автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности и производительности механической обработки при изготовлении деталей из коррозионностойких сталей для перерабатывающих отраслей на станках с ЧПУ путем запрограммированного изменения подачи

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ,, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЗАРЕЗОВ Сергей Иванович

К 063.42.04

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ОТРАСЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ ПУТЕМ ЗАПРОГРАММИРОВАННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ПОДАЧИ.

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно - производственном

объединении восстановления деталей ВНПО "Ремдеталь".

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Каракозов Э.С.

Научный консультант - кандидат технических наук

Бобоюдо Л.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Султан-заде Н.М.

- кандидат технических наук доцент Лукичев В.Ф.

Ведущая организация - Московский экспериментальный завод

молочного оборудования "Молмаш"

Защита состоится 20 апреля 1992 года в __ часов на

заседании специализированного созета К 063.42.04 Московского станкоинструментального института по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мосстанкина. Автореферат разослан "_"__1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н. доцент

С.Б. Егоров

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

^ т 'АКТУАЛЬНОСТЬ. Современные машины для переработки сельско-

го,хозяйственной продукции содержат большое количество деталей, "имеющих плоский контур сложной формы. К ним относятся различные режущие органы (ножи волчков, шпигорезок, ножи куттеров, сетки, решетки), кулачки, копиры и многие другие детали. Эти детали являются основными рабочими органами машин и изготавливаются из высокопрочных коррозионностойких сталей марок 40X13 и 95X18 редко применяемых вмашиностроении. Требования по точности механической обработки также весьма высокие. На современном этапе развития основным средством механической обработки деталей, имеющих сложный контур, являются, прежде всего , фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ), эффективность применения которых зависит от полноты использования возможностей программного управления.

В то же время для процессов фрезерования хромистых коррозионностойких сталей отсутствуют нормативные рекомендации между режимами резания для станков с ЧПУ и способами обеспечения необходимой точности обработки на стадии подготовки управляющих программ. Это приводит ' к большой трудоемкости отладки управляющих программ, вызванной необходимостью их многократного перепрограммирования с целью подбора режимов резания для обрабатываемого материала с тем, чтобы обеспечить требуемую точность обработки, т.к. значительное влияние на точность обработки деталей оказывает силовая нестабильность процесса обработки концевыми фрезами, связанная с непрерывным изменением припуска.

В настоящее время, как правило, интуитивно, исходя из опыта разработчика управляющей программы, производится учет факторов силовой нестабильности протекания процесса резания, при этом постоянная подача назначается на значительный участок траектории для условий наибольшей глубины резания на нем, хотя технологические возможности станков с ЧПУ позволяют назначать рациональные режимы ре.зания на любом сколь угодно коротком участке контура детали. Зачастую, технолог-программист, для сокращения времени отладки, заведомо идет на занижение режимов резания с целью обеспечения точности и качества обрабатываемой поверхности, но при этом также снижается производительность процесса обработки. Это связано с отсутствием научно обоснованных нормативных материалов, которые учитывали бы связь количества рабочих ходов, глубины резания, подач и других режимных параметров с качеством и, прежде всего, с точностью обработки при изготовлении деталей из хромистых коррозионностойких сталей марок 40X13 и 95X18. Поэтому разработка рекомендаций по назначению оптимальных режимов резания, минимально необходимого количества рабочих ходов

для труднообрабатываемых сталей на стадии проектирования операций контурного фрезерования на станках с ЧПУ с целью обеспечения качественных показателей обрабатываемых деталей является актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение производительности при контурном фрезеровании высокопрочных хромистых коррозионностойких сталей концевыми фрезами за счет расчета минимального количества рабочих ходов и запрограммированного изменения подач на основе математических моделей управления точностью и производительностью.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

- исследование влияния изменяющихся геометрических параметров зоны резания на нестабильность составляющих силы резания;

- исследование влияния силовой нестабильности процесса контурного фрезерования на точность обработки;

- разработка методики определения минимального количества рабочих ходов и глубин резания для реализации запрограммированного управления подачи с целью повышения точности обработки в процессе контурного фрезерования деталей из труднообрабатываемых сталей;

- определение поправочных коэффициентов на режимы резания для хромистых коррозионностойких сталей мартенситного класса, применяемых для изготовления деталей оборудования перерабатывающих отраслей;

- разработка, производственная проверка и внедрение в производство режимов резания, учитывающих связь назначаемого количества рабочих ходов, глубин резания и' подач для хромистых коррозионностойких сталей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания металлов, законов механики, аналитической геометрии.

Достоверность полученных аналитическим путем результатов проверялась в лабораторных и производственных условиях по разработанной в диссертации методике. Вычисления, математическое моделирование и обработка результатов экспериментальных исследований проводились с использованием ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработка, на основе математического моделирования, методики расчета силового взаимодействия элементов технологической системы, закономерности. выбора минимального количества рабочих ходов, глубин резания и варьирования подачей вдоль обрабатываемого контура в зависимости от материала и геометрической формы поверхности с целью повышения точности обработки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ данной работы состоит в промышленном ее использовании, позволяющем сократить время отладки управляющих программ примерно на 30%, повысить в .1,5 - 2 раза точность получаемых размеров и формы обрабатываемой поверхности, а также 2

производительность обработки хромистых коррозионностойких сталей - на 10 - 30 %.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Результаты работы использованы при выполнении следующих хоздоговоров и госзаказов:

1. Хоздоговор N34-19 (1988 год) между ВНПО "Ремдеталь" и Мосгорагропромом "Технологическая подготовка производства по изготовлению на станках с ЧПУ деталей для заводов Мосгорагропрома".

2. Хоздоговор N231-19 (1989 год) между ВНПО "Ремдеталь" и Мосгорагропромом "Технологическая подготовка производства по изготовлению на станках с ЧПУ запасных частей к оборудованию перерабатывающих отраслей Мосгорагропрома".

3. Госзаказ N2.202-19 (1989-1990 гг.) Госкомиссии Совета Министров СССР по продовольствию и закупкам "Организация изготовления на станках с ЧПУ наиболее сложных деталей импортного производства оборудования перерабатывающих отраслей".

4. Хоздоговор N323-19 (1989 год) между ВНПО "Ремдеталь" и Ереванским опытным заводом "Изготовление на станках с ЧПУ деталей импортного оборудования для перерабатывающих отраслей".

5. На ремонтных заводах агропромышленного комплекса внедрены разработанные автором три сборника управляющих программ для изготовления запасных частей на станках с ЧПУ к двигателям СМД-14,17К, СИД-60 и шасси трактора Т-150.

6. Кафедрой технологии машиностроения ЧГТУ разработчиком двух последних справочников общемашиностроительных нормативов режимов резания и времени для станков с ЧПУ (издания 1982 и 1990 годов Госкомтруда СССР и издательство "Экономика") приняты для включения в новое издание справочника материалы по результатам настоящего исследования.

7. В техническом центре "Импортсервис" внедрение данной разработки при изготовлении на десяти фрезерных станках с ЧПУ деталей к оборудованию по переработке сельскохозяйственной продукции дало экономический эффект 78 тыс. рублей в год.

8. На ПРО "Архремлестехника" при изготовлении на двух фрезерных станках ГФ2171 деталей к оборудованию перерабатывающих отраслей внедрение данной разработки дало годовой экономический эффект 16 тыс. рублей.

9. Основные положения данной работы использовались при подготовке технологов - программистов на станках с ЧПУ агропромышленного комплекса, проходивших обучение в ВНПО "Ремдеталь".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались в г. Пятигорске в 1988 году на научно - технической конференции стран членов СЭВ "Современное оборудование в

3

технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин", "Ремдеталь-88", на научно-технических конференциях ВНПО "Ремдеталь" в 1986 - 1991 гг., а также на кафедре "Технология машиностроения" ЧГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 114 наименований и 13 приложений на 50 страницах. Общий объем работы 217 страниц.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И СИЛОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ.

Оборудование перерабатывающих отраслей состоит из деталей, точность обработки которых влияет на эффективность работы машин и качество выпускаемой пищевой продукции. Для большинства машин, работающих в перерабатывающих отраслях промышленности, характерным является использование большого количества деталей, имеющих плоский контур сложной формы, обработка которых наиболее производительно достигается на фрезерных станках с ЧПУ. Эффективность применения станков с -ИПУ зависит от полноты использования возможностей программного управления. Контур применяемых на этих операциях заготовок, как правило, не совпадает по форме с контуром готовой детали. В связи с этим происходит изменение в широких пределах припуска на обработку вдоль контура детали. Причем колебание припуска приводит к значительному колебанию силы резания, что обуславливает большие погрешности обработки. Однако учет факторов силовой нестабильности протекания процесса резания производится, в основном, исходя из субъективного опыта технолога-программиста. Для сокращения времени отладки программы технолог, как правило,идет на заведомое занижение режимов резания с целью гарантированного получения необходимой точности и качества обрабатываемой поверхности. В результате снижается производительность процесса обработки. При этом необходимо иметь в виду, что станки с ЧПУ имеют технологические возможности, которые позволяют назначать оптимальные режимы резания на любом участке контура детали. Эти возможности практически не используются. Решение задачи повышения точности и производительности обработки деталей на станках с ЧПУ сдерживается из-за отсутствия соответствующих рекомендаций по выбору количества рабочих ходов, глубин резания и подач. 4

Анализ литературных источников показывает, что четкой количественной связи между рабочими ходами и глубиной резания с условиями обработки и требованиями к ее качеству не имеется. В го же время глубина резания является исходным требованием при выборе подачи и скорости резания; а количество рабочих ходов влияет на величину основного времени.

Вопрос формирования погрешностей и достижения точности обработки рассмотрен в целом ряде работ. К ним следует отнести работы ß.C. Балакшина, B.C. Корсакова, A.A. Маталина и некоторых других советских ученых. Как показывают исследования, одной из главных составляющих погрешности обработки на операциях контурного фрезерования является погрешность от упругих перемещений элементов технологической системы. Однако применение эмпирических зависимостей не позволяет создать гибкую и универсальную модель процесса резания для управления режимом обработки.

Отсюда вытекает вывод о необходимости разработки математической модели управления, основанной на аналитических силовых зависимостях,наиболее полно отражающих физический процесс взаимодействия инструмента и детали и связывающих режимные параметры обработки с точностными показателями детали в широком диапазоне переменных.

Для решения поставленной задачи была разработана методика теоретических и экспериментальных исследований данной работы. Проведено теоретическое исследование влияния изменения геометрических параметров зоны резания на силы резания.При выводе силовых зависимостей за основу приняты разработанные профессором С.Н. Корчаком аналитические связи между режимами обработки и силами резания,' развитые для условий фрезерования в работах Цуканова и Колесникова.

Для обработки сложных криволинейных контуров на станках с ЧПУ нашли широкое применение концевые фрезы. При обработке ими происходит непрерывное изменение параметров зоны резания, прежде всего - толщины срезаемого слоя, положения и длины активной части режущих кромок. Это вызвано не только влиянием сложной конфигурации обрабатываемых деталей, но и переменностью сечения среза при вращении фрезы.

Толщина срезаемого слоя определяется^ как расстояние между последовательными положениями траектории движения точек двух соседних зубьев фрезы, измененное в сечении, перпендикулярном к режущей кромке. Что касается положения и длины активной части режущей кромки каждого зуба, то они характеризуются значениями границ f)i и Т21 угла, контакта с припуском. В работе получены зависимости для расчета углов fl и гг между нормалью к обработанной поверхности и крайними точками

5

пересечения лезвия фрезы с припуском, определяющих положение и длину активной части режущих кромок в любой момент поворота фрезы.

В работе представлении рассчетные схемы определения границ контакта режущей кромки фрезы с .¡-тым элементом припуска для случаев встречного и попутного фрезерования концевой праворежущей фрезой с правым направлением спирального зуба, а также угла контакта фрезы и детали для вогнутых и выпуклых участков контура.

Поскольку процесс фрезерования концевыми фрезами характеризуется значительной нестабильностью составляющих силы резания Рх, Ру и Рг, ■ то на характер их изменения наибольшее влияние оказывает изменение угла контакта фрезы с припуском, обусловленное переменностью припуска и радиуса обрабатываемых участков контура.

Для расчета составляющих силы резания в работе использована методика Колесникова, которая разработана на основе закона механики о равенстве активных и реактивных сил (сил резания и сил сопротивления обрабатываемого металла) и основных законов теории пластичности.

В соответствии с указанной методикой определены зависимости составляющих силы резания Рг, Ру и Рх, действующие на фрезу в целом. Кроме того, получены зависимости для расчета составляющих силы резания, действующих в плоскости получаемых размеров по нормали Рн и по касательной Рт к обрабатываемому контуру. В них учтены непрерывно изменяющиеся геометрические параметры зоны резания и все другие параметры, влияющие на силы резания.

В.общем виде эти зависимости выглядят следующим образом:

т Ь' ы

1-1 «Ри

+0,126 ?з X [(б/п^-^пТ^^^ф М!-^,)]! •

¡=1 1' (1)

1=) % А % г

+0,126 Рз X [±(<ш ^-ЯМ/}]}.

¡=1 1

объеме деформиру-

Условные обозначения: О - диаметр фрезы;

0>1 - интенсивность напряжений в движущемся

емого металла; Шф- угол наклона винтовой режущей кромки; Бг - подача на зуб; 0 - угол действия; 01- угол сдвига;

1з - длина площадки износа зуба по задней поверхности; /Ч - коэффициент трения инструмента о деталь; ш - количество одновременно работающих зубьев.

При отработке силовых зависимостей на ЭВМ получены

количественные резания. На зависимостей

величины и графики изменения составляющих силы основе разработанных аналитических силовых проьедено теоретическое исследование влияния

нестабильности силы резания на погрешности от колебаний упругих перемещений технологической системы. Итогом исследования явились аналитические зависимости для определения подачи, которые вошли в математическую модель управления процессом резания в качестве технологического ограничения по точности обработки.

Проведенные затем экспериментальные исследования по динамометрированию сил резания показали, что полученные зависимости Pn и Рг адекватно отражают влияние изменяющихся параметров процесса резания на составляющие силы резания (в качестве примера на Рис.1 приведен один из графиков теоретического и экспериментального изменения сил от угла поворота фрезы. Отклонения не превышают 10%).

Pn,H 1000

600 600 400

200 0

Рис.1 График изменения силы Рп от угла поворота фрезы.

Sz=o№

г

//\ .Sz=0.03M

1 i 3 6 54

Г

Из практики известно, что при обработке на фрезерных станках с ЧПУ концевыми фрезами по управляющей программе плоских

7

деталей, контур которых образован отрезками прямых и дуг, на каждом из участков с различной кривизной возникают различные отклонения формы. В связи с переменностью отклонений действительной формы от номинальной происходит и изменение отклонений размеров в направлении нормали к обработанной поверхности. Доминирующее влияние на точность обработки оказывает погрешность от упругих перемещений технологической системы, которая при обработке криволинейных контуров достигает 0,5...1,2 мм.

В . общем случае на колебание силы резания оказывает влияние ряд систематически изменяющихся и случайных факторов (износ инструмента, тепловые деформации технологической системы, переменный припуск, изменение твердости). В итоге происходит искажение заданной по управляющей программе траектории перемещения обрабатываемой детали относительно режущего инструмента. Однако основная доля в суммарной погрешности обработки приходится на упругие перемещения технологической системы, которые приводят к изменению расстояния между центром фрезы и центром окружности обрабатываемого участка детали на величину Дг .

Отклонение каждой точки контура Дг с учетом угла поворота £\и) фактического радиуса - вектора точки контакта фрезы и детали по отношению к теоретическому с учетом подстановок соответствующих зависимостей имеет вид:

где Кб, Кз, Кг - коэффициенты, учитывающие влияние на погрешность обработки соответственно подачи на зуб и площадку износа по задней поверхности зуба фрезы, а также радиуса обработанного участка контура;

¿и - жесткость технологической системы в нормальном направлении к обрабатываемому контуру; б?/ - интенсивность напряжений;

Указанные выше коэффициенты определяются по следующим формулам:

Кз~-д.\26 ¿[(sin^-smk/lcosùûcp (cosVi-œsWijl;

Kr=cos''[ardq( дк± ^ ± д N H-

Значительное изменение глубины резания в пределах обрабатываемого контура вызывает необходимость управления упругими перемещениями для повышения точности обработки. Компенсацию постоянной погрешности обработки можно производить коррекцией размера статической настройки. Таким образом, управление упругими перемещениями технологической системы сводится к управлению переменной составляющей А =Дгтах — Агшш . Если рассматривать обработку одной детали, то величина Д характеризует отклонение формы заданного профиля, если партии деталей - поле рассеяния погрешностей обработки вдоль нормируемого участка контура.

Для расчета погрешности контура детали А получена следующая зависимость:

д=

D

si пи)ф

[Sz

КзI Kbi ô\mt

jmin

Кзг Kr2 ô\ min jmax

+

Кз) Kbi (6imax bmax _ Кзг Kné\min h min jmin Jmax

(2)

Условные обозначения:

ôimin > éittiCM ~ предельные в партии деталей значения интенсивности напряжений в движущемся объеме деформируемого металла; l3min, 1зшах - фаска износа по задней поверхности соответственно острозаточенной и предельно изношенной фрезы; jmin, jmax - минимальная и максимальная жесткость технологической системы в плоскости получаемых размеров; Ksi, К31 <KrI ~ величина коэффициентов, определяемая для

участков детали с максимальной глубиной резания. К£2> Кз2 > К(?2 ~ величина коэффициентов, определяемая для участков детали с минимальной глубиной резания. Проведенные расчеты по формуле, выведенной для Д показали, что влияние колебания глубины резания на погрешность

обработки изменяется с изменением минимальной и максимальной глубины резания. Таким образом, создаются возможности для решения вопроса о рациональном распределении припуска по рабочим ходам для достижения точности при многопроходной обработке.

Согласно разработанной методики было проведено математическое моделирование силового взаимодействия инструмента и детали, влияние нестабильности силы резания на точность обработки, определение геометрических параметров зоны резания при фрезеровании прямолинейных и радиусных участков контура. Выполнен также аналитический расчет составляющих силы резания и анализ их изменения при фрезеровании сложных контуров, экспериментальная проверка адекватности силовых зависимостей, а также определены погрешности от упругих перемещений технологической системы при контурном фрезеровании.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ. РАЗРАБОТКА

НОРМАТИВНЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО НАЗНАЧЕНИЮ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И

ВНЕДРЕНИЕ ИХ В ПРОИЗВОДСТВО.

Далее в работе рассматриваются вопросы управления основными параметрами режима резания для повышения точности обработки и, прежде всего, скоростью движения подачи, приводятся данные экспериментальной проверки адекватности математической модели управления, исследуется выбор количества рабочих ходов, глубин резания и подач с учетом точности обработки, даются рекомендации о проектировании технологического процесса обработки деталей с использованием метода динамического программирования.

На практике нашли применение два метода уменьшения погрешности путем коррекции размера статической и динамической настройки..При обработке деталей на станке с ЧПУ целесообразно комплексное использование обоих методов. Стабилизация упругих перемещений технологической системы заключается в обеспечении величины их колебаний в пределе нормируемого участка контура в диапазоне [Д2тш ;Д2тсм]. Вместе с тем для реализации управления погрешностями от колебаний ' упругих перемещений необходимо получить математическую модель, отражающую влияние подачи на величину возникшей погрешности.

Требованию адекватности реальному процессу обработки отвечает математическая модель, разработанная на баое аналитических зависимостей и связывающая между собой режимные параметры процесса резания и точностные показатели готовой детали в практически любом диапазоне варьирования переменных. За основу при выводе такой модели может быть использована зависимость (2), полученная путем аналитического расчета составляющих силы резания, жесткости технологической системы и погрешности 10

обработки от колебаний упругих перемещении системы.

Таким образом, математическая модель управления подачей имеет следующий вид:

Ку^Ш^Ф [КЗ1 Ы&таЛтт _ К12 Км&Мп 2зт Р у _Лшах .

(з)

Кб1 К ж бтм КБ2 Кп2&1т'т

Jmin

Jmax

где Ку - коэффициент, учитывающий долю погрешностей от колебаний упругих перемещений технологической системы в общем балансе погрешностей обработки. Его величина зависит от конкретной технологической системы и теоретически может изменяться в пределах от 0 до 1; б - допуск размера.

Такая модель позволяет рассчитать подачу для любого участка контура, исходя из величины максимального и минимального припуска на обработку, колебания механических свойств обрабатываемого материала, изменения степени износа инструмента, колебания жесткости технологической системы, допустимой погрешности обработки.

На основе зависимости (3) разработан алгоритм и составлена рабочая программа для ЭВМ по определению степени изменения подачи при контурном фрезеровании деталей сложной формы. Алгоритмом предусмотрена выдача рекомендаций по рациональному делению обиабатываемого контура на участки, внутри которых подача может оставаться неизменной. Были разработаны графики изменения подачи для обеспечения постоянства величины упругих перемещений технологической системы в зависимости от глубины резания при различных условиях обработки.

Для определения работоспособности разработанной математической модели (3) управления точностью обработки контуров концевыми фрезами были проведены соответствующие эксперименты, состоявшие из двух серий опытов (Рис.2). В каждой серии опытов обрабатывались партии деталей с переменным припуском, колеблющимся от 1 до 9 мм (Рис.2.а). В первой серии партия деталей обрабатывалась с постоянной подачей Бг = 0,10 мм/зуб, выбранной по нормативам (Рис.2.б). Во второй серии партия деталей обрабатывалась с переменной подачей, где обрабатываемая поверхность детали была разбита на три участка и для каждого из них расчитывалась подача на зуб, - обеспечивающая одинаковую величину погрешности от колебания упругих перемещений технологической системы Бг1 = 0,40 мм/зуб, Бг2 - 0,20 мм/зуб и БгЗ = 0,10 мм/зуб, (Рис.2.в).

Проведенные замеры в первой серии показали, что величина упругих перемещений технологической системы находится в прямой

Эскиз снимаемого припуска и возникающей погрешности обработки

Аь. мки

400 \ 300 200 <001

0

мкм

400'

300

200

Ю0 0

йг. мкм

Ю0 0

N-1

СП

С = Л/Ж Ог Ц13уя

5*2=0,20 ££

I

5гз=0,Ю^г

а

5

1 - поверхность детали; 2 - поверхность заготовки; а - эскиз снимаемого припуска; б - погрешность обработки при работе с постоянной подачей; в - погрешность обработки при работе с переменной подачей; г - погрешность обработки при работе с переменной подачей и коррекцией размера статической настройки. 12 Рис. 2

зависимости от глубины резания, а погрешность от колебаний этих перемещений зависит также и от величины колебания припуска в пределах рассматриваемого участка контура. Сопоставляя результаты теоретических значений и экспериментальных исследований, приходим к выводу, что они подтверждают адекватность зависимости

Во второй серии при обработке партии деталей с переменной подачей значения погрешностей от колебаний упругих перемещений технологической системы на каждом участке контура стабилизируются, не превышая допуска. После введения коррекции размера статической настройки на величину, соответствующую минимальному отжиму инструмента от детали, погрешность обработки вдоль всего контура детали не превышает допуска (Рис.2.г). Таким образом, эксперименты доказали, что управление подачей, согласно аналитическому расчету, в совокупности с коррекцией размера статической настройки позволяет повысить производительность обработки в 1,5...2 раза при обеспечении заданной точности.

Одной из основных задач технолога-программиста при проектировании технологического процесса обработки деталей является обеспечение требуемой точности обработки с минимальными затратами основного времени. В связи с этим, количество уточняющих рабочих ходов инструмента определяется величиной припуска и точностью изготовления детали. Что касается величины припуска, то она зависит от точности заготовок.

При многопроходной обработке возникает проблема выбора оптимального количества рабочих ходов и распределения припуска по рабочим ходам. Однако, при решении этой проблемы, кроме ограничений по точности и шероховатости, учитывались технические и технологические ограничения (по прочности зуба и тела фрезы, по прочности механизма подачи станка, размещаемости стружки в стружечных канавках, мощности привода главного движения резания). Необходимо отметить, что ограничения, которые учитывают возникающие силовые нагрузки, определялись по формуле (1) с использованием аналитических силовых зависимостей.

При определении режимов резания главным критерием оптимальности является себестоимость технологических операций. К ее снижению приводит, прежде всего, повышение производительности обработки за счет уменьшения 'основного времени. Для этого принималось следующее уравнение:

(2).

I

где пк - частота вращения шпинделя; Бк - подача на оборот фрезы;

к - номер рабочего хода. На Рис.3 в виде матрицы с числом столбцов N и числом строк М изображен массив возможных состояний обрабатываемой заготовки. Параметры, определяющие состояние зоготовки в каждой точке массива, приведены в таблице 1. Возможные схемы обработки детали изображаются на рисунке в виде ломаной линии, проходящей через вершины графа и соединяющий точки А и 0, соответствующие заготовке и готовой детали.

Следовательно, задача выбора оптимального количества рабочих ходов фрезы, глубин резания и подач сводится к отыскания кратчайшего по времени пути из начальной вершины графа A(N,M) в конечную вершину 0 (0,0).

Д^я решения поставленной задачи могут быть использованы различные математические методы оптимизации. Однако наиболее приемлемым представляется метод динамического программирования.

В общем виде уравнение динамического программирования при контурном фрезеровании выглядит следующим образом:

М

где Т14 — время кратчайшего пути из начальной вершины графа — в вершину с координатами (1,^); 'Та[г ~ время пути из вершины с координатами (1,к) в вершину ^ с координатами (1,о). ^ Расчет по этой формуле ведется при начальном условии I - 0 . Само уравнение называют функциональным уравнением динамического программирования.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ МАРОК 40X13 и 95X18. ПОЛУЧЕНИЕ ПОПРАВОЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ НА ПОДАЧУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАРКИ СТАЛИ.

Для исследования обрабатываемости различных марок сталей, согласно закона теории пластичности, необходимо определить интенсивность напряжений в движущемся объеме деформируемого металла (э\ . Эта величина определяет действительное сопротивление процесса резания и зависит от величины деформаций е , скорости деформаций <5 и температуры Т° деформируемого металла. В итоге она характеризует свойства конкретного материала оказывать соответствующее сопротивление пластическим деформациям, присущим процессу резания.

Однако в данной работе для исследования обрабатываемости

Птах

м

А

Л / 1 / >;—/

/у / у

N й

Рис. з

Схема выбора оптимального варианта построения, операции. 1 - обработка за один рабочий ход; 2 - обработка за два рабочих хода; 3 - обработка за три рабочих хода.

Параметры, определяющие состояние заготовки.

Таблица 1

Состояние заготовки

Начальное (до обработки)

Проме суточное

Эскиз состояния заготовки

АзШ

Координа та точки на схеме (см.Рис. 2)

(Н,М)

и,Л

Величины параметров

Припуск наибольший, мм

Пмах

Пмах

Припуск наименьший, мм

Пм1п

Пм1п

Допуск на размер обработанных • участков контура, мм

5-.

Конечное (после чистовой обра ботки)

АЩ.

(0,0)

сталей определялось не значение , а нормальная составляющая силы резания Рп для каждой марки стали.Это позволило не проводить трудоемкие и сложные действия по определению значений (¿>\ для каждой стали, а через динамометрирование сил, где уже сказывается влияние интенсивности напряжений, определить поправочные коэффициенты на подачу при обработке сталей 40X13 и 95X18.

Эксперименты проводились на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ модели ГФ2171 с устройством ЧПУ 2С42-65. Универсальным динамометром модели УДМ-600 конструкции ВНИИ производилось измерение сил. Сигнал, снимаемый с динамометра, усиливался тензометрическим усилителем УТЧ-1. Величина нормальной составляющей силы резания и характер ее изменения за каждый оборот фрезы регистрировался с помощью светолучевого осциллографа К-121.

По результатам экспериментов были получены нормальные составляющие силы резания для сталей 40X13 и 95X18, которые сравнивались с нормальной составляющей силы резания при обработке конструкционной стали 45. Графики изменения этих сил показаны на Рис.4.

Pn,H . О -300 -600 -900 -1200 -т

Рис.4. Графики изменения нормальной составляющей Рп силы резания при встречном фрезеровании образцов из стали 45, 40X13 и 95x18.

Исходя из результатов, полученных экспериментальным путем, были расчитаны поправочные коэффициенты на подачу при обработке этих сталей. В таблице 2 приведены значения этих коэффициентов.

Методика назначения количества рабочих ходов, глубин резания, режимов резания позволяет обеспечить требуемую точность обработки поверхностей детали из сталей 40X13 и 95X18 при минимальных затратах основного времени. По результатам расчетов разработаны таблицы количества стадий обработки, глубин резания и подач для каждой стадии, а также поправочные 16

Таблица 2

Марка ! Рп (динамометрическая) ! Поправочные коэффициенты на стали ! Н ! подачу

сталь 45 !

!

40X13 !

95X18

1050 1380 1440

1,0

0,7 0,6

коэффициенты на подачи для сталей 40X13 и 95X18, которые включены в проект новых общемашиностроительных нормативов режимов резания для станков с ЧПУ, а также в режимный блок САПР операций контурного фрезерования.

В работе приведены конкретные примеры реализации результатов исследования.

На основе разработанной математической модели комплексного управления параметрами режима резания, обеспечивающей стабилизацию погрешностей обработки, решена задача повышения точности обработки при контурном фрезеровании из хромистых коррозионно-стойких сталей мартенситного класса на станках с ЧПУ. Это нашло практическое использование при изготовлении деталей для оборудования перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса.

В техническом центре "Импортсервис" внедрение данной разработки при изготовлении на десяти фрезерных станках с ЧПУ дало экономический эффект 78 тыс. рублей в год.

На ПРО "Архремлестехника" при изготовлении на двух фрезерных станках ГФ2171 деталей к оборудованию перерабатывающих отраслей внедрение разработки дало годовой экономический эффект 16 тыс. рублей.

Методика выбора оптимального количества рабочих ходов, глубины резания и подач, разработанная на основе аналитических зависимостей, реализована в качестве режимного блока САПР для контурного фрезерования.

Разработанная математическая модель также может быть применена в системах адаптивного управления станков с ЧПУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в данной работе, позволили повысить производительность и точность-механической обработки при контурном фрезеровании коррозионностойких хромистых сталей мартенситного класса марок 40X13 и 95X18 на станках с ЧПУ для изготовления деталей

17

оборудования перерабатывающих отраслей.

Выводы по работе:

1. Установлена взаимосвязь между размерами и формой обрабатываемой поверхности и геометрическими параметрами зоны резания и получены зависимости, позволяющие определять положение и длину активной части режущих кромок фрезы в любой момент поворота зуба для попутного и встречного фрезерования, различных форм и размеров поперечного еечения припуска.

2. Получены аналитические зависимости для определения составляющих силы резания при фрезеровании концевыми фрезами с учетом непрерывно изменяющихся геометрических параметров зоны резания.

3. Разработаны аналитические зависимости определения величины упругих перемещений технологической системы и погрешности от колебаний упругих перемещений технологической системы, учитывающих взаимное влияние переменных составляющих силы резания, действующих в плоскости получаемых размеров. Определена математическая модель управления режимами резания с целью повышения точности обработки плоских контуров.

4. Разработанная физическая зависимость используется в режимных блоках системы автоматизированного программирования и в алгоритмах работы устройств ЧПУ на базе микроЭВМ в виде программы непрерывного управления подачей.

5. Экспериментально определена разница в обрабатываемости сталей 40X13 и 95X18, для которых и разработана таблица поправочных коэффициентов на подачу из условия получения одной точности обработки.

6. Выявлены критерии выбора количества рабочих ходов и распределения припуска между ними, которые учитывают весь комплекс технических и технологических ограничений на режимы резания, а также разработана методика назначения количества рабочих ходов, глубин резания и подач для операций контурного фрезерования на станках с ЧПУ.

7. Разработанные по результатам настоящего исследования нормативы режимов резания приняты для включения в проект нового издания справочника общемашиностроительных нормативов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бобоюдо Л.М., Зарезов С.И. Изготовление на станках с ЧПУ ремонтных деталей. / Тезисы докладов на научно-технической конференции стран - членов СЭВ "Современное оборудование и технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин" "Ремдеталь-88" (17-21 октября 1988г., г. Пятигорск Ставропольского края). - М.: АгроНИИТЭИИТО, 1988. С. 64.

2. Бобоюдо Л.М., Зарезов С.И. Ремонтные детали. Изготовление 18

на станках с ЧПУ. Дизель СМД-14,17. - М.: Тип. ГОСНИТИ, 1989.

- 147 с.

3. Бобоюдо Л.М., Зарезов С.И. Ремонтные детали. Изготовление на станках с ЧПУ. Дизель СМД - 60. - И.: Тип. ГОСНИТИ, 1989.

- 112 с.

4. Бобоюдо Л.М., Зарезов С.И. Ремонтные детали. Изготовление на станках с ЧПУ. Шасси трактора Т-150. - М.: Тип. ГОСНИТИ, 1989. - 114 с.

5. Зарезов С.И. Аналитический расчет составляющих сили резания при фрезеровании сложных контурных поверхностей при изготовлении деталей оборудования перерабатывающих отраслей. // М.: Тип. ГОСНИТИ, Труды ГОСНИТИ - 1991. - Т.92.-С 52'СС

6. Зарезов С.И. Выбор количества рабочих ходов, глубин резания и подач с учетом точности обработки при контурном фрезеровании на станках с ЧПУ деталей оборудования перерабатывающих отраслей. // М.: Тип. ГОСНИТИ, Труды ГОСНИТИ - 1991. - Т. 92- С. 45-51.

7. Зарезов С.И. Повынение точности обработки деталей перерабатывающих отраслей, имеющих сложный контур, на станках с ЧПУ. // М.: Тип. ГОСНИТИ, Труды ГОСНИТИ - 1991. - Т.90. - С. 31-37.