автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности многоцелевых станков на основе идентификации динамических ограничений режимов фрезерования

На правах рукописи

Жмурин Владимир Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ РЕЖИМОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Тула 2013

005539002

005539002

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Тульский государственный университет".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сальников Владимир Сергеевич,

Официальные оппоненты: Протасьев Виктор Борисович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Инструментальные и метрологические системы», профессор;

Шадский Владимир Геннадьевич, кандидат технических наук, ОАО «Центральное конструкторское бюро алпа-ратостроения», начальник технологического отдела.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный

технический университет им. М.Т. Калашникова».

Защита состоится «/# 2013 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012 г. Тула, пр. Ленина, 92, 9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «/У» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Характерными признаками современного производства являются расширение номенклатуры и увеличение конкурентоспособности выпускаемой продукции, которое достигается, в частности, увеличением гибкости и улучшением эксплуатационных и технико-экономических характеристик металлорежущих станков. Широкие перспективы в этом направлении открывает внедрение многоцелевых станков (МЦС).

Увеличение сложности оборудования, как правило, влечет за собой снижение его жесткости, а в совокупности с тенденцией постоянного роста частот вращения шпинделей до 40 тыс. об/мин и более выдвигает на передний план и делает актуальной задачу обеспечения виброустойчивости реализуемых на них процессов. Вибрации в шпиндельных узлах приводят к сокращению ресурса подшипниковых опор, снижению точности, увеличению износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности. Многие станкостроительные фирмы рассматривают эту задачу как приоритетную при проектировании МЦС. Одним из доминирующих факторов возбуждения вибраций при таких скоростях является дисбаланс вращающихся элементов динамической системы станков. В станках фрезерно-расточной группы он усугубляется сложностью и многовариантностью инструментальной оснастки, погрешностями ее установки. Вероятность возникновения вибраций приводит к необходимости занижения режимов резания и, следовательно, приводит к снижению эффективности использования МЦС и современного режущего инструмента.

Исследования проявлений дисбаланса в динамических системах достаточно широко освещены в научно-технической литературе. Применительно к металлорежущему оборудованию они охватывали в большинстве случаев приводы шлифовальных станков. Для других групп станков они были долгое время неактуальны, так как частоты вращения шпинделей не превышали 2000...3000 об/мин.

Таким образом, актуальной является задача повышения производительности МЦС путем назначения максимально возможных режимов резания, исключающих возникновение вибраций, обусловленных дисбалансом. Для теоретического их обоснования необходимо разработать математическое описание динамической системы станка, учитывающее эволюцию ее параметров в процессе эксплуатации и позволяющее формализовать условия возникновения автоколебаний.

Представленная диссертационная работа выполнялась в рамках исследований по проекту РФФИ 07-08-97631 «Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов механической обработки металлов, использующих дополнительное дискретное электрическое воздействие, оптимизирующее процессы разрушения на наноуровне».

Объектом исследований являются механизмы возникновения и эволюции динамических ограничений, накладываемых технологической системой на процессы резания, и их проявление в выходных показателях обработки.

Предметом исследований являются динамические процессы в МЦС на операциях фрезерования заготовок, проявляющиеся в условиях дисбаланса в вибрациях шпиндельных узлов, накладывающих ограничения на выбор режимов резания.

Цель работы заключается в повышении эффективности фрезерования заготовок на МЦС на основе рационального выбора режимов резания, учитывающих изменяющиеся в процессе эксплуатации динамические ограничения системы "шпиндель-оправка-инструмент", идентифицируемые при мониторинге энергоемкости процесса обработки.

В связи с поставленной целью в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследования.

1. Провести анализ особенностей фрезерования заготовок на МЦС, приводящих к возникновению ограничений режимов резания, снижающих технологические показатели процесса обработки.

2. Установить взаимосвязь режимов обработки и параметров технологической системы, определяющую условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом и нарушающих стабильность технологических показателей процесса обработки.

3. Обосновать выбор процессов, отражающих внешние проявления динамических ограничений технологической системы и позволяющих формировать наиболее информативные сигналы для определения условий нарушения стабильности процесса фрезерования.

4. Исследовать влияние динамических характеристик технологической системы на стабильность процесса фрезерования и ограничения на режимы резания.

5. Разработать методику рационального выбора режимов резания при фрезеровании, учитывающую динамические ограничения, накладываемые системой "шпиндель-оправка-инструмент", и эволюцию ее параметров на основе результатов мониторинга энергоемкости операции.

Методы исследования. Теоретические исследования вопросов устойчивости сложных электромеханических систем проводились с использованием методов теории управления нелинейными системами, механики, трибологии, основных положений электротехники и технологии машиностроения. Вычислительные эксперименты осуществлялись с применением современных методов и средств математического и имитационного моделирования электромеханических систем на основе стандартных пакетов и программ. Экспериментальная проверка результатов работы проводилась на реальном технологическом оборудовании. Достоверность теоретических положений подтверждается их совпадением с результатами экспериментальных исследований и известными достижениями технологии машиностроения.

Наиболее существенные научные результаты, полученные соискателем.

1. Математическая модель динамической системы МЦС "шпиндель-оправка-инструмент", учитывающая нелинейности в реакциях опор и зависи-

мость силовых и энергетических характеристик от режимов резания, положенная в основу методики назначения рациональных режимов резания.

2. Результаты математического моделирования динамической системы МЦС, подтвердившие эволюционный характер ее АЧХ и условий возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом.

3. Результаты исследования диагностических признаков вибраций, вызванных дисбалансом динамической системы МЦС и позволяющих идентифицировать условия их возникновения на основании функциональных связей параметров системы, режимов обработки и энергоемкости фрезерования.

4. Методика назначения рациональных режимов резания на МЦС, учитывающая эволюцию параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" на основе результатов мониторинга энергоемкости фрезерования.

5.- Экспериментальное подтверждение теоретических положений и методики определения режимов резания.

Научная новизна. Установлены закономерные связи режимов обработки, параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" с энергопотреблением и ее АЧХ, эволюционирующей в процессе эксплуатации и определяющей условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом. Эти связи раскрываются на основе математического описания, учитывающего нелинейности в реакциях опор шпиндельного узла, зависимостях силовых и энергетических характеристик от режимов резания. Предложенное математическое описание положено в основу методики назначения рациональных режимов резания, базирующейся на мониторинге энергоемкости фрезерования.

Практическая значимость работы. В диссертации разработано методическое обеспечение интенсификации процесса фрезерования заготовок на МЦС при сохранении высокой стабильности технологических показателей и регламентированном значении износа инструмента.

Разработанная методика рационального выбора режимов резания при фрезеровании, учитывающая эволюцию параметров системы "шпиндел^-оправка-инструмент" на основе мониторинга энергоемкости операции, обеспечивает повышение производительности процесса и заданные технологические показатели обработки на протяжении всего периода эксплуатации оборудования благодаря идентификации условий возникновения вибраций, вызванных дисбалансом.

Практическая реализация. Сформированный подход и предложенная методика позволяют повысить производительность процесса фрезерования на МЦС при сохранении регламентированного значения износа инструмента. Они прошли апробацию и рекомендованы к внедрению в ОАО «Щегловский вал» (г. Тула). Результаты работы внедрены в учебный процесс по специальности 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» в дисциплине «Технологические процессы и производства».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских научно-технической конференциях «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула, 2010г.), «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2010г.). Все-

российской научно-исследовательской конференции молодых ученых в области энергосбережения «Эврика 2010» (г. Новочеркасск, 2010г.), Международной молодежной конференции научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (г. Таганрог, 2012г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 5 в изданиях, входящих в «Перечень утвержденных ВАК Российской Федерации изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 145 наименований, имеет общий объем 116 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков' 10 таблиц и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен анализ особенностей технологии обработки заготовок и методов назначения режимов резания на МЦС. Определены факторы, ограничивающие их технологические возможности, а также процессы, оказывающие наиболее существенное влияние на эффективность их применения.

Вопросам повышения эффективности использования МЦС посвящены работы O.A. Аверьянова, Ю.Д. Врагова, В.Н. Евстигнеева, В.Н. Орлова, В.А. Прокопенко, В.А. Шарина, В.К. Тепинкичиева и др. Отмечена тенденция их совершенствования в направлении дальнейшей концентрации операций многокоординатной, высокоскоростной и высокопроизводительной обработки. Она реализуется путем усложнения конструкции, повышения числа оборотов шпинделя до 25...40 тыс. об/мин, применения многовариантной инструментальной оснастки, отличающейся друг от друга жесткостью и точностью.

В основе большинства отечественных методик назначения режимов резания лежит предположение, что технологическая система абсолютно жесткая, ее энергетические и динамические характеристики не влияют на стабильность процесса резания.

Зарубежные методики ориентированы на максимальное использование возможностей инструмента, а станок рассматривается как идеальное средство их реализации и не влияет на процесс.

В результате возрастания скоростей и повышения требований к точности на первую позицию в МЦС выдвигается задача определения границ режимов, отвечающих условиям безвибрационного резания.

Индивидуальные особенности конкретных МЦС, многовариантность инструментальных систем, различных по точности, а также особенность процесса фрезерования усугубляют влияние дисбаланса, вводя неопределенность в условия возникновения вибраций и делая необходимым их оперативную идентификацию.

Анализ возможностей современных систем ЧПУ показал, что штатные средства их диагностического оснащения позволяют вести оперативный контроль автоколебаний, возникающих в процессе резания, в том числе и обусловленных дисбалансом.

Вопросы математического моделирования таких систем, учитывающих эволюцию их параметров в процессе эксплуатации и определяющих характер автоколебаний, обусловленных дисбалансом, остаются не решенными. Таким образом, актуальной является задача повышения эффективности использования МЦС на основе рационального выбора режимов резания, исключающих возможность возникновения вибраций, обусловленных дисбалансом.

На основании вышеизложенного определена цель диссертационной работы и сформулированы задачи научных исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели динамической системы "шпиндель-оправка-инструмент", эволюционирующей в процессе эксплуатации, учитывающей нелинейности в реакциях опор шпиндельного узла, зависимости силовых и энергетических характеристик от режимов резания и определяющей условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом; в главе проведен анализ возможных компоновок инструментальных систем, применяемых для МЦС фрезерно-расточной группы, на основании которого произведена оценка их влияния на дисбаланс динамической системы.

В качестве динамической системы, определяющей условия протекания процесса резания в МЦС фрезерно-расточной группы, в данной работе принята система, состоящая в общем случае из следующих звеньев: шпинделя, оправки или цангового патрона с цангой и инструмента. В эту систему могут входить также уплотняющие кольца, тянущие штанги (штревеля) и др. Все звенья имеют отклонения от номинальных размеров в пределах заданного поля допуска и погрешности взаимного положения в составе системы. Эти ошибки увеличивают и делают дисбаланс системы величиной неопределенной.

В соответствии с известной классификацией роторов рассматриваемая динамическая система МЦС относится к классу жестких роторов консольного типа, одна опора которого представляет собой жесткий шарнир, вторая имеет систему задания осевого предварительного натяга.

Центр масс системы "шпиндель-оправка-инструмент" смещен относительно геометрической оси на величину эксцентриситета е„ (мкм). Положение шейки шпинделя в подшипнике показано на рисунке 1.

В качестве нелинейной восстанавливающей силы принята известная зависимость, определяемая законом Герца.

Внешняя сила через известное выражение Розенберга А. М. и Боброва В.Ф. для мгновенной силы резания модифицирована для временной области.

Рисунок 1 - Положение шейки шпинделя в подшипнике: О -геометрический центр опор; 01 - положение геометрической оси шпинделя; О -положение центра масс динамической системы с приложенной к ней составляющей силы резания Р и силой инерции Р1 = М„ ■ ед аг, е- фазовый сдвиг восстанавливающей силы На основании закона сохранения энергии и уравнений Лагранжа получены дифференциальные уравнения движения динамической системы. Например, по координате у уравнение имеет вид

y + Dy + a>l(k + у)

2S -1

н q„ cos (ax — s) +

(I)

+ arC. (S, - yf' {1 +sigri[sm(ax + Vr + 2n(' 1})]} sin"' (ox + <py + 2/Г° 1}) = Я®2 cos ax;

,„, 2 m m

nl2 12 /2 I2 K'

H = M0e0~; P(y) = -P{yY, F{y) = -Py, Ma = |>, _

где D, H - приведенные значения коэффициента вязкого трения и дисбаланса; п -коэффициент вязкого трения; В - экваториальный момент инерции системы; I - расстояние между опорами шпинделя; М0, т,. К, —масса всей системы, масса í'-ro элемента, число элементов в системе соответственно; у - отклонение геометрической оси шпинделя от состояния покоя; Р(у)~ проекция восстанавливающей силы опоры на ось у; Ру - составляющая силы резания в направлении подачи по оси у; т- частота вращения шпинделя; Р„ = F„ctgf¡ -нормальная нагрузка на подшипник; F0 -усилие осевого натяга; р -угол контакта шариков с наружным кольцом подшипника; гж - радиус желоба; с1ш -диаметр шарика; S -радиальный зазор в подшипнике; к -константа, характеризующая геометрические параметры и тип подшипника; со -осевая жесткость, S -осевой зазор в подшипнике; ау- коэффициент, определяющий соотношение между радиапь-

ной и тангенциальной составляющими силы резания; подача на зуб; / - глубина фрезерования; т - число зубьев фрезы; <г>„ - фазовый сдвиг составляющей силы резания относительно направления подачи; Ср, кр, //-константы, зависящие от физико-механических характеристик обрабатываемого материала;

<¿>1 = ~г - собственная частота колебаний системы; ап = Ю— -относительное

2 В 40 в

усилие предварительного осевого натяга.

Учитывая, что линейная часть рассматриваемой системы выполняет роль низкочастотного фильтра, можно предположить, что в периодическом решении преобладает первая гармоника колебаний у = Лвт(м).

Используя метод гармонической линеаризации и исключая из системы фазовый сдвиг е, получено уравнение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) динамической системы МЦС

-Л^Л^-^С^.дГ-П* =0, (2)

со А

где аа=~, Ь=—, К =РоК'5са), Ц' = , А = я/26- безразмерные величины

соответственно частоты, амплитуды, натяга, коэффициента демпфирования и дисбаланса; в и х " геометрические константы, определяемые конструктивными параметрами подшипника; А?,, Аг,- константы, определяемые режимами резания и полученные на основании разложения в ряд Тейлора соответствующих нелинейных функций.

АЧХ динамической системы с параметрами: масса 15 кг, длина 0,85 м, класс точности балансировки 00.4, эксцентриситет 2 мкм, <9 = 8,2; * = 4,5-приведены на рисунке 2.

АЧХ показывают, что динамическая система МЦС склонна к возникновению автоколебаний даже при отсутствии дисбаланса (линия 1). О наличии скачкообразного увеличения амплитуды колебаний говорят точки бифуркации, отмеченные на рисунке 2 вертикальными линиями. В процессе эксплуатации станка и износа подшипников предварительный натяг уменьшается, а резонанс сдвигается в низкочастотную область. Аналогичное влияние оказывает и дисбаланс: при его увеличении, вызванном, например, погрешностями в выборе типа оснастки или в ее установке, начало подъема АЧХ (линия 4 на рисунке 2,а) и точки бифуркации смещаются в область низких частот, что повышает вероятность возникновения вибраций с критической амплитудой.

Динамика шпинделя существенно изменяется в зависимости от режимов фрезерования. Ужесточение режимов фрезерования сдвигает резонанс в область низких частот, причем выход в резонанс характеризуется не скачкообразным, как на рисунке 2,а, а плавным увеличением амплитуды (рисунок 2,6). Скачек происходит в точках бифуркации при выбеге шпинделя. Всякому сочетанию параметров 33,ср,В и обрабатываемому материалу соответствует своя

резонансная частота, которая выступает в виде ограничения на скорость резания.

8 п.

--о.

Рисунок 2- АЧХ динамической системы при У0 = 75,0, В а-5 =0,05 мм! зуб, 1р = 0,3 лш; 6-5 =0,1 лш/зуб, ^ =2,5 ш,; относительный дисбаланс: 1-А = 0; 2 -А = 0,05; 3-А = 0,1; 4-А = 0,3

Вибрации, возникающие в динамической системе "шпиндель-оправка-инструмент", находят отражение не только в шероховатости обрабатываемой поверхности, но и влияют на ресурс подшипников опор.

Таким образом, при назначении режимов резания необходимо учитывать ограничения по резонансной частоте вращения шпинделя и величине динами-ческои нагрузки на подшипники опор

а<<»/> + (3)

где Ар, шр- амплитуда и частота, соответствующие резонансу или точке бифуркации; /гш1х-максимальное значение мгновенной силы резания; - допустимое значение эквивалентной динамической нагрузки в подшипниках опор шпинделя, которое определяется базовой динамической грузоподъемностью и долговечностью подшипника.

В зависимости от компоновки и элементов инструментальной системы приведенная величина дисбаланса может увеличиваться на 15.. 80 % Это является причиной изменения состояния системы. В зависимости от режимов обработки она выражается в возрастании амплитуды вибраций, а в определенных условиях и в переходе через точки бифуркации. Например, на холостом ходу при частоте « = 8500 мин-' изменение дисбаланса на 50 % приводит к увеличению амплитуды вибраций практически на порядок.

Для оперативной оценки состояния динамической системы предложено использовать в качестве диагностического признака нагрузку на привод главного движения, которая входит в комплекс штатных средств диагностики современных систем ЧПУ.

Для асинхронного двигателя с учетом закона управления получена зависимость тока нагрузки от параметров системы

2 Р-К

(4)

где Рг окружная сила резания; Mrj- момент сопротивления на холостом ходу; и-частота вращения шпинделя; s„, р, R'2- номинальное значение скольжения, число пар полюсов и приведенное значение активного сопротивления ротора АД; Кр - добротность контура управления приводом главного движения.

Коэффициент чувствительности тока к амплитуде вибраций в исследуемом диапазоне режимов резания изменяется от 1,5... 12. При использовании этого сигнала для оперативной диагностики проявлений дисбаланса необходимо его идентифицировать в конкретных условиях.

Предложенное математическое описание процессов, протекающих в динамической системе МЦС, позволяет установить закономерные связи режимов обработки, параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" с ее АЧХ и энергопотреблением, определяющие условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом, то есть верхние границы безвибрационного резания.

В третьей главе обоснован выбор прототипа МЦС и технологических условий для проведения математического моделирования; формализованы ограничения, накладываемые на режимы резания; разработана методика выбора режимов резания, исключающих возможность возникновения автоколебаний, обусловленных дисбалансом.

Для конкретизации результатов математического моделирования предложено в качестве прототипа использовать вертикально-фрезерный станок VMS 600. Он является типовым представителем МЦС среднего типоразмера.

На основании конкретных данных построена область допустимых значений режимов резания (рисунок 3).

Из рисунка 3 видно, что рекомендованный для выбранного инструмента диапазон режимов резания не может быть в полной мере реализован на данном типе оборудования при использовании максимальной глубины фрезерования. Динамические ограничения для системы с собственной частотой /„ = 150. .200 с"1 выражаются в возникновении резонанса на чистовых режимах уже при 8... 12 тыс. об/мин.

Для определения значения диагностического признака в идеальных условиях фрезерования предложено использовать имитационное моделирование, например с помощью программного пакета FeatureCAM. На основании его сравнения со значением, получаемым в результате оперативного мониторинга, осуществляются корректировка параметров динамической модели и расчет новых режимов резания.

На основании проведенных исследований разработана методика рационального выбора режимов резания, исключающая возможность возникновения вибраций, обусловленных дисбалансом динамической системы. Ее алгоритм приведен на рисунке 4.

AEKLD - допустимые; ОРЛ,^,-рекомендованные

Предложенная методика позволяет максимизировать производительность в условиях действия динамических ограничений, снизить риск возникновения вибраций, обусловленных дисбалансом системы, при регламентированном значении стойкости инструмента.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность выдвинутых теоретических предположений и результатов математического моделирования.

Для экспериментальных исследований в соответствии с подходом, сформированным в главе 3, были выбраны вертикально-фрезерный МЦС VMS 600; концевая двузубая фреза со сменными пластинами R2I7.29-I632-RE-08.2A диаметром 25 и 32 мм.

Для подтверждения теоретических положений произведена экспериментальная обработка тестовых образов из алюминиевого сплава АМг.бБ. В процессе обработки фиксировалась нагрузка на привод главного движения. Ее изменение подтвердило возникновение автоколебаний, обусловленных дисбалансом системы "шпиндель-оправка—инструмент". Для фрезы диаметром 32 мм они наблюдались в интервале скоростей резания 602...610 м/мин. Это зафиксировала система ЧПУ, рост нагрузки на привод главного движения составил 17...22 %, что соответствует переходу системы через точку бифуркации.

Подтверждением возникших автоколебаний явилось изменение формы стружки. В интервале скоростей от 402 до 600 м/мин стружка имела вид спирали с количеством витков 2 ...3 (рисунке 5,а). На скорости, соответствующей переходу через точку бифуркации, она имела вид плоских завитков диаметром 5,07 мм (рисунок 5,6). При дальнейшем увеличении скорости резания стружка снова приобретала спиральную форму (рисунок 5,в).

Начало

'Исходные данные рекомендуемые режимы резания

прототипа

Выбор критерия оптимальности

Оптимальные

Расчет динамических характеристик системы

юр+А>ш>а1р—А

Формирование варианта« инсгрумгнталькых систем

Выбор новой жетрументальной о

Изменение ширин i фрезерования

Мониторинг иергоеыкости обработки )

[Запись результатов в базу |

^ Конец ^

Рисунок 4 - Алгоритм определения режимов резания, учитывающий ограничения, накладываемые динамической системой станка

Полученные результаты подтвердили выдвинутые теоретические положения о возникновении автоколебаний, обусловленных дисбалансом.

Сравнительная оценка трех методик назначения режимов резания на операции обработки типовой детали «Основание», разработанной, существующей на предприятии ОАО «Щегловский вал» и рекомендованной инструментальной фирмой «Seco», показала следующее. Разработанная методика позволяет увеличить производительность по сравнению с существующей на 25...30 %при качестве получаемой поверхности, соответствующем требованиям конструкторской документации, и сохранении регламентированных значений стойкости инструмента (200 мин ±15 %).

Изменение глубины _фрезерования

I Оптимизация режимов резании_

■О ООО с О ОО О о ООО-

Рисунок 5 - Изменение формы стружки в зависимости от скорости резания: а-К = 590 м/мин ; б—К = 602 м/мин;в- К = 702 м/мин

При использовании третьей методики качество поверхности не соответствовало предъявляемым требованиям даже при стойкости инструмента в 2 раза ниже регламентированного значения, что приводило к экономическим потерям: себестоимость операции увеличивалась на 10... 12 % по сравнению с существующей методикой и на 20 % по сравнению с разработанной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной диссертационной работе решена важная научная задача- повышение производительности МЦС путем назначения максимально возможных режимов резания, исключающих возникновение вибраций, обусловленных дисбалансом, на основе их оперативной идентификации с помощью мониторинга энергопотребления.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем. :

1. В результате проведенного анализа установлено, что широкому внедрению многокоординатной, высокоскоростной и высокопроизводительной обработки на МЦС препятствуют ограничения, накладываемые динамической системой станка на режимы резания. Они выражаются в возникновении вибраций обусловленных дисбалансом, которые не нашли достаточного отражения в современных моделях динамических систем станков.

2. На основании разработанной математической модели установлены функциональные связи режимов резания, параметров системы "шпинделе оправка-инструмент" с энергопотреблением и ее АЧХ. Показано что АЧХ

эволюционирует в процессе эксплуатации в результате изменения оснастки, погрешностей ее установки и износа элементов системы, приводя к неопределенности условий возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом. Установлено, что система на черновых режимах в резонанс втягивается плавно, а на чистовых - скачкообразно, переходя через точки бифуркации. Сформулированы ограничения по резонансной частоте вращения шпинделя и величине динамической нагрузки на подшипники опор.

3. Показано, что в качестве диагностического признака вибраций, вызванных дисбалансом, целесообразно использовать ток, потребляемый приводом главного движения, входящий в состав стандартных средств диагностирования современных систем ЧПУ. Коэффициент его чувствительности к амплитуде вибраций лежит в интервале 1.5...12 и требует идентификации в конкретных условиях производства.

4. В результате анализа динамических ограничений, накладываемых системой "шпиндельг-оправка-инструмент" на режимы резания, установлено, что при некорректном выборе оснастки дисбаланс системы может увеличиваться на 15...80 %, что является причиной существенного увеличения амплитуды вибраций, в частности, при переходе через точки бифуркации более чем на порядок, снижение эффективности использования современного инструмента. В станках среднего типоразмера нормальной точности с частотами вращения шпинделя до 15 тыс. об/мин и мощностью до 13 кВт область рекомендованных фирмой «Seco» режимов резания может ограничиваться сверху более чем 35...40 %.

5. На основании математического моделирования динамической системы МЦС предложена методика рационального выбора режимов резания, обеспечивающая повышение производительности фрезерования за счет идентификации условий возникновения вибраций, вызванных дисбалансом.

6. В результате экспериментальных исследований фрезерования заготовок на МЦС подтверждены теоретические положения о возникновении вибраций, обусловленных дисбалансом, о влиянии на них режимов резания, параметров станка и инструментальной оснастки. В частности, показано, что для станка VMS 600 с собственной частотой динамической системы 200 Гц резонанс наступает при 8... 12 тыс. об/мин в зависимости от режимов резания и проявляется в резком увеличении тока, потребляемого приводом главного движения, на 17...22 % и возникновении стружкодробления.

7. Опытно-промышленная апробация разработанных средств - методики выбора режимов резания и способа контроля вибраций по энергопотреблению -показала, что их применение позволяет по сравнению с существующей технологией увеличить производительность МЦС при фрезеровании заготовок из алюминиевого сплава на 25...30 % при обеспечении заданных требований к качеству поверхности и сохранении регламентированных значений стойкости инструмента (200 ми.н+15 %).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Жмурин В.В., Сальников B.C. Возможности подготовки управляющих программ в системе FeatureCAM //Известия ТулГУ. Сер. Технические „ауки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. Вып. №4. С. 239 - 243.

2 Жмурин В.В., Сальников B.C. Энергетический критерий оценки эффективности режимов резания //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2010. №2/2 С. 114 - 120.

3 Жмурин В.В., Сальников B.C. Экспериментальное определение зависимости мощности резания от параметров обработки // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во Опел-ГТУ, 2011. №2/3. С. 84-89.

4 Жмурин В.В., Сальников B.C. Критерии оценки эффективности процесса Вып''№З С3309™31ЛСер' Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.

5 Жмурин В.В., Сальников B.C. Влияние качества балансировки на процесс резания //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2012. №3-2. С. 36 - 42.

т rv6JMy«HH В'В" Сальников вс- Шпиндельные узлы станков с ЧПУ //Вестник ГУ 2008с" д™™3™зття: "Р°бпемы> ВДеи, решения (АПИР-13). Тула: Изд-во Тул-

7 Жмурин В.В., Сальников B.C. Моделирование энергетических затрат при вы-neme'Z^nuP i ТулГУ" ^ Автоматизация: проблемы, идеи,

решения (АПИР-14). Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 72 - 77.

8 Жмурин В.В., Сальников B.C. Один из аспектов оптимизации режимов резания при тонком фрезеровании // Вестник ТулГУ. Сер. Автоматизация: проблемы

идеи, решения (АПИР-16). Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С 55-61

~ J *МУРИ" В;^,^ьников B.C. Снижение затрат энергии при высокоскоростной обработки на МЦС //Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 145 - 151.

10 Жмурин В.В., Сальников B.C. Моделирование энергетических затрат при обработке на многоцелевых станках // Материмы Всероссийской научно-техническом конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации». Тула: Изд-во ТулГУ 2010 С 72-74

11 Жмурин В В., Сальников B.C. Энергетическая составляющая высокоскоростного резания //Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «Эврика 2010». Новочеркасск: Изд-во «Лик», 2010. С. 136 - 140.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 11.11.2013 Формат бумаги 60x84 1/и. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд.л.0,8 Тираж 100 экз. Заказ 071 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Лешша, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Лешша 95

ФГБОУ ВПО "ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

па эпи, сэалд

ить.у I иы 1 I

На правах рукописи

ЖМУРИН ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ

РЕЖИМОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Сальников В.С.

Тула 2013

Оглавление

Введение........................................................................................................................................4

1 Анализ условий фрезерования заготовок

на многоцелевых станках..................................................................................................8

1.1 Особенности обработки заготовок на МЦС 8

1.2 Анализ методик назначения режимов

резания на операциях фрезерования......................................................................................14

1.3 Анализ ограничений, накладываемых

на режимы резания........................................................................................................................18

1.4 Анализ методов оптимизации режимов резания 21 1.5. Анализ динамических процессов

возникающих в многоцелевых станках 24

1.6 Анализ диагностических возможностей

системы ЧПУ многоцелевого станка....................................................................................28

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования............................................................30

2 Математическая модель динамической

системы шпиндельного узла............................................................................................32

2.1. Математическая модель динамической системы ..................................................32

2.2. Амплитудно-частотные характеристики

динамической системы многоцелевого станка ..............................................................39

2.3. Мониторинг динамических процессов

в многоцелевом станке...............................................................................................................43

2.4 Влияние средств технологического оснащения

на динамические характеристики многоцелевого станка...........................................45

3. Исследования ограничений, накладываемых на выбор режимов резания...............................................

3.1 Обоснование условий моделирования 53

3.2 Построение области ограничений режимов резания 57 3.3. Имитационное моделирование режимов

энергопотребления70

3.4 Методика назначения режимов резания. 73

4. Экспериментальные исследования ограничений

на режимы фрезерования....................................................................................................78

4.1 Методика проведения экспериментальных

исследований 78

4.2 Экспериментальные исследования проявления

динамических ограничений на операциях фрезерования 82

4.3 Апробация результатов работы

в производственных условиях 93

Основные выводы....................................................................................................................98

Список литературы.................................................................................................................100

Приложение 1..............................................................................................................................113

Приложение 2 115

Приложение 3 116

Введение

Характерными признаками современного производства являются улучшение эксплуатационных и технико-экономических характеристик металлорежущих станков, расширение номенклатуры выпускаемой продукции. Перспективным направлением решения этой проблемы является широкое внедрение многоцелевых станков (МЦС).

В настоящее время доля МЦС в производстве достигает 60 % всего станочного парка предприятий. Причем большую часть составляют станки фрезерно-расточной группы. По оценкам различных экспертов доля деталей, изготавливаемых на МЦС, составляет 75-80 % от всей номенклатуры деталей, изготавливаемых в серийном производстве [1,80,106-108,110].

Современная концепция совершенствования многоцелевых станков связана с расширением их технологических возможностей и повышением производительности, которое достигается путем применения технологии многокоординатной, высокоскоростной и высокопроизводительной обработки [85,106-108].

Увеличение сложности оборудования, как правило, влечет за собой снижение его жесткости, а в совокупности с тенденцией постоянного роста частот вращения шпинделей до 40 тыс. об/мин и более выдвигает на передний план и делает актуальной задачу обеспечения виброустойчивости реализуемых на них процессов. Вибрации шпиндельных узлов приводят к снижению точности, увеличению износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности. Многие станкостроительные фирмы рассматривают эту задачу как приоритетную при проектировании МЦС. Одним из доминирующих факторов возникновения вибраций при таких скоростях является дисбаланс вращающихся элементов динамической системы станков. В станках фрезерно-расточной группы он усугубляется сложностью и многовариантностью инструментальной оснастки, погрешностями ее установки [106-109,116,131,129].

В производственных условиях задача уменьшения вибраций решается опытным путем за счет снижения интенсивности резания, уменьшения вылета ин-

струмента, что неизбежно приводит к ограничению технологических возможностей и уменьшению производительности и, как следствие, к снижению эффективности использования МЦС [129].

Исследования проявлений дисбаланса в динамических системах достаточно широко освещены в научно-технической литературе. Применительно к металлорежущему оборудованию такие процессы нашли свое проявление в большинстве случаев в приводах шлифовальных станков. Для других групп станков они были долгое время неактуальны, так как частоты вращения шпинделей не превышали 2000-3000 об/мин [29,30,116,117].

Таким образом, одно из перспективных направлений повышения эффективности использования МЦС связано с рациональным выбором режимов резания, исключающих возможность возникновения вибраций, обусловленных, в частности, дисбалансом. Для теоретического обоснования такого выбора необходимо разработать математическое описание динамической системы: "шпиндельный узел-оправка-инструмент", учитывающее эволюционирующий в процессе эксплуатации характер автоколебаний.

Представленная диссертационная работа выполнялась в рамках исследований по проекту РФФИ 07-08-97631 «Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов механической обработки металлов, использующих дополнительное дискретное электрическое воздействие, оптимизирующее процессы разрушения на наноуровне».

Объектом исследований являются механизмы возникновения и эволюции динамических ограничений, накладываемых технологической системой на процессы резания, и их проявление в выходных показателях обработки.

Предметом исследований являются динамические процессы в МЦС на операциях фрезерования заготовок, проявляющиеся в условиях дисбаланса в вибрациях шпиндельных узлов, накладывающих ограничения на выбор режимов резания.

Методы исследования. Теоретические исследования вопросов устойчивости сложных электромеханических систем проводились с использованием мето-

дов теории управления нелинейными системами, механики, трибологии, основных положений электротехники и технологии машиностроения. Вычислительные эксперименты осуществлялись с применением современных методов и средств математического и имитационного моделирования электромеханических систем на основе стандартных пакетов и программ. Экспериментальная проверка результатов работы проводилась на реальном технологическом оборудовании. Достоверность теоретических положений подтверждается их совпадением с результатами экспериментальных исследований и известными достижениями технологии машиностроения.

Научная новизна. Установлены закономерные связи режимов обработки, параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" с энергопотреблением и ее АЧХ, эволюционирующей в процессе эксплуатации и определяющей условия возникновения составляющих автоколебаний, вызванных дисбалансом. Эти связи раскрываются на основе математического описания, учитывающего нелинейности в реакциях опор шпиндельного узла, зависимостях силовых и энергетических характеристик от режимов резания. Предложенное математическое описание положено в основу методики назначения рациональных режимов резания, базирующейся на мониторинге энергоемкости фрезерования.

Реализация работы. В диссертации разработано методическое обеспечение интенсификации процесса фрезерования заготовок на МЦС при сохранении высокой стабильности технологических показателей и регламентированном значении износа инструмента.

Разработанная методика рационального выбора режимов резания при фрезеровании, учитывающая эволюцию параметров системы "шпиндель-оправка-инструмент" на основе мониторинга энергоемкости операции, обеспечивает повышение производительности процесса и заданные технологические показатели обработки на протяжении всего периода эксплуатации оборудования благодаря идентификации условий возникновения вибраций, вызванных дисбалансом.

Сформированный подход и предложенная методика позволяют повысить производительность процесса фрезерования на МЦС при сохранении регламента-

рованного значения износа инструмента. Они прошли апробацию и рекомендованы к внедрению в ОАО «Щегловский вал» (г. Тула). Результаты работы внедрены в учебный процесс по специальности 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» в дисциплине «Технологические процессы и производства».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских научно-технической конференциях «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула 2010г.), «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула 2010 г.). Всероссийской научно-исследовательской конференции молодых ученых в области энергосбережения «Эврика 2010» (г. Новочеркасск 2010г.), Международной молодёжной конференции научно-исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (г. Таганрог 2012г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 5 в изданиях, входящих в «Перечень утвержденных ВАК Российской Федерации изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 145 наименований, имеет общий объем 116 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков, 10 таблиц и 3 приложения.

1 Анализ условий фрезерования заготовок на многоцелевых станках

1.1 Особенности обработки заготовок на МЦС

Многоцелевые станки являются одной из наиболее динамично развивающихся концепций металлообработки. Это отражается на годовом выпуске станков. Так, по различным оценкам до 65 % от общего парка МЦС составляют станки фрезерно-расточной группы и 35 % токарной [26,106-108,142] рисунок 1.1.

Фрезерно-расточные МЦС

Рисунок 1.1- Состав станочного парка МЦС Характерной чертой многоцелевых станков является высокая концентрация операций на одном рабочем месте, что влечет за собой многовариантность инструментальных систем, которые существенно отличаются по массе, размеру, и как следствие, имеют различную жесткость и точность.

В настоящее время для закрепления инструмента используются инструментальные системы, в состав которых могут входить цанговые патроны различных типов, цанги, удлинители и т.д. Каждый из элементов обладает своей точностью и жесткостью. Кроме стандартных патронов ОЪ и ЕЯ типов выпускаются гидравлические и силовые патроны с термозажимом, ориентированные на высокоскоростную и высокопроизводительную технологии обработки. Таким образом, применение сложных инструментальных систем расширяет технологические возможности станка, но приводит к необходимости учета жесткости конкретной инструментальной системы [118-119,129-135].

Использование большого количества инструмента требует реализации широкого интервала режимов резания. Это отражается на конструкции шпинделя и инструментального магазина. В шпинделе применяется «мягкий» натяг подшипников передней опоры. Наиболее широкое распространение получили дисковые и цепные конструкции инструментальных магазинов вследствие их большой емкости и возможности компактного размещения в станке [20,24,26,34,36]. В настоящее время на МЦС устанавливаются дисковые магазины на 20-24 инструмента и цепные - на 80 и более [120].

Обработка деталей на многоцелевом станке с одного установа обладает рядом преимуществ: сокращение производственного цикла благодаря уменьшению количества станков и оснастки путем выполнения всех операций на одном станке, стабильное качество и точность обработки за счет минимизации переустановок. Однако количество режущего инструмента возрастает[106-108]. Это требует от МЦС высокой энерговооруженности. Суммарная мощность приводов современных МЦС, ориентированных на скоростную обработку, составляет от 10 до 60 кВт, а для высокопроизводительной обработки деталей - от 90 до 120кВт [120].

Высокая производительность рассматриваемого оборудования достигается режимами резания. Они назначаются на основе двух технологий: высокоскоростного резания и высокопроизводительной обработки. Возможность реализации той или иной технологии отражается в конструктивных особенностях технологического оборудования. Для осуществления технологии высокоскоростного резания многоцелевые станки оснащаются высокооборотным шпинделем. Частоты вращения шпинделей станков фрезерно-расточной группы в настоящее время находятся в диапазоне 15000-25000 об/мин с устойчивой тенденцией роста до 40000-60000 об/мин. В настоящее время станочный парк большинства предприятий представлен МЦС с частотами вращения 12000-25000 об/мин [106,107,108,129]. На рисунке 1.2 представлена диаграмма роста числа оборотов, а на рисунке. 1.3 представлено количество выпущенных станков с различной частотой вращения шпинделей за 2011-2012 г. [26,106-108,120].

о н о с.

о о о о

60000

50000 Y

40000 Y

30000 Y

20000 Y

10000 Y

0 s

1997 2001 2005 2008 2011 2013 Год

Рисунок 1.2-Тенденции роста числа оборотов

\> У®

Число оборотов шпинделя, об/мин

Рисунок 1.3-Тенденции развития станочного парка МЦС В настоящее время наблюдается специализация станков для обработки различных материалов. Для обработки вязких высокопрочных материалов используются шпиндельные узлы с высоким крутящим моментом с пониженными частотами вращения, а для мягких — высокоскоростные [85,86]. Совершенно очевидно, что эти станки отличаются жесткостью. Для осуществления технологии высокопроизводительного резания многоцелевые станки оснащены мощными приводами главного движения. Они имеют высокую жесткость и виброустойчивость, которая обеспечивается литыми базовыми деталями, в первую очередь, станиной, а также стойками [45,108-110,120,129]. Характерной особенностью станков данного типа является наличие в приводе главного движения двухступенчатой ко-

робки скоростей. Первая ступень ориентирована на обеспечение частоты вращения шпинделя 8-765 об/мин, которая используется только при силовом фрезеровании. Для остальных видов обработки используется вторая ступень [120]. Таким образом, реализуемая технология отражается на конструкции станков.

В условиях единичного и мелкосерийного производства при частой смене номенклатуры выпускаемых деталей возникают ситуации, когда на одном станке даже в течение одной смены могут обрабатывать сталь, а в течение другой - алюминий [85,86]. Это приводит к созданию группы МЦС средней жесткости, которые занимают промежуточное положение между станками для высокоскоростной и высокопроизводительной обработки. Как правило, они обладают относительно невысокой мощностью от 10 до 30 кВт с числом оборотов шпинделя от 12000 до 25000 об/мин [120, 122,136]. Традиционно в приводах главного движения используются электродвигатели с векторным управлением. Они обеспечивают достаточный крутящий момент при низких скоростях вращения, но имеют ограниченную мощность при высоких скоростях. Поэтому приводы главного движения современных МЦС оснащаются двигателями с двумя группами обмоток, одна из которых предназначена для более низких скоростей шпинделя, а другая - для более высоких [85,86], что расширяет область применения оборудования. Для расширения реализуемых режимов резания и, как следствие, возможностей станка в приводе главного движения устанавливается асинхронный двигатель, который обеспечивает два режима работы: продолжительный и кратковременный. Кратковременный режим расширяет область режимов резания. Он позволяет реализовать финишные операции обработки. Очевидно, что режимы работы двигателя должны учитываться в методике выбора режимов обработки.

Шпиндельный узел современного многоцелевого станка выполняется в виде отдельной сборочной единицы, которая предусматривает возможность её замены. Он представляет сложную конструкцию, состоящую из шкивов, зубчатых колес,