автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности при сверлении отверстий спиральными сверлами путем управления динамическими составляющими процесса

На правах рукописи

/ "Л ///и

■■-л

Сергеев Сергей Васильевич

¡¡ОБЩЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИИ СПИРАЛЬНЫМИ СВЕРЛАМИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

"алябияск- 1995

Работа'выполнена на кафедра "Технология машиностроения, станки и инструмент" Златоустовского филиала Челябинского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

С.Г.Лакирев

Официальные оппоненты; заслуженный деятель науки и техники России,

доктор технических наук, профессор В.С.Мухин (г. Уфа);

кандидат технических наук, доцент С.Г.Миков (г. Маасе).

Ведущее предприятие - ПО машиностроительный завод "Булат", г. Златоуст.

Защита состоится 19 декабря 1995 г., в 14-00 часов, на заседании диссертационного совета Д053.13.05 в Челябинском государственном техническом университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.Ленина,'76. ,

Просим Вас принять участие в заседании диссертационного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по указанному адресу.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университете. Автореферат разослан " " ноября 1ЭЭ5 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -доктор экономических наук,

профессор ш ----И.¿.Баев

— ..... Общая характеристика работы

Актуальность работы. В присоединительных фланцах, крышах, кронштейнах и т.п. отверстия, как правило, обрабатываются сверлением (рассверливанием). В производственных условиях заданные параметры точности размера, формы я координатного расположения осей отверстий обеспечиваются нестабильно. Указанные трудности объясняются недостаточной изученностью. таких динамических факторов как продольные и поперечные вибрации инструмента, синхронизационные эффекты и т.д. Нет. так*й обоснованных рекомендаций по устранения иля управлению вибрационными процессами при выборе режимов обработки, геометрии инструмента, проектировании оснастки и т.д.

В связи с изложенным повышение точности обработки отверстий при сверлении является актуальной задачей.

Данная работа выполнена в соответствии, с научным направлением ЧГТУ-"Совершенствование оборудования и технологии в машиностроении" (направление 2).

Цолтъ^раСоты. Повышение точности обработки при сверлении отверстий спиральными сверлами на основе математического моделирования и управления динамическими составляющими процесса.

Н?Г5Ум_ноЕКзна. Исследовано взаимодействие инструмента и заготовки, в частности, учтены динамические факторы. На основе комплексных исследований, быстрых и медленных (одного порядка или меньше частоты вращения) формообразующих движений сверл установлено, что собственная устойчивость процесса отсутствует из-за переменности толщины среза каздым из режущих лезвий сверла, а его несобственная устойчивость возникает при наличии кинематической неголономной связи - центров мгновенного контакта режущих лезвий и поверхности резания. При этом, поперечные колебания симметрично заточенного сверла вызывают кинематические изменения углов резания, что в сочетатанш с осевыми колебаниями существенно влияют на точность расположения, размер и форму (в продольном и поперечном сечениях) обрабатываемых отверстий. Показана связь между погрешностями обработки и конструктивно-технологическими факторами и динамическими параметрами процесса сверления.

Разработана методика диагностики причин вибрационного характера, из-за которых возникают систематические погрешности при сверления отверстий. Предложены новые методы управления точностью расположения, размера и формы обрабатываемых отверстий путем регулирования амплитуд-но-фазо-частотных характеристик технологических систем.

з

Щактическая полезность. На основе вскрытых закономарностой и выявленных механизмов образования погрешностей при сверлении отверстий, разработана инженерная методика диагностики причин вибрационного характера и устранения брака по точности обработки. Разработано 6 новых способов обработки отверстий, в том число обоснована четвертая, ранее неизвестная, схема сверления, разработаны 16 рациональных элементов технологической системы, причем 15 из них обладают свойствами "гибкости" и могут быть использованы на станках с ЧПУ. Результаты работы могут быть использованы в смежных областях, так метод возбуждения вибрации может быть использован в различного рода вибрационных машинах.

Ш_§§®12_винодятся: результаты, теоретического и экспериментального исследования поперечных и осевых колебаний сверл, определяющих точное: расположения оси, размера и формы отверстий; методика отладки операциГ сверления отверстий; новые способы.и элементы технологических систем для обработки отверстий в условиях гибкого автоматизированного и массового производств. •

Практическое применение разработок позволяет на этапах технологической подготовки и неспосредстванно в производственных условиях прогнозировать точность обработки систем отверстий и при необходимости корректировать условия обработки. Применение данной методики на П.0."Булат" г. Златоуст, П.0. "УРАЛАЗ" г. Миасс и одном из предприятий г. Москвы, позволило ликвидировать брак деталей па точности размера, Форш и расположения отверстий и внедрить способ стабилизации несимметричных нагрузок при многоинстру-ментной обработке, способ управления размером отверстий, способ сверления отверстий в составных деталях с использованием "плавающего" кондуктора и ряд конструкций многоинструментных головок с малыми мекосе-выми расстояниями инструментов и устройств для беззазорного направления сверл. Научные разработки внедрены в учебный процесс подготовки инженеров-механиков.

Реальный годовой экономический &ф£ект составляет болев 30 тыс. рублей в ценах 1990 г. и 1500 тыс. рублей в ценах 1995 г.

Апробацм_рабдты. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуадены на Международном научно-техническом семинаре "Новый высокоэффективный режущий инструмент и оснастка - средство интенсификации машиностроительного производства" в г. Ленинграде в 1939 году, на Межреспубликанской научно-технической конференции "Проб лемы автоматизации технологических процессов в машиностроении" в г. Волгограде в 1989 году» на научно-технических конференциях Челябинско

"о политехнического института им. Ленинского комсомола в 1979...1995 х>дэх, на объединенных заседаниях кафедр "Технология машиностроения, зтанки и инструмент", "Техническая механика" ЗФ ЧПИ, на областной таучно-технической выставке "ЧПИ-82" в г. Челябинске в 1982 году, на хЗъединенном заседают кафедр технологического профиля Челябинского государственного технического университета, Челябинск, 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ,.в :ом числе 16 авторских свидетельств на изобретения.

Структща_и_объем^аботы. Диссертация состоит из введения, пяти 'лав, заключения и. приложения. Объем работы 255.страниц машинописного ,'екста, 115 рисунков и 12 таблиц. Библиография содержит 176 наимено-¡аний.

, Содержание работы

Большой вклад в решение проблем точности и"производительности меха-мческой обработки'деталей машин внесли русские ученые Корсаков B.C., [альский, A.M. ,„ Рыжов Э.В., КорчакС.Н., .Матвеев В.В., Мирнов И.Я., !ухин B.C. и др. Вопросы моделирования точности при обработке отверс-•ий коншеыми мерными инструментами рассмотрены в работах Подураева I.H., Светлицкого В.А., Мещерякова Р.К., Косиловой А.Г., Холмогорцева ).П., Закарян Л.Я. и др. Причем, в моделях Косиловой А.Г., Холмогорце-;а Ю.П., Закарян Л.Я. и др. сверло рассматривается как вибрирующий ре-ец без учета базирования его в отверстии. Такой подход неадекватно тражает реальные процессы, происходящие при сверлении отверстий.

Математические модели Подураева В.Н., Светлицкого В.А., Мещерякова '.К., Матвеева В.В., Лакирвва С.Г. учитывают базирование инструмента о поверхности заготовки. Причем в работах Лакиревз С.Г., Хилькевкча .М, и Решетникова Б.А., показано, что при базировании инструмента на оверхность резания и заходную кромку детали и наличии осевых или рутильшсс колебаний с частотой шо, равной частоте вращения ивр с граниченной амплитудой, наблюдается ряд интересных явлений, например, ¡^ограниченный "резонансный* увод и искривление оси отверстия. Там ке оказано, что дано геометрически симметричная развертка с числом зубь-в Z > 3 имеет кинематические нарушения симметрии из-за быстрых попе-ечннх автоколебаний с частотой и. Однако остались вопросы обустойчи-ости инструментов с Z=2 при сверлении отверстий в сплошном материале, э исследовано динамическое взаимовлияние сверл в многошшшдэльных го-эвках. В связи с изложенным основными задачами_исслвздвания являются:

- разработать систему математических моделей, учитывающих влияние продольных и поперечных вибраций спирального сверла на параметры точности обрабатываемых отверстий;

- экспериментально проверить теоретически вскрытые условия образовали) систематических погрешностей при наложении продольных и поперечных вибраций с различными амшитудно-фазо-частотными характеристиками;

- разработать новые способы и элементы технологических систем для производительного сверления отверстий;

- разработать инженерную методику отладки операций сверления для устранения погрешностей обработки отверстий. Внедрение результатов работы в производство.

Решая первую задачу, для общности понимания процессов, происходящие при обработке отверстий, была составлена система уравнений, описывающая поперечные движения многолезвийного концевого мерного инструмента (см.табл.1 п.1). Система п. 1 табл. I является исходной для получения любой математической модели механической обработки отверстий симметрично заточенным инструментом, в частности, спиральными сверлами (см.табл.1 п.2). .

Рассматривая математические, модели, учитывающие переменность толькс площадей сечений срезаемых слоев, с учетом величин углов в плане, можно показать, что тривиальные решения (х=0, у=0) таких моделей принципиально неустойчивы. Это означает возникновение релаксационных "пилообразных" поперечных колебаний вытянутой формы у двухлезвийных инструментов. А именно, вследствие отсутствия устойчивости, мгновенно скорость его перемещения в тангенциальном направлении нарастает до тех пор, пока не сравняется со скоростью относительного вращения его периферийной точки. В.это мгновение ревущее лезвие будет неподвижно.А так как скорость подачи не уменьшается, оно вдавливается в деталь с образованием кинематической нэголономной связи, то есть резко возрастают коэффициенты резания и тангенциальная сила на этом лезвии становится намного больше, чем на другом. Указанное поперечное движение инструмента будет равномерно происходить до тех пор пока не произойдет резкого возрастания силы на втором лезвии. Возрастание тангенциальной силы Судет сопровождаться ударом второго рода, когда в силу некоторой кривизны неголоиомного движения, кинематический задний угол на втором лезвии станет равен нулю. Тангенциальная скорость поменяет знак и не-голономная кинематическая связь образуется уже между вторым лезвием и деталью, а инструмент практически равномерно будет двигаться в противоположном направлении до нового удара первим лезвием, что приводит к

Таблица Л (Фрагмент)

где

Математическая модель

Динамическая модель поперечных двиаений сверла

з1Н72<ГГ-Т) гт+к'Ш^к,-~|в—

гин^т^к,-—

-К1соза(иш,'г).х(1) ;

•Х(1;) +

к,- Ь .1

Квазикинематаческая модель поперечных ¡свёрла

У(2к)=У(2к-1 -Зр^-тс]] -зшЩ-^ ;

Шк+1 )=Х(2к)-[гм-§1 -з{?|х]]'Соз§|н; ;

Кинематическое уравнение поперечных движений СБерла при одаоиаструментной обработке отверстий:

р(ф)=-р(ф-тс)+г>+здст;+г(ф)+2(ф-я:)] Динамическое ур-е продольных его движений:

+ "^"¿г^Ф*" * 'Крез]

Динамическая модель сверления системы отверстий многошпиндельной головкой

возникновению релаксационных - пилообразных колебаний сверла. На моделях 2-3 показано, что такие движения в совокупности с продольными вибрациями являются главной причиной ухудшения точности обработки отверстий симметрично заточенными сверлами.

Даке простейшая квазинзшематичэская модель 2 (Табл. I), которая наряду с учетом динамики продольных движений учитывает релаксационный характер поперечных движений инструмента на качественном уровне позволяет уяснить существо механизма искажения параметров точности при обработке отверстий одним сверлом. Алгоритмическое исследование этой модели производилось на компьютере мод. IBM PC. Численные решения показывают, что при наложении модулированных продольных колебаний вида S=So+AS • sin (Ф~Ф0) • sin(Ш'ф-ф^) наблюдается искривление оси отверстия интенсивность которого зависит от сдвига фаз несудах колебаний ф? рис. а, б, в, а направление зависит от сдвига фаз огибающих см. рис. I в,г.

О

а) фо=0; ф,=0 разбивка отверстия

в) фо=0; ф,=х/2 увод оси отверстия

б) ф0=х/2; ф1=0 разбивка отверстий

г) ф0=тс/2; ф1=те/2 д) З=ао+Л5«соз 3-ф-соз т«ф

увод оси отверстия огранка отверстия

Рис. I

а если частота огибающей амплиту дно-модулированных колебаний в целое число раз превосходит частоту вращения, причем это число не имеет общего делителя с числом зубьев инструмента, то увод и искривление траектории наблюдается как бы в нескольких направлениях, что приводит к нарастанию огранки отверстия до максимально возможной величины (рис. I д).

Для исследования влияния синхронизации и рассинхронизации указанных частот на погрешности одноинструментной обработки отверстий разработана модель табл. I п.З, учитывающая невысокую осевую жесткость инструмента, а при многоинструментной обработке отверстий - модель табл. I п.4, учитывающая невысокую касткость многошпиндельной головки. Вычислительный эксперимент с этими моделями, в которых учтены динамические

;нления, связанные с эффектами синхронизации_и рассинхронизации позво-кл выполнить - классификацию "табл. Г! основных погрешностей обработки >т;;ерстиГ: с учетом виСроперомещений мерных инструментов и определить •ранины и у с ловля их возникновения. Эта та погрешности (см. табл. П) 'Удут проявляться и при обработке отверст/Л с помощью мкогошяиндельных •словак с учетом дополнительного взаимовлияния инструментов в наладке.

Экспериментальная проверка теоретических положений проводилась в U-a этапа.

Не первом этапа определялось наличие у сверл поперечных колебаний.. ¡ричем колебания сверл, возникающие вследотвки дкпзккчгской кеустойчи-¡остуг процесса обработки возникали при любых режимах обработки (табл.Ш ¡Л). Косвенным доказательством проявления поперечных колебаний сверла :лукат следы, оставляемые режущими кромками инструмента на поверхности ¡езания. Эти следы - весьма глубокие риски и имеют криволинейную фор-:у, а их количество m находится в зависимости.от частоты вращения ывр i частоты поперечных колебаний данного инструмента: 2ic-u) от

а = —--£2 = , где а - угол между рискэми.

Кроме указанных следов на поверхности резания могут наблюдаться еще I прямые, менее глубокие следа - отпечатки режущих лезвий. Это следст-ше крутильных или продольных колебаний инструмента. Их. количество >авно частоте соответствующих колебаний. Форма траектории поперечных :олебзний сверла с 7,-2 сильно пытяяута в направлен™, перпендикулярном 'ловким ревущим кромкам, а направление перемещения центра инструмента фотиьоиоложно направлению его вращения при 2<р<Г80' и совпадает с ним фи 2ф > 180'. Результата экспериментального исследования влияния виб-юперемемещений сверл на погрешности обработки отверстий приведены в ■аОл. Ш п.2.3. В частности, увод и искривление оси отверстия при синхронизации частот осевых и поперечных колебаний (см. п.1 табл.П) был »спроизведен при помощи установки "резонвгор" (см.п.2 табл. Ш). Также ¡ало воспроизведено экспериментально, накопление некруглости отверстия ;см. и.2 табл.Ш), нарастающая разбивка (коническое отверстие) см.табл. J п.?, я т.д. Причем, указанные- погрешности экспериментально воспроизводились как при сверлении одним еь>;рлоч, так и при одновременном ж*рлеяии несколькими ск».>р.>)ы>й» о помощью мнагошпинделыюй головки :м.п.З табл.Ш.

э

При разработке направлений усовершенствования технологических сис-Ч'У. било ¡¡оказано важное влияние на параметры точности обработки отверстия, взаимных перемещений режущей чисти инструмента и заготовки

Таблица П (фрагмент)

, Классификация погрешностей обработки отверстий с учетом синхронизации колебаний'сверла

Я , Вид и условия возникновения погрешности • Схема образования погрешности

С учетом виброперемещенай геометрически диссиметричного инструмент?

I а) б) Увод и искривление отверстия при синхронизации "колебаний К=1 '. Накопление некруг-лости отверстия' при к=3 4/---

П а)" б) Постоянная разбивка при рассинхронизации К •« I Спиральная канавка ;', К * з -в ^777

Ш Нарастающая разбивка (коническое отверстие) ; На границе синхронизации (возник- • новение частотной' модуляции) •

С учетом виброперамещений кинематически диссиметричного инструмент

I а) Малая постоянная разбивка Синхронизация-от- . сутствке пзрамет- , рического резонанса

б) Быстро нараетавдаяразбивха ы5«о+Дш.д1пг', где ¿ш » С Десйнхсюнизация- возникновение частотной модуляции быстрых" поперечных' вибраций (особенно при ш «< и или йшг-

Ю

"Таблица"Ш"

Условия проведения эксперимента Результаты и особенности проведения экспериментов Характерные виды погрешностей и поверхностей отверстий

1 2 3

I. Исследование основных параметров и характеристик поперечных

колебаний инструмента

Станок м0д.2Н135 тензо-усилитель "Топаз-3",приспособление для закрепле-шя инструмента,осциллограф мод.Н-П7,тензодатчи-ки Й=200 см;образцы 025+ +30 мм,1=50 мм из стали 45,бронза БРАЖЭ-4 и оргстекла, сверла спиральные 03+29 мм с 2<р=П8 +180 ; 3=0,1+0,3 мм/об;шн=3,3+

+18,8 с"1

2ф < 180'

2ф £ 180'

Параметры из А пспсрэтнж,

колебаний сверл

Ш = 40+3120 С-1 А = 0,05+0,14 мм

Траектория движения оси

сверла ■•

Следа поперечных колебаний сверла на поверхности резания

Направление перемещения центра сверла

щи сверлении в сплошном материале

Направление изогнутоетл тасок

2. Исследование влияния виброперемещений сверл на погрешности обработки отверстий (при одноинструментной обработке)

Текзоусклитель "Гопэз-З", осциллографа мод.Н-117 и С1-48Б,частотомер '43-32, тахометр ЦАТ-ЗМ,установка I-приспособление для установки инструмента,оснащенное вибровозбудителем его продольных колебаний мод,ст-3000 с генератором и амплитудно-частотным модулятором,Станок мод. 2Н135

I.Установка I сверло об,5 мм симметтачно заточённое 1=0, Ъ=уО мм, 2(р=118', S-0,1мм/об. Задавались емплитудно-моду-л!гроващше осевые колебаш;я вида;

а • cos (ыь) • cos (usih ■ t) a)0,lcos(219,8t)-соз(31,4t) 0)0,1cos(219,8t-ic)cos(31,4t) (смена фазы)

Увод и искрив ление оси отверстия

а)аправо

б)влэео

И

Продолжение таблицы Ш

П.Установка I сверло 06,5мм, t=0;L=90 мм.

Задавались амплитудно-моду-лированше осевые колебания вида:

а•cos(Qt)•cos(Зшин•t) 0,1 cos(219,8t)'COS(94,21) Фиксировались поперечные колебания с нарастающей ампли-тудой,Б=0,1 мм/об

Ш,. Установка I сверло 06,5мм т=0,Ь=90 мм,2ф=180 ,3=0,1

мм/об,Шн=74,63 с~1,Шо=ш=

=7шин=522,4 с-1 десинхронизация

Накопление некруглости

Установка П~"резонатор" -устройство для закрепления сверла с возможностью регулировки его осевой кесткости. Станок мод. 1К62

S3:

1-ый участок-коническое отверстие. П-ой участок-уменьшение диаметра отверстия при достижении йотв=2йсв на 1-ом участке

К . Установка I сверло- 06,"5мм с L=90 мм,2ф=180' ^=74,63 с"1 S=0,I мм/об 1^10 мм

0) =й)=7ш, =522,4 с о ин

1_=7 т

4^=1044,8 С 13=10 мм

u =3o)=27um,=20I5

О кл

т=0,04 мм,

-1

-1

£ .А

N к

л) г.

-1

V.Установка" П сверло" "06,5мм С т=0,04 мм,Ь=ЭО мм,2ф=180

одш=83,7c*"1,S=0,Iмм/об, AS= =0,08 мм/об

\= |р£ > 1,2

« -

при рассинхронизации б) 0,8 < \< 1,2 при синхронизации

в)Л=0,8 на границе синхронизации

Па 'S h

а)малая разбивка отверстия

б)увод оси отверстия

в)конусность

отверстия

_______________Продолжение таблицы Ш

3. Исследование влияния виброперемещений сверл на погрешности многоинструментной обработки отверстий

Тензоусилитель "Топаз-3", осциллограф мод.Н117,станок мод.2Н135,многоин-струментная головка и зажимное приспособление,в котором заготовка установлена с возможностью качания

ЕЗ 1

Сверла 010,2 мм х=0 Ь=150 мм

I )2<р=180" , Ш=3454 с шн=43,5 С

Шо=2442 С-1

0)

2)2ф=174 . шин=34,5 С

и=3454 С-1

<¿0=471(3 С""1

V — 1—

О Сг

ш

Конусность отверс:;;Л

а

Малая разбивка отверстий

при сверлении систем отверстия.Поскольку полностью исключить поперечные и продолыше кодеба!ги.ч не возможно, предложены способы (а.с. N1537398, N1664412, N1404194) управления величинами их параметров о целью предотвращения самопроизвольного "вхождения" технологических систем в зо:;ы "опасных" частот за счет изменения режимов обработки и путем изменения геометрии инструмента. Управление параметрами точности возможно тюте и при Оесшгашдельнсм способе сверления (а.с. N1710213) систем близкорасполсжетпгах отверстий в нетвердых материалах. При котором все инструмент:; размещены в специальной обойме с возможностью свободного вращения, а заготовке сообщают вынужденные поперечны? кругс-:;е колебания, определенные расчетом. При этом инструменты начинают самопроизвольно вращаться и рззать заготовку. Предложено также управлять параметрам:! точности при сверлении отверстий за счет применения компэнсирувдих устройств- виброгасителей, Сеззазорных кондукторных втулок, плпьэнта кондукторов у. так далее. Виброгасители могут устанавливаться при этом как на мнсгоЕпкндельную головку (а.с. N1404195) и компенсировать про даты .не колебания всей системы инстру-

иентоь, -гак и на каждый шпиндель головки индивидуально (а.с. N1060338, N1127700), чтобы компенсировать продольные колебания клэдого инструмента. Для ограничения величины поперечных колебаний инструментов разработан новый класс центрирующих устройств - беззазорные кондукторные втулки (а.с. N837602, N848179, N1152719, N1177078, N1306317). При использовании этих устройств существенно увеличивают поперечную жесткость инструмента, что улучшает точностей параметры обработанных отверстий. Причем, устройства (а.с. N837602, N848179, N1366317, N11770781 обладают свойством "гибкости" и могут применяться для цент-рации инструментов в широком диапазоне их диаметров. Ограничение величины поперечных колебаний инструментов достигается и при уменьшении поперечной жесткости инструментов (а.с. N1175624, N1373490). При таком способе сверления заготовке с кондуктором сообщается две степени свободы в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

На основе теоретино-экспорикентальныу данных и предложенных направлений усовершенствования технологических систем, разработана методика отлздки операций сверления отверстий. Следует отметить, что данная методика пригодна как для обработки отверстий одним сверлом, так и при одновременной обработке их с использованием многошпиндельной головки. Методика предусматривает- дифференциацию вибрационных перемещений (табл. IV) и сценку количественных показателей по числу рисок на дне отверстия, т.е. по форме рисок - прямые или криволинейные (см. стр. 13), а по их числу определяют-вид колебаний - осевые или радиальные и их количественные характеристики амплитуду, и частоту. Использование карты диагностики к устранения брака {табл. IV), а также предложенных направлений усовершенствования технологических систем состоит из следующих этапов:

1. Контроль обработанных отверстий и уточнение вида погрешностей обработки отверстий. , -

2. Выявление следов.проявления динамических факторов (4 столбец табл. IV). ' - -

3. Визуальная оценка по рискам на дне отверстий возможного уровня частоты и амплитуды вибраций. . ' '*

4. Идентификация вибрационных "случаев и действующих механизмов образования погрешности (3 столбец табл. IV).

5. Выбор общих и частных технических решений по снижению влияния динамических факторов на точность обработки отверстий (5, 6 столбцы табл. IV). • . •

6. Реализация выбранных- решений, проведение обработки опытной партии дэгалей и контрольных замеров отверстий.

Карта диагностики и устранения брака по точности при сверлении

Н Вид погрешности обработки Перечень наиболее вероятных причин Перечень сопутствувдих явлений, в том числе вибрационного характера Перечень общих рекомендаций по устранению или уменьшению погрешностей Примеры технических решений для осуществления рекомендаций

I 2 3 4 5 6

I Разбивка нарастающая (погрешность диаметра и продольной форма отверстий 1.Прк геометрической диссишет-рии сверл и частотной модуляции продольных колебаний этих инструментов. При (особ«(2к+1)-шин (на границе синхронизации) наблюдается частотная модуляция продольных вибраций инструментов. а Изменить продольную жесткость . сверл; б)изменить частоту вращения сверл; в увеличить симметрии заточки сверл. а)Сменить сверло или перезакрепить его; 0)сменить приводные элементы или изменить частоту вращения станка; в)применять машинную заточку .сверл.

• 2.При кинематической диссиммвтрии сверл и частотной модуляции их попе-рэчных или продоль-шх колебаний. При (л>=(2к+1)-(лш<«2~и наблюдается десинх-ронизация поперечных колебаний и возникает их частотная модуляция. а)Изменить продольную жесткость сверл; б)изменить частоту вращения сверл; в)нзменить геометрию заточки. а)Сменить или . перезакрепить сверла; <3)сыенить приводные элементы или изменить частоту вращения шпинделя; заменить углы 2<р.

Пример отладки операции сверления с использованием предложенной методики

При обработке трех близкорасположенных отверстий 0 6,5+°,1ь мм в дет. "Крышка правая компрессора бытового холодильника" (П.О. "Булат" г. Златоуст), диаметр отверстия на входном торце составлял 6,5 + 6,65 мм, а на выходном - 7,6 + 7,8 мм при глубине сверления 5 мм. То есть согласно п.1 методики выявлена нарастающая разбивка отверстий - погрешность диаметра и продольной формы отверстий. ;

Материал обрабатываемой заготовки - сталь 20, а обработка осуществляется спиральными сверлами 0 6,5 мм с углом 2ф=180'. Такая заточка назначена технологами из-за необходимости исключения образования заусенца при выходе сверла из отверстия.

Поскольку эксперименты по выявлению и устранению погрешностей сверления проведены в широком диапазоне варьирования их причин, и вместе с тем количественная оценка этих причин и их исключение сопровождались замерами не только экспресс методом, но и посредством приборов см.табл. Ш, то технологу для устранения погрешности, вызванной явлением динамического характера, достаточно приведенных, в экспериментальной части данных, подтвержденных визуальными наблюдениями точностных проявлений (см. табл. ПК •"

Согласно п.2 методики по карте диагностики и устранения брака (4 ' столбец табл. IV) проверялось наличие сопутствующих явлений. При от. сутствии наростообразований и пакетирования стружки в канавках сверл, , были обнаружены на дне отверстий риски - следа поперечных колебаний. Их оценка (п. 3. методики) показала, что ориентировочно значения частоты и амплитуды поперечных колебаний при 29 шт. и 85 с"1, Юшп» 2440 с-1, А=0,05 мм.

Затем проводилась индентификация шбравдошых случаев и действующих механизмов образования погрешности (по п. 4 методики). Согласно перечня (см. 3 столбец, табл. XV) возможно два случая, образования нарастающей разбивки отверстий;

1. при геометрической диссимметрии инструмента и частотой модуляции ого продольных колебаний.

2. При кинематической диссимметрии инструмента а частотой модуляции его поперечных колебаний. -

/В связи с наличием поперечных колебаний инструментов на погрешност: обработки влияет, второй механизм. Отсутствие влияния первого механизм; на образование погрешности обработки доказывается так же и тем, что

увеличение симметрии заточки инструментов положительных результатов не Дало. ' ■ ■ ■ .

Далее, согласно п. 5 методики, из трех технических решения (см. 5, 6 столбцы, табл. IV) было выбрано последнее, т.е. изменено значение двойного угла в плане до 2ср=174*. При этом заусенцы па выходе сверла из отверстия на образуются, а возникновение конусности не наблюдается, точность обработки отверстий обеспечивалась в пределах 6,5 +6,6 мм. Для контрольной проверки правильности использования методики, п лзбэрчторнях условиях было проведено измерение фазочастотных характеристик поперечных и продольных колебаний инструментов , шпоп=2490 с"1. ыо=5000 с"1. Также была зафиксирована частотная модуляция поперечных вибраций и спектр их близок к сплошному, то есть механизм образования обратной конусности, связанный с двсинхронизацией и частотной модуляцией поперечных колебаний был выявлен, правильно.

отметим, что аналогичные погрешности наблюдаются и на других заводах, например на Орском машиностроительном завода, покольку такие компрессоры выпускаются еще на ряде заводов, а технология их изготовления типовая.

Внедрение рекомендаций только на П.О. "Булат" позволило полутать эффект 1500 тыс.руб.

Выводы

1. Разработана математическая модель процесса сверления отверстий, учитывающая кинематику. поперечных и динамику продольных колебаний ■ спирального сверла, при этом вскрыты закономерности и объяснен механизм перемещений сверла в детали. Полученная математическая модель применима и для обработки отверстий с использованием ыногошшшделыщх головок.

2. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что из-за переменности' толемны срезаемого слоя динамическая устойчивость процесса сверления отверстий отсутствует, а величины частот и амплитуд поперечных колебаний сверла зависят от геометрии его заточки и режимов обработки, при атом показано, что траектория колебания сверла вытянуто в направлении, перпендикулярном его лезвиям, а частота в 10 и более раз гтревосходит частоту вращения.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что увод

( огранка отверстий возникают при продольных амплитудко-модулзрованных колебаниях сверла, если ¡а несущая частота совпадает с частотой попе-

речных колебания, частота огибающей кратна частоте вращения, а конические отверстия образуются при частотно-модулированных продольных колебаниях сверла.

4. На основе теоретико-экспериментальных исследований и установлен ных закономерностей процесса сверления разработано 6 новых способов управления параметрами точности сверления и 16 новых элементов технологических систем.

5. Разработана инженерная методика отладки операций сверления, пре досматривающая измерение параметров поперечных колебаний сверл или ви зуальную оценку их частоты и амплитуды по рискам на дне отверстий; из меноние вибрационных характеристик, например, изменяя геометрию заточ ки и режимы обработки, обеспечивают заданную точность отверстий. Данная методика позволяет в 2-3 раза сократить время производственных испытания и на 35*50% - технологическую подготовку производства сложных корпусных деталей в целом.

6. Результаты работы внедрены на трех машиностроительных предприятиях П.О. УРАЛАЗ г. Миасс, П.0. "Булат" г. Златоуст, и г. Москвы, реальный годовой экономический эффект составил более 30 тыс.рублейсв ценах 15Э0 г. и 1500 тыс. рублей в ценах 1Э95 г. Научные разработки внедрены в учебный процесс подготовки инженеров-механиков по специал! ностн.1201 на Златоустовском филиале ЧГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лакирев С. Г., Хилькевич Я.М., Сергеев C.B. Вибрационная механика процессов сверления-бурения и новые динамические эффекты. Челяб.гос.техн.ун-т.- Челябинск, 1993,- 286 е.: ил. 104, 10 тэбл. -Библиогр. 153 назв.- Рус.-Деп. в ВИНИТИ 02.06.93, N.I470-B93.

2. Лакирев С.Г., Хйлькевич Я.М., Сергеев C.B. Математическое моделирование динамики процессов обработки отверстий мерными инструмента* и вибрационная диагностика :многоинструментных наладок.- В кн.:. Совершенствование маашнотроителышх материалов, конструкций машин и методе обработки деталей: Тем.соор.науч.трудов. Челябинск: ЧГТУ, 1995.

3. Сергеев C.B. и др. Автоматизированные средства оснащения операции обработки отверстий//Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении:Тез.докл. Мезфёспубликанской конференции. -Волгоград: ВПИ.-198Э.-С. 15-16. :

4. Сергеев и др. A.c. II75624 (СССР). Способ обработки отверстий.-Опубл. В Б.И., 1985, N 32.

5. Сергеев C.B. и др. A.c. I404I94 (СССР). Способ обработки от-

1в

зорстий и многошгашдельная головка для его осуществления.- Опубл. в 5.И., 1983, N 23. - - - - - - . _ ____

6. Сергеев C.B. и др. A.c. 1537398 (СССР). Способ обработки от-sepciiû с криволинейной осью.- Опубл. в Б.И., 1990, И 3.

7. Сергеев C.B. и др. A.c. I7I02I3 (СССР). Способ обработки от-¡ерстия мерным многолезвийным инструментом,- Опубл. в Б.И., 1932, N 5.

8. Сергеев C.B. и др. A.c. I6644I2 (СССР). Способ возбуждения • руговых колебаний и устройство для его осуществления,- Опубл. в Б.И., 391, H 27.

Новизна технических решений в работе защищена авторскими свидетель-

твами и патентами на изобретения ПК 337С02, S43I73, S7G32S, ICG0332, 034678,1X27700, II527I9, II77078, 1366317,1373490, I404I95.

Иэдательс7Во Челябинского государственного технического университет

» 020364 от 20.01.92. Подписано а печать 09.II.S5. Форт.йт 34-I/I6. Печать офсетная. Усд.деч.л. 0,93. 7ч.-изд.л. I. вх 100 экз. Заказ 316/496.

издательства. 454080, г.Челябинск, Dp.км. В.И.Леяика, 76.