташлицкий Н.И. Первичный источник возбуждения автоколебаний при резании металлов. Вестник машиностроения. - 1960, №2. - с.45-50.

38. Doi S, Kato. Vibration of Lathe Tools. Transations of the ASME, vol.78, 1956, №5.

39. Эльясберг M.E. Расчет металлорежущих станков на устойчивость процесса резания. Станки и инструмент. - 1959, №3. С.3-7.

40. Мягков Ю.В. Разработка и исследование процесса нарезания внутренних резьб на закаленных деталях многорезцовыми головками. Дис. . канд. техн. наук, Тула: ТПИ, 1980. - 171с.

41. Дорохин Н.Б. Разработка и исследование многосуппортной токарно-копировальной обработки. Дис. . канд. техн. наук, Тула: ТПИ, 1976. -305с.

42. Решетов Д.Н., Левина З.М. Возбуждение и демпфирование колебаний в станках. В кн.: Исследование колебаний в металлорежущих станках при резании металлов. - М.: Машгиз, 1958. - с.30-44.

43. Кузнецов В.П., Чэнь Чжиган, Ямникова O.A. Исследование условий устойчивости при многосуппортной обточке валов. // Тул.гос.ун-т.-Тула, 1999.- 8с.:ил.-Библиогр.:Зназв.-Рус.-Деп.в ВИНИТИ26.02.99,№619-В99

44. Кузнецов В.П., Чэнь Чжиган, Ямникова O.A. Определение жесткости системы деталь-головка-суппорт при определении виброустойчивости систе-мы. // Тул.гос.ун-т.-Тула, 1999.- 8с.:ил.-Библиогр.:Зназв.-Рус.-Деп.в ВИНИТИ 26.02.99,№ 620-В99

45. Кузнецов В.П., Чэнь Чжиган, Ямникова O.A. Критерии устойчивости при многорезцовой обработке. // Тул.гос.ун-т.-Тула, 1999.- 8с.:ил.-Библиогр.: Зназв.-Рус.-Деп.в ВИНИТИ 26.02.99,№ 621-В99

46. Кузнецов В.П., Ямников А.С, Якунин К.Н., Чэнь Чжиган. Определе-ние сил, действующих на режущую часть метчика.//Технология машиностроения.-№ 0 (пилотный вып.).-1999,С. 13-16