автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение производительности двухшпиндельного фрезерования методом управления амплитудой колебаний инструментов

На правах рукописи

005061о»I

НЕСМЕЯНОВ Евгений Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДВУХШПИНДЕЛЬНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ МЕТОДОМ УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ КОЛЕБАНИЙ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ИЮН 2013

Курск-2013

005061517

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Трофимов Владимир Владимирович

Ушаков Михаил Витальевич, доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, кафедра «Инструментальные и метрологические системы», профессор

Гладышкин Алексей Олегович, кандидат технических наук, доцент Юго-Западный государственный

университет, кафедра «Городского, дорожного строительства и строительной механики», доцент

Ведущая организация:

Липецкий государственный

технический университет

Защита диссертации состоится «02» июля 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.09 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета

Автореферат разослан «31» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.09

В.В. Куц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отечественными и зарубежными учеными разработаны основы динамики металлорежущих станков, а также проведен значительный объем работ по повышению виброустойчивости одношпиндельного процесса резания путем оптимизации режимов резания, увеличением жесткости несущей системы, а таюке применению различных демпфирующих устройств. Вопросам динамической стабильности одношпиндельных станков посвящено значительное количество работ, но в настоящее время наблюдается недостаток разработок, направленных на повышение динамической устойчивости многошпиндельной обработки.

При переходе от одношпиндельной к двухшпиндельной высокоскоростной фрезерной обработке мировое станкостроение столкнулось с тем, что в зоне резания происходят вибрационно-силовые явления, обусловленные наличием и взаимовлиянием дополнительного шпинделя, что приводит к снижению производительности и качества обработки поверхности.

Снижение виброустойчивости многошпиндельных станков при работе на интенсивных режимах резания обусловлено, появлением связанных колебаний между одновременно осуществляемыми процессами резания вследствие близости частот вращения Шпинделя 1 (Шп1) и Шпинделя 2 (Шп2), обусловленных одновременным (синфазным) врезанием режущих кромок инструментов Шп1 и Шп2. Проведенный анализ литературы показал, что возможно повышение виброустойчивости и, как следствие, производительности двухшпиндельной фрезерной обработки, посредством сдвига фазы врезания режущей кромки инструмента Шп2 относительно инструмента Шп1. Следовательно, для достижения максимальной производительности многошпиндельных станков необходимо воздействовать непосредственно на первопричину появления связанных колебании, а именно на разрушение самоорганизации одновременного врезания зубьев инструментов Шп1 иШп2.

Задача научного обоснования оптимальных технологических условий осуществления высокопроизводительной двухшпиндельной фрезерной обработки, с учетом вибрационно-силового взаимовлияния одновременно протекающих процессов резания, является актуальной научно-технической проблемой.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы ГБ 2007.39 «Теория и практика машиностроительного производства» ГОБУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Цель работы: повышение производительности двухшпиндельной обработки на основе увеличения виброустойчивости процессов резания за счет разработанной гибридной демпфирующей системы, обеспечивающей интенсификацию режимов резания.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи работы:

1. Установить механизм возникновения процессов вибраций при двухшпиндельной обработке и определить диапазон частот для управления колебаниями с помощью гибридной демпфирующей системы;

2.Разработать математическую модель процесса двухшпиндельного фрезерования;

3.Установить роль гибридной демпфирующей системы в форсировании режимов резания;

•♦.Экспериментально подтвердить эффективность разработанной гибридной демпфирующей системы;

5.Разработать высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной обработки деталей из алюминиевых сплавов с применением гибридной демпфирующей системы;

6.Разработать рекомендации для промышленности по использованию созданных демпфирующих систем в многошпиндельных станках и апробировать результаты исследований.

Объект исследования. Процесс двухшпиндельного фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов.

Предмет исследования. Оптимальные технологические параметры гибридной демпфирующей системы с учетом вибрационно-силового взаимовлияния одновременно протекающих процессов резания, стабильно обеспечивающие повышение виброустойчивости, и как следствие, производительности двухшпиндельного фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов концевыми и торцевыми фрезами с числом режущих зубьев от 2 до 6.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения динамики станков, технологии холодной обработки металлов, теории колебаний, математического моделирования и математической статистики. В экспериментах и исследованиях использовалось современное оборудование и вычислительная техника.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась разработкой теоретической части работы на основе теории колебаний и принципов механической обработки, теории оптимизации и планирования экспериментов, апробированных методик проведения экспериментов.

Научная новизна работы. Следующие результаты работы характеризуются научной новизной:

1. Автором разработана математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка, учитывающая вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания. Модель позволяет определить оптимальные параметры гибридной демпфирующей системы, что обеспечивает увеличение виброустойчивости станка, интенсификации режимов резания и повышения производительности двухшпиндельного фрезерования.

2. Установлен диапазоны углов сдвига фаз врезания инструмента Шп2 относительно Шп1, гарантирующие увеличение виброустойчивости, и как

следствие повышение производительности двухшпиндельного фрезерного станка.

3.Выявлены зависимости амплитуды колебаний инструментов от угла сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования динамического гасителя колебаний, режимов резания, числа зубьев на инструменте. Новизна заключается в том, что для снижения амплитуды колебаний инструментов при двухшпиндельном фрезеровании необходимо учитывать значение угла сдвига фаз.

Практическая значимость включает:

Использование разработанной гибридной демпфирующей системы позволяет разрушить вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания, повысить виброустойчивость двухшпиндельного фрезерования, увеличить глубину резания до 32%, при этом производительность станка возрастает до 13% деталей в год.

Разработана методика определения амплитуды колебаний электрошпинделя по заложенным в конструкцию динамического гасителя колебаний (ДГК) упругих и демпфирующих характеристик, что позволяет сократить время и затраты на проектирование ДГК.

Разработан высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной фрезерной обработки с применением гибридной демпфирующей системы, что повышает эффективность использования двухшпиндельных фрезерных обрабатывающих центров (ОЦ).

Разработаны рекомендации для промышленности по использованию и настройке гибридной демпфирующей системы в двухшпиндельном фрезерном ОЦ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка, позволяющая определить такие значения оптимальных углов сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования ДГК, режимов резания и числа зубьев на инструменте, которые обеспечивают повышение виброустойчивости и производительности двухшпиндельного фрезерования.

2. Математические выражения определения амплитуды колебаний инструментов двухшпиндельно станка в зависимости от угла сдвига фаз, коэффициентов жесткости и демпфирования ДГК, режимов резания.

3. Результаты теоретического определения оптимальных диапазонов углов сдвига фаз при двухшпиндельном фрезеровании с числом зубьев на инструменте от 2 до 6.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния гибридной демпфирующей системы на виброустойчивость и режимы резания двухшпиндельного фрезерования.

5. Новое устройство для сдвига фазы врезания инструмента Шп2 относительно Шп1, позволяющее повысить виброустойчивость, форсировать режимы резания и увеличить производительность двухшпиндельного станка.

Личный вклад автора. Лично автором разработана математическая модель двухшпиндельного фрезерного обрабатывающего центра, учитывающая вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания, методика расчета амплитуды колебаний инструментов по заложенным в конструкцию ДГК упругих и демпфирующих характеристик. Выполнен весь комплекс экспериментов с последующим анализом экспериментальных и теоретических данных, разработан высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельной обработки деталей из алюминиевых сплавов, приведены рекомендации для промышленности по использованию гибридной демпфирующей системы для многошпиндельных станков. При личном участии автора разработана гибридная демпфирующая система, состоящая из устройства для сдвига фазы шпинделей и ДГК.

Область исследовании. Содержание диссертационного исследования соответствует п. 3. «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки», п.5 «Создание, включая исследования, проектирование, расчеты, комплектующих агрегатов и механизмов, обеспечивающих достижение требуемых технологических и технико-экономических параметров оборудования» паспорта научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований по разработке устройства для сдвига фазы шпинделей при многошпиндельной обработке внедрены на предприятии ООО «ВоронежПромКомплект» (г. Воронеж) при одновременной обработке двух деталей из алюминиевого сплава АЛ5 двумя шпинделями с годовым экономическим эффектом 56670 руб. Внедрение результатов исследований позволило повысить виброустойчивость, форсировать режимы резания и увеличить производительность многошпиндельного фрезерования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научных конференциях ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2009-2011 годах, 9-я международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в 2010 году в Санкт-Петербурге, научных конференциях ГОУВПО «Брянский государственный технический университет» в 2009-2010 годах, научной конференции ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» в 2013 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах и изданиях, подана заявка на изобретение РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и

приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] -разработка модели двухшпиндельного станка; [3,4]-методика повышения виброустойчивости оборудования; [5] - разработка физической модели, описывающей взаимовлияние процессов резания друг на друга при многошпинделыюй обработке; [6] - разработка алгоритмов работы устройства для сдвига фазы шпинделей; [7]-методика экспериментальной разработки карты стабильности для двухшпиндельного фрезерного станка; [8] - разработка физической модели возникновения автоколебаний при двухшпиндельной обработке; [9] - особенности фрезерования заготовок из алюминиевых сплавов на многошпиндельных станках.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из 132 наименований. Основная часть работы изложена на 220 страницах, содержит 82 рис., 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, показаны научная и практическая значимость, методологические приемы, использованные при написании диссертации.

В первой главе рассмотрены примеры двухшпиндельных станков, показаны их преимущества в сравнении с одношпиндельными станками. Выполнен краткий аналитический обзор возникающих колебательных процессов во фрезерных станках и ОЦ.

Изучение особенностей многошпиндельных станков показало, что помимо вынужденных и автоколебаний, станки с несколькими шпинделями, в силу одновременно протекающих процессов резания, подвержены негативному взаимовлиянию вышеуказанных процессов резания друг на друга. Негативное взаимовлияние заключается в снижении производительности и качества обрабатываемой поверхности. Представленный обзор по выяснению причин взаимовлияния процессов резания показал, что исследователи склоняются объяснить этот факт с позиции совпадения частот собственных колебаний одновременно работающих шпинделей, и поэтому возмущения, поступающие от вибрирующего шпинделя, вызывают резонансные колебания других шпинделей. Другими исследователями введен специальный термин -внутренний резонанс, который необходимо учитывать при двухшпиндельной обработке.

В диссертационной работе взаимовлияние процессов резания объясняются с позиции явления самосинхронизации и теории связанных колебаний. Нами введен новый термин - вибрационно-силовое взаимовлияние, наиболее адекватно описывающий взаимодействие одновременно протекающих двух процессов резания.

Приведены примеры уменьшения амплитуды колебаний инструментов одно- и многошпиндельных станков, с использованием активных и пассивных

демпфирующих систем. Существующие активные демпфирующие системы для многошпиндельных станков при помощи различных конструкций (электронных или кинематических) принудительно обеспечивают смещение фазы врезания режущих кромок инструментов Шп1 и Шп2, снижая негативное взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания. Но данные демпфирующие системы позволяют повысить глубину резания на 15-20%, предложенная в настоящей диссертационной работе гибридная демпфирующая система обеспечивает увеличение глубины резания X до 32% и подачи на зуб Бг до 32%.

Вторая глава посвящена описанию гибридной демпфирующей системы, состоящей из устройства для сдвига фазы врезания шпинделей и динамического гасителя колебаний, а также теоретических и экспериментальных методик для исследования динамической устойчивости двухшпинделыюго фрезерного станка.

Разработанное нами устройство (заявка на изобретение №2011136297) для сдвига фазы врезания режущей кромки инструмента второго шпинделя относительно инструмента первого шпинделя (рис. 1,а), не позволяет синхронно (в одной фазе) врезаться режущим кромкам инструментов Шп1 и Шп2 в заготовки 1 и 2. Устройство для сдвига фаз разработано с целью устранения вибрационно-силового взаимовлияния (самосинхронизация частот вращения шпинделей 1 и 2, связанные колебания процесса резания 1 и 2, снижения негативного влияния от действия зариативных параметров).

Устройство работает следующим образом. В момент старта обработки текущим инструментом, контроллер 2, получив информацию о частоте вращения шпинделей по каналу связи 8 и количестве зубьев инструмента по каналу связи 9 от стойки ЧПУ 1, вычисляет оптимальный угол смещения для второго шпинделя. Далее, оптимальный угол смещения для второго шпинделя переводится в то количество импульсов, которое необходимо получить контроллеру 2 от энкодера 7, после чего контроллер 2 дает команду на запуск второго шпинделя 6 частотному преобразователю 4.

В процессе обработки заготовки необходимо постоянно поддерживать запаздывание по углу для второго шпинделя 6 относительно первого шпинделя 5, для чего после старта второго шпинделя 6, в контроллере 2 запускается программа, которая осуществляет постоянный сдвиг для второго шпинделя 6, корректируя его частоту вращения на то количество импульсов, которое было задано в момент старта обработки. Опорным сигналом для осуществления сдвига для второго шпинделя 6 является число импульсов в единицу времени от энкодера 7, изменяющееся в зависимости от заданной частоты вращения шпинделей 8 стойкой ЧПУ 1.

Научная новизна устройства заключается в упрощении конструкции, которое достигается за счет того, что у аналога в устройстве используется по одному датчику контроля углового положения для каждого из шпинделей, а в нашем разработанном устройстве применяется один датчик углового

положения (энкодер) для всех шпинделей. В связи со значительной стоимостью энкодеров, рассчитанных на высокие частоты вращения, используемые при высокоскоростном фрезеровании, данное упрощение конструкции снижает себестоимость устройства. Так же в сравнении с аналогом добавлена новая связка «стойка ЧПУ - контроллер». От стойки ЧПУ к контроллеру по каналу 8 идет передача данных о частоте вращения шпинделя и о количестве зубьев на инструменте по каналу 9. Подобран многооборотный абсолютный энкодер БгаЬа Розна!, обеспечивающий необходимую точность углового положения для высокоскоростного фрезерования.

Представлена разработанная конструкция (рис. 1,6) динамического гасителя колебаний (ДГК), состоящего из зажимного кольца 4, закрепленного на корпусе шпинделя I и массы гасителя 2, соединенной с зажимным кольцом 4 стойками 3 из бутилкаучука БК-7. При вибрациях электрошпинделя, масса гасителя колеблется в противофазе, при этом рассеяние энергии колебаний происходит в стойках из бутилкаучука.

а) б)

Рис. 1. Разработанная гибридная демпфирующая система для двухшпиндельного фрезерного ОЦ, состоящая из устройства для сдвига фазы шпинделей и ДГК: а) Структурная схема устройства для сдвига фазы врезания режущей кромки инструмента второго шпинделя относительно инструмента первого шпинделя: 1-стойка ЧПУ, 2-контроллер, 3,4-частотный преобразователь 1 и 2, 5,6-шпиндель 1 и 2, 7-энкодер, 8-канал связи для передачи данных о частоте вращения шпинделя 1, 9-канал связи для передачи данных о количестве зубьев инструментов; б) Конструкции ДГК: 1-корпус электрошпинделя, 2-масса гасителя; 3-стойки из бутилкаучука; 4-фиксирующее кольцо; 5-инструмент

В тексте главы представлены входные и выходные параметры математической модели двухшпиндельного ОЦ.

Входные параметры: Параметры станка: компоновка станка, физико-механические характеристики элементов несущей системы, к„ с, — соответственно коэффициент жесткости и демпфирования упруго-демпфирующей связи между элементами несущей системы станка. Параметры гибридной демпфирующей системы: Дф - угол сдвига фазы врезания

инструмента Шп2 относительно инструмента Шп1, кдг - коэффициент жесткости, сдг - коэффициент демпфирования упруго-демпфирующих элементов ДГК. Режимы резания и технологические параметры: t - глубина резания, B-ширина фрезерования, Sz-подача на зуб, V-скорость резания, D®-диаметр фрезы, Ы3-число зубьев на инструменте, к3, с3 - коэффициенты жесткости и демпфирования заготовки.

Выходные параметры: Показатели производительности станка (максимально допустимые с позиции виброустойчивости режимы резания): fmax, •ßmax, Szmm Fmax; Показатель амплитуды колебаний инструментов: Ат . амплитуда высокочастотных колебаний инструмента. Частотные характеристики станка: амплитудная частотная характеристика (АЧХ) и амплитудно-фазовая частотные характеристика (АФЧХ), форма резонансных колебаний элементов несущей системы станка. Представлены целевые функции и ограничения.

Изложена методика проектирования и расчета пассивного демпфера, суть которой заключается в определении геометрических параметров стоек из бутилкаучука для наиболее эффективного гашения колебаний шпиндельных узлов двухшпиндельного ОЦ.

Представлена методика определения границы устойчивости по установлению предельной стружки, являющейся показателем производительности оборудования.

В качестве экспериментального оборудования использован двухшпиндельный фрезерный обрабатывающий центр Chiron DZ 12К W. Для черновой обработки алюминиевых сплавов использовали твердосплавные торцевые и концевые фрезы Sandvik с тремя режущими кромками, для чистовой обработки с 5-6 режущими кромками.

Обрабатывали следующую номенклатуру деталей из алюминиевого сплава AJI5: 1) Корпус переднего тормозного цилиндра (правый); 2) Кронштейн крепления генератора нижний; 3) Крышка стартера передняя; 4) Корпус вспомогательных агрегатов; 5) Крышка головки блока цилиндров.

Основным показателем повышения производительности при двухшпиндельном фрезеровании считали увеличение глубины резания t.

В третьей главе представлены теоретические результаты моделирования двухшпиндельного фрезерования.

В соответствие с задачами диссертации раскрыт механизм возникновения процессов вибраций при двухшпиндельной обработке. Вследствие возникновения известного эффекта самосинхронизации электромоторов (Шп1 и Шп2), установленных на общем основании, частоты вращения Шп1 и Шп2 синхронизируются. В результате в несущей системе двухшпиндельного станка возникают связанные колебания процессов резания 1 и 2, при которых энергия колебаний перекачивается от Шп1 к Шп2 и в обратном направлении, что и обеспечивает возникновение устойчивых автоколебаний. Установленный механизм снижения динамической стабильности при двухшпиндельном

фрезерования позволил обосновать использование разработанного устройства для сдвига фаз для повышения виброустойчивости двухшпиндельного станка.

Для теоретического исследования устойчивости двухшпиндельного фрезерования и поиска путей снижения амплитуды колебаний инструментов разработана расчетная и математическая модель рабочего пространства двухшпиндельного фрезерного ОЦ. Расчетная модель станка представляется совокупностью отдельных абсолютно твердых тел, совершающих поступательное движение в плоскости XOY станка (рис. 2, а). Между телами действуют упруго-демпфирующие силы, которые задаются коэффициентами -жесткости к и демпфирования с. Математическая модель рабочего пространства типового варианта двухшпиндельного фрезерного ОЦ Chiron DZ 12К W с применяемыми фрезами 0ф=20мм, 3 зуба, описывающая поведение каждого из тел рабочего пространства станка (рис. 2,а), состоит из системы 16 дифференциальных уравнений. Для численного интегрирования используется метод Эйлера-Коши. Также использовались методы решения классической динамики.

Динамический гаситель колебаний представлен (рис. 2, б) в виде отдельного твердого тела Е; (где i - номер фрезы), поступательно движущийся в двухмерном пространстве и упруго-демпфиирующими силами связан с телами

Рис. 2. а) - Расчетная модель рабочего пространства двухшпиндельного фрезерного станка: А - стол станка; В - ползун по оси 2\ С\ -Шп1+инструмент1; С2 - Шп2+инструмент2 ; Б, и £>2 - обрабатываемые заготовки; 1-несущая система станка, б) - Представление ДГК в виде отдельного тела е„ упруго-демпфирующими силами связанного с телом С,

Разработана компьютерная программа, позволяющая исследовать математическую модель двухшпиндельного фрезерного станка. В тексте программы для ЭВМ можно изменять характеристики станка (размеры, массу,

(1)

материал элементов несущей системы станка), инструмент (диаметр, число зубьев, частоту вращения), режимы резания (скорость резания, глубину резания, подачу на зуб, ширину фрезерования). Универсальность модели позволяет подбирать такие входные параметры, которые обеспечивают снижение амплитуды колебаний инструментов и повышение производительности двухшпиндельной обработки.

Анализ результатов компьютерного моделирования с использованием программы для ЭВМ позволил сделать вывод, что для устранения явления самосинхронизации врезания режущих кромок инструментов 1 и 2 и связанных колебаний процессов резания 1 и 2 необходимо постоянно поддерживать отставание при влезании режущей кромки инструмента Шп2 относительно Шп1 на угол 42 ..60 для фрезы с тремя режущими кромками. При этом амплитуда высокочастотных колебаний АВч инструментов снижается на 22,8% (рис. 3,а). При поиске аналитической формулы /4Вч(Аф) по рис. 3,а можно заметить, что данная зависимость носит периодический характер, близкий к косинусоидальному. Использование метода наименьших квадратов позволило определить коэффициенты и математическая модель по рис. 3,а приняла вид (1):

ÁA Дд <р) = 1,166 + ОД 85 cosí ( 2л +1,134 cosí 2л ■ + 0,454)] + 5Ш

М ^ II V. 360° )) 360°

С использованием формулы (1) можно в режиме реального времени прогнозировать амплитуду колебаний инструментов в зависимости от создаваемого угла сдвига фаз между фрезами.

Из рис. 3,6 следует, что для числа зубьев N3=2-6 амплитуда колебаний имеет широкий минимум в диапазоне от 35 до 50% от углового просвета между смежными зубьями фрезы. Для большей наглядности на рис. 3,6 ось абсцисс представлена в виде углового просвета между зубьями, выраженная в процентах: (Д<р/(360°/№))*100%. Следовательно, диапазон сдвига фаз 35 - 50% от углового просвета между зубьями рекомендуется как применимый для любого количества зубьев на инструменте при двухшпиндельной обработке. В результате удалось установить диапазоны углов сдвига фаз для фрез с количеством зубьев от 2 до 6 (что позволяет повысить виброустойчивость процессов резания, увеличить режимы резания и повысить производительность обработки): при N3 = 2, А<р = от 63 до 90°; N3 = 3, Aq> = от 42 до 60°; N3 = 4, Д<р = от 31.5 до 45°; N3 = 5, Дер = от 25.2 до 36°; N3 = 6, Дф = от 21 до 30°. Вследствие того, что при фиксированных параметрах режимов резания шероховатость обработанной поверхности в значительной степени определяется амплитудой колебаний инструментом, на рис. 3,6 добавлена дополнительная ось Ra.

Для определения нижней границы диапазона угла сдвига фаз для многошпиндельных станков с Nom от 2 до 7 в известную формулу рекомендуется добавить коэффициент к=0.7:

Дф =(3600/Nmn„Haaicr/N3y6bCB)*k (2)

О 20 40 60 80 А<р, градусы

а)

Рис. 3. а) - Влияние сдвига фаз между фрезами с тремя зубьями на амплитуду колебаний инструментов; б) - Влияние угла (выраженного в % от углового просвета между смежными зубьями) сдвига фаз между фрезами на амплитуду колебаний инструментов с количеством зубьев (N3) от 2 до 6

Таким образом, добавление коэффициента к=0.7 позволяет определить нижнюю границу диапазона угла сдвига фаз для любого количества шпинделей на станке и режущих кромок инструмента.

Также компьютерное моделирование с использование программы для ЭВМ позволил определить оптимальные коэффициенты жесткости кдг и демпфирования сдг ДГК. Теоретическое исследование по подбору характеристик проводилось в 2 этапа: на первом этапе было изучение влияния отдельных параметров - жесткости к и демпфирования с на скорость затухания колебаний, на втором проведена двухфакторная параметрическая оптимизация.

По результатам первого этапа сделан вывод о рекомендованном диапазоне жесткости связи ДГК от 5 до 7 кН/м. Рекомендованный интервал для коэффициента демпфирования находится в пределах от 6 до 25 Н*с/м. При этом амплитуда колебаний фрез составляет не более 2-3 мкм.

На втором этапе теоретического исследования решена задача двухфакторной оптимизации, что позволяет изучить влияние одновременно двух факторов кдг и сдг . По результатам компьютерных экспериментов и аппроксимации полученной функции АВч (кдг, сдг) полиномом второго порядка, поиска коэффициентов многочлена методом наименьших квадратов с помощью MathCAD 14 получена зависимость АВч (кдг, сдг):

Полученное выражение (3) имеет практическую значимость для промышленности и позволяет рассчитать амплитуду высокочастотных колебаний ЛВч(кдг, сдг) электрошпинделя по заложенным в конструкцию ДГК упругих кдг и демпфирующих сдг характеристик, что обеспечивает сокращение время и затрат на проектирование ДГК для многошпиндельных станков.

Анализ расположения благоприятных областей в факторном

Лвч(кдг, сдг) = 0,071 кдг2 + 0,020 сдг2 - 3,040-10"3 сдг-/сдг - 0,739 kt - 1,123 сдг + 18,591

'ДГ-

(3)

пространстве по результатам параметрической оптимизации позволил сделать вывод, что оптимальный диапазон жесткости Адг от 4 до 8 кН/м, демпфирования Сдг от 25 до 31 Н*с/м. Динамический гаситель колебаний с выявленным диапазоном параметров жесткости и демпфирования при помощи параметрической оптимизации обеспечивает увеличение виброустойчивости станка, что позволить повысить режимы резания и увеличить производительность двухшпиндельного фрезерования.

Использование угла сдвига фаз 42 ..60° при использовании фрез с тремя зубьями позволяет форсировать режимы резания двухшпиндельного станка, в частности глубину резания I до 32% (с 2.2 до 2.9мм). Аналитически зависимость амплитуды колебаний инструментов АВч от I, имеющая линейный характер, может быть представлена формулами (4):

АВЧ(Г, Д<р=0°) = 1,38-/; Авч((, Д<р=60°) = 1,06 / (4)

Сдвиг фаз позволяет также увеличить подачу на зуб Бг до 32% (с 0.22 до 0.29 мм/зуб). Зависимость амплитуды колебаний инструментов АВч от Бг имеет линейный характер и аналитически выражается следующей формулами (5): Лвч№, Дф=0°) = 7,17-&; АвАср=60°) = 5,37-Бг (5) Выявленные закономерности влияния параметров угла сдвига фаз Дф, глубины резания (, подачи на зуб &, ширины фрезерования В на показатель амплитуды колебаний инструментов Авч позволяют записать общую аналитическую формулу (6) для расчета какого-либо из данных параметров через остальные.

ачк у Лч(0 ) Л-Д1 мм) Авч{0,2 мм) Авч(50 %) ^

Формула (6) получается произведением четырех сомножителей, три из них определяют объем удаляемого материала (параметры Бг и В), а сомножитель ^вч(Дф) определяет эффект от сдвига фаз. В знаменателях дробей находятся значения показателя амплитуды колебаний АВч, рассчитанного в "базовой" точке (Дф = 60°; / = 1 мм; & = 0,2 мм; ВЮ = 50 %), а значение 1,363 представляет собой амплитуду колебаний в базовой точке. Окончательная формула для ЛВч(Дф,В) представлена в виде (7):

Аач (Д<р,I,В) = 3,576• I■ & |ц66+ 0,185со^я +1,134+ 0,454jj^^1+5,144 х|-4,10-1(Г7^ +8,4410"'^ -5,6610-3^ + 0,151^ + 0,052321

(7)

Выражение (7) позволяет оценить амплитуду колебаний инструментов Авч в зависимости от угла сдвига фаз и режимов резания. Новизна зависимости (7) заключается в том, что для повышения глубины резания при двухшпиндельном фрезеровании необходимо учитывать значение угла сдвига

фаз между фрезами Дф.

Таким образом, для повышения виброустойчивости и снижения амплитуды автоколебаний инструментов, увеличения производительности двухшпиндельного фрезерного ОЦ во второй и третьей главе диссертации сделано следующее: 1) установлены причины снижения динамической устойчивости двухшпиндельного станка; 2) разработана гибридная демпфирующая система, позволяющая устранить вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания 1 и 2; 2) установлены оптимальные диапазоны углов сдвига фаз 35-50% для фрез с числом зубьев от 2 до 6; 3) научно обоснованы оптимальные значения коэффициентов жесткости и демпфирования ДГК; 4) увеличение виброустойчивости станка позволило форсировать глубину резания и подачу на зуб, что в свою очередь повысило производительность станка.

В четвертой главе в соответствие с задачами диссертации приведены результаты экспериментальных исследований влияния гибридной демпфирующей системы на повышение виброустойчивости и производительности двухшпиндельного фрезерования.

Для экспериментальной оценки повышения виброустойчивости станка вследствие применения разработанной гибридной демпфирующей системы использован метод получения амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ). Упругую систему станка нагружали последовательно направлениях X и У с помощью двух электромагнитных вибраторов, устанавливаемых между столом и оправками Шп1 и Шп2. АФЧХ №1 (рис. 4) получена при имитации синфазного врезания режущих кромок инструментов Шп1 и Шп2, осуществляемого с помощью синфазной работы вибраторов. АФЧХ №4 получена при имитации действия устройства от сдвига фазы шпинделей, осуществляемого с помощью рассогласованной работы вибраторов. По результатам экспериментально полученных АФЧХ установлено, что гибридная демпфирующая система повышает виброустойчивость (ось Яе) двухшпиндельного фрезерного ОЦ в 4 раза (от -0.24 до -0.06 мкм/Н), при этом демпфирование в системе (ось 1т) повышается в 8 раз (от -0.22 до 0.025 мкм/Н).

Оценка достоверности математической модели двухшпиндельного фрезерного ОЦ при обработке деталей из алюминиевых сплавов методом сравнения АФЧХ, полученных экспериментальным и расчетным путем, представлена на рис. 4. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет 2,56-13,05%. Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволили сделать вывод, что созданная математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка является адекватной и может быть использована для изучения влияния гибридной демпфирующей системы на виброустойчивость и производительность двухшпиндельного ОЦ.

Рис. 4. АФЧХ двухшпиндельного фрезерного ОЦ без гибридной демпфирующей системы: 1-эксперимент, 2-расчет; АФЧХ с использованием гибридной демпфирующей системы: 3-эксперимент, 4-расчет

Для решения задачи определения диапазона частот для управления колебаниями с помощью гибридной демпфирующей системы экспериментальным путем получена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). В качестве приборной базы использовали виброанализатор ВАСТ СБ-21, 16 канальный быстродействующий коммутатор и пьезоэлектрические акселерометры.

Полученная АЧХ, показала, что для данной компоновки ОЦ при высокоскоростном фрезеровании область частот колебаний несущей системы, влияющий на производительность и качество обрабатываемой поверхности расширяется с диапазона 0.. 200 до 1000 Гц. Устройство, обеспечивающего сдвиг фазы врезания инструмента Шп2 относительно Шп1, проявляет наибольшую эффективность 30-62% в диапазоне 0-200 Гц. Эффективность ДГК проявляется в диапазоне частот 200-1000 Гц и составляет 58,4%.

Повышение производительности двухшпиндельного фрезерного ОЦ оценивали по предельной стружке, срезаемой Шп1 и Шп2 с амплитудой колебаний, равной более половины величины подачи на зуб. Под предельной стружкой понимается максимальная глубина резания I с допускаемым уровнем амплитуды колебаний инструментов при фиксированных значениях ширины резания В и подачи на зуб Бг. В качестве инструмента принята концевая фреза ЗапсМк 11790 с твердосплавными режущими пластинами, имеющими геометрию: у=13°, а=20 , гв=0.5 мм. Диаметр инструмента - 25 мм, количество режущих пластин - 3, длина вылета фрезы — 50мм, длина режущей части (1п) -40 мм, заготовка - АЛ5. Режимы резания приведены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы резания для определения предельной стружки двухшпиндельного

фрезерного станка

В, мм V, м/мин мм/Зуб 1, мм

12.5 100-1400 0.29 1-6

Анализ графика границ устойчивости показал, что гибридная демпфирующая система позволяет увеличить глубину резания 1 на 32% в диапазоне У= 100-1400 м/мин.

Разработан высокопроизводительный технологический процесс (ТП), учитывающий вибрационно-силовое взаимовлияние при двухшпиндельном фрезеровании. ТП по обработке корпуса переднего тормозного цилиндра отличается от базового тем, что добавлены следующие операции: 1-

подготовительная: контроль величины вылета из оправок участвующих в обработке инструментов для Шп1 и Шп2; 2-подготовительная: ввод в устройство для сдвига фазы шпинделей числа зубьев для используемых при обработке инструментов; 3-подготовительная: при программировании обработки в САМ системе для каждой из фрезерных операций добавляется дополнительный проход по плоскости выше средней высоты заготовок; 4-фрезерная: обработка заготовки с использованием инструментов с тремя зубьями и углом сдвига фаз 42..600; фрезерование осуществляется с установленными ДГК, позволяющие снизить воздействие от вариативных параметров; действие гибридной демпфирующей системы позволяет повысить глубину резания I на 32% с 2.2 до 2.9мм. Разработанный ТП обработки корпуса переднего тормозного цилиндра позволил увеличить производительность двухшпиндельного станка на 13% деталей в год.

В тексте главы приведены рекомендации для промышленности по применению гибридной демпфирующей системы для двухшпиндельных фрезерных станков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе теоретико-экспериментальных исследований раскрыт механизм возникновения процессов вибраций при двухшпиндельной обработке, позволяющий установить причины снижения виброустойчивости двухшпиндельных фрезерных станков. Анализ амплитудно-частотной характеристики позволил выявить диапазон частот колебаний элементов несущей системы двухшпиндельного станка, позволяющий настроить гибридную демпфирующую систему для максимального снижения амплитуды колебаний инструментов.

2. Разработана математическая модель двухшпиндельного фрезерного станка, учитывающая вибрационно-силовое взаимовлияние одновременно протекающих процессов резания, и позволившая установить:

- оптимальный диапазон углов сдвига фаз врезания инструмента Шпинделя 1 относительно Шпинделя 2 при двухшпиндельном фрезеровании с числом зубьев на инструменте от 2 до 6;

- оптимальные диапазоны коэффициентов жесткости и демпфирования динамического гасителя колебаний.

3. Выявлены зависимости амплитуды колебаний инструментов от технологических параметров процесса двухшпиндельного фрезерования: 1) угла сдвига фаз врезания инструмента Шпинделя 1 относительно Шпинделя 2; 2) коэффициентов жесткости и демпфирования динамического гасителя колебаний; 3) режимов резания; 4) числа зубьев фрез.

4. Выявлен коэффициент, позволяющий определить нижнюю границу диапазона угла сдвига фаз для любого количества шпинделей на станке и числа режущих зубьев фрез.

5. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что использование гибридной демпфирующей системы позволяет повысить .виброустойчивость двухшпиндельного станка до 4 раз, что дает возможность увеличить глубину резания до 32%, при этом производительность станка возрастает до 13 %.

6. На основании результатов исследований разработаны рекомендации для промышленности и высокопроизводительный технологический процесс двухшпиндельного фрезерования деталей из алюминиевых сплавов с использованием гибридной демпфирующей системы, что позволило повысить производительность и эффективность использования двухшпиндельных фрезерных обрабатывающих центров. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения составляет 56670 руб. Результаты исследований апробированы и внедрены на производственном предприятии ООО «ВоронежПромКомплект» (г. Воронеж).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Трофимов, В.В. Применение демпфирующих систем для многошпиндельных станков [Текст] / В.В. Трофимов, Е.А. Несмеянов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - №4(288). - С. 63 - 69.

2. Несмеянов, Е.А. Демпфирование колебаний несущей системы многошпиндельных фрезерных станков [Текст] / Е.А. Несмеянов // Вестник воронежского государственного технического университета. 2010. -Т. 6. - №3. - С 49 - 52.

3. Несмеянов, Е.А. Повышение виброустойчивости оборудования при комплексной обработке [Текст] / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Вестник воронежского государственного технического университета. 2010. - Т. 6. - №7. - С. 23 - 26.

4. Трофимов, В.В. Регулирование амплитуды колебаний инструмента при обработке на многошпиндельных станках для твердого точения [Текст] / В.В. Трофимов, Е.А. Несмеянов // Вестник воронежского

государственного технического университета. 2011. - Т. 7. - №3. С. 61 -65.

5. Несмеянов, Е.А. Физическая модель возникновения автоколебаний при двухшпиндельном фрезеровании [Текст] / Е.А. Несмеянов, В.В. Трофимов // Вестник воронежского государственного технического университета. 2011. - Т. 7. - №11.3. С. 33 - 36.

Статьи и материалы конференций

6. Несмеянов, Е.А. Оптимизация режимов резания двухшпиндельных фрезерных станков ОЦ [Текст] / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. - Воронеж., 2009. - Вып. 12. - С. 73 - 77.

7. Несмеянов, Е.А. Особенности высокоскоростного фрезерования алюминиевых заготовок [Текст] / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. - Воронеж., 2009. - Вып. 12. - С. 78 - 82.

8. Несмеянов, Е.А. Высокоскоростное фрезерование алюминиевых заготовок на многошпиндельном оборудовании [Текст] / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов, Е.Ю. Джибаева // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. - Воронеж., 2010. - Вып. 13.-С. 187-189.

9. Несмеянов, Е.А. Оценка эффективности снижения уровня автоколебаний с применением устройства для сдвига фазы шпинделей при многошпиндельной обработке [Текст] / Е.А. Несмеянов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. - Воронеж., 2011. - Вып. 14. - С. 67-72.

10. Несмеянов, Е.А. Аналитическое определение силы резания при двухшпиндельном фрезеровании [Текст] / Е.А. Несмеянов // Теория и практика машиностроительного оборудования. - Воронеж., 2011. - Вып. 18.-С. 32-35.

П.Несмеянов, Е.А. Виброустойчивость и производительность многошпиндельных фрезерных станков [Текст] / Е.А. Несмеянов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. - Воронеж., 2011. - Вып. 14. - С. 61-67.

Подписано в печать 27.05.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 610

ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». 305040, г. Курск, ул. 50-лет Октября, 94.