автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности фрезерования сложнопрофильных деталей их рациональным расположением относительно координатной системы станка

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ МВД РОССИИ

На правах рукописи

КУСТОВ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИХ РАЦИОНАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ОТНОСИТЕЛЬНО КООРДИНАТНОЙ

СИСТЕМЫ СТАНКА

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент С.К. Каргапольцев

Иркутск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ

ДЕТАЛЕЙ 8

1Л. Особенности изготовления сложнопрофильных маложестких деталей 8

1.2. Погрешности обработки сложнопрофильных маложестких деталей 12

1.3. Взаимосвязь геометрических особенностей детали, схемы ее базирования и формообразования с точностью обработки 21

1.4. Управление точностью обработки сложнопрофильных маложестких деталей / ............33

1.5. Цель и задачи исследования . ,--.г

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ НА СТАНКАХ С ЧПУ 47

2.1. Конфигурации детали и точность ее обработки 47

2.2. Математическая модель определения оптимальной ориентации детали на столе станка 59

2.3. Математическая модель идентификации

моделированного и полученного контуров 72

2.4. Оптимизация ориентирования сложнопрофильной

детали на станке 76

Выводы 87

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

89

3.1. Общие условия проведения экспериментов 89

3.2. Методика сопоставления расчетных и

экспериментальных результатов 100

3.3. Анализ результатов исследования влияния

ориентации на точность обработки 105

3.4. Погрешности обработки, вызванные ориентированием

и схемой базирования детали на столе станка 110

3.5. Метрологическая обработка экспериментальных

данных 120

Выводы 129

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ 130

4.1. Методика определения оптимального ориентирования маложесткой сложнопрофильной детали на столе станка 130

4.2. Разработка рациональных технологических процессов 143 Выводы 148

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

150 152 167

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение в условиях рынка и нарастающей конкурентной борьбы вынуждено производить продукцию высокого качества, низкой себестоимости, обладающую повышенной конструктивной сложностью. Реализация этой задачи сопровождается повышенными требованиями к надежности, а в итоге и к ресурсу изделия, обеспечивающего его окупаемость. Большое значение для удовлетворения всех этих требований, предъявляемых к конструкции изделий, приобретает технология производства входящих в них агрегатов, узлов и деталей.

В настоящее время получили широкое распространение маложесткие детали, обладающие незначительной толщиной полотна и ребер, а также сложной в плане. Существующие технологические процессы изготовления деталей такого типа не всегда обеспечивают необходимые требования к точности обработки. Приходится вводить в технологический процесс дополнительные операции по зачистке и запиловке, трудозатраты на которые в общем балансе составляют до 18%.

В настоящее время создался значительный разрыв между высокопроизводительной обработкой резанием на станках с ЧПУ и малоэффективными ручными операциями зачистки и запиловки, что не только повышает цикл изготовления изделия, а следовательно, и его себестоимость, но и отрицательно сказывается на условиях труда исполнителей.

Рассматривая связь ориентирования сложнопрофильной детали с точностью формообразования, можно увидеть, что одним из основных принципов проектирования технологического процесса обработки должно стать достижение ее рационального расположе-

ния относительно координатной системы станка, вызывающего наименьшую погрешность и, в связи с этим, уменьшение избыточных припусков на обработку, удаляемых впоследствии запиловкой и зачисткой. Отсутствие методики определения рационального ориентирования детали на станке и математических методов моделирования его влияния на точность контура не позволяет проектировать технологические процессы обработки с учетом возможного появления, в связи с этим, погрешностей и, как следствие, назначение завышенных припусков. Существующие рекомендации носят частный характер, прогнозирование возможных погрешностей при использовании той или иной схемы базирования детали практически не связывается с их ориентацией на столе станка.

В настоящей работе была поставлена задача создать инженерную методику минимизации погрешностей, связанных с ориентированием сложнопрофильных заготовок маложестких деталей относительно координатной системы станка при разработке технологического процесса, и сформировать необходимую для этого математическую и информационную базы.

Результаты работы нашли свое отражение в четырех главах.

В первой главе на основании литературного обзора и проведенных наблюдений по изучению контурной обработки сложнопрофильных маложестких деталей в ходе их изготовления выявлены причины возникновения и факторы, влияющие на появление погрешностей. В результате проведенного анализа установлено, что наибольшее количество погрешностей в виде различных зарезов, недорезов, волнистости, огранки возникает как следствие неоптимальной ориентации профиля детали относительно координатной системы станка. На основании этого сформулированы цель и вытекающие из нее задачи исследований.

Во второй главе представлены разработанные автором математические модели: формирования погрешностей обработки в зависимости от кривизны профиля поверхности детали и ее радиуса относительно координатной системы станка; определения оптимальной ориентации заготовки маложесткой детали на столе станка, обеспечивающей наиболее точное формообразование; идентификации моделированного и полученного контуров через угол отклонения вектора тангенциальной скорости и вектора нормали.

В третьей главе изложены методика экспериментальных исследований и способ определения рациональной ориентации детали относительно координатной системы станка. Описаны результаты экспериментальной проверки математических моделей, представленных во второй главе настоящей работы. В ней также приведены зависимости, полученные автором для расчета погрешностей контурной обработки, формирующихся при фрезеровании сложнопро-фильных деталей с различной ориентацией на столе станка. Их предлагается использовать в качестве информационной базы для определения погрешностей обработки, обусловленных процессом резания.

В четвертой главе представлен алгоритм прогнозирования и управления погрешностями обработки в зависимости от ориентирования сложнопрофильных деталей относительно координатной системы станка, предлагаемый впервые, а также практическая его реализация, позволившая уменьшить трудоемкость изготовления сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов.

Основываясь на проведенных исследованиях, автор выносит на защиту:

1. Математические модели:

- формирования погрешностей обработки сложнопрофильных маложестких деталей в зависимости от их ориентирования на столе станка;

- идентификации моделированного и полученного контуров.

2. Методику определения оптимальной ориентации сложно-профильной детали относительно координатной системы станка.

3. Информационную базу о контурных погрешностях, возникающих при фрезеровании сложнопрофильных маложестких деталей из алюминиевых сплавов.

4. Методику прогнозирования погрешностей обработки при проектировании технологического процесса обработки сложнопрофильных маложестких деталей.

5. Регламент корректировки условий проведения обработки сложнопрофильных маложестких деталей.

Работа выполнена в течении 1995-1999 годов на кафедре общеинженерных дисциплин Восточно-Сибирского института МВД России и в цехах Иркутского и Улан-Удэнского авиационных производственных объединений.

Результаты работы прошли апробацию на Улан-Удэнском авиационном производственном объединении.

1. Погрешности обработки сложнопрофильных деталей

1.1. Особенности изготовления сложнопрофильных деталей

В условиях современного производства, в частности, самолетостроении все большее распространение находят маложесткие детали, представляющие собой пластину подкрепленную как с одной стороны, так и с двух сторон и имеющие сложный контур в плане.

При существующих технологических процессах изготовления деталей такого типа встречаются серьезные затруднения, связанные с обеспечением точности обработки их контура в результате появления зарезов, недорезов, огранки, волнистости и т. д. [6,18,26,36,40].

Использование в конструкциях летательных аппаратов деталей рассматриваемого типа (рис. 1.1, 1.2) позволяет:

- реализовать в одной детали элементы силового набора и обшивки, а следовательно, и обеспечить требуемый аэродинамический контур;

- применить принцип блочной конструкции планера самолета, снижающего трудоемкость обработки и сборки его деталей;

- сократить количество конструктивных разъемов, а следовательно, повысить герметичность изделия;

- уменьшить количество основных и крепежных деталей при обеспечении высокой прочности и снижении веса агрегатов;

- снизить себестоимость изготовления изделий в серийном производстве;

Рис. 1.1. Кронштейн привода закрылка

Рис. 1.2. Носок

- повысить надежность и ресурс машин в эксплуатации.

Вместе с тем производство сложнопрофильных маложестких

деталей потребовало:

- реорганизации структуры авиационного производства в результате резкого повышения в общей трудоемкости объема механической обработки, которая для ряда изделий стала превышать 40% [2,4,40,74,78,83];

- пересмотра взглядов на технологию обработки;

- выпуска заготовок с габаритными размерами (100x3500x40000мм);

- создания прессов больших усилий, фрезерных станков с ЧПУ с рабочими размерами столов 4x40 м, другого крупногабаритного оборудования для термообработки, упрочнения, сборки и т.д.

Технологический процесс производства таких деталей, укрупнено, можно представить в виде следующей технологической цепочки: получение заготовки, ее термообработка, механообработка, операции по запиловки и зачистки. Основную трудоемкость изготовления детали при этом составляет механическая обработка (до 50%), сопровождающаяся снятием до 90% материала заготовки [40,85].

В качестве заготовок для сложнопрофильных маложестких деталей используют горячекатаные плиты, профили, а также полуфабрикаты, получаемые высокопроизводительными методами обработки давлением, литьем. В качестве материалов для изготовления деталей рассматриваемого типа используют алюминиевые сплавы, среди которых наибольшее распространение получили: ковочный сплав АК4-1; высокопрочный алюминиевый сплав В95; теплостойкие сплавы Д16 и Д19.

Полуфабрикаты или заготовки сложнопрофильных маложестких деталей, как правило, перед дальнейшей обработкой подвергают упрочняющей термической обработке, создающей требуемый уровень прочности свойств готовой детали.

Окончательные контуры детали формируют на стадии механической обработки. Для обработки сложнопрофильных деталей в настоящее время в авиационной промышленности используют парк специальных фрезерных станков с ЧПУ: 675П, 6Б75В, 6720В, 67К32ВФЭ, ФП-7, ФП-9, ФП-27МН, и др.

Фрезерование базовых поверхностей деталей, которыми в основном является полотно, осуществляют торцовыми фрезами больших диаметров, а внутреннего набора ребер жесткости, полок, а также контура детали - концевыми фрезами диаметром от 10 до 120 мм.

Припуск на обработку распределяется так, чтобы на первых проходах удалялась основная масса металла с оставлением 1...5 мм на чистовую операцию.

Режимы резания при этом составляют: ¿^=30...250 м/мин и 5=300... 1200 мм/мин. Чистовая обработка ребер и межреберных пространств детали производится раздельно, на подачах, исключающих отжим ребер и инструмента, и обеспечивающих достижение заданной точности и малой шероховатости поверхностей.

В ходе механической обработки на различных участках слож-нопрофильной детали возникают различные виды погрешностей в виде зарезов, недорезов, огранки, волнистости и т.д., приводящие к необходимости введения в технологический процесс дополнительных операций зачистки и запиловки, которые в общем балансе изготовления составляют до 18 %.

В настоящее время создался значительный разрыв между вы-

сокопроизводительной обработкой резанием на станках с ЧПУ и трудоемкими ручными операциями зачистки и запиловки, что не только повышает трудоемкость изготовления, но и крайне отрицательно сказывается на условиях труда исполнителей.

1.2. Погрешности обработки сложнопрофильных деталей

Вопросом возникновения погрешностей обработки сложно-профильных деталей, приводящих к появлению зарезов, недорезов, огранки, волнистости и т.д. посвящен целый ряд работ [1, 3, 12, 27, 28, 36, 48, 85, 105,108,109]. Анализ этих работ показал, что основными факторами, определяющими и влияющими на установление припусков при фрезеровании на станках с ЧПУ являются:

- деформация детали;

- погрешности технологической системы;

- погрешности настройки;

- точность обработки и качество поверхности;

- погрешность установки заготовки.

Как хорошо известно, все погрешности обработки сложнопрофильных маложестких деталей на программных фрезерных станках разбивают на две большие группы [103]. К первой относят систематические погрешности, ко второй - неповторяющиеся погрешности обработки, связанные с обработкой только данной детали, случайные.

Постоянно сопутствующие обработке сложнопрофильной детали систематические погрешности в соответствии с данными, приведенными в работе [10], представлены на круговой диаграмме (рис. 1.3).

погрешности фрезерования

1

8%

7

21%

2

4%

3

/г11%

6

21%

4

16%

5

19%

Рис. 1.3. Систематические погрешности обработки деталей:

1 - погрешности изготовления и фиксации приспособления на столе станка, не более 0,15мм; 2 - погрешности изготовления базовых элементов приспособления для фиксации и крепления детали -0,05...0,10мм; 3 - погрешности расчета программ в пределах точности счета до 0,25мм; погрешности чертежей и плазовой оснастки - 0,1...0,5мм; 4 - погрешности линейного расширения детали от температуры резания не более 0,3мм; 5 - погрешности за счет деформации изгиба - 0,2...0,5мм; 6 - погрешности линейной деформации остаточными напряжениями на 1 метр - 0,3мм; 7 - погрешности установи заготовки - 0,3мм [10,116]

Как отмечается авторами [37,49,54,61,103] систематические погрешности распространяются на все детали данной и последующих партий. Они требуют принятия немедленных мер по их устранению.

Случайные погрешности, как отмечалось выше, связаны с обработкой только данной детали. Возможные значения этих погрешностей в соответствии с работами [16,18,27,38,49] представлены на диаграмме (рис. 1.4).

Случайные погрешности непостоянны и у отдельных деталей партии имеют различную величину. Особенность проявления причин, вызывающих случайные погрешности, заключается в том, что они не поддаются точному прогнозированию и проявляют свое действие независимо друг от друга [56,103].

Для того, чтобы более наглядно представить точность обработки сложнопрофильных деталей составим баланс общей погрешности формообразования, используя вышепредставленные данные и результаты работ [9, 105, 106] (рис. 1.5).

Анализ общего баланса погрешности формообразования сложнопрофильных маложестких деталей показывает, что наиболее значимыми факторами, влияющими на точность их изготовления, являются погрешности, вызванные остаточными деформациями и погрешностями схемы базирования. Большое влияние схемы базирования обусловлено тем, что данная составляющая погрешность включает в себя:

- погрешности базирования;

- погрешности изготовления и фиксации приспособления на столе станка;

- погрешности установки-выверки;

- погрешности ориентирования.

случайные погрешности 4 фрезерования

9%

6 14%

7 17%

Рис. 1.4. Случайные погрешности обработки деталей:

1 - погрешность настройки исходной точки - 0,1...0,2мм; 2 -погрешность отработки команд системы - 0,05мм; 3 - погрешность кинематической схемы станка - 0,02мм; 4 - погрешности подготовки базовых элементов детали - 0,05...0,10мм; 5 - погрешность расчетного диаметра фрезы - 0,05...0.10мм; 6 - погрешность биения фрезы - 0,10...0,15мм; 7 - погрешность отжима фрезы 0,1...0,2мм; 8

- погрешности отжима обрабатываемой поверхности не более -0,15мм; 9 - погрешности за счет деформации детали при креплении

- 0,05...0,15мм [85]

Рассматривая контурную обработку маложесткой детали со сложным профилем, можно предположить, что баланс ее погрешностей будет значительно отличается от представленного на рисунке 1.5, т.к. в данном случае на точность обработки наибольшее влияние будет оказывать конфигурация контура детали и его расположение относительно координатной системы стола ста�