автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности процессов многопереходной обработки отверстий концевыми мерными инструментами и их технологической подготовки на основе математического моделирования

1 8

Министерство науки, высией шкалы и технической политики Российской Федерации

Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи

Козлов Александр Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ШЮГОЛЕРЕХОДНОй ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЯ КОНЦЕВЫМИ МЕРШИ ШСТРУМЕКГАШ И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ подготовки на ОСНОВЕ ГШЖШЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ .

Специальность 05.02.08 - "Технология -машиностроения"

АВТО РЕ Ф В РА Т диссертации на соискание ученой степени 'кандидата технических наук

Челябинск - 1993

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения, станки и инструмент" Златоустовского филиала Челябинского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Лакирев С.Г.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Пономарев В.П.,

кандидат технических наук, дошнт Мясников Ю.И.

Ведущее предприятие - ПО Машиностроительный завод

■ "Булат", г.Златоуст.

Защита состоится " 26 " янваРя 1993 г в 11-00 часов, на заседании специализированного совета Ж 053.13.05 в Челябинском государственном техническом университете по адресу: 454080, г.Челябинск, цр.им.В.И.Ленина, 76.

Просим Вас принять участие в заседании специализированного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по указанному адресу.

С диссертацией моего ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Автореферат разослан "2-) " декабря 1992 г.

Ученый секретарь . специализированного совета —/■ доктор экономических наук'. ' —• и.А.Баев

профессор "'

Общая характеристика работы

Актуальность работа. Для получения точных отверстий широко используются процессы многопереходной обработки концевыми мерными инструментами (КМИ), к числу которых относятся спиральные сверла, многолезвийные зенкеры и развертки, сверла и другие мерные инструменты одностороннего резания, расточные блоки, абразивные и деформирующие инструменты. При многодареходной обработке точных отверстий, как правило, необходимо обеспечивать одновременно несколько параметров точности, для чего необходимо тлеть четкое представление о закономерностях возникновения тех или иных погрешностей на каждом технологическом переходе и закономерностей технологического наследования погрешностей от перехода к переходу при многопереходной обработке концевыми мерными инструментами различных типов. Учет таких закономерностей при технологической подготовке производства (Т11П) точных отверстий позволит исключить операционный брак, уменьшить длину технологических маршрутов и повысить надежность технологических процессов. Многообразие ■применяемых КМИ, отсутствие четких рекомендаций . по применению каждого из них, приводит к тому, что несмотря на то, что технологические маршрута обработки точных отверстий в два-три раза "длиннее" соответствующих маршрутов обработки наружных поверхностей, точность обработки обеспечивается лишь с большими затратили труда и времени. Отсутствие ■ четкой методики точностной оценки спроектированных процессов обработки приводит к тому, что их > натурная отладка занимает значительную часть времени , отведенного на ТГЙТ, а успех ее чаще всего определяется личным опытом и квалификацией занймаювдахся ей технологов. Поэтому разработка научно обоснованной методики точностной диагностики и отладки процессов обработки отверстий, которая позволит существенно повысить э<Мективность процессов последовательной обработки отверстий КМИ. является актуальной задачей.

•Данная работа выполнена в соответствий с научным направлением ЧГТУ -"Совершенствование оборудования и технологии в машиностроении" (направление 2).

Цель работы. Совершенствование Т1Ш а ловьшение эффективности процессов многопереходной обработки отверстий КМИ за счет существенного увеличения надежности прогнозирования, диагностики причин образования погрешностей и отладки на основе адекьаткого

з

математического моделирования таких процессов.

Научная новизна работы. Разработала система математических моделей, представляющая собой ансамбль уравнений с отклоняющимся аргументом, описывающих формообразование отверстий КМИ различного типа; компьютерное исследование этих моделей позволило выявить закономерности и механизмы искривления оси отверстия, образования огранки и разбивки отверстия, обусловленные осевыми биениями инструмента, а также погрешностей многопереходной обработки. Кроме того выявлено, что при диссимметрии инструмента уменьшение текущего радиус-вектора предварительно обработанного отверстия вызывает увеличение текущего радиус-вектора обрабатываемого отверстия, что позволило определить пути повышения точности обработки.

Разработана методика точностной диагностики и отладки процессов многопереходной обработки отверстий КМИ, которая может быть эффективно использована на различных этапах ТПП.

Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по прогнозу, диагностике и устранений причин, приводящих к образованию различных погрешностей при многопереходной обработке отверстий, разработаны пакеты прикладных программ расчета конкретных погрешностей обработки отверстий; разработаны, опробованы и рекомендованы к использованию 11 новых способов обработки отверстий, позволяющие снизитиь увод и искривление оси,повысить на 1-2 квали-тета точность обработки отверстий по диаметру,в 2-3 раза увеличить размерную стойкость инструментов при снижении номенклатуры. Предложены рациональные планы обработки отверстий КМИ, которые могут быть использованы при проектировании процессов обработки отверстий в различных деталях.

■ На защиту выносятся: система математических моделей процессов формообразования отверстий, разработанные с учетом диссимметрич-ности рабочей части КМИ, банк физических эффектов. отражающих закономерности образования и технологического наследования погрешностей обработки, методика точностной диагностики и отладки . операций и процессогГЖогопереходай^брбот}^о"тверст1!й~Г[11!И: Реализация результатов работы. Результаты работы позволили эффективно проводить'диагностику и отладку реальных процессов обработки отверстий, что обеспечило:

- повышение -прямолинейности оси и точности Форш отверстий, что полностью исключило брак деталей по атт параметрам:

- повышение размерной стойкости инструмента и сшшнне его расхода в

2-3 раза;

- снижение числа технологических переходов при обработке отверстий на 1-2 перехода.

В результате был получен экономический эффект-в сумме 200 т.руб. МШ0ШйШ_работн. Основные положения работы долокены и обсуждены на 7-ой Всесоюзной конференции "Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий", г.Москва, 1991 г.; на Первой Всесоюзной школе-конференции "Математическое моделирование в машиностроении", г.Самара, 1990 г.; на межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении", г.Волгоград, 1989 г.; на республиканской научно-практической конференции "САПР конструкторской и технологической подготовки автоматизированного производства в машиностроении", г. Харьков, 1990 г.; на Уральской зональной научно-технической конференции "Повышение эффективности и уровня использования станков с ЧПУ, ПР и ГПС", г.Екатеринбург, 1990 г.; на научно-технических конференциях ЧГТУ в 1982-1992 годах; на объединенном семинаре кафедр "Техническая механика" и "Технология машиностроения, станки и 'инструмент"" ЗФ ЧГТУ в 1992 г.; на объединенном заседании • технологических кафедр ЧГТУ в-ноябре 1992 г. .

Публикации по теме диссертационной работы. Опубликовано 22 работы, в том числе.12 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов основного текста, заключения-и приложения. • • Объем работы:242 страницы машинописного текста, в том числе 171 -рисунок на 72 стр., 17 таблиц. В списке использованной литературы содержится 102 наименования. ' •

Содержание работы-' .

Состояние вопроса,задачи исследования В настоящее время многими исследователями /Виноградов A.A., Денисенко В.И.. Стрелец А.Ал, Подураев В.П., Синельников А.К.. Уткин Н.Ф., Костюкович С.Г., Дечко З.М. и др./ отмечалось влияние несишетрии инструмента 1й точность обработки отверстий, предлагались математически© модели процессов обработки такими инструмента^. Однако, приведенные имя модели в.ряде случаев не могли. объяснить причины • и ' механизмы увода и искривления осп отверстия, погрешностей Форш и размера. В то г® время в работах ученых ЧГТУ /Лакирев С.Г., Хклькевич Я.М./ были разработаны достаточно простые модели, описивакаив Формообразование отверстий

ружейным сверлом при его базировании на поверхность резания в процессе захода в отверстие и при установившемся резании, расточным блоком при различных режущих свойствах и осевом сдвиге лезвий и др. -Исследование этих моделей позволило выявить и объяснить влияние осевых колебаний инструмента на искривления его траектории при базировании на поверхность резания, разбивку отверстия при диссимметрии режущих свойств и осевом сдвиге лезвий и некоторые другие закономерности. Вместе с тем не было исследовано влияние осевых биений и их фазо-частотных характеристик на точность обработки отверстий инструментами других типов- Приведенные математи-тические модели учитывали лишь один вид диссимметрии инструмента -различную заостренность режущих кромок.

Этого оказалось недостаточно для надежной ТПП деталей -с точными отверстиями, поскольку осталось невыясненным влияние таких факторов как погрешности главных углов в плане в сочетании с осевыми биениями лезвий, смещение перемычки с оси симметрии сверла и др.

Подобное положение подвервдается статистическими исследованиями точности и стойкости, проведенными при осуществлений реальных процессов многопереходной обработки точных отверстий КМИ на различных предприятиях.

Исходя- из цели настоящей.работы, необходимо"решить следующие задачи:•

1. Разработка системы математических моделей-, адекватно учитывающих влияние диссимметрии инструмента и заготовки, а также их осевых вибрация, на точность обработки отверстий при их последовательном формообразовании КМЙ, компьютерное исследование разработанной системы математических моделей с целью выявления основных" закономерностей к механизмов образования погрешностей.

2.- Экспериментальная проверка теоретически предсказанных закономерностей.

3. Разработка, методики точностной диагностики и отладки процессов многопереходной обработки отверстий КМ Па различных этапах ТПП,^

-4т-Прогнозт7Г<татностика и устранение погрешностей при ТПП реальных процессов обработки отверстий КМИ, внедрение результатов работы в производство.

Система математических моделей формообразования отверстий КМИ

Наиболее полно процесс формообразования отверстия'мокет бить описан системой дифференциальных уравнений, учитывающей наличие всех

возможных перемещений и действующих сил, в том числе и инерционных. Рассматривая лишь поперечные колебания, как наиболее существенно влияющие на параметры отверстия, можно свести эту систему к системе из 2-х уравнений, учитывающих действие только радиальных и тангенциальных сил, а также сил упругости. Эта система является сложной и нелинейной, что затрудняет её решение и использование для выявления закономерностей. Экспериментально установлено, что если допустить 10ти-15™-процентную погрешность моделирования, можно пренебречь.инерционными силами и тангенциальными перемещениями. Тогда формообразование отверстий КМИ с несимметричной рабочей частью може-1- быть описано системой радиально-статических (рис.1 ) и геометро-кинематических моделей, описывающих соответственно процессы обработки лезвийными инструментами и инструментами одностороннего резания.

Г

С учетом инерционных |_сил

Динамика поперечных колебаний

[ Без учета |инерционных сил

J

Радиально-статические модели

!Н£]

п.

4.2=2

г.г=4 ' Г 1

"4а. ф^ ф2 "46. ф2

г=0 г>0

т>0 г>0

1 Без . . учета действую-'цих'сил

5. г = 3

модель обработки ружейным сверлом

бб. Модель обработки с базированием на обрабатываемое отверстие

ба. Модель обработки с базированием инструмента на кромку

Рис. I. Структура системы математических моделей

' Рассмотрим процесс формообразования отверстия многолезвийным инструментом с различными рекупщми свойствами лезвий (код Л,рис.1) примем-осевой сдвиг лезвий т=0, главные углы в плане .одинаковыми, угловой шаг лезвий ф= —, где г - число лезвий, вспомовательниЛ угол

в плане Ф,» 0 (то есть влиянием калибрующих ленточек пренебрегаем).

Рассмотрим.равновесие инструмента в процессе обработки только 'под' действием на инструмент радиальных сил. Примем упрощающее •• предположение о том, что эти силы' пропорциональны площадям срезаемого слоя Д с соответствующими коэффициента!® пропорциональности.

где 11,

^ высота срезаемого слоя, б1- основание срезаемого слоя,

коэффициенты пропорциональности сил резания площадям срезаемых слоев.

Можно приближенно считать, что срезаемый слой имеет форму параллелограмма (ряс.2), размеры которого определяются радиус-вектором вершины рассматриваемого лезвия и значением радиус-вектора лезвия, опережавдего рассматриваемое на 2г/ъ оборота. Таким образом, каждое последущее полокение вершины любого лезвия зависит от положения предыдущего. _ ,

Тогда уравнение равновесия многолезвийного инструмента мокет быть записано (в системе ХоУ):

щ <р

_ 2(1{>- ^ ) 'СозСф- - у(ф- —•.з1п(ф~ ,,

ЩТр : ]

Зу*У(Ф)=-131к1'Ь1,в1п(ф- +---

1'2%\

(I)

Ч Ф

х(ф- ^).С08(ф- - У(ф-,^)-в!д(ф-

ЩТр

]

Рис. 2. Расчетная схема формообразования отверстий многолезвийным инструментом

Подобным образом были составлены модели обработки 4х и Зх-лез-вийными инструментами с различными режущими свойствами (мод.2,3-рис.1) которые могут описывать процессы зенкерования и развертывания Наиболее полно влияние различных видов геометрической дассимметрии было рассмотрено на примере 2х-лезвийного инструмента (мод.4 а,0,-рис.1), которые описывают процессы сверления, рассверливания и зенкерования. Модели геометро-кинематического уровня, описывающие формообразование инструментам! одностороннего резания, могут быть получены из условия геометрического взаимодействия кулачка с поверхностью обрабатываемого отверстия, либо из соответствующей радиально-статической модели путем асимптотического перехода, положив один из коэффициентов к^» <я. Так модель 4б была получена из модели 6з при kg-» Тагам образом, была получена система ради-ально-статических к гесметро-кинематических моделей формообразования отверстий КШ с различными видами диссиммвтрии режущей части (табл.1), анализ которых позволяет выявить механизмы образования погрешностей и оценить их количественно.

Основные закономерности формообразования отверстий КШ ' . -

Выявление основных закономерностей, выполнившее путем проведения вычислительного эксперимента на полученных математических моделях, позволило уточнить главные факторы, 'влиягаше- на образование погрешностей отверстий и выявить механизмы их образования. Методика проведения вычислительного эксперимента предусматривает варьирование следующими основным параметрам технологического процесса и • ' инструмента: осевая подача инструмента (S), частота

(п) и амплитуда (а) 'осевых биений, глубина'резашя (Ь(ф)> или текущий радиус-вектор предварительно обработанного отверстия (гф(ф)), диаметр инструмента (D), осевой сдвиг лезвий (%), геометрические параметры лезвий (ф), коэффициенты резания и жесткости (к^^), характеризующие физико-механические свойства»материла детали и инструмента и ряд других параметров.

■ Были составлены программы расчета траекторий движения формообразующих точек инструмента. Для удобства анализа этих траекторий программы расчета предусматривали их вывод на экран дисплея, после чего изготавливалась твердая копия этой траектории. Все вычислительные эксперименты выполнялись на ПЭВМ.IBM PC/AT.

Так например, исследование модели формообразования 2*-лезвийным диссимметричным инструментом (модель .4а,табл.1) показало, что при

Расчетная схема

а

Л

м ■

Математическая модель _

рг(ф)=1)-рг(ф-тс>

•К,-к

А. С учетом осевых колебаний (г0(ф)=сопзи S • tg ф

Р1(ф)«1Н),(«Нс)- + +

+a-tg Ф. Щ^-Bln п. (ф- ф^-sln п.ф];

---------+ +

+a.tg <p.gji.sin(n.4>- SgS>+ J^-sln п-ф];

р3(ф)=Б-р1 (ф); р4(ф)=1)-рг(ф)

Б. О учетом переменности припуска (r0^)*const)

^JE/B-E'/B'-ко, (ф-к/г )-L/B-4u1 (ф-u/a)'L'/C']

1 (C/B-BVC)

(Ф)-СЕ/С-Е'/ВЧшс(ф-тс/2) -L/C^ ^i^-ic/gj-L'/B^l

: (В/С - OVB")

где С, С', В. BVE. Е', L, L'=

=f (k, .kg.Kg ,8ВЛ(<1» ,h(<Hc) ,h(<|MC/a) .ШФ-зтс/4)

Ь(ф1)=Ь0-1:ЛЬ'81п ф1; S=-Sz• tg ф;

Р, (ф)=Б/2 + W, (Ф); рг(ф)=В/2 + шг (ф);

р3(ф)=1)/2ш1 (Ф); (ф) =D/2 - сл, (ф);

р1(ф)=Ь/2+Х(ф)-cos ф -ьУтф) * sin ф; • ~ р2(ф)=Б/2+Х(ф) - cos (ф-гх/з) +У(ф) •бЬКф-гчс/з); Р3(ф)=Б/2+Х(ф) »cos (ф-41С/з) +У(ф) -аНКф-дх/з), где Х(ф)Д^/3)11С/АгС1/А11 + . (В/А - В'/А*) + Х(ф-гтс/з) • (M/A-MVA' )-(Е/А-Е'/А*)

(В/А -В'/А') у(ф)^(Ф-5ТС/з)-(С/В-С'/ВМ +

(А/В -А'/В') , Х(ф-гтс/з)•(М/В-М'/В')-(Е/В-Е'/В')

WB---AVB'-)-

А, А*. В, В', С, С', Е, Е\ Ы, М* = = Г(к1,кг,к3,52,а1,ф1.11(ф),1\(ф-г1с/з),Ь(ф-4'!с/з)

ЩфЫ^ч- Ab-sln m-ф h (ф-ги/з) =h0+ Ah • s 1л (m • ф-гтс/з) 1г(ф-4Ж/3)=П0+Д11'81П(Ш-ф-4х/3) .

to

4а

ад)

где ц-ítg ф^-tg ф2)- kg.tg ф2, Р2=к1 • [В+А • (tg <pt -tg ф2 ) ]+ kg • (Е+С • tg íp2 ) P3=k1-A-B - Itj-C-E где A=S•tg ф,- (ф-г^)

Б=р; (ф—x) • tg ф1 + p^ (ф-2тс) • tg ф2-- D-tg tg ф1-tg Ф2-(S/2 - 1) C=S-tg ф2+ p1 (ф-2Ю

E=D- tg ф,- p1 (ф-х) • tg Фз+tg • tg ф2 • <: ■Kl+t)-tg <p2-(tg (pt-tg <P2) S=S/2 + a-(sln(n-(j))-3ln п*((Ис/г))

46

/?г ч2 Рз

/ UtpJ - p;

tg сP2)~ ICg-tg ф2

P,= k,-(tg фг P2= k^ • (B+A)- (tg фг tg Vgi+kg^E+c-tg ф2) P3= k,-A-B~ ICg-C-E A=S-tg ф,- p, (Ф-21С)

B=p, (<HC)'tg p1 (ф—2x) - tg ф2- D-tg ф^ + tg ф1>tg ф2•(S/2 - T) C=S-tg ф2+ p1(ф-2х) -

E=D- tg ф^"- p, (tjwt) • tg ф2+ tg ф, • tg Ф2 • (S/2- v (tg ç^tg Ф2) S=S/2 + а:(з1п(п-ф)-81п n- (Ф-ИУ2)

D-

55

6a

66

sin ф,

р(ф)=Б/2-[р(ф -ф2)-0/2].5НТф-4-7 +

sin ФР2 1 . itplH,)^).^-)

р(Ф)=в-г0;(i- ^-(i-s/2)■ tg

tg фр

/ / 4

тЪяГ-

р(ф)=В - Б0(ф)

наложении на инструмент осевых колебаний с частотой ш~_=

наблю-

~ос~ "вр

дается смещение инструмента в одном направлении(рис.за), что вызывает увод и искривление оси отверстия (рис.30).При частоте осевых колебаний шос= '2-10^ смещения инструмента не происходит (рис.Зв), никаких отклонений нэ наблюдается и.при шос= 4-^, б-швр. При наложении на инструмент осевых колебаний с частотой шос= з-швр или Б-^ наблюдалось отклонение траектории инструмента соответственно 3 и 5 за один оборот, что вызовет образование огранки отвэрстия (рис.Зг.д). На основании результатов этого вычислительного эксперимента можно сделать вывод о том, что увод оси-отверстия возникает при частоте осевых колебаний диссимметричного 2-х лезвийного инструмента равной частоте вращения, при частоте осевых колебаний в нечетное число раз цревышавдей частоту вращения образуется огранка отверстия, а при частоте "осевых колебаний в четное число раз превышающей частоту вращения увода и образования огранки не происходит.

Т5 1 ' 1

§ 'Ж! ^ 8) л\ \У '

0)

Рис.3. Траектория движения инструмента при.наложении на него осевых колебаний различной частоты

Подобному компьютерному исследованию были подвергнуты все частные математические модели. ЕГрезультате~бшш выявлены"следующие ^

закономерности и механизмы- образования погрешности (табл.2).

1. Виброперемещение диссимметричного инструмента при наложении осевых колебаний различной частоты. . •

Выявлено, что увод диссимметричного инструмента возникает-во всех случаях при наложении на него осевых колебаний иос= ивр, если имеет место взаимная подрезка, поверхности резания образованных каждым-формообразующим элементом, иль базирование на поверхность резания' -

__ад_Вибвоперемещение инструмента при осевых колебаниях"

I .ш = ос вр

2-ио<Га'V 1 3'шоси %

' и« z■w+ 1 ос вр

'л.

■ г=2

2=3

___ б. "медленные" поперечные вибрации инструмента________

I.Вынужденные радиально-попереч-ные колебания силового возбуаде ния ~

1 > Б/2

со = ы к вр

т > Б/2 й1>>1{2

3.Кинематически самовозбуадаю-ииеся мелле1шые автоколебания

а.

при тгЬг» 1 г Ч

б)Предварительное, отверстие

2.Нестационарные затухавшие колебания .

Л

из

% > 5/2

% < Э/2

ы„= п вр

некруглое

колебания . в противо-фазе при в= а*к

синфазные при • + 1 ШК=Е

синфазные колебания при Е=2'К+1■

4,Вынуаденные колебания кинематического возбуждения а)Предварительное отверстие ексцентрично

синфазные колебания при <р<<90*

колебания в проти-вофазе при (р-»90 в)Продольная волнистость предварительного отверстия

• ик= к'°вр колебания в противсфазо

одного из элементов, в частности при неравенстве главных углов в плане и осевом биении лезвий. При наложении на такие инструменты осевых колебаний с частотой шос= k- z +1 происходит отклонение траектории.инструмента несколько раз за один оборот,' а при плавном, изменении фазы осевых колебаний дополнительно происходит спиральное искривление траектории инструмента (табл.2б). Бри равенстве главных углов ь плане смещения инструмента пропорциональны амплитуде осевых колебаний, а при дассишетрш этих углов - квадрату амплитуды. Отклонения траектории отсутствуют при woc= li-z.

Все упомянутые виброперемещения инструмента приводят к образованию значительных погрешностей формы отверстия, искривлению и уводу его оси (табл.2-а).

2. Закономерности возбувденяя медленных (соизмеримых с частотой вращения) поперечных вибраций формообразующей части, мерных инструментов, приводящих к образованию погрешностей.

а) При дассиммэтрии рекущих свойств и осевом сдвиге лезвий возникают вынужденные радиально-поперечные колебания вращающегося инструмента с частотой un= и>вр при i > S/2, при этом максимальная амплитуда колебаний наблюдается при Кх» kg, т.е. при базировании инструмента на обработываемую поверхность (табл.2-б1). Эти колебания вызывают разбивку отверстия.

б) При неодинаковых ревущих свойствах лезвий и их осевом сдвиге вследствие несовпадения начальных условий при врезании инструмента в • заготовку с положением статического равновесия возникают затухающие

нестационарные колебания с частотой со = 2~т'ивр ДРИ t >S/2 и с

частотой шп= «вр при i < S/2, что-приводит к волнистости отверстия (табл.2-62)._Установлено, что амплитуда этих колебаний- " возрастает с увеличением припуска и различия режущих- свойств.

в) Установлено, что цри базировании инструмента на обработанную поверхность наблюдается самовозбундеше автоколебаний,-обусловленных

кинематической неустойчивостью. связанной,-например, с угловым-■-—

расположением кулачков (^-неустойчивость) (табл.2-63). Автоколебания могут', привести к смещению оси и огранке отверстия

т) Вследствие погрешностей'расположения, форда и текущего размера предварительных отверстий обнаружен целый ряд эффектов возбуждения поперечных колебаний различной частоты..

Так при обработке эксцентрично расположенных отверстий могут возникнуть либо синфазные .колебания (при ф > 30'), либо колебания, в

противофазе (табл.2-б4а). При обработке исходных некруглых отверстия в зависимости от наличия и вида симметрии и диссимметрии наблюдаются синфазные поперечные колебания с частотой «п= К, при й= к-г +1 и симметричной'заточкой лезвий, колебания в противофазе с частотой у = Н при Н=К • н, и базировании инструмента на предварительно обработанную поверхность и синфазные колебания при частоте Н при Н = К-2 +1 (табл.2-046). При периодических погрешностях формы в продольном сечении возникают поперечные колебания с частотой шд= 1/к •и) при осевом сдвиге лезвий, в тем числе и при базировании на обработанную поверхность, что приводит к образованию волнистости обработанной поверхности (табл.2-б4в).

Экспериментальная проверка выявленных закономерностей

Для проверки теоретически предсказанных закономерностей была •проведена серия натурных экспериментов. Экспериментальная проверка закономерностей возбуждения поперечных вибраций проводилась на станках мод.1К62, .16К20, 1341, в том числе оснащенных приводом вращения дотает и инструмента.Регистрация поперечных вибраций осуществлялась с помощью измерительного комплекса, вклкгсащего 'специальную теизометрическую оправку, в которой устанавливался инструмент усилитель "Топгз-3", шлейфовый осциллограф Н-117.

При проверке закономерностей возбуждения поперечных вибраций конструктивно-геометрические параметры инструментов (их диссимметрия), 'режимы резания и материал заготовок выбирались' такими» чтобы можно было визуально наблэдать. образование погрешностей, вызванных наличием того или иного вида вибраций. Проведенные эксперименты подтвердили закономерности возбуждения поперечных колебаний всех типов. Была выявлены погрешности, -образующиеся в связи с возбуждением того .или. иного вида колебаний. Особый интерес представляют результаты проверки закономерностей, связанных с поперечными и вынужденными колебаниями кинематического возбуждения, наличие который обусловлено погрешностями предварительного отверстия. Эти закономерности позволили существенно расширить представления о» технологическом наследовании погрешностей три мкогопереходной обработке отверстий КМ11. Так, например, при эассверлизакии эксцентрично расположенных отверстий в зависимости от значений главных углов в плане инструмент стремится либо к оси, либо зт оси предварительного отверстия (табл.2-б4а)..При базировании шетрумекта на предварительно обработанное коническое отверстие, ¡бразуется отверстие с-обратной конусностью.

' для проверки теоретически вскрытых закономерностей вибро-перемещония инструмента при его осевых биениях была спроектирована и изготовлена специальная установка для создания осевых колебаний, оснащенная набором сменных копиров для задания осевых колебаний различной частоты. При этом использовались инструменты одностороннего резания, базирующиеся на поверхность резания, и диссимметричные лезвийные инструменты. Для наглядного представления о дефектах отверстий и направлениях перемещения инструментов в-экспериментах использовались заготовки из легкообрабатываемых материалов, в том числе из оргстекла. Проведенные эксперименты подтвердили теоретически предсказанные закономерности виброперемещения. Натурный эксперимент показал, что в зависимости от наличия у инструмента остро заточенных ленточек при частоте шос= швр образуется либо увод (ср.,» 0), либо овальность отверстия (ф,-> 0), при о.>ос- к• й■ ывр+1 - образуется либо огранка отверстия (ф1>>.0), либо разбивка (при ф,-» О), при шос*< ывр, шос«< +1 возможно

образование спирального или некруглого отверстия (Ф,» 0), либо происходит его значительная разбивка (табл.3).

На основе результатов теоретического и экспериментального исследования и выявленных при этом закономерностей создан банк физических- эффектов, возникающих при обработке отверстий КМИ, включающий закономерности возбуадения поперечных колебаний, закономерности технологического наследования .и закономерности виброперемещения, фрагменты которого приведены в табл.2, 3.

Результаты теоретического и экспериментального исследования легли в основу одиннадцати новых способов-обработки отверстий (табл.4).

Таблица 3

N 1 2 Способы обработки отверстий КМИ, позволяющие управлять параметрами отверстий

Схема осуществления способа Сущность способа, его связь с теоретико-экспериментальным исследованием Технологические возможности способа

тШ Щ При базировании инструмента на поверхность резания ему сообщают осевые колебания с частотой ии„=3-<о„„ ос вр а. с.-1323248 1.Получение некруглых отЕерстиЗ 2.Управление "разбивкой" отверстия

. -¿у531- - Обработку осуществляют при базировании инструмента на поверхность предварительного отверстия.Диаметр обрабатываемого отверстия в0=2 • а.с. 1373484 1.Управление разбивкой в широких пределах 2.Компенсации размерного износа 3. По лучение отверстий с обратной конусностью

3 Л 1 1 Щ Ч ч N ч Сверление отверстия осуществляют с 2-х сторон, сначала сверлом меньшего диаметра с одной стороны, затем сверлом ну:;-аюго диаметра "на проход" а.с.1400794 Исключается оора-зовпние уступо или излома

Обработку осуществляют при базировании инструмента на кромку,образованную пересечением поверхности резания и предварительно обработанной поверхности а.с. 1472185 Управление размером отверстия

5 шт^- -Шжх^ Обработку N отверстий,диаметры которых составляют арифметический ряд,осуществляют с использованием комплекта инструментов', включающего ш спиральных сверл стандартной заточки и п спиральных сверл специальной заточки ы=л1-2п а.с.1511006 Уменьшение номенклатуры применяемого инструмента б 5-8 раз

1 1 о> 1 ^^^^^^^ [ Опорный кулачек расположен меаду вершинами первого и второго лезвий а.с.1569098 « Компенсация потери размера при износе или переточке инструмента

ииШт"^ имт^ ЛТттгггА Перемещая опорный элемент в осевом направлении изменяют текущий диаметр отверстия 4' патент РФ по заявке N4922123 1.¿правление диаметром отверстия в иироких пределах 2.Получение не-круг.^ых отверстий

Методика точностной диагностики и отладки процессов обработки отверстий КМИ. В основе методики лежат разработанные на базе банка физических эффектов диагностические и отладочные карты погрешностей обработки отверстий. Диагностическая карта содержит наиболее вероятные причины возникновения погрешностей отверстий, в них указаны математические модели, описывающие соответствующий процесс обработки, вид и фазо-частотные характеристики возникающих колебаний инструмента. В карте отладки по каздой из наиболее вероятных причин образования погрешности приведены рекомендации по исключению либо, уменьшению погрешностей обработки и пути их реализации. Методика диагностики и отлажен предусматривает выполнение следующих этапов:

1 - установление погрешности обработки, которую необходимо уменьшить или исключить

г - определение из числа наиболее вероятных причин действительных .причин, вызвавших эту погрешность. При этом для количественной оценки погрешности, вызванной той или иной причиной, пользуются соответствующей моделью (табл'Л) .

з - выбор одной или нескольких рекомендаций по устранению причин образования погрешностей и конкретные технические решения до реализации рекомендации

л - проверка обеспечения заданной точности обработки по скорректированному техпроцессу с использованием .системы моделей (табл.1) .

5 - натурная отладка действующего технологического процесса.

Пример. При обработке отверстий' 0 20+о*34 мм длиной 185 мм в детали "Корпус гидроусилителя" обнаружен увод оси отвестия в пределах 0,4-0,5 мм. По картам диагностики и отладки установлено, что наиболее вероятной причиной погрешности является осевое биение -и -диссиммзтрия - инструмента. Как показали измерения амплитуда осевых биений составила 0,05 мм, погрешность заточки углов в плане-4°. Расчитанная с использованием модели 4а (таблЛ )валичина увода при этих параметрах составляет 0,6-0,7 мм.Для уменьшения увода оси до 0,1-0,2 мм неоходимо согласно расчета уменьшить амплитуду осевых биений до 0,02 мм, а погрешность углов в плане- до 1°, либо использовать для сверления отверстия ружейное сверло.

Эта se методика может быть применена при диагностике и отладке.

. вновь проектируемых техпроцессов.

Использование приведенной выше методики позволило выполнить диагностику и отладку трех действующих технологических процессов обработки отверстий на П/0 "Булат" г.Златоуст. В результате был получен экономический э№кт свыше 200 тыс. рублей (в ценах, действующих до 1991 года).

Общие выводы по работе

1. Впервые разработана система математических моделей, представляющих уравнения с отклоняющимся аргументом, которая адекватно описывает формообразование отверстий КШ различного типа и позволяет выполнять прогнозирование точности обработки, диагнос-ку причин брака, доводку и отладку технологических маршрутов обработки точных отверстий как на стадии проектирования, так и при внедрении в производство.

2. Теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены закономерности искривления траекторий движения инструментов при наложении осевых колебаний различной частоты. Установлено, что в зависимости фэзо-частоткых характеристик осевых колебаний дис- '

' симметричного инструмента происходит увод, плоское или пространственное искривление■оси отверстия, образование некруглостн и разбивка отверстия. В частности, при частоте осевых колебаний равной частоте вращения происходит плоское искривление и увод оси отверстия. При частоте колебаний превышающей частоту вращения в целое число раз происходит образование соответствующей огранки, кроме случаев, когда частота осевых колебаний кратна числу лезвий инструмента. При плавном изменении фазы осевых колебаний происходит пространственное искривление оси отверстия.-

3. Теоретически показаны и экспериментально подтверждены закономерности и механизмы образования погрешностей, вызванных поперечными вибрациями инструмента, а именно:

- затухающие не ст ационарные^поперечные колебания, вызванные несовпадением начальных условий с положением статического равновесия приводят к образованию волнистости отверстия;

- Бынуаденные колебания силового возбукдения, обусловленные геометрической диссимметрпей вращающегося инструмента, приводят к разбивке отверстия;

- автоколебания инструментов одностороннего резания при их базировании на обработанную поверхность, вызванные неустойчивостью процесса обработки при- качающемся закреплении короткого инструмента.

приводят к образованию огранки и смещению оси отверстия; - вынужденные колебания кинематического возбукдения. обусловленные погрешностями расположения и формы предварительно обработанных отверстий, приводят к появлению соответстущих погрешностей обрабатываемых отверстий;

4. Установлено, что при любой диссишетрки мерного инструмента имеет место "негативное" наследование погрешностей Форш и диаметрального размера, а именно, любое изменение текущего радиус-вектора предварительно обработанного отверстия вызывает полярно противоположное изменение радиус-вектора обрабатываемого отверстия. Так, прямая конусность предварительного отверстия приводит к обратной конусности обрабатываемого, огранка предварительно обработанного отзерстия приводит на последующем переходе к образованию противопо-лошю ориентированной огранки с тем же числом граней;

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований получен банк физических эффектов,отражающих взаимосвязи действующих факторов с параметрами.точности, что позволяет исключить большую часть погрешностей уае на стадии проектирования;

6. Разработано II новых способов обработки отверстий инструментами с диссимметричной рабочей частью, позволяющие надежно управлять такгаж параметрами отверстий как увод оси, форма и размер отверстия;

7. Разработана инженерная методика прогноза,диагностики и устранения точностных отказов, позволяющая выявить причины.образования погрешностей, дать их количественную оценку и рекомендации по их уменьшению или устранению;

8. Вы^лнена диагностика и отладка реальных процессов обработки отверстий при ТПП ряда деталей П/0 ."Булат" г. Златоуста П/О

"ЗМЗ", в результате чего получен экономический эффект свыае 200 тысяч рублей. '

Основные половения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Лакирев С.Г.. Хилькевич Я.М., Козлов A.B. Прогноз, диагностика и устранение точностных отказов при обработке отверстий мерными щ-' струментами. - Справочное пособие. -Челябинск: ЧГТУ, - 1992.-212 с.

2. Лакиргз С.Г., .Хилькевич Я.М., Козлов A.B. Моделирование процессов формообразования отверстий мерными концевыми инструментами при автоматизированном проектировании технологических процессов // Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении: Тез. докл. Межреспубликанской научно-технической конференция, -Волгоград: ВПИ. 1889 - с.17-18.

3. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.И., Козлов A.B. Математическое моделирование и формирование активного банка данных при. технологическом проектировании.'// Математическое моделирование в машиностроении: Тез..докл. Первой Всесоюзной школы-конференции -Куйбышев: КАИ, 1990 - с.42-43.

4. Козлов A.B. и др. Прогноз точности обработки отверстий мерными инструментами на станках с ЧПУ.// Повышение эффективности я уровня использования станков с ЧПУ, ПР и ГПС: Тез.докл. зональной научно-технической конференции,-- Свердловск: УПИ, IS90 - с.51.

5. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.М., Козлов A.B. Формирование активного банка данных на основе математического моделирования при технологическом проектировании технологических процессов.// САШ-5 конструкторской и технологической подготовки автоматизированного производства в машиностроении: Тез. докл. Республиканской научно-практической конференции, - Харьков: ХПИ, 1990 - с.73-74.

6. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.М., Козлов A.B. Эксплуатация концевого мерного инструмента за пределами его размерной стойкости. // В кн. Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей: Тематический сборник научных трудов. - Челябинск: ЧГТУ, 1990 - с.

7. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.М., Козлов A.B. Математическое моделирование точности обработки глубоких отверстий концевыми мерными инструментами.// Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий: Сборник-тезисов докладов 7-й Всесоюзной конференции.- М.: "Информатика", 1991 - с.21-24.

8. Козлов A.B. и др. А.с.1323248 (СССР). Способ обработки отверстий. - Открытия. Изобретения. - 1987. - N 26.

9. Козлов A.B. И др. А.с.1373484 (СССР) Способ, многопроходной обработки отверстий. - Открытия. Изобретения. - 1988. - N 6.

10. Козлов Л.В. й др. А.с,1400794 (СССР) Способ обработки глубоких отверстий. - Открытия. Изобретения. - 1988 - N 21.

11. Козлов А.В; и др. A.C.I472I85 (СССР) Способ-многопроходной обработки отверстий- - Открытия. Изобретения. - 1989. - H 14.

12 Козлов A.B. я др. A.C.I5II006 (СС6Р) Способ многопроходной обработки отверстий. - Открытия.. Изобретения. - 1989. - N 36.

• 13. Козлов A.B. и др. А.с.1569098 (СССР) Инструмент для обработки отверстий. - Открытия. Изобретения. - 1990. - N 21.

14. Козлов A.B. и др. А.с.1743718 (СССР) Способ обработки отверстий. - Открытия. Изобретения. - 1992. - N 24 о