автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности изготовления ходовых винтов путем применения адаптивной системы

На правах рукописи

ЦЕЙТЛИН Лазарь Израилевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОДОВЫХ ВИНТОВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.02.08 - технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом университете.

Научный руководитель: д. т. н., проф. С. Л. Мурашкин

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. Е. А. Воробьев

к. т. н., доц. А. Б. Чижевский

Ведущая организация: АООТ «Ленполиграфмаш», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 28 мая 1996 г. на заседании диссертационного совета Д 063.38.16 Санкт-Петербургского государственного технического университета в 16 часов, в ауд. 41, I учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГТУ.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу*. 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29, ученому секретарю диссертационного совета Д 063.38.16 И. А.Сенчило.

Автореферат разослан_апреля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 063.38.16, к. т. н., доц. И. А. СЕНЧИ/10

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с экономическими принципами, изготовление изделий заданного качества должно производиться с наименьшими затратами труда, в заданные сроки и в количестве, определенном объемом выпуска.

Надежное обеспечение установленных техническими требованиями параметров изделия и заданного уровня экономических показателей производства является основной комплексной задачей проектирования технологических процессов.

Необходимым условием обеспечения надежности работы является устойчивость движения элементов технологической системы.

Вопросы надежности проектных решений приобретают особое значение в связи с возрастающими требованиями к точности деталей.

Значительное уменьшение величины погрешности и ее рассеивания достигается применением адаптивных систем, управляющих точностью механической обработки. Однако эффективное использование таких систем при лезвийной обработке, особенно при обработке нежестких заготовок, крайне затруднено. Это связано с высоким уровнем помех при измерении некоторых параметров, связанных с наличием СОЖ и стружки, с низкой жесткостью и виброустойчивостью самих адаптивных систем. Сказанное определяет актуальность проведения работ в этом направлении.

Настоящая работа посвящается разработке и исследованию методов и средств, обеспечивающих устойчивость движения технологической системы и повышение точности токарной обработки ходовых винтов, типичных представителей нежестких деталей.

Цель работы. Разработка практических мер повышения устойчивости движения технологической системы и в результате этого повышение производительности и надежности токарной обработки ходовых винтов, а также определение возможности повышения точности рассматриваемого процесса обработки путем применения адаптивной системы управления точностью.

Методика исследований.Определение параметров расчетной математической модели исследуемой технологической системы осуществлялось на базе общепринятых методов исследования динамики станков.

Исследование нелинейных колебаний выполнялось аналитическим методом, а также графическим методом с использованием фазовой плоскости. Устойчивость движения колебательных контуров определялась по типу особых точек.

Экспериментальная проверка полученных результатов и расчетных данных троводилась в лабораторных и цеховых условиях.

Расчет амплитудно- и фазово-частотных характеристик неавтономной технологической системы, получение эмпирических зависимостей проводились с помощью ЭВМ. Эффективность применения адаптивной механической системы оценивалась с использованием показателя повышения точности-уточнения.

Научную новизну работы составляют:

1. Математическая модель технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы на длинных ходовых винтах резцом методом последовательных проходов.

2. Эмпирические формулы, определяющие зависимости составляющих силы резания при нарезании трапецеидальной резьбы резцом от режимов резания для различных схем формирования профиля резьбы.

3. Установление влияния на условия возникновения и интенсивность автоколебаний схемы формирования профиля трапецеидальной резьбы.

4. Методика повышения виброустойчивости технологической системы при токарной обработке нежестких ходовых винтов.

5. Границы области устойчивости движения технологической системы в зависимости от технологических параметров процесса резания без использования и с использованием адаптивной системы регулирования точности.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Предложены конструкции виброустойчивого подвижного люнета и динамического гасителя колебаний, установлены их рациональные параметры и наивыгоднейшие их положения в технологической системе.

2. Разработан алгоритм поиска граничных значений технологических параметров, обеспечивающих устойчивое движение технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы.

3. Предложены механические устройства для адаптивного управления точностью обработки и алгоритм определения их конструктивных и настроечных параметров, позволяющие значительно повысить точность размеров, формы и взаимного расположения обрабатываемых элементов детали.

Промышленная реализация работы. Производственные рекомендации и мероприятия по повышению виброустойчивости токарной обработки нежестких валов с использованием механической адаптивной системы внедрены на АООТ «Ленполиграфмаш» с годовым экономическим эффектом 85 млн. руб.

Апробация работы.Основные разделы докладывались на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СПб ГТУ, на краткосрочном семинаре Ленинградского дома научно-технической пропаганды в 1985 г., на Всероссийской конференции «Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе» (Владимир, 1995 г.), на Российской научно-технической конференции «Перспективные технологические процессы обработки материалов» (С.-Петербург,

1995).

Публикации. Основные результаты работы изложены а трех печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и заключения, изложена на 223 страницах, включая: 23 таблицы,

76 рисунков, список литературы из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе краткого анализа проблемы обоснована необходимость проведения исследований, направленных на повышение эффективности процесса изготовления ходовых винтов путем применения механических адаптивных систем и обеспечения устойчивости движения технологической системы.

В первом разделе проводится анализ методов и средств обеспечения точности изготовления ходовых винтов, являющихся ответственными деталями станков и во многом определяющим их качество.

' Анализ широко распространенных конструкций ходовых винтов показывает, что основными технологическими задачами являются обеспечение точности диаметральных размеров, точности шага резьбы, точности профиля резьбы, точности размеров и форм опорных шеек винта, перпендикулярности опорных шеек буртиков к оси вращения ходового винта, точности толщины нитки резьбы.

С целью выявления доминирующих погрешностей и технологической наследственности были проанализированы точечные диаграммы, построеные по результатам токарных и шлифовальных операций обработки валов. Для этого на различных заводах были обследованы свыше 300 деталеопераций. В результате анализа точечных диаграмм были сделаны выводы, важнейшими из которых являются следующие:

- часть операций, особенно при токарной обработке заготовок с неравномерными припусками характеризуется значительными случайными погрешностями, которые могут превышать поля допусков;

- существует достаточно тесная связь между точностью заготовок и точностью токарных операций (коэффициент корреляции п0,7);

- повышенный разброс размеров после точения приводит к повышенным припускам при шлифовании и вследствие этого к снижению производительности шлифовальных операций (до 30...35%);

- в конце обработки партий деталий наблюдается значительное возрастание полей рассеивания случайных погрешностей вследствие влияния износа режущего инструмента на силы резания;

- основными причинами низкой надежности и недоиспользования

возможностей оборудования является нестабильность входных параметров заготовок (припусков и твердости), несовершенство методов размерной наладки, влияние нежесткости станочного оборудования и износа режущего инструмента (погрешности от упругих дефомаций системы могут составлять до 80% от суммарной погрешности);

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что при неполной исходной информации для технолога пока наиболее эффективным методом регулирования точности является адаптивное управление процессом резания. Под термином «адаптивное управление» понимается автоматическое управление, изменяющее в процессе обработки детали один или несколько параметров резания и, независимо от действия возмущающих факторов, обеспечивающее получение желаемых выходных параметров процесса резания. Вопросам, связанным с разработкой и созданием системы адаптивного управления (САУ) при точении посвящены работы Б. С. Балакшина, В. Н. Подураева, Б. М. Базрова, Ю- М .Соломенцева, В. Г. Митрофанова и других исследователей.

Анализ результатов применения САУ на промышленных предприятиях показывает, что они выполняют свои функции, но их эффективность значительно ниже расчетной. Это объясняется тем, что при практической реализации потенциальных возможностей САУ современная техника вынуждена считаться с рядом сдерживающих факторов, а именно: недостаточной надежностью оборудования и средства автоматизации (нет надежно работающих датчиков, обеспечивающих измерения детали в зоне резания, и станков имеющих системы, необходимые для автоматического управления); наличием случайных составляющих в управляемых процессах; сложностью законов взаимодействия объектов системы с внешней средой и отсутствием полной информации о технологическом процессе.

Учитывая сдерживающие факторы при создании САУ и анализ литературных источников можно отметить, что наиболее рациональными являются механические автономные САУ, т. е. САУ не требующие модернизации и сложной переналадки существующего оборудования.

Создание САУ, стабилизирующих выходные параметры процесса резания, является перспективным направлением, так как они позволяют компенсировать большинство составляющих суммарной погрешности механической обработки. Некоторые из этих систем являются объектом исследования настоящей работы.

Реализация запроектированных оптимальных условий любых технологических процессов обработки резанием возможна только при обеспечении устойчивого (без автоколебаний) резания. Проблема устойчивости движения технологических систем особенно актуальна при изготовлении нежестких деталей, каковыми являются ходовые винты, а также при использовании вышеупомянутых механических автономных систем автоматического регулирования, обладающих

пониженной жесткостью в определенных координатных направлениях.

Проведенный анализ методов исследования устойчивости позволяет сделать вывод, что для токарной обработки нежестких валов могут быть использованы в равной степени и графические и аналитические методы.

Несмотря на то, что вопросам обработки нежестких валов посвящено большое количество работ, не найдено достаточно простого метода обеспечения устойчивости движения технологической системы, позволяющей выполнять высокопроизводительную обработку длинных ходовых винтов с трапецеидальным профилем резьбы.

Для рассматриваемого процесса обработки важное значение имеют вопросы гашения возникающих колебаний в процессе резания. По устранению автоколебаний, возникающих при обработке валов малой жесткости, можно выделить два, широко используемых, основных направления, а именно: воздействие на технологические условия резания и воздействие на характеристики технологической системы путем изменения ее параметров. Для увелечения устойчивости и возможности повышения режимов резания при обработке нежестких валов применяют различные конструкции гасителей колебаний и люнетов.

Вместе с тем в рассмотренных выше работах совершенно не учитывается нелинейная характеристика силы резания. Критерий устойчивости и требования к виброгасителям связывались в основном только с параметрами системы. Такой подход к решению задачи исключает возможность комплексного изучения процесса нарезания трапецеидальной резьбы резцом и разработки критериев устойчивости системы с учетом параметров как системы, так и режимов резания.

На основании выполненного анализа и в соответствии с поставленной целью настоящей работы сформулированы основные задачи:

1. Определить расчетную модель технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы резцом на основании экспериментального определения ее параметров.

2. Выявить зависимость составляющих сил резания при нарезании трапецеидальной резьбы резцом методом последовательных проходов от параметров процесса резания.

3. Выполнить анализ причин, приводящих к возникновению автоколебаний и потере устойчивости в технологической системе.

4. Определить критерии устойчивости движения технологической системы при резании.

5. Разработать практические меры повышения устойчивости движения технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы на длинных ходовых винтах.

6. Определить режимы безвибрационной обработки с целью повышения

производительности процесса нарезания трапецеидальной резьбы на длинных ходовых винтах.

7. Исследовать возможность использования механических адаптивных систем управления точностью токарной обработки.

8. Разработать методику расчета подобных систем.

9. Исследовать устойчивость технологической системы с адаптивным регулятором.

Во втором разделе описана методика исследования устойчивости технологической системы.

В качестве обьекта исследования выбран серийный токарно-винторезный станок модели 163. Исследовалась обработка конструкционной стали 45 и конструкционной легированной стали 40Х, широко используемых для изготовления ходовых винтов. Материал режущего инструмента — быстрорежущая сталь Р6М5 и твердый сплав Т15К6.

Для анализа колебательного движения исследуемой технологической системы были составлены предполагаемые расчетные математические модели систем шпинделя, суп порта, задней бабки и подвижноголюнета. Определение параметров рассматриваемых колебательных контуров проводилось для трех координатных направлений, а для системы шпинделя еще и в крутильном направлении. Коэффициенты жесткости узлов определялись по нагрузочным ветвям графиков «нагрузка-перемещение». Собственные частоты, приведенные массы элементарных колебательных систем определялись методом свободных колебаний.

Для определения силовых зависимостей процесса нарезания трапецеидальной резьбы рассматривались три, наиболее прогрессивные, схемы резания для формирования ее профиля, показанные на рис.1. По схеме резания 1 формирование профиля резьбы происходит тремя режущими кромками при радиальной подаче инструмента Ь По схеме резания, 2 формирование профиля резьбы происходит двумя режущими кромками при радиально-осевой подаче Г' вдоль правой режущей кромки. Схема резания 3 отличается тем, что формирование профиля резьбы происходит двумя боковыми режущими кромками также при радиальной подаче (инструмента, по предварительно нарезанному прямоугольному профилю резьбы.

Схема резания I Схема, рвэжния 2 Схэиа резания 5

5 & а

Рис. 1. Схемы формирования профиля трапецеидальной резьбы резцом, методом последовательных проходов

Силовые зависимости определялись в два этапа.

Анализ априорной информации о силовых зависимостях процесса нарезания трапецеидальной резьбы резцом методом последовательных проходов показал, что эффекты взаимодействия второго порядка между параметрами режима и твердостью обрабатываемого материала НВ пренебрежимо малы. Поэтому на первом этапе исследования силовых зависимостей использовалась методика планирования эксперимента без учета указанных влияний.

Скорость резания V на этом этапе исследования принимаем постоянной. При обработке деталей из стали 45 инструментом из быстрорежущей стали Р6М5 скорость резания принята 0,418 м/с. При обработке деталей из стали 40Х инструментом из твердого сплава Т15К6 скорость резания принята 0,836 м/с.

Для получения интерполяционной модели рассматриваемого процесса резания использовался дробный факторный эксперимент ДФЗ типа 2*"'- В качестве аппроксимирующего выражения составляющих силы резания принята степенная функция:

р,(рл> = С^'Б'Ь'НВ" (1)

На втором этапе определялось влияние скорости резания V на силу резания.

Анализ априорной информации показал, что составляющие силы резания имеют нелинейную зависимость от скорости резания. Кроме того, нелинейная зависимость сил резания определяется подачей врезания I.

Для определения нелинейной зависимости составляющих силы резания Рх(Ру,Рг) от скорости резания V и подачи врезания I полученные результаты однофакторного эксперимента аппроксимировались полиномом третьей степени вида:

Р,(Ру,Р ) = С0Г° + С,Г1У + С^Ч2 + С3{"3Уг (2)

где С, - коэффициенты, учитывающие влияние скорости резания V, а X. - показатели, определяющие влияние подачи врезания I на нелинейную зависимость составляющих сил резания.

Эта формула справедлива для конкретного значения шага нарезаемой резьбы Б, глубины резания Ь и твердости обрабатываемого материала НВ.

Для получения общей зависимости, выражающей влияние на составляющие силы резания всех рассматриваемых параметров процесса, зависимости (1) и (2) обьединялись по известной методике и представлялись в следующем виде: Р (Ру,Р,) = 8уЬгНВ"(С0С° + + С2Г2У2 + С3Г3У3) (3)

Обработка экспериментальных данных по определению зависимости составляющих силы резания от параметров резьбонарезания при обработке рассматриваемых материалов для трех схем резания проводилась на ЭВМ с использованием метода наименьших квадратов по стандартным программам.

Устойчивость движения технологической системы исследовалась графическим

и аналитическим методами.

Экспериментальное определение устойчивости системы определялось по осциллографическим записям ее движения.

Экспериментальная проверка виброустойчивого люнета проводилась при нарезании трапецеидальной резьбы резцом методом последовательных проходов по осциллограммам колебательного движения. Анализ эффективности работы виброустойчивого люнета проводился в сравнении с заводской конструкцией подвижного люнета.

Для экспериментальной проверки динамического гасителя колебаний определялась амплитудно-частотная характеристика колебаний системы при нарезании трапецеидальной резьбы. Обработка производилась с применением динамического гасителя и без него. Эффективность работы гасителя оценивалась по величине амплитуды автоколебаний, возникающих в процессе обработки.

Третий раздел посвящен определению параметров технологической системы и зависимости силы резания от параметров резьбойарезания.

Результаты определения параметров для различных колебательных систем по трем координатным направлениям в сокращенном виде представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Пределы изменения параметров для различных узлов

Узел Параметр

Жесткость, Ю-6 Н/м Частота, Гц Логарифм, декремент Приведенная масса, НсУм Коэфф. силы сопрот., Нс/м

Шпиндель 56...172 172...281 0.271...0.486 34... 144 4948...19941

Суппорт 21...66 70...106 0.355...0.397 47...283 3985...15107

Задняя бабка 64...216 215...292 0.315...0.496 31...89 4516...13894

Люнет со к> 69...196 0.091...0.384 58...78 720...982

Шпиндель в крутильном направлении (3...16), Нм/рад 35... 143 0.363...0.761 2...6 196...330

Перечисленные параметры определены при установленной на станке детали 40 мм и длиной 1200 мм. Вылет пиноли задней бабки составлял 120 мм. Для шпинделя в крутильном направлении приведенные параметры соответствуют различным установленным частотам вращения.

Эксперименты по определению силовых зависимостей процесса нарезания проводились на заготовках специальной фирмы. Сталь 45 обрабатывалась инструментом из быстрорежущей стали Р6М5, а сталь 40Х - инструментом из твердого сплава Т15К6. Режимы резания варьировались в следующих пределах: радиальная подача врезания ( = (0,1...0,5)мм; шаг нарезаемой резьбы в = (4...12)мм; глубина резания Ь = (0,4...1,2)мм, твердость для стеши 45 — НВ = (1800...2200)МН/м2; твердость для стали 40Х - НВ = (2200...2800)МН/мг.

Скорость резания на первом этапе исследований принималась постоянной: V = 0,418м/с для стали 45 и инструмента Р6М5; V = 0,836 м/с для стали 40Х и инструмента Т15К6.

На втором этапе исследований варьировалась только скорость резания V. При обработке детали из стали 45 инструментом из быстрорежущей стали Р6М5 она изменялась в пределах 0,0б5...0,83м/с, а при обработке детали из стали 40Х инструментом из твердого сплава Т15К6 - в пределах 0,13... 1,55м/с. Остальные режимные параметры при этом оставались неизменными. Результаты исследований двух этапов объединялись. Для трех составляющих силы резания (Рх, Р , Рг) и трех схем резания вычислены коэффициенты общей формулы (3).

Как показали проведенные исследования силовых зависимостей процесса нарезания трапецеидальной резьбы резцом методом последовательных проходов, схема резания оказывает существенное влияние на соотношение составляющих силы резания Рх, (Ру, Рг). При обработке детали по схеме резания 1 в работе принимает участие одновременно три режущие кромки, при этом составляющая силы резания Рх имеет значение, близкое к нулю. Соотношение составляющих силы резания Рх и Р определяется в основном значением переднего угла режущей части инструмента, и поскольку величина этого угла принята постоянной, то составляющая силы резьбонарезания Рг в 1,5 раза больше составляющей силы резания Р.

При формировании трапецеидального профиля резьбы по схеме резания 2, в работе одновременно участвуют только две режущие кромки, что приводит к возникновению значительной составляющей силы резания Рх. Значения составляющих силы резания Ру и Рг и их соотношение несколько уменьшается по сравнению со схемой резания 1, но все же имеют достаточно большое значение.

Обработка заготовки по схеме резания 3 ведется после предварительной нарезки профиля резьбы. В этом случае в работе принимают участие одновременно

две боковые режущие кромки. Эта схема резания отличается от предыдущих минимальным значением составляющих силы резьбонарезания Ру и Рж и отсутствием составляющей силы резания Рж.

Полученные нелинейные зависимости составляющих силы резания Рх, (Ру, Рг) от скорости резания имеют две разновидности. Первая, полученная при обработке стали 40Х, имеет один падающий участок. В этом случае с увеличением скорости резания сила резания вначале уменьшается достаточно интенсивно, а затем это уменьшение становится малозаметным или совершенно отсутствует. Вторая зависимость, полученная при обработке детали из стали 45, имеет два различных участка в рассматриваемом диапазоне скорости резания. Первый участок, поднимающийся, с увеличением скорости резания, здесь увеличивается и сила резания. Второй участок, падающий, здесь с дальнейшим увеличением скорости резания сила резания уменьшается.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы колебательных движений и виброустойчивости технологической системы. Анализ автоколебательного движения и устойчивости движения отдельных систем проводился на фазовой плоскости графическим методом Льенара, что дало возможность учесть нелинейность силовых зависимостей. При определении обобщенных характеристик силы резания и силы сопротивления, пропорциональной скорости движения, во внимание принималась скорость схода стружки по передней поверхности инструмента с учетом ее продольной усадки. На основании обобщенных характеристик были построены фазовые портреты для различных узлов, при обработке заготовок из стали 45 и 40Х.

У шпинделя, задней бабки и суппорта интегральные кривые скручиваются к устойчивой особой точке.

Для системы подвижного люнета характерны предельные циклы, т. е. наличие автоколебаний, в некоторой зоне между шпинделем и задней бабкой станка, причем как при обработке стали 45, так и стали 40Х. Величина этой зоны определяется параметрами установленной заготовки.

В результате анализа движения на фазовой плоскости при нарезании трапецеидальной резьбы резцом на длинных ходовых винтах методом последовательных проходов была выделена инкрементная система люнет-деталь в поперечных направлениях У к Т. Для повышения точности и качества изделий необходимо устранитьавтоколебательное движение в системе подвижного люнета. С этой целью в работе предлагается два способа гашения автоколебаний, а именно, путем дополнительного демпфирования системы и путем использования динамического виброгасителя ударного действия. Для эффективного использования динамического виброгасителя необходимо определить формы колебаний детали, установленной в центрах станка с подвижным люнетом и

находящейся под действием периодической силы, возникающей в процессе нарезания трапецеидальной резьбы. Однако сложность решения задачи заключается в том, что в качестве возмущающего воздействия принимается автоколебательное движение, частота которого равна собственной частоте системы. Поэтому вначале была решена задача определения собственных частот и форм колебаний технологической системы при учете периодического воздействия, возникающего при автоколебательном движении. Был использован численный метод расчета упругих систем — метод начальных параметров в матричной форме. Определение частот и форм колебаний технологической системы производилось для различных положений средней опоры — подвижного люнета. По результатам расчета построены графики зависимости формы колебаний системы от положения подвижного люнета. На основании полученных результатов по определению собственных частот и форм колебаний технологической системы установлено, что определяемые параметры зависят от положения подвижного люнета между шпинделем и задней бабкой станка и геометрических размеров установленной детали. Максимальная амплитуда возникающих колебаний технологической системы находится в середине левого пролета детали.Определение области устойчивого движения технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы на деталях малой жесткости было выполнено с помощью аналитических критериев устойчивости. Оценивались различные равновесные состояния системы в зависимости от технологических параметров рассматриваемого процесса резания. Для исследуемого процесса резания вблизи от положения равновесия движение системы может быть описано линейными дифференциальными уравнениями.

Для анализа устойчивости движения технологической системы рассматривалась ее математическая модель с двумя степенями свободы, показанная на рис. 2, в которой связь между колебательными контурами осуществляется как по скорости, так и по перемещению.

Дифференциальные уравнения движения системы с учетом всех действующих сил в направлении 2. и У имеют вид:

тг + Ы + \г = Рг

т,у + И1у + ]1у = Ру, (4)

где т, Н и ] - соответственно приведенная масса, коэффициент пропорциональности силы сопротивления скорости и жесткость в направлении г; т,, И, и — то же в направлении У.

Поскольку для анализа устойчивости движения по алгебраическому критерию Рауса-Гурвица достаточно рассмотреть линеаризированные уравнения системы, использовалась линейная аппроксимация составляющих силы резания Р и Р.

Р2 = Р20 + Нг + Н'г; Ру = РУ0 + Н1у + Н,у,

где Рг0 и Ру0 — составляющие силы резания при отсутствии колебаний; Н и Н, - соответственно и с^/ау: Н' и Н',- соответственно с1Рг/сИ и

йР/А.

-13В результате дальнейших преобразований, были определены условия устойчивости исследуемой системы с двумя степенями свободы по алгебраическому критерию Рауса-Гурвица.

Воспользовавшись методом перебора параметров режима нарезания резьбы по найденным условиям рассчитывалась на ЭВМ по разработанной программе область устойчивого движения системы.

Для экспериментальной проверки результатов теоретического исследования проводилось нарезание трапецеидальной резьбы с варьированием скорости резания V, подачи врезания I и шага резьбы 8.

Для сравнительной оценки полученных результатов, в координатах V—I определялись теоретические и экспериментальные области устойчивого движения для различных, фиксированных значений шага в. Несовпадение теоретических результатов с экспериментальными не превышает 20%.

Определяющее влияние на границы устойчивого движения оказывают параметры технологической системы, а именно параметры подвижного люнета и его относительное положение между шпинделем и задней бабкой станка. Расширить зону устойчивого движения рассматриваемой технологической системы можно за счет введения в нее дополнительного положительного сопротивления. Наибольший эффект может быть достигнут при увеличении демпфирующей способности подвижного люнета. С этой целью предложена оригинальная конструкция виброустойчивого подвижного люнета с элементом переменной жесткости, позволяющая наряду с увеличением силы сопротивления регулировать величину ее численного значения.

По описанной выше методике определены теоретические и экспериментальные области устойчивости системы с виброустойчивым люнетом, которые сравнивались с аналогичными областями для обычного люнета. Виброустойчивый люнет снижает уровень колебаний при обработке примерно в 1,8 раза.

Для еще более существенного снижения интенсивности колебаний в работе предложено использование динамического гасителя колебаний. Определены его рациональные параметры, а именно: вес Сг и величине зазора "а" между обрабатываемой заготовкой и корпусом гасителя. Они рассчитываются по установленным эмпирическим формулам.

Динамический гаситель колебаний должен быть помещен в пучности колебаний рассматриваемого вала, которая меняет свое положение в засимости от расположения подвижного люнета станка. На основании результатов, полученных из анализа колебаний вала на ЭВМ определено, что оптимальным расположением динамического гасителя колебаний является такое положение, которое соответствует середине пролета между шпинделем станка и подвижным люнетом в процессе обработки. Эффективность работы динамического гасителя

оценивалась по амплитудно-частотным характеристикам.

Исследования, теоретические и подтвержденные экспериментально, показывают, что использование динамического гасителя колебаний при нарезании трапецеидаьной резьбы на валах малой жесткости позволяет снизить интенсивность колебаний в два раза.

Пятый раздел посвящен разработке и исследованию механической адаптивной системы.

Предложено использование системы, в которой источником информации и параметром управления является сила резания. Адаптивная система представляет собой технологическую систему в сочетании со специальным устройством, установленным в резцедержателе станка. Конструкции предложенных устройств позволяют создавать компенсирующие перемещения в направлениях обратных упругим деформациям технологической системы. Созданы устройства компенсирующие перемещения резца в координатных направлениях X и У, или только в направлении У. Причем, обеспечена возможность регулировки податливости устройства по каждому направлению, что повышает их универсальность по технологическим условиям, в частности обеспечивается эффективная работа устройства на станках с различной жесткостью. Разработана методика инженерного расчета устройств и алгоритм определения настроечных параметров устройств.

Введение в технологическую систему токарного станка с нежестким валом-заготовкой для трапецеидального винта и люнетом дополнительного нежесткого устройства поставило вопрос об определении доминирующей колебательной системы. В соответствии с приведенной выше методикой были определены все параметры механической адаптивной системы: коэффициент жесткости, собственная частота, логарифмический декремент, приведенная масса, коэффициент сопротивления, пропорциональный скорости. Их сравнение с аналогичными параметрами технологической системы показало, что доминирующей системой является механическая адаптивная система.

Путем построения фазовых портретов (метод Льенара) установлены границы, определяющие область устойчивых и неустойчивых состояний системы.

Были использованы также и алгебраические критерии устойчивости движения, связанные с положением корней характеристического уравнения на плоскости комплексного переменного. При этом были использованы ранее определенные нелинейные зависимости сил резания от скорости. Результаты экспериментов показали, что введение адаптивной системы в технологическую систему не изменило области рациональных режимов резания, определенных ранее.

С учетом конкретных условий обработки разработаны специализированные устройства для адаптивного управления точностью обработки при преобладающем

влиянии составляющих силы резания Ру или Р2, которые эффективны, в частности, при нарезании резьб.

В результате проведения экспериментов по определению возможностей повышения точности обработки путем использования механической адаптивной системы установлено, что по сравнению с обработкой обычным резцом, точность размеров формы в продольном и поперечном направлениях повышается не менее чем в 2 раза.

Обеспечивается также существенное уменьшение радиального биения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной работы позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Определена расчетная математическая модель технологической системы при нарезании трапецеидальной резьбы на длинных ходовых винтах резцом методом последовательных проходов.

2. На основании экспериментально определенных параметров технологической системы, а также анализа колебательного движения на фазовой плоскости, показано, что исследование автоколебаний при нарезании трапецеидальной резьбы на деталях малой жесткости может быть ограничено рассмотрением расчетной модели деталь-подвижный люнет в направлении V и Т..

3. Получены эмпирические формулы, определяющие зависимости составляющих силы резания при нарезании трапецеидальной резьбы резцом от режимов резания для различных схем формирования профиля резьбы.

4. Нарезание трапецеидальной резьбы на длинных ходовых винтах характризуется значительными вибрациями, что вынуждает снижать режимы обработки, а соответственно снижается производительность труда.

5. В исследуемой технологической системе имеют место автоколебания системы подвижной люнет — деталь в поперечном направлении. Автоколебания обусловлены нелинейной зависмостью силы резания от скорости резания.

6. Определены границы области устойчивого движения с помощью алгебраического критерия Раусса-Гурвица при нарезании трапецеидальной резьбы на деталях малой жесткости в зависимости от технологических параметров процесса.

7. Установлено влияние на условия возникновения и интенсивность автоколебаний схемы формирования профиля трапецеидальной резьбы. Максимальную область устойчивого движения имеет процесс нарезания профиля трапецеидальной резьбы по схеме резания 3.

8. Разработана конструкция виброустойчивого подвижного люнета,

применение которого позволяет повысить производительность труда при нарезании длинных ходовых винтов на 80%.

9. Для снижения интенсивности автоколебаний разработана конструкция и определены параметры динамического гасителя колебаний ударного действия, позволяющего снизить их уровень по амплитуде в два раза.

10. Разработаны универсальная и специализированная механические адаптивные системы, компенсирующие упругие деформации технологической системы в осевом и радиальном направлениях. Проведен расчет и экспериментальная проверка устойчивости адаптивных систем.

11. Экспериментальные исследования возможностей адаптивной системы при токарной обработке жестких и нежестких валов показали следующие результаты:

— точность размеров жестких валов по сравнению с обработкой обычным резцом повысилась в 2-3 раза, нежестких - в 2 раза;

— точность формы в продольном сечении жестких валов по сравнению с обработкой обычным резцом повысилась в 2,6...5,3 раза, нежестких — в 2...15 раз;

— точность формы в поперечном сечении жестких валов по сравнению с обработкой обычным резцом повысилась в 5 раз, нежестких — в 2...8 раз;

— снижение величин радиального биения при обработке нежестких валов по сравнению с обработкой в штатных условиях составило 2,6 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Мурашкин С. Л., Цейтлин Л. И., Жуков Э. Л. Определение расчетной математической модели технологической системы. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки материалов", ГК РФ по ВШ-СПб ГТУ, Санкт-Петербург, 1995.- с. 113115.

2. Мурашкин С. Л., Цейтлин Л. И., Жуков Э. Л. Точность механической обработки при изготовлении ходовых винтов. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе", ГК РФ по ВШ-ВГТУ, Владимир, 1995.- с. 7-9.

3. Мурашкин С. Л., Жуков Э. Л., Розовский Б. Я., Дегтярев В. В., Цейтлин Л. И. Технологическое обеспечение надежности производства деталей машин. Труды СПб ГТУ № 455, СПб ГТУ, 1995, с. 3-10.

Отпечатано в тип. АО "Ленполиграфмаш", заказ № 151, тираж 100 экз. Подписано к печати 23.04.96 г.