автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение производительности торцового фрезерования на стадии проектирования управляющих программ обработки деталей на станках с ЧПУ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Особенности операций торцового фрезерования на станках с ЧПУ.

1.2 Анализ существующих методик расчета необходимого для достижения заданной точности количества переходов.

1.3 Обзор способов определения коэффициента уточнения.

1.4 Анализ существующих методик определения режимов резания,.

1.5 Структура суммарной погрешности обработки при торцовом фрезеровании на станках с ЧПУ.

1.6 Баланс суммарной погрешности обработки при торцовом фрезеровании на станках с ЧПУ в зависимости от режимов резания.

1.6.1 Погрешности, возникающие в результате деформаций технологической системы.

1.6.2 Погрешности, возникающие в результате размерного износа инструмента.

1.7 Выводы по обзору.

1.8 Постановка цели и задач исследования.

2. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Методика теоретических исследований.

2.2 Методика экспериментальных исследований.л

2.2.1 Методика проведения статистического анализа точности изготовления деталей на фрезерных станках с ЧПУ.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ТОРЦОВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ.

3.1 Технологические особенности процесса торцового фрезерования.46 3.1.1 Расчет текущего значения толщины срезаемого слоя при торцовом фрезеровании.

3.2 Аналитические зависимости для определения составляющих сил резания при торцовом фрезеровании.

3.2.1 Экспериментальная проверка зависимостей для определения сил резания.

3.3 Математическое описание упругих деформаций технологической системы.

3.3.1 Определение величины упругих деформаций технологической системы деталь- приспособление- станок.

3.3.2 Определение величины упругих деформаций технологической системы инструмент- приспособление- станок.

3.3.3 Определение суммарной величины упругих деформаций технологической системы в целом.

3.4 Математическая модель размерного износа резца фрезы.

3.4.1 Аналитическая связь радиального размерного износа инструмента с износом по задней поверхности.

3.4.2 Методика управления размерным износом инструмента.

3.5 Обеспечение производительности много переходной обработки при торцовом фрезеровании.

3.5.1 Технологические ограничения на подачу при фрезеровании торцовыми фрезами.

3.5.2 Построение функции цели.

3.5.3 Определение оптимального количества стадий обработки.

3.5.4 Пример определения необходимого количества переходов и расчета режимов резания на каждом переходе.

ВЫВОДЫ.

4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ КОЛИЧЕСТВО ПЕРЕХОДОВ.

4.1 Влияние жесткости технологической системы на количество переходов.

4.2 Влияние угла в плане резца фрезы на количество переходов.

4.3 Влияние механических свойств обрабатываемого материала на количество переходов.

4.4 Влияние стойкости инструмента на количество переходов.

4.5 Влияние геометрических параметров инструмента на количество переходов.

ВЫВОДЫ.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Основные направления использования результатов работы.

5.2 Назначение количества переходов, глубин резания и подачи, отвечающей требованиям по точности.

5.3 Внедрение результатов исследования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.8

1.1 Особенности операций торцового фрезерования на станках с ЧПУ.8

1.2 Анализ существующих методик расчета необходимого для достижения заданной точности количества переходов.11

1.3 Обзор способов определения коэффициента уточнения.17

1.4 Анализ существующих методик определения режимов резания.19

1.5 Структура суммарной погрешности обработки при торцовом фрезеровании на станках с ЧПУ.23

1.6 Баланс суммарной погрешности обработки при торцовом фрезеровании на станках с ЧПУ в зависимости от режимов резания.■•.25'.'

1.6.1 Погрешности, возникающие в результате деформаций технологической системы.30

1.6.2 Погрешности, возникающие в результате размерного износа инструмента.33

1.7 Выводы по обзору.37

1.8 Постановка цели и задач исследования.37

2. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.40

2.1 Методика теоретических исследований.41

2.2 Методика экспериментальных исследований.42

2.2.1 Методика проведения статистического анализа точности изготовления деталей на фрезерных станках с ЧПУ.42

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ТОРЦОВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ.46

3.1 Технологические особенности процесса торцового фрезерования.46 3.1.1 Расчет текущего значения толщины срезаемого слоя при торцовом фрезеровании.48

3.2 Аналитические зависимости для определения составляющих сил резания при торцовом фрезеровании. 50

3.2.1 Экспериментальная проверка зависимостей для определения сил резания.59

3.3 Математическое описание упругих деформаций технологической системы.64

3.3.1 Определение величины упругих деформаций технологической системы деталь- приспособление- станок.67

3.3.2 Определение величины упругих деформаций технологической системы инструмент- приспособление- станок.72

3.3.3 Определение суммарной величины упругих деформаций технологической системы в целом.77

3.4 Математическая модель размерного износа резца фрезы.86

3.4.1 Аналитическая связь радиального размерного износа инструмента с износом по задней поверхности.86

3.4.2 Методика управления размерным износом инструмента.90

3.5 Обеспечение производительности много переходной обработки при торцовом фрезеровании.95

3.5.1 Технологические ограничения на подачу при фрезеровании торцовыми фрезами.96

3.5.2 Построение функции цели.102

3.5.3 Определение оптимального количества стадий обработки.103

3.5.4 Пример определения необходимого количества переходов и расчета режимов резания на каждом переходе.109

Стр.

ВЫВОДЫ.116

4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ КОЛИЧЕСТВО ПЕРЕХОДОВ.117

4.1 Влияние жесткости технологической системы на количество переходов.121

4.2 Влияние угла в плане резца фрезы на количество переходов.130

4.3 Влияние механических свойств обрабатываемого материала на количество переходов.135

4.4 Влияние стойкости инструмента на количество переходов.141

4.5 Влияние геометрических параметров инструмента на количество переходов.145

ВЫВОДЫ.151

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.152

5.1 Основные направления использования результатов работы.152

5.2 Назначение количества переходов, глубин резания и подачи, отвечающей требованиям по точности.153

5.3 Внедрение результатов исследования.173

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.174

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.176

ПРИЛОЖЕНИЯ.185

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих перед машиностроением, является: ускорение технического перевооружения производства, широкое внедрение прогрессивной техники и технологии, обеспечивающей повышение производительности труда, повышение качества, надежности, долговечности и экономичности выпускаемых машин и оборудования.

Обработка металлов и сплавов резанием является одним из самых распространенных способов формообразования деталей машин и затраты на этот вид обработки составляют в массовом производстве 30-40% трудоемкости изделия, а в серийном и единичном производстве 60-90%. Большой удельный вес при изготовлении деталей машин занимают операции торцового фрезерования. Так, по данным ряда ученых [2,24,35,40,41,80] в машиностроении ежегодно изготовляется около 35-40 миллионов штук деталей, имеющих плоские поверхности, при обработке которых используется торцовое фрезерование. Трудоемкость изготовления этих деталей составляет 12-19% [98] от общей трудоемкости изготовления машины. Затраты труда и средств на механическую обработку подобных деталей составляют и будут составлять в будущем значительную долю расходов в машиностроении, а их сокращение является важной хозяйственной задачей. Растущие требования к повышению производительности и точности обработки приводят к необходимости автоматизации процессов изготовления этих деталей. В настоящее время основным средством автоматизации механической обработки являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Выполнение операций на таких станках производится в автоматическом цикле без участия оператора, а достижение высокой точности приводит к необходимости концентрации черновых и чистовых переходов на одном станке.

В связи с этим вся необходимая информация о количестве переходов и режимах резания должна быть задана технологом-проектировщиком при разработке управляющей программы. Однако процесс много переходной обработки на станке с ЧПУ недостаточно изучен. Поэтому существует разрыв между постоянно возрастающими технологическими возможностями станков с ЧПУ и сложностями в обеспечении необходимой точности обработки на стадии подготовки управляющих программ. В конечном счете, трудоемкость отладки рабочей программы, производительность выполняемой операции и качество изготовления детали зависят от того, насколько полно спроектированная программа учитывает конкретные условия обработки.

Большая трудоемкость отладки управляющих программ объясняется необходимостью их многократного перепрограммирования, в основном с целью подбора необходимого количества переходов и режимов резания, обеспечивающих требуемую точность обработки. Существенное влияние на производительность и точность обработки оказывает большое количество технологических факторов, учет которых в настоящее время производится интуитивно, с учетом субъективного опыта разработчика управляющей программы.

Для сокращения времени отладки программ технолог зачастую идет на заведомое увеличение количества переходов и снижение режимов резания с целью гарантированного обеспечения точности и качества обрабатываемых поверхностей и, следовательно, на соответствующее снижение производительности процесса обработки. При этом технологические возможности станков с ЧПУ часто не используются или используются недостаточно эффективно. Такое положение дел объясняется отсутствием научно обоснованных нормативных материалов, учитывающих связь количества переходов, глубины резания, подач и других режимных параметров с производительностью и точностью обработки.

Таким образом, разработка рекомендаций по назначению необходимого количества переходов, глубин резания и подач, также учету других факторов на стадии проектирования много переходных операций торцового фрезерования на станках с ЧПУ для обеспечения количественных показателей обрабатываемых деталей является весьма актуальной.

Очевидно, что решение поставленной задачи должно основываться на тех или иных силовых зависимостях. Ограниченные возможности эмпирических зависимостей, учитывающих узкий диапазон варьирования параметрами процесса резания, вызывает необходимость использовать аналитические силовые зависимости, наиболее полно и широко отражающих физический процесс взаимодействия детали и инструмента.

Настоящая работа посвящена разработке научной методики определения необходимого для достижения заданной точности количества переходов и расчета режимов резания на каждом переходе. С этой целью, исходя из принципов динамического программирования, а также баланса работ активных и реактивных сил, действующих в процессе резания при торцовом фрезеровании, определены закономерности управления количеством переходов, глубиной резания и подачей с целью повышения точности обработки при обеспечении ее производительности.

Для автоматизированного проектирования и нормирования много переходных операций на станках с ЧПУ разработана рабочая программа для ЭВМ, которая внедрена на ряде заводов в виде отдельной программы расчета количества переходов, глубин резания и режимов резания. Имеется возможность использования этой программы в качестве режимного блока САПР ТП, а также в системах группового управления станками с ЧПУ от ЭВМ.

ВЫВОДЫ

1. Производительность процесса много переходного торцового фрезерования на станках с ЧПУ зависит от влияния следующих технологических факторов: жесткости технологической системы угла в плане резца <р, механические свойства обрабатываемого материала <зъ стойкости инструмента Т, ширины фрезерования В, числа зубьев торцовой фрезы X, диаметра фрезы

2. Наибольшее влияние на количество переходов оказывают: жесткость технологической системы )т.с., механические свойства обрабатываемого материала аъ стойкость инструмента Т.

3. На основе изучения влияния технологических факторов на количество переходов получены численные ограничения, позволяющие для данных условий обработки определить количество переходов для достижения заданной точности.

4. В условиях черновой, получистовой обработки и жесткой технологической системы рекомендуется для работы с минимальным количеством переходов использовать резцы с малыми углами в плане (30°.45°), а в условиях нежесткой технологической системы рекомендуется использовать резцы с углами в плане близкими к 90°

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1 Основные направления использования результатов работы

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования показали, что процесс торцового фрезерования, связанный с влиянием большого числа технологических факторов, недостаточно изучен в широком диапазоне варьирования режимов резания от черновой до отделочной обработки. Но существующие нормативные материалы по назначению режимов резания [59] не дают достаточно надежных рекомендаций по назначению количества переходов для достижения заданной точности, нет связи количества переходов с технологическими особенностями процесса, используемая в заводской практике ориентировка на наихудшие условия обработки влечет за собой неоправданное занижение уровня режимов резания и потерю производительности. Кроме того, правильность назначаемых технологом априорно количества переходов и глубин резания зависит от его субъективного опыта и не может претендовать на оптимальность.

Полученные в данной работе математические модели комплексного управления параметрами режима резания позволяют решить задачу повышения производительности процесса торцового фрезерования на станках с ЧПУ. Рассмотрим основные направления практического использования результатов работы.

Способ реализации разработанных материалов зависит от класса применяемой системы управления станком, наличия в станке адаптивной системы управления режимами резания, степени автоматизации подготовки управляющих программ.

При проектировании операций для станков, оснащенных устройством ЧПУ класса N0 с жесткой логической схемой, подача назначается дискретно для каждого из характерных участков контура детали по нормативным таблицам. Для станков с оперативными системами управления класса СЫС, а также с системами группового управления станками от центральной ЭВМ (класс БКС) разработанные математические модели могут быть непосредственно введены в алгоритм работы устройства ЧПУ в виде программы определения режимов резания. Кроме того, данные математические модели могут быть использованы в качестве режимного блока САПР ТП операций торцового фрезерования для станков с ЧПУ. Наличие такого математического обеспечения значительно расширит технологические возможности станка с ЧПУ, сократит трудоемкость подготовки и отладки управляющих программ, повысит технологическую надежность операции.

5.2 Назначение количества переходов, глубин резания и подачи, отвечающей требованиям по точности

Статистический анализ данных по использованию действующих нормативов на различных заводах показал, что при нормировании идентичных операций разными технологами получаются разные, часто значительно отличающиеся результаты. Этот факт говорит о том, что при пользовании нормативами существенное влияние на результат нормирования оказывает субъективный фактор. Действительно, если рассмотреть структуру действующих общемашиностроительных нормативов, то можно легко убедиться в том, что в качестве исходных данных для нормирования выступают количество переходов, необходимых для обработки поверхности и глубина резания на каждый рабочий ход. Выбор этих параметров хотя и осуществляется по нормативам, но прямо зависит от квалификации и субъективного опыта технолога.

Кроме того, опыт внедрения технологических процессов на станках с ЧПУ показал, что при отладке управляющих программ часто необходимо изменять выбранные режимы резания с целью обеспечения требуемого качества деталей. Это объясняется тем, что при назначении параметров обработки на стадии проектирования не учитывается ряд ограничений, определяющих условия обработки. В частности, общемашиностроительные нормативы [56] не содержат рекомендаций по назначению количества переходов с учетом влияния технологических факторов.

В результате исследований, проведенных в данной работе, была разработана методика, позволяющая выбрать количество переходов, оптимальное по производительности, а также определить величину подачи, необходимую для получения заданной точности. Для представления расчетных зависимостей разработаны таблицы выбора необходимого количества переходов, глубин резания и подач, обеспечивающих требуемую точность размера при токарной обработке на станках с ЧПУ.

Исходными данными при работе с нормативами являются:

1. Данные об обрабатываемом материале: группа материала и его твердость НВ;

2. Данные об инструменте: материал режущей части, стойкость инструмента, геометрические параметры инструмента, число зубьев Ъ, диаметр фрезы Бфр.

3. Данные об обрабатываемой детали: квалитет детали, размеры детали, шероховатость обработанной поверхности.

4. Данные о заготовке: квалитет заготовки.

5. Данные об операции: глубина резания, ширина фрезерования, способ установки детали на станке.

5. Данные о станке: модель станка, габаритные максимальные размеры изделия, устанавливаемого на станок.

Ниже приведен фрагмент нормативных карт по выбору количества переходов (стадий обработки), глубин резания и подач для обработки конструкционных сталей. Работа с таблицами нормативов осуществляется по следующему алгоритму: выбор необходимого количества переходов (стадий обработки) осуществляется по одной из таблиц: 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. Выбор номера таблицы осуществляется по алгоритму, представленному на рис.5.1, 5.2 в зависимости от технологических факторов:

- квалитета точности обрабатываемой поверхности IT;

- механических свойств обрабатываемого материала ах;

- конструктивных особенностей установки фрезы и ее вылета из шпинделя Ьфр./Офр.;

- типоразмера станка или жесткости технологической системы jCT;

- стойкости инструмента Т.

Определение глубины резания по переходам осуществляется по таблице 5.5. Данные глубины обеспечивают:

1. снятие погрешностей обработки и дефектов поверхностного слоя, полученных на предшествующей стадии обработки;

2. компенсацию погрешностей, возникающих на выполняемом переходе обработки заготовки.

Табличное значение подачи выбирается для каждой стадии обработки по соответствующим таблицам 5.6 в зависимости от обрабатываемого материала, диаметра фрезы и глубины резания.

Определенное по таблице значение подачи умножается на поправочные коэффициенты (табл. 5.6) в зависимости от:

- механических свойств обрабатываемого материала (Ksi); -материала режущей части резца фрезы (KS2);

- геометрических параметров инструмента (Ks3);

- схемы фрезерования (К&О; -стадии обработки (Kss); -жесткости инструмента (Ksô);

Полученное значение подачи на оборот для последнего перехода сравнивается с допустимым значением подачи по шероховатости обрабатываемой поверхности, определяемой по формуле (3.58). Окончательно выбирается

Начало]

Алгоритм определения карты выбора необходимого количества стадий обработки (начало)

Рис. 5.1

I аьлица ьл Торцовое фрезерование

Квалитет детали

По- 14 13 12 11 10 9 8 7 зи- Требуемые стадии обработки ции Метод получения заготовки Л о t <0 <п ¡в 1-S S ш ы № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки № квалитетов Наименование стадий обрабтки

1 2 3 5 7 9 11 13 15 17 19

1 Литье стальное Ш класса точности и литье цветных металлов и сплавов в кокиль. Горячая ковка стальных деталей. 17 17 14 черновая 17 13 получистовая 17 12 получистовая 17 14 11 черновая чистовая 17 14 10 черновая чистовая 17 14 9 черновая чистовая 17 14 10 8 черновая чистовая отделочная 17 14 10 7 черновая чистовая отделочная

2 Литье стальное III класса точности. Литье цветных металлов II класса точности и в кокиль. Горячая стальная ковка в штампах. 16 16 14 черновая 16 13 получистовая 16 12 получистовая 16 11 чистовая 16 10 чистовая 16 14 9 Чернова чистовая 16 14 10 8 черновая чистовая отделочная 16 14 10 7 черновая чистовая отделочная

3 Литье стальное II класса точности в кокиль. Литьё цветных сплавов II класса точности, по выплавляемым моделям, в кокиль. Горячая ковка стальных деталей. 15 15 14 черновая 15 13 получистовая 15 12 получистовая 15 11 чистовая 15 10 чистовая 15 14 9 Чернова чистовая 15 14 10 8 черновая чистовая отделочная 15 14 10 7 черновая чистовая отделочная

4 Литье стальное II класса точности, в кокиль, в оболочки. Литье цветных металлов и сплавов в оболочки, по выплавляемым моделям, под давлением, в кокиль. 14 — — 14 13 получистовая 14 12 получистовая 14 11 чистовая 14 10 чистовая 14 12 9 получист чистовая 14 12 8 получистовг отделочная 14 12 7 получистов отделочная

5 Литье стальное I класса точности в оболочки, по выплавляемым моделям. Литье цветных металлов и рплавов в оболочки,по выплавляемым моделям, под давлением, в кокиль 13 — — — — 13 12 получистовая 13 11 чистовая 13 10 чистовая 13 12 9 получист чистовая 13 12 8 получистовг отделочная 13 12 7 получистов; отделочная

6 Литье стальное I класса точности,в оболочки. По выплавляемым моделям. Литье цветных металлов и сплавов под давлением. 12 12 11 чистовая 12 10 чистовая 12 10 9 чистовая чистовая 12 10 8 чистовая отделочная 12 10 7 чистовая отделочная

7 Литье стальное в оболочки, по выплавляемым моделям. 11 11 10 чистовая 11 9 чистовая 11 10 8 чистовая отделочная 11 10 7 чистовая отделочная