автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение точности обработки глубоких отверстий спиральными сверлами на основе раскрытия нелинейных эффектов динамики процесса

На правах рукописи

Быкадор Виталий Сергеевич

Повышение точности обработки глубоких отверстий спиральными сверлами на основе раскрытия нелинейных эффектов динамики процесса

Специальность: 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 АПн 7011

Ростов-на-Дону — 2011 г.

4844620

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» на кафедре «Автоматизация производственных процессов».

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Заковоротный

Вилор Лаврентьевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Бржозовский Борис Максович

Кандидат технических наук, доцент Климов Михаил Михайлович

Ведущая организация

ОАО «Роствертол»

оо

Защита состоится «•/?•» /¿¿>с£Х 2011г. в /¿?~часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пп. Гагарина 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан « » Мг^РА^_2011г.

Учейый секретарь диссертационного совет!

Бурпакова Виктория Эдуардовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Точность элементов деталей машин является важнейшим показателем, который в значительной мере влияет на долговечность и надежность машин, а так же на качество выполняемых машинами функций. Не исключение составляют и поверхности, образованные сверлением. Однако процесс сверления является нестационарным за счет влияния различных возмущающих факторов на режущий инструмент, обладающий малой жесткостью в радиальном направлении. В результате не стационарности сил резания, возникающих в процессе сверления, формообразующие движения вершины сверла могут значительно отличаются от движений исполнительных органов технологического оборудования, вызывая тем самым, развитие геометрических погрешностей отверстия. Следует отметить, что влияние возмущающих факторов значительно усиливается при сверлении глубоких отверстий. Таким образом, можно сделать вывод, что на геометрическую точность отверстия, в конечном счете, влияет динамика процесса сверления.

Для снижения величин геометрических отклонений параметров отверстий, образуемых сверлением, используют различные подходы. Отдельно следует обратить внимание на применение оборудования, оснащенного системами управления процессом. В типовых системах управления учитываются геометрические параметры обрабатываемой поверхности, но не учитываются динамические процессы, протекающие в зоне резания. Другими словами, типовые системы управления процессом сверления имеют не высокую эффективность с позиции обеспечения геометрической точности отверстия и сверления с наименьшим количеством поломок инструмента.

Но существует и другой подход в создании систем управления процессами механической обработки, который учитывает динамические процессы, протекающие в зоне резания, а также взаимное влияние процессов резания и упругой системы станка1'.

Для реализации второго подхода необходимо изучение динамики процесса резания, а именно: раскрытие его динамических характеристик, выявление координат, связывающих процесс обработки с упругой системой станка, исследование влияния режимов резания, геометрических и конструктивных особенностей инструмента на динамику процесса обработки. Все это позволяет выявить законы управления процессом сверления, учитывающих его динамику и направленных на достижение наименьших геометрических погрешностей отверстия и сверления без поломок инструмента. Второй, не мало важной задачей, является развитие методов диагностирования текущего состояния процесса обработки, в данном случае процесса сверления,

'' Заковоротныи 13Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания, СинсрютичсскмП подход. -Ростов-на-Дону: «Терра». 2006. - 876 с.

для формирования корректирующих воздействий, компенсирующих негативные влияние явлений сопутствующих процессу сверления, которые не могут быть описаны в координатах упругих деформационных перемещений вершины инструмента. Развитие этих двух направлений является актуальным для дальнейшего совершенствования знаний о процессе сверления и систем управления металлорежущим оборудованием. Следует отметить, что данная работа является естественным продолжением исследований, проведенных как в области динамики, механики и диагностики процессов резания и станков Бржозовским Б.М., Васиным С.А., Василенко Н.В., Вейцем В.Л., Гуськовым A.M., Заковоротным В.Л., Зареем В.В., Зоревым H.H., Кедровым С.С., Кудиновым В.А., Мурашкиным Л.С., Мурашкиным С.Л., Остафьевым В.А., Подураевым В.Н., Эльясбергом М.Е., и другими, а также в области создания систем сверления отверстий Закамалдиным В.И., Лищинским Л.Ю., Назаренко Д.В., Пановым Е.Ю., Румянцевой И.Д., Самосудовым A.A., Тверским М.М., Чубукиным A.B., Яншаховым М.Л. и рядом других исследователей, направленных, как правило, на обеспечение сверления без поломок инструмента. В отличие от этих работ, в данном исследовании ставится задача обеспечения требуемой точности геометрических параметров отверстий, что определяет актуальность и задачи диссертационного исследования. Целью настоящего диссертационного исследования является повышение геометрической точности сверления глубоких отверстий спиральными сверлами на основе раскрытия нелинейных эффектов динамики процесса и диагностирования геометрических погрешностей отверстия в процессе обработки с помощью анализа стробоскопического отображения радиальных смещений инструмента на плоскости Анри Пуанкаре.

Указанная цель позволяет сформулировать следующие задачи диссертационного исследования:

1) составление математической модели динамики процесса сверления, учитывающей упругие деформационные смещения вершины инструмента в пространстве относительно точки его закрепления в шпиндельном узле, а также нелинейную динамическую связь, раскрывающую зависимость сил от деформационных смещений вершины инструмента;

2) раскрытие динамической характеристики процесса сверления;

3) проведение экспериментальных исследований, направленных на доказательство адекватности предлагаемой математической модели и идентификацию основных параметров модели;

4) изучение нелинейных эффектов динамики процесса сверления в зависимости от различных параметров технологической системы;

5) выявление связи между стробоскопическим отображением А. Пуанкаре радиальных движений сверла и видом отклонений его вершины, для диагностирования развития геометрических погрешностей отверстия в процессе обработки;

6) разработка алгоритма управления процессом сверления глубоких отверстий, направленного на обеспечения заданной точности геометрических параметров отверстия, на основе исследования динамики процесса и диагностической информации о текущем состоянии процесса;

7) разработка системы адаптивного управления процессом сверления и исследование эффективности созданной системы в лабораторных и промышленных условиях.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием качественной теории дифференциальных уравнений, соответствующих разделов теории нелинейных колебаний, теории вероятностей и математической статистики, теории управления, динамики станков, теории резания металлов. Экспериментальные исследования проводились по методикам и программам, разработанным на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета. Обработка данных и цифровое моделирование осуществлялись с помощью программ, разработанных автором. Научная новизна работы. В диссертационной работе рассматриваются следующие основные вопросы:

1) раскрыты зависимости сил резания от упругих деформационных смещений вершины сверла в радиальных, осевом и крутильном направлениях, позволившие построить математическую модель нелинейной динамики процесса сверления;

2) исследованы нелинейные эффекты динамики процесса сверления, в зависимости от геометрических характеристик режущей части сверла и режимов резания, с позиции обеспечения требуемой геометрической точности отверстия и сверления без поломок инструмента;

3) исследовано стробоскопическое отображение геометрических отклонений параметров отверстия на плоскостях А. Пуанкаре, развивающихся в процессе сверления.

Практическая ценность диссертационного исследования заключается в следующем:

1) разработаны алгоритмы и программы позволяющие определять влияние различных конструктивных и технологических факторов на геометрическую точность отверстия и устойчивость процесса сверления на этапе проектирования;

2) предложены законы управления процессом сверления, направленные на повышение геометрической точности отверстия и обеспечения сверления без поломок инструмента;

3) разработана методика диагностирования радиальных отклонений сверла, влияющих на формирование геометрических погрешностей отверстия, в процессе обработки.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на

международных научно-технических и научно-практических конференциях:

1) «Инновационные технологии в машиностроении» в Ростове-на-Дону в 2009г.;

2) «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» в Ростове-на-Дону в 2010г.;

3) «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем» в Воронеже в 2010г. и в 2011г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержание которых изложено на 242 страницах, включая 8 таблиц, 86 рисунков, приложение на 41 страницах и списка источников, состоящего 123 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дается анализ работ в области обеспечения требуемой геометрической точности отверстий получаемых методом сверления. Отметим, что под параметрами геометрической точности отверстия понимаются отклонение действительной оси отверстия от его идеальной оси (увод оси отверстия) и отклонение действительного диаметра отверстия от его идеального диаметра (разбивка диаметра отверстия). Большой вклад в исследование данного вопроса внесли работы Дечко Э.М., Троицкого Н.Д., Костюковича С.С., Долгова В.И., Долодаренко А.Г. и др. Однако вопросы динамики процесса сверления в данных работах не рассмотрены. Вместе с тем, именно динамика процесса сверления в конечном итоге и определять геометрическую точность обработанного отверстия.

Как правило, при исследовании динамики процесса резания, основное внимание уделялось двум вопросам: устойчивости процесса и возникновению автоколебаний при резании. Исследованию первого вопроса посвящены работы Бржозовского Б.М., Васина С.А., Вейца В.Л., Зарса В.В., Кедрова С.С., Кудинова В.А., Эльясберга М.Е., Derich J., Lombard J., Mirski F., Opitz H., Polacek М. и др. Рассмотрению второго вопроса посвящены исследования Василенко Н.В., Гуськова A.M., Мурашкина Л.С., Мурашкина С.Л., Остафьева В.А., Подураева В.Н., Путята'Т.В., Соколовского А.П. и др.

Можно прийти к выводу, что все известные исследования, посвященные динамике процесса сверления, не учитывают факторов вызывающих развитие уводов инструмента и разбивки диаметра

отверстия. Необходимо признать, что все исследования, в которых рассматриваются параметры точности деталей, ограничены случаями квазистатического представления о силах. Данные представления освящены, например, в работах Грановского Г.И., Грановского В.Г., Клушина М.И., Филоненко С.Н. и др.

Следует отметить, что динамика процесса сверления должка рассматриваться в совокупности с динамическими процессами, протекающими в металлорежущем станке. Большой вклад в исследование, как динамики станков, так и динамики технологической системы в целом, внесли работы Вейца В.Л., Василенко Н.В., Заковоротного В.Л., Кудинова В.А., Мурашкина Л.С., Мурашкина СЛ., Остафьева В.А.

В данной части работы также дан краткий анализ существующих подходов построения систем управления. Отмечается, что распространенный в настоящее время метод управления процессами обработки, основанный только на геометрической информации о контуре детали не позволяет обеспечить требуемую геометрическую точность поверхностей деталей. Современная концепция со.рдания систем управления основывается, прежде всего, на учете динамических свойств управляемой технологической системы1''2'. Отметим, что созданию систем сверления отверстий, учитывающих в той или иной степени, динамические особенности технологической системы посвящены работы Закамалдина В.И., Лищинского Л.Ю., Назаренко Д В, Панова Е.Ю., Тверского М.М., Чубукина A.B., Яншахова М.Л. и ряда других исследователей. Анализ этих работ показывает, что созданное оборудование и разработанные законы управления, позволяют обеспечить сверление без поломок режущего инструмента, а также значительно повысить производительность процесса сверления. Однако выполненные исследования не позволяют раскрыть механизмы формирования отверстий с учетом динамики процесса, разработать алгоритмы диагностирования погрешностей в реальном масштабе времени и сформировать функцию управления, целью которой является обеспечение требуемой геометрической точности отверстий.

В связи с этим сформулирована цель и задачи диссертационного исследования, приведенные в конце данной части работы. Во второй главе дается обоснование математической модели динамики процесса сверления, раскрывается динамическая связь, формируемая процессом сверления и в значительной степени определяющая движения вершины инструмента, анализируются результаты цифрового моделирования динамики процесса.

Обобщенная математическая модель динамики процесса сверления рассматривается в следующем виде:

'' Заковоротный В.Л., Флек М Б. Динамика процесса резания. Сиперютический подход. -Ростон-на-Дону: «Терра». 2006. - 876 с.

2) Колесников Л.Л. Сипергетическая теория управления. М.: Энергоатомиздат, 1994. 325е.

7

сГХ , dX v ,,(dX doc} C)

m,--+h--+ c,-X = P . —,-

2 dt' 1 dt г "V dl dt

, d'à , da ,, (dx da

J —-+h---+c-a = mJ —, —

dt1 dl '{dt dt

где «i,, m,, ./ - приведенные массы и момент инерции в ортогональных

радиальных, осевом и крутильном направлениях, соответственно; /г,, с

приведенные коэффициенты диссипации и жесткости по

соответствующим направлениям (г = 1,3); Kj, Y2, X , a - координаты

движения вершины инструмента в ортогональных радиальных, осевом и крутильном направлении, заданные как сумма координат точки равновесия и вариаций относительно точки равновесия;

/',.„(>;,>';), /'„. (dX ! dt.dCC ! dt), M Kr(dX / dt,d(X / dt) - силы, действующие на инструмент в зоне резания и зависящие от координат упругих деформационных смещений вершины сверла.

На основе введенных гипотез и допущений, первые два уравнения системы (1), описывающие движения вершины сверла в ортогональных радиальных направлениях, могут быть представлены в виде одного уравнения:

+ = (2)

dt dt

где )' - отклонение вершины сверла в радиальном направлении в новой системе координат; Pn(ï)- результирующая составляющая силы резания

в радиальном направлении.

Для исследования динамики процесса сверления важно раскрыть динамическую связь, формируемую процессом. При упругих деформационных смещениях вершины сверла в радиальном направлении проявляется нелинейный характер зависимостей площадей срезаемых слоев от отклонений вершины сверла в радиальном направлении /(г) и /2(к), используя которые был установлен вид характеристики радиальной составляющей силы резания Р,,_(у) (рис. 1). Характеристика Pk(y), приведенная на рис. 16, соответствует

этапу врезания сверла в заготовку. По мере дальнейшего заглубления сверла в заготовку, будет формироваться нормальная сила контактного взаимодействия цилиндрических поверхностей сверла и образуемого отверстия при упругих деформационных смещениях сверла в радиальном направлении.

а) 6)

Рис. 1. Характеристики: а - срезаемых площадей режущими лезвиями сверла; б -радиальной составляющей силы резания на этапе врезания сверла в заготовку

Нормальная сила контактного взаимодействия поверхностей сверла и отверстия будет препятствовать радиальным упругим смещения сверла, данную силу можно представить в виде функции сближения1'. В диссертационной работе принято, что функция сближения (<?,/„,.„) зависит от величины сближения боковых

цилиндрических поверхностей сверла и отверстия , а также от глубины засверливания сверла в заготовку /„,,, (рис. 2а). Влияние функции сближения /•',(<£,/,.„.„) на характеристику Рг.(у) показано на рис. 26 (участки а в).

Рис. 2. Функция сближения боковых цилиндрических поверхностей сверла и отверстия (а) и характеристика радиальной силы с учетом функции сближения (б)

Раскрытие характеристик осевой силы и крутящего момента было выполнено аналитически. Окончательно система дифференциальных уравнений, описывающих динамику процесса сверления, может быть

" Заковоротнмй ПЛ. Динамика фибосмстсм. Самооргашиащш, чвшпоция. - 1'осюв и/Д.: И ¡латышский центр /II ТУ, 2003 - 502 с.

представлена в виде системы (3). Отметим, что система уравнений (3) записана в вариациях относительно стационарной траектории движения инструмента, которая задана частотой вращения шпинделя ы и

скоростью подачи пиноли V,.

где .х, у, а - вариации координат относительно стационарной траектории движения инструмента; ш,, V, - частота вращения шпинделя

и скорость подачи пиноли станка.

Из системы (3) можно видеть, что второе и третье уравнения являются связанными через вариации координат, при этом уравнение, описывающее движении системы в осевом направлении, носит подчиненный характер по отношению к уравнению, описывающему движение системы в крутильном направлении. Поэтому второе и третье уравнения должны решаться совместно. Первое уравнение системы (3) может быть проанализировано отдельно.

Рассмотрим динамику колебательных движений вершины сверла в радиальном направлении в зависимости от глубины засверливания сверла в заготовку (рис. 3). На рис. За показан фазовый портрет колебательных движений сверла в радиальном направлении на этапе врезания инструмента в заготовку, как можно наблюдать на фазовом портрете имеется два типа областей - устойчивая область с точкой равновесия 0, и неустойчивые области, разделенные сепаратрисами.

Движение изображающей точки по одной из траекторий, лежащих в областях неустойчивых движений, будет соответствовать развитию увода оси сверла. Как можно видеть выходу изображающей точки из области притяжения точки равновесия О, способствует не только величина радиального отклонения вершины сверла у, но и скорость радиального отклонения вершины сверла ¿у 1(11.

Дальнейшее заглубление инструмента в заготовку приводит к проявлению влиянию функции сближения Гх(<>, 1г„) на характеристику Р1Х(у), что на фазовых портретах отражается в образовании

т, ■

(3)

дополнительных точек равновесия (¿2 и (), (рис. 36) за счет частичного вырождения неустойчивых областей. Стабилизация вершины сверла в точках и ()! будет приводить к образованию разбивки диаметра отверстия.

Последующее заглубление инструмента, вначале способствует вырождению неустойчивых областей в пользу областей притяжений точек равновесия (рис. Зв), а затем к вырождению точек и О, (рис.Зг).

в) г)

Рис. 3. Фазовые портреты колебательных движений вершины сверла в радиальном направлении, а - на этапе врезания; б - при 1ш.п = 0,45.«.« ;

в - при 1Ж11 = 6мм ; г - при 1.иП1 = 20мм

Приведенный материал показывает, что при сверлении, важно обеспечить как наименьшее радиальное отклонение вершины сверла у от его идеальной оси, так и наименьшую скорость радиальных колебаний вершины сверла ау/Л на начальных этапах сверления, т.к. именно на начальных этапах сверления существует значительная вероятность образования погрешностей отверстия. С позиции управления процессом сверления, целесообразно, на начальных этапах, уменьшать частоту шпинделя юр и скорость подачи К.. По мере

\

заглубления сверла в заготовку, при формировании естественной стабилизирующей связи в виде функции сближения /\(г)./ ,,.,), режимы

резания могут быть увеличены, что позволить увеличить производительность обработки без существенного увеличения риска образования геометрических погрешностей отверстия.

Выше были рассмотрены фазовые портреты для сверла с симметричными режущими свойствами его лезвий. Нетрудно показать, что при наличии асимметрии в режущих свойствах лезвий, например, при наличии эксцентриситета вершины сверла по отношению к его идеальной оси, будет наблюдаться смешение точки равновесия относительно начала координат фазового портрета. Это приведет к образованию разбивки диаметра отверстия даже при стабилизации вершины сверла в точке равновесия ()1.

На рис.4 показаны фазовые портреты радиальных колебательных движений вершины сверла при различных значениях двойного угла в плане 2<р. Из этих фазовых портретов видно, что увеличение угла Ър приводит к увеличению областей притяжения точек ()2, 0, и уменьшению области притяжения точки . Другими словами увеличение угла 2<р способствует формированию разбивки диаметра отверстия.

у. 1мм)

а)

у. [ИМ! б)

Т2<р~ 150'

Рис. 4. Фазовые портреты колебательных движений вершины сверла в радиальном направлении: а - при 2(р = 100" ; б - при 2^ = 150"

Однако уменьшение угла 2 ср приводит, как известно, к проявлению других негативных факторов, например, увеличивается износ режущих лезвий сверла по задней поверхности, ухудшается продвижение стружки по стружкоотводящим канавкам и др. Отсюда следует, что выбор величины угла 2<р должен выполняться на основе компромисса.

На рис. 5 приведены фазовые портреты колебательных движений сверла в крутильном направлении, полученные на основе совместного решения второго и третьего уравнений системы (3).

Из рис. 5 можно наблюдать две стационарных траектории движения вершины инструмента. Одна траектория обусловлена точкой равновесия с координатами (0;0), вторая - движением изображающей точки с постоянной угловой скоростью («/а/<Л)=а> в сторону увеличения угловых упругих деформаций.

а) б)

Рис. 5. Фазовые портреты колебательных движений вершины сверла в крутильном направлении (серым цветом условно показаны области недопустимых угловых деформаций): а - при юр »\51padlc ; б - при юръ262рад/с

Вторая стационарная траектория характеризует неустойчивое движение инструмента', приводящее к его поломке. Увеличение частоты вращения шпинделя а>г приводит к увеличению области устойчивых

движений, т.е. уменьшается вероятность поломки инструмента. Однако следует отметить, что при увеличении частоты а>р увеличивается

скорость упругих деформаций сверла и сами упругие деформации сверла в крутильном направлении, поэтому величина а>р лимитирована

прочностными характеристиками инструмента.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментов направленных на доказательство адекватности математической модели, идентификацию основных параметров модели.

Измерение приведенной жесткости инструмента в крутильном и радиальном направлении, выполнялось в статике, т.е. измерялись статические силы, действующие на сверло в крутильном и радиальном направлении, а также соответствующие этим силам деформации инструмента. Сверло закреплялось в шпинделе станка. Жесткость системы в осевом направлении определялась на основе оценки действительного перемещения пиноли станка, которое соответствует перемещению вершины инструмента.

Оценка приведенных коэффициентов масс и диссипаций выполнялась на основе анализа собственных колебаний инструмента по соответствующим направлениям. Импульсные воздействия на инструмент формировались при помощи виброударного молотка, колебания сверла измерялись с помощью датчика ВАЭ с одновременной записью импульса силы и колебательных ускорений непосредственно в ПЭВМ.

Так как уравнения системы (3) записаны в вариациях относительно стационарной траектории движения инструмента, задаваемой частотой вращения шпинделя сор и скоростью подачи

пиноли Ух, то изучение влияния подачи сверла на геометрическую

точность обрабатываемого отверстия выполнялось экспериментально. Было установлено, что при увеличении подачи на этапе врезания сверла в заготовку, увеличивается дисперсия отклонений действительного центра отверстия от его идеального центра, а также данные отклонения становятся менее детерминированными. Эти результаты подтверждаются производственным опытом. Таким образом, для повышения точности обработки целесообразно снижать величину подачи на начальных этапах сверления.

В данной главе также выполнялось исследование составляющих сил резания. Следует отметить, что характеристика радиальной составляющей силы резания, полученная на основании теоретических положений во второй главе, качественно схожа с экспериментальной характеристикой.

В четвертой главе рассмотрены алгоритмы управления процессом сверления, направленные на обеспечение требуемой геометрической точности отверстия, учитывающие результаты исследования нелинейных эффектов динамики процесса сверления. Однако в зоне резания протекают явления, которые не могут быть описаны в координатах движения вершины инструмента (срыв нароста, неравномерное продвижение стружки по стружкоотводящим канавкам и т.п.)> приводящие к радиальным отклонениям сверла. Поэтому требуется введение корректирующих воздействий в основной закон управления процессом сверления с целью компенсации негативного действия данных явлений в реальном масштабе времени. Т.к. описанные выше явления связаны с периодом вращения инструмента, то для диагностирования вида развивающейся геометрической погрешности отверстия целесообразно использовать стробоскопическое преобразование Анри Пуанкаре. Система измерения отклонений сверла в радиальном направлении может быть реализована на основе токовихревых датчиков.

Анализируя расположения и движения стробоскопических точек на плоскостях А. Пуанкаре относительно некоторой базовой окружности с радиусом равным расстоянию от торца датчика до боковой цилиндрической поверхности сверла, можно установить вид геометрического отклонения отверстия (увод оси или разбивка диаметра

отверстия). Т.к. процесс сверления сопровождается силовым шумом, то целесообразно использовать некоторые статистические оценки, характеризующие реализации точек на плоскостях А. Пуанкаре. В данной работе, в качестве статистических оценок распределения точек на плоскостях А. Пуанкаре были использованы математическое ожидание цг и дисперсия а]. На рис. 6 приведены расположения точек на

плоскостях А. Пуанкаре для различных видов геометрических отклонений отверстия.

Д1А1 |

Л =0,190 мм

В)

Рис. 6. Расположения и движения статистических характеристик реализаций стробоскопических точек на плоскостях А. Пуанкаре: а - постоянная разбивка

диаметра отверстия; б - уменьшающаяся, по мере заглубления сверла в заготовку, разбивка диаметра отверстия; в - увод оси сверла (отверстия) для случая вращения только сверла; г - увод оси сверла (отверстия) для случая вращения сверла и заготовки

При постоянной разбивке диаметра отверстия по всей его длине, математические ожидания цх реализаций точек, по плоскостям А,,

будут расположены на окружности с радиусом Д,, отличном от радиуса

базовой окружности (рис. 6а). В случае разбивки диаметра отверстия, уменьшающейся по мере заглубления сверла, что, как правило, имеет

место в большинстве случае, математические ожидания точек //д на плоскостях Д , будут двигаться от окружности с радиусом Д, к базовой окружности, как показано стрелками на рис. 66. Скорость движения математических ожиданий точек будет характеризовать

интенсивность уменьшения разбивки диаметра отверстия.

В случае развития увода оси сверла • и соответственно оси отверстия, математические ожидания по одним плоскостях будут двигаться от базовой окружности к ее центру, а по другим плоскостям от базовой окружности в бесконечность (рис. 6в). По величинам смещений математических ожиданий &рх возможно ориентировочное определение смещений вершины инструмента по каждому ортогональному радиальному направлению, на основе данной информации можно оценить приближенное направление вектора радиального отклонения вершины сверла (см. рис. 6в).

При сверлении с вращением заготовки и сверла, диагностирование увода оси сверла, по математическим ожиданиям ,

не представляется возможным, т.к. математические ожидания //_ будут расположены на базовой окружности или в малой окрестности базовой окружности, что соответствует' отсутствию каких-либо отклонений вершины сверла. В этом случае развитие увода инструмента, возможно диагностировать по увеличению дисперсии точек о] на каждой из плоскостей Д, А. Пуанкаре (стрелки на рис. 6г). Скорость увеличения дисперсии <т\ характеризует интенсивность развития увода оси сверла.

Отметим, что в случае отсутствия каких-либо отклонений сверла в радиальном направлении, из-за наличия силового шума, будет также наблюдаться дисперсия <т' стробоскопических точек (рис. 7), но в отличие от выше рассмотренного случая, величина дисперсии а\, будет заметно ниже (начиная с некоторого количества статистических данных).

Таким образом, можно видеть, что стробоскопическое преобразование А. Пуанкаре позволяет однозначно представить различные виды геометрических погрешностей отверстия, в виде, удобном для их диагностирования в процессе обработки.

Результаты цифрового моделирования, а также результаты экспериментальных исследований показали, что предложенные методы управления процессом обработки, учитывающие динамику процесса сверления и реализующие корректирующие воздействия на основе диагностирования текущего состояния процесса обработки по критерию точности отверстия, позволяют снизить уводы оси отверстий в 1,5 раза, разбивку диаметра отверстий в 1,25 раза, по сравнению с аналогичными системами, а по сравнению с ручными методами обработки уводы оси отверстий и разбивка диаметра отверстий уменьшились в 2 раза.

На основании проведенных исследований были созданы системы управления сверлильными станками, внедренные на ОАО «Калужский турбинный завод», а также создан специализированный сверлильный

Рис. 7. Пример изменения дисперсий точек а* на плоскостях А. Пуанкаре при

силовом зашумлении: 1 - увод оси отверстия при вращении сверла и заготовки;

2 - отсутствие каких-либо геометрических отклонений отверстия

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Разработана математическая модель, позволяющая раскрыть нелинейный характер динамики процесса сверления, в зависимости от различных параметров технологической системы.

2) Раскрыта динамическая характеристика процесса сверления, которая представляется в виде радиальной и осевой силы резания, а также крутящего момента. В принятой схематизации сил установлено, что радиальная составляющая сила резания существенно зависит от углов в плане сверла, а также глубины засверливания сверла в заготовку. Осевая сила и крутящий момент принципиапьно зависят от соотношения частоты вращения шпинделя и скорости деформации инструмента в крутильном направлении.

3) Выполнен ряд экспериментальных исследований, направленных на доказательство адекватности математической модели динамики процесса сверления и идентификацию её параметров, а также получены некоторые дополнительные знания о динамике процесса и его влияния на геометрическую точность отверстия.

4) На основе математической модели выполнены исследования нелинейной динамики процесса сверления, которые показали, что

существует ограниченная область притяжения центральной точки равновесия, то есть точки лежащей на идеальной оси отверстия, выход изображающей точки за границы области притяжения центральной точки, в результате деформационных смещений вершины сверла, приводит либо к отклонению вершины сверла от идеальной оси отверстия, что отражается на развитии разбивки диаметра или увода оси отверстия, либо к потере устойчивости системой, которая выражается в поломке инструмента.

5) Изучена связь между радиальными отклонениями сверла и их стробоскопическими отображениями на плоскостях А. Пуанкаре, что позволило разработать метод диагностирования геометрических погрешностей отверстия. Отметим, что для изучения отображения радиальных отклонений инструмента на плоскостях А. Пуанкаре была разработана соответствующая имитационная математическая модель.

6) Разработаны алгоритмы управления процессом сверления глубоких отверстий, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований нелинейной динамики процесса, а также учитывающие влияние различных факторов сопровождающих процесс сверления (заклинивание сверла при накоплении стружки в стружкоотводящих канавках, износ режущих лезвий инструмента, формирование радиальных отклонений сверла) по средствам введения корректирующих управляющих воздействий в реальном масштабе времени.

7) Выполненные исследования эффективности системы управления, реализующей разработанные алгоритмы, показали, что данная система позволяет снизить уводы оси отверстий в 1,5 раза, разбивку диаметра отверстий в 1,25 раза, по сравнению с аналогичными системами, а по сравнению с ручными методами обработки уводы оси отверстий и разбивка диаметра отверстий уменьшились в 2 раза. Разработанные системы управления сверлильными станками, внедрены на ОАО «Калужский турбинный завод», а также использованы при создании специализированного сверлильного станка для ОАО «Роствертол».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В журналах ВАК:

1) Быкадор B.C., Лукьянов А.Д., Зимовнов О.В. Регистратор кинематических параметров станочных приводов с раздельной архитектурой системного программного обеспечения. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2007. - №3

2) Быкадор B.C. Влияние динамики процесса сверления на формирование погрешностей глубоких отверстий. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2010. - №8

3) Быкадор B.C. Диагностирование отклонений сверла в радиальном направлении. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2011. - №1

4) Быкадор B.C. Влияние динамики на характеристики сверления глубоких отверстий. // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказкий регион. Технические науки. 2011. - №2

В других изданиях:

5) Быкадор B.C., Зимовнов О.В., Лукьянов А. Д. Контроллер идентификации параметров сигнала неуравновешенности- роторов основанный на ПЛИС XILINX SPARTAN-3E FPGA. Инновационные технологии в машиностроении; сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2009.

6) Быкадор B.C. Использование адаптивного шага в формировании вектора начальных условий для моделирования механических систем с нелинейными функциями. Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем: Сб. трудов. Вып. 15 / Под ред. д.т.н., проф. О.Я. Кравца. - Воронеж: «Научная книга», 2010. - 148 с.

7) Заковоротный В.Л., Быкадор B.C., Фам Динь Тунг. Алгоритмы диагностирования параметров геометрического качества при обработке отверстий многолезвийными инструментами. Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства Труды IX Международной научно-технической конференции.- Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ, 2010- 1184 с.

8) Быкадор B.C. Влияние динамики колебаний сверла в радиальном направлении на точность оси обрабатываемого отверстия. Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства Труды IX Международной научно-технической конференции.-Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ, 2010 -1184 с.

9) Быкадор B.C. Динамика радиальных колебаний сверла на этапе его врезания в заготовку. Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем: Сб. трудов. Вып. 16 / Под ред. д.т.н., проф. О.Я. Кравца. - Воронеж: «Научная книга», 2011. -151 с.

В печать 7/^.2011.

Объём¿'усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №//5 Тираж/!^йкз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Пути повышения точности обработки отверстий при сверлении. 1.2 Общее представление о динамике процесса резания.

1.3 Существующие представления о динамике процесса сверления на основе квазистатических моделей.

1.4 Существующие принципы построения систем управления процессами обработки деталей.

1.5 Цель и задачи диссертационного исследования.

ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ.

2.1 Уравнения динамики процесса сверления.

2.2 Динамика колебаний вершины сверла в радиальном направлении.

2.3 Влияние геометрии сверла и технологических режимов на фазовые портреты.

2.4 Динамика колебаний вершины сверла в осевом и крутильном направлениях.

2.5 Анализ результатов цифрового моделирования.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДИНАМИКА ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ.

3.1 Описание экспериментального стенда и измерительного оборудования.

3.2 Методики проведения экспериментальных исследований.

3.3 Анализ экспериментальных результатов динамики процесса сверления.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. ПУТИ УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТЬЮ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ.

4.1 Системный подход к управлению процессом сверления глубоких отверстий.

4.2 Выбор оптимальной геометрии инструмента, режимов резания и схем обработки.

4.3 Диагностирование отклонений сверла в радиальном направлении.

4.4 Выбор оптимальной стратегии управления процессом сверления.

4.5 Выводы.

Точность элементов деталей машин является важнейшим показателем, который в значительной мере влияет на долговечность и надежность машин, а так же на качество выполняемых машинами функций: Не исключение составляют и поверхности, образованные сверлением. Однако процесс сверления обладает одной особенностью, которая его отличает от других видов механической обработки. Эта особенность связана с малой жесткостью сверла, в результате чего, формообразующие движения вершины сверла могут значительно отличаются от движений исполнительных органов технологического оборудования, вызывая тем самым, развитие геометрических погрешностей отверстия. Сверло является также наименее прочным элементов во всей технологической системе, поэтому возмущающие факторы, присущие процессу сверления, зачастую приводят к поломке сверла. Выше названные негативные факторы значительно усиливаются при сверлении глубоких отверстий. Другими словами, процессом сверления сложно управлять. С технологической точки зрения гарантировать требуемое качество отверстия после выполнения операции сверления достаточно трудно.

Для снижения величин геометрических отклонений параметров отверстий, образуемых сверлением, используют различные подходы, которые заключаются в использовании сверл определенной конструкции, технологических схем обработки, специальных приспособлений.- Отдельно следует обратить внимание на применение оборудования, оснащенного системами управления, которые осуществляют процесс сверления в автоматическом режиме. В типовых системах управления процессами механической обработки, в том числе и сверлением, учитываются только геометрические параметры обрабатываемой поверхности и значения режимов резания. Однако типовые системы управления не учитывают динамические процессы, протекающие в зоне резания, которые существенно определяют действительные движения вершины сверла и соответственно геометрическую точность обрабатываемого отверстия. Другими словами, типовые системы управления« процессом сверления имеют невысокую» эффективность с позиции обеспечения геометрической точности отверстия и сверления с наименьшим¥Количеством'поломок инструмента. Но существует и другойшодход в создании систем! управления« процессами механической? обработки; который; учитывает динамические процессы». протекающие: в;зоне резания; а также взаимное влияние процессов резания и упругой.системы станка.

Для «реализации второго? подхода? необходимо изучение: динамики процесса резания; а именно: раскрытие его динамических характеристик, выявление координат, связывающих процесс обработки с упругой« системой^ станка; исследование влияния режимов резания, геометрических и конструктивных особенностей инструмента на динамику процесса; обработки. Все это позволит выявить законы, управления? процессом сверления, учитывающих его динамику и направленных, на достижение наименьших геометрических погрешностей отверстия, и сверления» без поломок: инструмента. Второй; важной задачей, является: развитие методов: диагностирования; текущего- состояния* процесса обработки, в данном, случае процесса сверления, для формирования корректирующих воздействий; компенсирующих, негативные явления, сопутствующие процессу сверления. Развитие этих двух направлений, является! актуальным для дальнейшего совершенствования систем управления металлорежущим оборудованием, чему и посвящена» данная: диссертационная работа.

Следует отметить, что данная работа является естественным продолжением исследований, проведенных как в области динамики и механики процессов: резания и станков Б. М: Бржозовскйм, С.А. Васиным, Н.В. Василенко,

B.J1. Вейцем, A.M. Гуськовым, В;Л. Заковоротным, В.В. Зареем, H.H. Зоревым,

C.С. Кедровым, В:А. Кудиновым, JT.G. Мурашкиным; СЛ. Мурашкиным, В.А. Остафьевым, В.Н. Иодураевым, М.Е. Эльясбергом, и другими, а также в-области создания; систем сверления отверстий В.И. Закахмалдиным, JI.IO. Лищинским, Д.В. Назаренко, Е.Ю: Пановым, И.Д. Румянцевой, A.A. Самосудовым, MlMiТверским, A.B. Чубукиным, М.Л. Яншаховым и рядом других исследователей.

Научная новизна работы. В диссертационной работе рассматриваются следующие основные вопросы:

1) раскрыты зависимости сил резания от упругих деформационных смещений вершины сверла в радиальных, осевом и крутильном- направлениях, позволившие построить математическую, модель нелинейной динамики процесса сверления;

2) исследованы нелинейные эффекты динамики процесса сверления, установлено влияние геометрических характеристик режущей части сверла и режимов резания на динамику процесса сверления с позиции обеспечения геометрической точности отверстия и сверления без поломок инструмента;

3) исследовано стробоскопическое отображение геометрических отклонений сверла на плоскостях А. Пуанкаре для различных видов радиальных отклонений сверла как для процесса сверления без силового зашумления, так и с учетом силового шума сопутствующего процессу резания.

На защиту выносятся теоретические положения, касающиеся разработанной математической модели! нелинейной динамики процесса сверления, результаты исследования, а также практические решения, связанные с алгоритмами управления и диагностирования процесса сверления.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием качественной теории дифференциальных уравнений, соответствующих разделов теории нелинейных колебаний, теории вероятностей и математической статистики, теории управления, динамики станков, теории резания металлов. Экспериментальные исследования проводились по методикам и программам, разработанным на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета. Обработка данных и цифровое моделирование осуществлялись с помощью программ, разработанных автором.

Практическая ценность диссертационного исследования заключается в следующем:

1) Разработаны алгоритмы. и программы позволяющие определять влияние различных конструктивных и технологических факторов на геометрическую точность отверстия и устойчивость процесса сверления на этапе проектирования;

2) предложены законы управления процессом сверления, направленные на повышение геометрической точности отверстия и снижения вероятностишоломки, инструмента; •

3) разработана методика диагностирования радиальных отклонений сверла, позволяющая диагностировать вид. отклонения, его ориентировочную величину и направление отклонения, для случая увода оси сверла, в реальном масштабе времени.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и научно-практических конференциях:

1) «Инновационные технологии в машиностроении» в Ростове-на-Дону в 2009 г.;

2) «Инновация^ экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях, машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского-хозяйства» в^ Ростове-на-Дону в 2010 г.;;

3) «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем» в Воронеже в 2010 г. в 201 Гг. Структура работы. Диссертация состоит из введения; 4 глав и заключения, содержание которых изложено на 242 страницах, включая 8 таблиц- 86 рисунков, приложение на 41 страницах и списка источников, состоящего 123 наименований;

4.5 Выводы

В данной главе был рассмотрен . ряд положений, направленных на управление процессом резания с целью обеспечения требуемой геометрической точности обрабатываемого отверстия* и* повышения производительности процесса сверления. Эта глава является заключительной и все рассмотренные в ней положения построены на; основе ранее: проведенных исследований в данной , диссертационной работе. Ниже приведены основные выводы которые можно сделать по главе 4:

1) показано (см. рисунок 4.5),. что при врезании сверла в заготовку образуется его смещение; по отношению к идеальной оси отверстия, но если смещение сверла лежит в некоторых пределах, то движение сверла в дальнейшем стабилизируется. Данный экспериментальный материал согласуется с теоретическими положениями второй главы;

2) однозначно можно сказать, что на геометрическую точность обработки отверстий, несимметричность геометрии сверла, выраженная в неравенстве углов в плане Ф] и ф2 , сказывается отрицательно. Как показано на рисунке 4.6 различие углов в плане ф, и ф2 увеличивает диаметр отверстия по сравнению с требуемой величиной диаметра, то есть приводит к разбивке диаметра отверстия, Также неравенство углов в плане является причиной увеличения нестационарности отклонения диаметра отверстия по всей его длине. Поэтому необходимо стремиться к обеспечению симметрии сверла;

3) величина двойного угла в плане 2 ф неоднозначно влияет на показатели геометрической точности отверстия. Увеличение угла 2ф приводить к повышению точности формы отверстия в поперечных сечениях (см. рисунок 4.7), но при этом увеличивается увод оси сверла по отношению к идеальной оси отверстия (см. рисунок 4.10). Уменьшение угла 2 ф оказывает противоположное влияние на геометрические показатели точности отверстия. В таком случае, необходимо выбирать значение угла 2ср на основе компромисса между точностью формы отверстия в поперечных; сечениях* и величиной* отклонениям действительной оси отверстия от идеальной. Отметим, что экспериментальные выводы*касающиеся^ влияния» двойного- угла в-плане 2 ср на- увод оси отверстия подтверждают теоретические положения выполненные во второй главе'; данной: диссертации;

-, 4) на начальном этапе сверления необходимо обеспечение наименьших величин скорости подачи пиноли Vs и частоты вращения шпинделя сор для. обеспечения наименьшего отклонения оси сверла от идеальной оси отверстия. По мере, заглубления сверла элементы режима резания Vs . и шр могут быть увеличены?; без существенного, риска увода оси сверла за счет стабилизирующего действия функции; сближения- ^¿(<5 > /.<,■) . Более того, как отмечалось выше увеличение частоты вращения шпинделя сор увеличивает область притяжения точки; равновесия? при, совместных осевых, и крутильных колебаниях? свёрла, но увеличение шр и Vs ограничено прочностными характеристиками сверла;

5) краткий анализ схем обработки показал^ что наиболее предпочтительной схемой ; обработки, с позиции > наименьшего отклонения оси сверла от идеальной оси отверстия; является схема при встречном вращении/ заготовки и сверла; Однако такая схема, далеко не всегда может быть применена из-за. ограничений рассмотренных выше, поэтому схема обработки с неподвижной заготовкой и вращающимся сверлом остается наиболее распространенной; хотя увод оси сверла для такой схемы обработки- наибольший по сравнению с другими схемами: В связи с чем можно заключить, что разработка^ законов управления, с их последующей реализацией в виде систем управления, является одним из основных способов достижения требуемого качества деталей машин;

6) параграф 4.3 посвящен диагностированию радиальных отклонений; сверла на основе использования стробоскопического отображения; А. Пуанкаре. Как можно видеть из данного параграфа, анализируя расположения* стробоскопических точек, , их направления движения; и скорость их движения, можно не только определить вид радиального отклонения сверла (разбивка диаметра отверстия или увод оси сверла), но и определить ориентировочные параметры радиального отклонения сверла, такие как величина и» интенсивность развития отклонения; направление вектора отклонения для увода оси? сверла. Значительное внимание уделено анализу расположения» и движения стробоскопических точек на плоскостях А. Пуанкаре для различных случаев радиальных отклонений сверла* при учете силового зашумления, присущего процессу резания и возникающего в результате физических явлений, сопровождающих процесс резания (срыв нароста, движение стружки по стружкоотводящим канавкам и т.п.), не связанных с координатами упругих деформационных смещений подсистем инструмента и заготовки. Выше было показано, что использование таких статистических оценок, как математическое ожидание цх и дисперсия» сг распределения точек на плоскостях А. Пуанкаре позволяет во многих случаях, с достаточной точностью, устанавливать диагноз касающийся того или иного вида отклонения, а также ориентировочно определять параметры радиальных отклонений сверла. Анализ радиальных отклонений, сверла по статистическим оценкам цх и а2х , после накопления достаточного количества точек, аналогичен анализу непосредственно по расположению и движению точек на плоскостях А. Пуанкаре;

7) в параграфе 4.4 рассмотрены законы управления частотой вращения шпинделя - со,, и скоростью подачи пиноли У5 , построенные на основе исследований нелинейной динамики процесса сверления, проведенных во второй) главе данной диссертационной работы. Эти законы управления процессом сверления ориентированы в первую очередь на обеспечение требуемой геометрической точности обрабатываемого отверстия, а затем на обеспечение максимально возможной производительности процесса. Контроль, различных факторов, сопутствующих процессу сверления, таких как увеличение крутящего момента Мю, , развивающийся износ Низн режущих лезвий сверла и появление радиальных отклонений уг сверла, позволяет снизить вероятность появления брака и повысить надежность процесса сверления, о чем свидетельствуют данные приведенные в таблицах №4.2 и №4.3. Отметим, что в параграфе 4.4 приведен алгоритм коррекции увода оси сверла, построенный на информации получаемой в результате диагностирования увода оси сверла при помощи стробоскопического отображения А. Пуанкаре. Также в п.4.4 приведена функциональная схема системы управления сверлильной головкой, дающая общее представление о составе и принципе работы системы управления, реализующей рассмотренные выше законы управления и методы их коррекции в реальном масштабе времени.

Выполненые исследования эффективности системы управления, реализующей рассмотренные выше законы управления, показали, что данная система позволяет снизить уводы оси отверстий в 1,5 раза, разбивку диаметра отверстий в 1,25 раза, по сравнению с аналогичными системами, а по сравнению с ручными методами обработки уводы оси отверстий и разбивка диаметра отверстий уменьшились в 2 раза.

Заключение и общие выводы

В данной диссертационной работе проведены исследования, направленные на повышение геометрической точности сверления глубоких отверстий спиральными сверлами* на основе раскрытия нелинейных эффектов процесса и диагностирования отклонений сверла при помощи анализа, стробоскопического отображения А. Пуанкаре его радиальных смещений. Данные исследования позволили выявить закономерности между геометрической точностью отверстия и основными параметрами технологической системы, но главное на их основе разработаны алгоритмы управления координатами процесса сверления и определена структура систем управления процессом глубокого сверления, способных реализовать данные алгоритмы управления. Также проведенные исследования позволили сформулировать требования, направленные на выбор оптимальных углов в плане сверла и определить влияние на устойчивость технологической системы приведенных коэффициентов жесткости в осевом и крутильном направлениях.

Для выполнения поставленной цели был выполнен ряд научно-исследовательских задач:

1) разработана математическая модель, позволяющая раскрыть существенно нелинейный характер динамики процесса сверления, в зависимости от различных параметров технологической системы, влияющих на упругие деформационные смещения вершины сверла;

2) раскрыта динамическая характеристика процесса резания, которая представляется в виде радиальной и осевой силы резания, а также момента кручения. В принятой схематизации сил установлено, что радиальная составляющая сила резания существенно зависит от углов в плане сверла, а также глубины засверливания сверла в заготовку. Осевая сила и момент кручения принципиально зависят от соотношения частоты вращения шпинделя и скорости деформации инструмента в крутильном направлении;

3) на основе математической^ модели выполнены исследования нелинейной динамики, процесса сверления, которые показали; что существуют ограниченные области-притяжения'центральной точки равновесия, то есть» точки ! лежащей, на-идеальной оси отверстия, выход изображающей точки» за границы* области притяжения центральной точки; в результате деформационных, смещений вершины сверла, приводит либо к устойчивому отклонению1 вершины сверла от идеальной оси отверстия, что отражается на развитии таких геометрических погрешностей отверстия как разбивка его диаметра, и увод оси, либо к потери1 устойчивости системой, которая выражается в поломке сверла;

4) выполнен ряд экспериментальных исследований, направленных, во-первых, на доказательство адекватности математической модели динамики процесса сверления; во-вторых, на идентификацию её параметров, выраженных в приведенных коэффициентах жесткости, диссипации и инерции системы, а также в коэффициентах жесткости процесса сверления*« по различным направлениям, в третьих, на получение некоторых дополнительных знаний о динамике процесса;

5) изучена связь между радиальными отклонениями сверла и их стробоскопическим отображением- на плоскостях А. Пуанкаре, что позволило разработать метод диагностирования радиальных отклонений сверла. Данный метод позволяет определить вид радиального отклонения сверла, приводящего либо к разбивке диаметра отверстия, либо к уводу действительной оси отверстия, а также ориентировочно оценить величину радиального отклонения сверла и его направление (для случая увода оси сверла). Отметим, что для изучения отображения радиальных отклонений сверла на плоскостях А. Пуанкаре была разработана соответствующая имитационная математическая модель;

6) разработаны^ алгоритмы управления процессом сверления глубоких отверстий, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований нелинейной динамики процесса, а также учитывающие влияние различных факторов, сопровождающих процесс сверления (заклинивание сверла при накоплении стружки в стружкоотводящих канавках, износ режущих 'лезвий инструмента, формирование радиальных отклонений сверла) посредством введения корректирующих управляющих воздействий в реальном масштабе времени;

7) выполненные исследования эффективности системы управления, реализующей разработанные алгоритмы, показали, что данная система позволяет снизить уводы оси отверстий в 1,5 раза, разбивку диаметра отверстий в 1,25 раза, по сравнению с аналогичными системами, а по сравнению с ручными методами обработки уводы оси отверстий и разбивка диаметра отверстий уменьшились в 2 раза. Разработанные системы управления сверлильными станками, внедрены на ОАО «Калужский турбинный завод», а также использованы при создании специализированного сверлильного станка для ОАО «Роствертол».

1. Андронов А.А, Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М., Наука, 1981, 915 с.

2. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М., Наука, 1976, 368 с.

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

4. Быкадор B.C. Влияние динамики на характеристики сверления глубоких отверстий. // Известия высших учебных заведений. Северо-кавказкий регион. Технические науки. 2011. №2.

5. Быкадор B.C. Влияние динамики процесса сверления на формирование погрешностей глубоких отверстий. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2010. №8.

6. Быкадор B.C. Диагностирование отклонений сверла в радиальном направлении. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2011. №1.

7. И.Бордачев Е.В. Многофункциональный мониторинг динамического качества металлорежущих станков токарной группы. Книга1. Дис. д.т.н., Ростов-на-Дону, 1996, 438 с.

8. Быкадор B.C., Лукьянов А.Д., Зимовнов О.В. Регистратор кинематических параметров станочных приводов с раздельной архитектурой системного программного обеспечения. // Вестник Донского Государственного Технического Университета. 2007. Т.7, №3 (34)

9. Ван-дер-Поль. Нелинейная теория электрических колебаний. М, Связьиздат, 1935.

10. Василенко Н.В. О расчете автоколебаний при резании металлов. Прикладная механика.-Киев: Наукова думка, т.З, вып. 6, с. 24-25

11. Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов. Л., Машиностроение, 1969, 370 с.

12. Вейц В.Л., Васильков Д.В., Зубарев Ю.М. Динамика технологических систем. СПБ: изд-во института машиностроения, 2002. 256 с.

13. Вейц В.Л., Дондошанский В.К., Чиряев В.И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.-Л., Машгиз, 1959, 288 с.

14. Вейц В.Л., Коловский М.З., Кочура А.Е. Динамика управляемых машинных агрегатов. М.: Наука, 1984. 352 с.

15. Вершинская А.Д. Сверление титановых и жаропрочных сплавов. В сб.: Высокопроизводительный режущий инструмент. М., Машгиз, 1961.

16. Вибрация в технике: Справочник. В 6-ти т./ Ред. совет: Челомей В.Н. (пред.). М.: Машиностроение, 1978 - Т.1. Колебания линейных систем / Под ред.

17. В.В. Болотина. 1978 352 с.

18. Вульф A.M. Резание металлов. Л., «Машиностроение», 1973, 496с.

19. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М., Наука, 1966, 576 с.

20. Гжиров Р.И., Серебреницкий П.П. Программирование обработки на станках с ЧПУ: Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 588 с.

21. Глубокое сверление. Троицкий Н.Д. Л., «Машиностроение», 1971, 176 с.25 .Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностроительных и приборостроительных специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1985. - 304 с.

22. Гроп Д. Методы идентификации систем, перевод с англ. Васильева В.А. и Лопатина В.И. / Под общ. ред. Кринецкого Е.И. М.: «Мир», 1979 303 с.

23. Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987. 528 с.

24. Дечко Э.М. Сверление глубоких отверстий в сталях. Мн.: Выш. школа, 1979. - 232 с.

25. Дечко Э.М., Костюкович С.С., Долгов В.И., Кислова Л.И. Влияние износа инструмента на увод оси глубоких отверстий. В сб.: Пути совершенствования сельскохозяйственной техники. Вып. 25 Минск «Ураджай», 1973.

26. Долодаренко А.Г., Самохвалов В.Д. Повышение точности и производительности при глубоком сверлении титановых сплавов. Научные труды Тюменского индустриального института №3, Тюмень, 1967.

27. Евгенев Г.Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1983. - 304 с.

28. Зб.Заковоротный B.JI. Динамика трибосистем. Самоорганизация, эволюция. -Ростов н/Д.: Издательский центр ДГТУ, 2003 502 с.

29. Иванов А.П., Оборин А.И. Конструкция и эксплуатация.кольцевых сверл. Л., Машгиз, 1955.

30. Качество машин. Справочник в 2 т. / Суслов А.Г. и др. М.: Машиностроение, 1995.

31. Кедров С.С. Колебания металорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. -197 с.

32. Клушин М.И. Резание металлов. М.,,Машгиз, 1958.

33. Колесников A.A. Основы синергетической теории синтеза1 нелинейных динамических систем. // Новые, концепции общей теории управления, Москва, Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1995. с.И 41.

34. Колесников A.A. Основы теории синергетического управления. М.: Испо-Сервис, 2000.246 с.

35. Колесников A.A. Синергетическая теория управления. М.: Энергоатомиздат, 1994: 325 с.

36. Комиссарова З.И. Сверло для сверления глубоких отверстий в жаропрочной и нержавеющей стали конструкции ЛМИ. М., ГОСИНТИ, 1966.

37. Кораблёв П.А. Точность обработки на металлорежущих станках в приборостроении. М., Машгиз, 1962.

38. Корсаков B.C. Точность механической обработки. М., Машгиз, 1961.

39. Кудинов В.А. Динамика станков. М., Машиностроение, 1967.

40. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. М.: «Мир», 1985 -520 с.

41. Ларин М.Н. Вопросы рациональной эксплуатации свёрл. Спиральные свёрла. Сб. материалов Всесоюзного совещания по спиральным свёрлам. М., НИИМАШ, 1966.

42. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М., гос. изд. физ-мат. лит., 1958,336 с.

43. Лищинский Л.Ю., Ермолаев Г.В. Автоматизация операции глубокого сверления отверстий малого диаметра. // «Механизация и автоматизация производства», 1972, № 1.

44. Лищинский Л.Ю., Ермолаев Г.В. Автоматизация операции глубокогосверления отверстий малого диаметра. // «Механизация и автоматизация• производства», 1972, № 2.

45. Лищинский Л.Ю., Рабинович В.И. Оптимальное управление режимом резания в станках для глубокого сверления. // СТИН, 1973, № 3.

46. Лозинский М.Г. Строение и свойства, металлов и сплавов при высоких температурах. М., Металлургиздат, 1963, 535 с.

47. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента: М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

48. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. / Под ред. Цыпкина Я.З. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. - 432 с.

49. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М., «Машиностроение», 1966, 264 с.

50. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М., «Машиностроение», 1976, 278 с.

51. Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения. М.: Наука, 1987 -304 с.

52. Минков М.А Технология изготовления глубоких точных отверстий. М., «Машиностроение», 1965.

53. Мурашкин Л.С., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. Л.: Машиностроение, 1977. 192 с.

54. Назаренко Д.В. Оптимизация процесса сверления глубоких отверстиймалого диаметра. Дис. к.т.и. Ростов-на-Дону, 1998. - 234 с.

55. Панов Е.Ю. Повышение производительности и надёжности процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра спиральными сверлами за счет диагностики состояния векторного управления его координатами. Дис. к.т.н. Ростов-на-Дону, 2003. - 220 с.

56. Писаренко Г.С., Лебедев A.A. Деформирование и прочность материалов при сложном наряжённом состоянии. Киев: «Наукова Думка», 1976 - 395 с.

57. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Для втузов, том 1, М., 1970, 456 с.

58. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Для втузов, том второй, М., 1970, 576 с.

59. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М., Машгиз, 1977.

60. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М., Машиностроение, 1970, 350 с.

61. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: Учеб. пособие. 2-ое изд., стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 256 с.

62. Путята Т.В. и др. Расчет пространственных автоколебаний при- резании металлов. Вестник машиностроения, 1975, вып. 12.

63. Резников А.Н., Яшин Г.Г. Спиральные сверла НПИЛ. Спиральные сверла. Сб. материалов Всесоюзного совещания по спиральным сверлам. Вильнюс,1. НИИМАШ, 1966.

64. Румянцева И.Д. Оптимизация конструктивно-технологических параметров элементов автоматизированных станочных комплексов для« сверления глубоких отверстий малого диаметра. Автореферат на. соискание ученой степени к.т.н., Ростов-на-Дону, 1989, 20 с.

65. Рыжкин A.A. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект). Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. - 323 с.

66. Рыжкин A.A. Теплофизические процессы при изнашивании инструментальных режущих материалов. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005. - 311 с.

67. Самосудов A.A. Повышение точности обработки при сверлении глубоких отверстий малого диаметра спиральными сверлами на основе управления динамикой процесса. Дис. к.т.н., Ростов-на-Дону, 2006, 248 с.

68. Семко И.А. «Автоматизированный электропривод станков и роботов», методическое указание, ДГТУ, 1990, 29 с.

69. Силин С.С., Трусов В.В., Яхонтов В.В., Жогин A.C. Автоматическое управление процессами резания. // «Станки и инструмент», 1971, №1.

70. Современные методы идентификации систем / Под ред. Эйхкоффа. М.: «Мир», 1983-440 с.

71. Соколов Л.И., Судоргин В.Г. Исследование глубокого сверления отверстий малого диаметра в труднообрабатываемых материалах различными методами. В сб.: Высокопроизводительная точная обработка труднообрабатываемых материалов резанием. М., МДНТП, 1971.

72. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М., Машгиз, 1955,435 с.

73. Сопротивление материалов: Учебник для вузов / Под общ. ред. акад. АН УССР Г.С. Писаренко. 4-ое изд. перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1979. - 696 с.

74. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А.Г.

75. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

76. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов. 10-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 416 с.

77. Тверской М.М. Алгоритмы оптимального автоматического управления процессом глубокого сверления. // СТИН, 1977, № 10, с. 8 10.

78. Тверской М.М., Закамалдин В.И. Автоматизированный агрегатный станок для сверления глубоких отверстий малого диаметра с адаптивной системой автоматического управления. В сб. Автоматические системы управления металлорежущими станками. М., НИИМАШ, 1971.

79. Тверской М.М., Закамалдин В.И. Станок для глубокого сверления отверстий малого диаметра со стабилизацией крутящего момента. // СТИН, 1972, № 1.

80. ШО.Тверской М.М., Полетаев В.А. Автоматическая стабилизация крутящего момента при сверлении глубоких отверстий малого диаметра. // СТИН, 1968, №8.

81. Теория систем автоматического регулирования. Бесекерский В.А., Попов Е.П., изд-во «Наука», Гл. ред. физ. мат. лит., М., 1972, 768 с.

82. Ю2.Тиллес С.А. Точность обработки на сверлильных и токарных станках. М., Машгиз, 1959.

83. ЮЗ.Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 - 592 с.

84. Ю4.Физические основы процесса резания металлов. Коллектив авторов. Под ред. проф. В.А. Остафьева. Издательское объединение «Вища школа», 1976, 136 с.

85. Филоненко С.Н. Резание металлов. М.-К., Машгиз, 1963.

86. Юб.Филоненко-Бородич М.М., Изгомов С.М. и др. Курс сопротивления материалов. Под общ. ред. Филоненко-Бородич М.М., ч.1. М.: Гос. изд. техн.-теорет. лит., 1955 - 644 с.

87. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.З, М., Наука, 1966, 656 с.

88. Халилов Д.Ж. Влияние неравенства углов в плане на условия; работы режущих кромок сверла. Труды КПИ. Т. 36. Киев, 1962.

89. Ю9.Христофорова В:В: Оптимизация движений исполнительных элементов станков для обработки1 глубоких отверстий. Автореферат. на соискание ученой степени к;т.ш, Ростов-на-Дону^2009; 15 с:

90. Ю.Чубукин А.В: Исследование и разработка системы; оптимального управления? глубоким сверлением отверстий; малого диаметра; Дис. к.т.н. -Ростов-на-Дону, 1972. 144 с.

91. Ш.Эльясберг М.Е. Автоколебания металлорежущих станков: Теория и практика. СПБ: ОКБС, 1993. 182 с.

92. Ш.Эльясберг М.Е. К теории и расчету устойчивости процесса резания металла на станках. // Станки и инструмент, 1971, № 11; с.6 11; № 12, с.1 - 6.

93. ИЗ.Юдовин Л.Г., Масарновский В.И. Шнековые сверла для глубокого сверления. М. ГОСИНТИ, 1964.

94. Яншахов М.Л1 Разработка оптимальных по надёжности систем; управления сверлением глубоких отверстий малого диаметра. Дис. к.т.н. Ростов-на-Дону, 1981. - 157 с.

95. GÜHRING Präzisions Schneidwerkzeuge Preisliste Nr. 37 Ausgabe 1996.

96. Lombard J:, Mirski F. Dynamic Performance test for machines tools. // «CIRP Ann.» 1976, 25, № 1. p. 281-286.

97. Metalworking produets. Deep hole drilling; Product catalogue and application guide. Sandvic Coromant. 2003.

98. Opitz H., Derich J. Investigation into the feed drives. «Advanced Machine Tool Design and Research» / Oxford Tondon. 1977. 237 p.

99. PolacekM. Stabiiitat von Werkzeugmaschinen. //«Werkstatt und Betrieb», 1970, №9,p.7—12.

100. Динамический мониторинг технологического оборудования: монография / Б.М: Бржозовский, В.В. Мартынов, И.Н. Янкин, М Б. Бровкова. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. - 312 с.