автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение точности обработки деталей по результатам измерения траекторий формообразующих узлов токарного станка

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследования

1.1 Тенденции развития токарной обработки

1.2 Точность обработки на токарных станках

1.3 Диагностика и мониторинг

1.4 Траектории формообразующих элементов станка

1.5 Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Разработка математических моделей по расчету показателей точности обрабатываемой детали.

2.1 Расчет сил резания

2.2 Расчет упругодеформационной системы шпивдель-патрон-деталь

2.3 Обработка экспериментальных данных

2.4 Расчет геометрического образа в поперечном сечении детали

2.5 Расчет показателей точности в поперечном сечении детали

2.6 Расчет и построение геометрического образа в трехмерном пространстве

Глава 3. Разработка интерфейсного обеспечения точности обработки детали

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1 Измеряемые величины

4.2 Конструкция датчиков

4.3 Тарировка датчиков

4.4 Оценка погрешностей измерения

4.5 Измерение перемещений детали и резца

4.6 Геометрический образ и показатели точности

4.7 Обработка в центрах 115 4.7 Система определения ожидаемой точности обработки деталей

Анализ достигнутой точности обработки на токарных станках нормальной точности показывает, что в 2000 году была достигнута размерная точность в 1 мкм, при этом тенденция повышения точности сохраняется уже на протяжении более 60 лет. При изготовлении высокоточных деталей и деталей высокой стоимости особо важно исключить брак, который приносит значительные материальные потери, а это значит, что в процессе обработки таких деталей необходимо иметь информацию, которая характеризовала бы состояние технологического процесса обработки и показатели точности, котэ-рые будут получены, когда деталь будет окончательно обработана.

В настоящее время для достижения необходимой точности изготовления деталей разработаны критерии работоспособности токарных станков, которые регламентируются ГОСТами и другой технической документацией. Основными критериями работоспособю-сти станка по обеспечению требуемой точности являются: геометрическая и кинематическая точность, статическая жесткость, точность позиционирования, тепло-, вибро-, и износостойкость, а также другие критерии. Однако даже в случае, когда значения указаз-ных критериев будут отвечать требованиям стандартов, не гарантируется изготовление детали, полностью соответствующей требованиям рабочего чертежа.

Это объясняется устаревшими понятиями, заложенными в определение указанных критериев и тем, что существующие методы их определения не учитывают главного, что в процессе обработки на токарный станок действует комплекс эксплуатационных нагрузок, имеющих случайную природу, вследствие чего траектории формообразующих элементов станка искажаются, в результате чего искажается форма детали и ее показатели точности.

В связи с этим актуальным становится определение ожидаемой точности токарной обработки в процессе ее осуществления по результатам оценки траекторий формообразующих движений детали и резца.

Научная новизна.

1. В предварительной оценке ожидаемых показателей точности за счет анализа экспериментально измеренных движений рабочих органов станка.

2. В математической модели расчета трехмерной поверхности обработанной детали, учитывающей деформацию системы шпш-дель-патрон-деталь, относительные колебания оси шпинделя и вершины резца, тепловое удлинение резца и его износ.

3. В исключении относительных перемещений детали и вершины резца в вертикальной плоскости станка при теоретическом гостроении геометрического образа в поперечном сечении детали при диаметрах обработки свыше Змм и требуемой точности обработки не ниже 4 квалитета.

Практическая полезность.

1. В рекомендации оснащения токарных станков системой определения ожидаемых показателей точности для контроля точности обработки и предотвращения изготовления брака.

2. В повышении точности токарной обработки при оснащении станков системой определения ожидаемых показателей точности и устройством управления формообразующими движениями.

Апробация.

Основные результаты работы доложены на

1. II международная научно-техническая конференция «MECHANICS- 97», Вильнюс, 1997 г.

2. IV международная научно-техническая конференция «Точность технологических и транспортных систем», Пенза, 1998 г.

3. III международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения качества промышленной продукции», Брянск, 1998 г.

4. Заседание кафедры «Теория технологических машин» МГТУ «СТАНКИН», 2002 г.

Работа выполнена в соответствии с программой «Конверсия» министерства образования РФ.

Публикации

1. Юркевич В.В., Чигинов Д.А., Соснин А.Ю. Определение формы обработанной поверхности детали. // Проектирование технологических машин: сб. науч. трудов - М.: МГТУ «СТАНКИН», 1996. - с. 25-30.

2. Yurkevich V.V., Chiginov D.A., Form deviation of parts after tuning. // 2nd International conference "MECHANICS' 97". Proceedings, Part 1, Vilnius: "Technika", 1997.-s. 150-156.

3. Юркевич В.В., Чигинов Д.А. Построение геометрического образа детали. // IV Международная научно-техническая конференция. Точность технологических и транспортных систем сб. статей. -Пенза: ПТУ, 1998. - с.57-58.

4. Юркевич В.В., Чигинов Д.А. Геометрический образ детали.// III Международная научно-техническая конференция. Проблемы повышения качества промышленной продукции, сб. трудов. -Брянск: БЦС, 1998. - с.128-129.

5. Искра Д.Е., Чигинов Д.А. Диагностическая система для высокоточной обработки на токарных станках. // Точность технологических и транспортных систем, сб. статей. - Пенза:ПГУ, 1998.- с. 59-65.

6. Чигинов Д.А. Определение прилегающей окружности к профилю детали на ПЭВМ. // Открытая научная конференция, программа, тезисы докладов - М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. - с. 96.

7. Юркевич В.В., Чигинов Д.А. Аппаратный интерфейс системы прогнозирования точности. // Проектирование технологических машин: сб. науч. трудов - М.: МГТУ «СТАНКИН», 2001. -с. 43-50.

8. Юркевич В.В., Чигинов Д.А., Искра Д.Е., Козлов С.А., Емельянов П.Н. Прогнозирование точности детали в процессе ее изготовления. // Производственно-технический журнал «Машиностроитель», №3,2001. - с. 34-40.

9. Чигинов Д.А Точность токарного станка МК-3002. // Проектирование технологических машин: сб. науч. трудов №25. - Ростов н/Д: ГОУ ДПО "ИУИ АП", 2001. - с. 167-168.

Общие выводы:

1. Испытания созданной системы определения ожидаемой точш-сти деталей по результатам измерения траекторий формообразующих узлов на токарном станке МК-3002 показали, что удалось исключить параметрический брак, при этом данные микрометрических измерений детали и построенного геометрического образа отличаются на величину не более 0,46 мкм.

2. Испытание разработанного устройства для компенсации теплового смещения оси шпинделя токарного станка позволило повысить точность изготовления детали в продольном направлении на 115 мкм.

3. Разработанные математические модели и созданный программный продукт позволяют произвести расчет и построение геометрического образа детали в трехмерном пространстве с высокой точностью и на основе его определять показатели точности детали.

4. Проведение экспериментальных исследований на токарном станке МК-3002 с помощью созданной системы определения ожидаемой точности обработки деталей позволило сделать следующие практические выводы:

4.1 Математически и экспериментально доказано, что смещение детали и резца по оси Y (вертикальная ось) не оказывает влияние на форму и размеры обрабатываемой детали при диаметрах обработки свыше Змм и требуемой точности обработки не ниже 4 квалитета.

4.2 Разработанная методика построения прилегающих поверхностей позволяет определять регламентированные показатели точности: отклонение от круглости, точность размера, овальность, точность профиля продольного сечения, отклонение от цилиндричности и другие.

4.3 Экспериментальные измерения траекторий формообразующих узлов показали, что они не соответствуют общепринятым теоретическим предпосылкам, которые закладываются при расчетах узлов токарных станков.

1. Авдулов А.Н. Контроль деталей машин и оценка круглости.- М.: Издат. стандартов, -1975. -175с.

2. Авдулов А.Н. Построение системы прилегающих поверхностей// Измерительная техника. -1983. N3. - с. 46-47.

3. Аполлонов Ю.С. Испытательно-диагностический центр и сертификация технологического оборудования. // Вестник машиностроения. -1991. N4. - с. 33-36.

4. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение,-1988. -134с.

5. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, -1964. -544с.

6. Ачеркан Н.С. Расчет и конструирование металлорежущих стж-ков. М.: Машгиз, - 1952. -746с.

7. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самонастраивающихся станков. М.: Машиностроение, - 1978,- 216с.

8. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения.- М.: Машгиз, 1959.-485с.

9. Бальмонт В.Б., Горелик И.Г., Фигатнер A.M. Расчеты высокоскоростных шпиндельных узлов. М.: ВНИИ ТЭМП, - 1987. -52с.

10. Ю.Беляев В.Г. Расчет механической части привода подач станков с ЧПУ.//СТИН.-1982.-N3.-c. 11-14.

11. П.Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, -1978.-239с.

12. Бушу ев В.В. Гидростатическая смазка в тяжелых станках. —М.: Машиностроение, -1979. -88с.

13. Васильков Д.В., Вейц B.JL, Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. Санкт-Петербург. -1997.

14. Вейц B.JI. Динамика машинных агрегатов. -Л.: Машиностроение, -1969.-368с.

15. Волосов С.С. Активный контроль размеров. -М.: Машиностроение, -1984. -224с.

16. Врауко Л. Точность обработки металла на токарных станках.

17. Головатенко В.Г., Скорыпин Ю.В., Минченя Н.Т.Способ повышения точности вращения вала-ротора электрошпинделя // СТИН, -1982. -N6. -с. 15-16.

18. Городецкий Ю.И. Повышение виброустойчивости и производительности вертикально-фрезерных консольных станков. // СТИН, -1982. -N8. -с. 9-12.

19. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях.- JL: Энергоатомиздат, -1990. -287с.

20. Далипский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Издательство стандартов, -1973. -56с.

21. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, -1975. -224с.

22. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2Т/ Под ред. Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, -1972. -Т1. -664с.

23. Диагностика токарных станков с ЧПУ Maschinenmarkt. 1994.V 90. -N78. -с. 1760-1763. МФ/Пер/85/49748 Zeppelin W,van,Klaus W.

24. Дикушин В.И. Основные данные для проектирования металлорежущих станков. Энциклопедический справочник «Машиностроение» , -Т.9. М.: Машгиз, -1949. -с. 48-116.

25. Дмитриев Б.М., Шумейко И.А. Оценка возможностей станка на обеспечение точности геометрических параметров. // СТИН, -1978.-N5.-c. 6-7.

26. Ерошенко И.П. Обеспечение точности токарной обработки по результатам прогнозирования геометрического образа детали. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: -2000. -142с.

27. Жедь В.П., Шейнберг С.А. Опоры скольжения с газовой смазкой. М.: Машиностроение, -1969. -331с.28.3аковоротный B.JI, Бордачев Е.В., Алексейчик М.И. Диагностический мониторинг состояния процесса резания.// СТИН. -1998. -N12.-с. 6-13.

28. Иванников С.Н. Обеспечение качества процесса токарной обработки путем управления параметрической надежностью шшн-дельных узлов токарного станка. // Исследования в области технологии машиностроения и сборки машин. Тула: ТулПИ, -1987.-с. 104-111.

29. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов/ Под. Ред В.И. Дикушина и Д.Н. Решетова. -М.: Машгиз, -1958. -с.294.

30. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика управления. -Владивосток: Дальнаука, -1998. -с.295.

31. Каминская В.В. Расчет колебаний несущих систем станков, находящихся под действием импульсных возмущений. // СТИН. -1996, -N12. -с. 1-8.

32. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов.-М. Л.: Издательство АН СССР, -1944. -129с.

33. Кириллов В.К., Портмаи В.Т., Фискин Е.А. Точностная надежность шпиндельных узлов// СТИН. -1978. -N5. -с. 11-13.

34. Клепиков С.Н., Заев В.В. Учет взаимодействия процессов различной скорости при прогнозировании качества и надежности шпиндельного узла// СТИН. -1995. -N8. -с. 21-23.

35. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М.: Маш-гиз, - 1961.-145с.

36. Корсаков B.C. Точность механической обработки. М.: Машгиз,- 1961.-379с.

37. КудиновВ.А., Динамика станков. -М.: Машиностроение, -1967. -359с.

38. Кушпир Э.Ф., Кузнецов С.Д., Ривкин В.А. Автоматизированный комплекс для динамических исследований станков в производственных условиях. // СТИН. -1988. -N7. -с. 14-15.

39. Левин М.А. Прогнозирование параметров качества при мехаш-ческой обработке деталей. -Севастополь: -1984. -57с.

40. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, -1971. -264с.

41. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, -1958.-356с.

42. Маталин А.А. Отклонения формы и расположения поверхностей.- Л.: Машиностроение, -1970. -320с.

43. Металлорежущие станки / Под ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение,-1965, -т.1. -764с. -т.2.-628с.

44. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов. / Под ред. В.Э. Пуша. М.: Машиностроение, - 1986. -575с.

45. Мячев А.А. Интерфейсы систем обработки данных. Справочник.- М.: Радио и связь, -1989. -415с.

46. Нахапетян Е.Г. Определение критериев качества и диагностирование механизмов. М.: Наука, -1977. -140с.

47. Павлов А.Г. Управление динамической точностью при обработке на станках. -Красноярск.: Издательство КУ, -1989. -174с.

48. Пархоменко П.П. Основы технической диагностики.-М.: Энергия,-1981.-319с.

49. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения. Справочник. -М.: Машиностроение, -1992. -606с.

50. Полей М.А. Отклонение формы и расположения поверхностей.-М.: Издательство Стандарт, -1965.

51. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем Справочник-учебник. В 3х т. Т2.Ч1.Расчет и конструирование узлов и элементов станков. / Под общ. ред. А.С. Проникова. М.:

52. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, -1995. -369с.

53. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, -1985. -288с.

54. Проников А.С. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. -М.: Машиностроение. -1982. -256с.

55. Пуш А.В., Ежков А.В., Иванников С.Н. Измерительно-диагностический комплекс для оценки качества и надежности станков. // СТИН. -1987. -N9. -с. 8-12.

56. Пуш А.В., Зверев И.А. Шпиндельные узльт Проектирование и исследование. М.: Издательство «СТАКИН», -2000. -197с.

57. Пуш А.В. Многокритериальная оптимизация шпиндельных залов.//СТИН. -1981. -N1. -с. 9-12.

58. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, -1977. -392с.

59. Пуш А.В. Оценка качества приводов прецизионных шпиндел>-ных узлов по областям состояний выходных параметров точю-сти.//СТИН.-1985.-N2.-с. 12-15.

60. Пуш А.В. Прогнозирование тепловых смещений шпиндельных узлов. // СТИН. -1985. -N5. -с. 15-19.

61. Пуш А.В., Пхакадзе С.Д., Пьянов B.JI. Прогнозирование точности обработки поверхностей.// СТИН. -1995. -N5. -с. 12-17.

62. Пуш А.В. Шпиндельные узлы : Качество и надежность. М.: Машиностроение, -1992. -288с.

63. Решетов Д.Н., Портман В.Г. Точность металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, -1986. -336с.

64. Салов И.Д. Контроль выходных параметров точности прецизионных металлорежущих станков.// СТИН. -1994. -N1. -с. 8-12.

65. Селезнева В.В. Связь параметров траектории оси шпинделя с показателями качества детали. // СТИН. -1985. -N1. -с. 8-10.

66. Соколовский А.П. Точность механической обработки и пути ее повышения. М.: Машиностроение, -1951. -488с.

67. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопопов С.П. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, -1980. -536с.

68. Соломенцев Ю.М. Перспективы развития управления технологическими процессами. / Вестник машиностроения, -1980. -N10. -с. 43-46.

69. Справочник технолога-машиностроителя. В 2х т. Т.2 / под ред. А.Т. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, -1985.-496с.

70. Старостин В.Г. Исследование погрешности продольной формы и ее компенсация при токарной обработке валов и цилиндров.

71. Владивосток.: -1970, автореферат кандидатской десертации. -21с.

72. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. М.: Машиностроение, -1982. -208с.

73. Техническая диагностика металлорежущих станков. М.: Издательство ЭНИМС, -1988. -96с.

74. Технические средства диагностирования. Справочник. / Под ред. В.В Клюева. М.: Машиностроение, -1989. -672с.

75. Технология обеспечения качества продукции в машиностроении. / Под ред. Г.Д. Бурдунаи С.Ф. Волосова. М.: -1975.

76. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. / Под ред. А.С. Проникова. М.: Машиностроение, 1982. -256с.

77. Троненский С.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, -1964. -203с.

78. Ушенков В.М. Прогнозирование потери точности при износе т-правляющих на базе ускоренного испытания опытных образцов Кандидатская диссертация. -М .: МГТУ им Н.Э. Баумана, 1981. -с. 16.

79. Фадеев Е.Ю. Повышение точности и параметрической надежности шпиндельных узлов станка. «Динамика технологических систем». Тезисы докладов. Ростов на Дону. -Изд. ДГТУ, -1997. -с. 58-60.

80. Фигатнер A.M., Пиотрашке Р., Фискин Е.А. Исследование точности вращения шпинделя с радиальными шарикоподшипниками.// СТИН. -1974. -N10. -с. 19-22.

81. Фигатнер A.M. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. М.: НИ-МАШ, -1971. -196с.81 .Хомяков B.C., Минасян А.Н. Расчет динамических характеристик шпиндельных узлов станков.// СТИН. -1976. -N3. -с. 5-7.

82. Шлезингер Г. Качество поверхности. Пер. с. англ. Под ред. А.И. Каширина. М.: Машгиз, 1947. -284с

83. Шнейдер Ю.Г. Точность механической обработки. Д.: Издательство ЛИТМО, -1984. -47с.

84. Юркевич В.В. Влияние колебаний резца на форму обработанной поверхности. // СТИН. -1999. -N8. -с. 20-21.

85. Юркевич В.В., Гавриляка Е.Д. Исследование движения оси шпинделя. // Деревообрабатывающая промышленность. -1988. -N5. -с. 6-7.

86. Юркевич В.В.Использование геометрического образа обработанной поверхности при определении показателей точности детали. // СТИН. -2000. -N4. -с. 8-10.

87. Юркевич В.В., Модлии Б.Д. Диагностика шпиндельных узлов технологических машин. / Под ред. А.В. Пуша. Учебное пособие. М.: МГТУ «СТАНКИН», -1997. -132с.

88. Юркевич В.В. Определение точности обработки на токарном станке. // СТИН. -1999. -N4. -с. 15-17.

89. Юркевич В.В. Параметрическая надежность токарного станка. // Вестник машиностроения, -1999. -N9. -с. 30-32.

90. Юркевич В.В. Параметрическая точность шпиндельного узла. // СТИН. -1998. -N9. -с. 10-12.

91. Юркевич В.В. Податливость системы шпиндель патрон - заготовка токарного станка. // СТИН. -2000. -N6. -с. 3-5.

92. Юркевич В.В. Тепловые процессы в токарном станке мод. МК-3002. // Вестник машиностроения. -2000. -N1. -с. 46-49.

93. Юркевич В.В. Точность токарного станка.// СТИН. -1999. -N2. -с. 22-24.

94. Юркевич В.В. Траектория оси шпиндельного узла как показатель качества его эксплуатации. // Вестник машиностроения. -1999. -N10. -с. 58-59.

95. Юркевич В.В., Чигинов Д.А. Геометрический образ детали.// III Международная научно-техническая конференция. Проблемы повышения качества промышленной продукции, сб. трудов. -Брянск: БЦС, -1998. -с. 128-129.

96. Юркевич В.В., Чигинов Д.А. Построение геометрического образа детали. // IV Международная научно-техническая конференция. Точность технологических и транспортных систем сб. статей. -Пенза: ПТУ, -1998. -с. 57-58.

97. Юркевич В.В., Чигинов Д.А., Соснин А.Ю. Определение формы обработанной поверхности детали. // Проектирование технологических машин: сб. науч. трудов М.: МГТУ «СТАНКИН», -1996. -с. 25-30.

98. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М. : Машиностроение. -1979. -343с.

99. Яхин А.Б. Проектирование технологических процессов механической обработки. М. : Оборониздат. -1946. -268с.

100. Bahman W. Der Einfluss einen harmonischen Relativbewegung ,. -zwischen Werkstiik und Kreisformfehler. Maschinenlautechnic, -1961,-N 4-5.

101. Drehen. Grundagen und Anwendungs-technik. Diisseldorf, VDJ -Verlag, 1987.

102. Eschman P. Das Leistungsverenogen der Walzlager, Berlin,-1964, -186 s.

103. Gouskow A.M. Brun-Picard D. Instabilite du percage vibratoire.// Journee PRIMECA. Novembre 28,-1996, Nantes, France. Pp.31-38.

104. Giinther A. Technische Diagnostik und Schadensforschung an Walzlagern. Chemnitz. TU. -1-985. -96s.

105. Haug A. Elektronische Messen mechanischer Groben. Munchen. Carl Hansen Verlag. -1969. -228s.

106. Palmgren A. Grundlager der Walzlagertechnk Stuttgart. -1954. -240s.

107. Spur G. Optimierung des Fertigungssystems Werkzeugmaschine. Munchen.-1972.-352s.

108. Wiele H. Beeinflussung der temperaturbedingten Abweichungen an Werkzeugungemachinen durch die Betriubsbidingungen. Maschinenbautechnik 23.-1974. Helt 6. 249-255s.

109. Yurkevich V.V., Chiginov D.A., Form deviation of parts after tilling. // 2nd International conference "MECHANICS-97". Proceedings, Part 1, Vilnius: "Technika",-1997. -s. 150-156.