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

ч

ч^ Кэ правах рукописи

# 'Ч

Соргоов Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИИ СПИРАЛЬНЫМИ СВЕРЛАМИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.03 - "Технология машиностроения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск- 1995

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

С.Г.Дакирев

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор В.С.Мухин (г. Уфа);

кандидат технических наук, доцент Ю.Г.Миков (г. Миасс).

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

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

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

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

Ученый секретарь диссертационного совета -доктор экономических наук,

профессор ---И.А.Еаэв

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В присоединительных фланцах, крышках, кронштейнах и т.п. отверстия, как правило, обрабатываются сверлением (рассверливанием). в производственных условиях заданные параметры точности размера, формы и координатного расголокения осей отверстий обеспечиваются нестабильно. Указанные трудности объясняются недостаточной изученностью таких динамических факторов как продольные и поперечные вибрации инструмента, синхронизационные эффекты и т.д. Нет также обоснованных рекомендаций по устранении или управления 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-"Совэршенствовэниэ оборудования и технологии в машиностроении" (направление 2).

Цель работы. Повышение точности обработки при сверлении отверстий спиральными сверлами на основе математического моделирования и управления динамическими составляющими процесса.

Научная новизна. 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 каждым 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 сочетатании 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 сверлении отверстий. Предлогены новые метода управления точностью расположения, размера и формы обрабатываемых отверстий путем регулирования амшштуд-но-фазо-частотных характеристик технологических систем.

з

Практэтеская_полвзность. На основе вскрытых закономерностей 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 числе 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_§§1ШХ_1индсятся: результаты теоретического и экспериментального исследования поперечных,и осевых колебаний сверл,- определяющих точносп расположения оси, размера и формы отверстий; методика отладки операций сверления отверстий; новые способы и элементы технологических систем для обработки отверстий в условиях гибкого автоматизированного и массового производств. '

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

Реальный годовой экономический Эффект составляет более 30 тыс. рублей в ценах 1990 г. и 1500 тыс, рублей в ценах 1995 г.

Апробация •работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены не Международном научно-техническом семинаре "Новый высокоэффективный режущий инструмент и оснастка - средство интенсификации машиностроительного производства" в г. Ленинграда в 1939 году, на Межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы 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 годах, на объединенных заседаниях кафедр "Технология машиностроения, станки и инструмент", "Техническая механика" ЗФ ЧПИ, на областной научно-технической выставке "ЧПИ-82" в г. Челябинске в 1982 году, на объединенном заседают кафедр технологического профиля Челябинского государственного технического'университета, Челябинск, 1995 г.

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

Структща_и_дбъемjgaöora. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объем работа 255 страниц машинописного текста, 115 рисунков и 12 таблиц. Библиография содержит 176 наименований. . " '

: : . Содержание работа

. Большой вклад в решение проблем точности и производительности механической обработки деталей машин внесли русски© ученые Корсаков B.C., Дальский A.M., Рыков Э.В., Корчак С.Н., Матвеев В.В., Мирнов И.Я., Мухин B.C. и др. Вопроса моделирования точности при обработке отверстий концевыми мерными.инструментами рассмотрены в работах Подураева В.Н., Свеглицкого В.А., Мещерякова Р.К., Косштовой А.Г., Холмогорцева Ю.П., Закарян Л.Я. и,др. Причем, в моделях■Косиловой А.Г., Холмогорце-ва Ю.П., Закарян Л.Я. и др. сверло рассматривается как вибрирующий резец без учета базирования его в отверстии. Такой подход неадекватно отражает, реальные процессы, происходящие при сверлении отверстий.

Математические модели .Подураева В.Н,, Светлицкого В.А., Мещерякова Р.К., Матвеева В.В.» Лакирева C.F. учитывавт базирование инструмента по поверхности заготовки. Причем в работах Лакирева С.Г., Хилькевича Я.М. и Решетникова Б.А,, показано, что при базировании инструмента на поверхность резания и заходную'кромку детали и наличии осевых turn крутильных колебаний с частотой ojq, равной частоте вращения ивр с ограниченной амплитудой, наблюдается ряд интересных явлений, например, неограниченный "резонансный" увод и искривление оси отверстия. Там же показано, что даке геометрически симметричная развертка с числом зубьев Z ? 3 имеет кинематические нарушения симметрии из-за быстрых поперечных автоколебаний с частотой ш. Однако остались вопросы обустойчи-вости инструментов с Z=2 при■сверлении отверстий в сплошном материале. Не исследовано динамическое взаимовлияние сверл в многошпиндельных головках. В связи с изложенным основными давания являются:

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

- экспериментально проверить теоретически вскрытые условия образовали, систематических погрешностей при налохенш продольных и поперечных вибраций с различными амплитудно-фазо-частотными характеристикащ;

- разработать новые способы и элементы технологических систем для про изводательного 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 только площадей сечений срезаемых слоев, с учетом величин углов в плане, мокко 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 рекущее лезвие будет неподвижно.А так как скорость подачи не уменьшается, оно вдавливается в деталь с образованием кинематической неголономной связи, то есть резко возрастают коэффициенты резания и тангенциальная сила на этом лезвии становится намного больше, чем на другом. Указанное поперечное двинение инструмента будет равномерно происходить до тех пор пока не произойдет резкого возрастания силы на втором лезвии. Возрастание тангенциальной силы будет сопровождаться ударом второго рода, когда в силу некоторой кривизны неголоноыного двинения, кинематический задний угол на втором лезвий станет равен нулю. Тангенциальная скорость поменяет знак ж не-голоношая кинематическая связь образуется укэ между вторым лезвием и деталь®, а инструмент практически равномерно будет двигаться в противоположном направлении до нового удара первым лезвием, что приводит к

б

Таблица I (фрагмент)

Расчетная схема

Математическая модель

Динамическая модель поперечных движений сверла

хт+к.хинс,-^Р1— -х(г> +

+к1созг(шш^).у(г) ;

Усг^к-ш^К,-—-¡р— «УШ -где к1= -б

То /П.

Квазикинематнческая модель поперечных движений ¡сверла

X(2к+1 )=Х(2к)-• Б-СОЗ^ ;

Кинематическое уравнение поперечных движений сЕерла при одношструментной обработке отверстий:

Динамическое ур-е продольных его движений: ш-2 (г [г (Ф)-Утш-^-]=р(ф) [г (ф)-2 (Ф-2'!С)+

Ф - т>еэ]

Динамическая.модель сверления системы отверстий многотиндельноЕ голонкой

-^з-^.И.МФ,-*)'

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.

Даже простейшая квазикинематическая 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=5q+AS■sin(ф-фо)•з1п(т,ф-ф)) наблюдается искривление оси отверстия интенсивность которого зависит от сдвига фаз несущих колебаний ф1 рис. а, б, в, а направление зависит_от сдвига фаз огиОащих см. рис. I в,г.

а) фо=0; Ф,=0 0) ф0=1С/2; ф1=0 в) фо=0; ф^тс/2

разбивке отверстия разбивка отверстий увод оси отверстия

г) фо=я/2; ф^/2 д) 8=Зо+ЛБ'С08 3-ф-соэ ш-ф

Уеод оси отверстия огранка отверстия

Рис. I

а если частота огибавдей амплитудно-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 рассинхронкзации указанных частот на погрешности одноннструментной обработки отверстий разработана модель табл. I п.З, учитывающая невысокую осевую жесткость инструмента, а при многоинструм<знтной обработке отверстий - модель табл. I п.4, учитывающая невысокую жесткость шюгошхшндельной головки. Вычислительный эксперимент с этими моделями, в которых учтены динамические

а

явления, связанные с эффектами синхронизации и рассинхронизации позволил выполнить классификацию табл. П основных погрешностей обработки отверстий с учетом виброперомещений мерных инструментов и определить границы и условия их возникновения. Эти я:е погрешности (см. табл. П) будут проявляться и при обработке отверстий с помощь» многошпиндельшх головок с учетом дополнительного взаимовлияния инструментов б наладке.

Экспериментальная проверка теоретических положений проводилась в два этапа.

На первом этапе определялось наличие у сверл поперечных колебаний. Причем колебания сверл, возникающие вследствии динамической неустойчивости процесса обработки возникали при любых режимах обработки (табл.Ш п.1). Косвенным доказательством проявления поперечных колебаний сверла служат следы, оставляемые рекущими кромками инструмента на поверхности резаш!я. Эти следа - весьма глубокие риски и имеют криволинейную форму, а их количество m находится в зависимости.от частоты вращения ывр и частоты поперечных колебаний данного инструмента:

2lt-Um 2т ■

а - —= ~ , где а - угол между рисками.

Кроме указанных следов на поверхности резания могут наблюдаться еще и прямые, менее глубокие следы - отпечатки рекущих лезвий. Это следствие крутильных или продольных колебаний инструмента. Их количество равно частоте соответствующих колебаний. Форма траектории поперечных колебаний сверла с 7.-2 сильно вытянута в направлении, перпендикулярном главным ревущим кромкам, а направление перемещения центра инструмента противоположно направлешш его вращения при 2qxI80' и совпадает с ним при 2ср £ 180'. Результаты экспериментального исследования влияния виб-роперемемещений сверл на погрешности обработки отверстий приведены в табл. Ш п.2.3. В частности, увод и искривление оси отверстия при синхронизации частот осевых и поперечных колебаний (см. п.1 табл.П) был воспроизведен при помощи установки "резонатор" (см.п.2 табл. Ш). Также было воспроизведено экспериментально, накопление некруглости отверстия (см, п.2 табл.И), нарастающая рлзбивка (коническое отверстие) см.табл. Ш п.2 и т.д. Причем, указанные погрешности экспериментально воспроизводились как при сверлении одним сверлом, так и при одновременном сверлении несколькими сверлами с помощью многошпинд&льной головки см.п.З табл-iii. - - а

При разработке направления усовершенствования технологических систем было показано важное влияние на параметры точности обработки отверстий, взаж-шх перемещений рехущиЯ части инструмента и заготовки

Таблица П (фрагмент)

- Классификация погрешностей обработки отверстий с учетом синхронизации колебаний'сверла

Вид и условия возникновения погрешности Схема образования" погрешности

С учетом виброперэмещений геоме трически диссиметричного инструмента

Г а) б) Увод и искривление отверстия при синхронизации колебаний К=1 ; . Накопление векруг-лостк отверстия'при К=3 Ш2Й ---И1^ <77/.

П а)" Ф Постоянная разбиЕка при рзссинтэнизации К « I Спиральная канавка К « 3 ' Ж ^ЕЕШ- 777/.

Ш Нарастающая разбивка (коническое отверстие) . На границе синхронизации (возникновение частотной' модуляций) лГ

С учетои виброперамещений кинематически диссиметричного инструмента

I а) Малая постоянная разбивка Слыхрошзация-от-сутствие параметрического резонанса шос • ш («2к • шн) ЯШИ"*

б) Быстгю нарасташая разбивка ий<>о+йш."э1й'где Ш » С Лесйнхтюнязация- возникновение частотной модуляции быстрых поперечных вибраций (особенно при О) » щ или 3« оо

ю

Таблица Ш

Условия проведения эксперимента

Результаты и особенности проведения экспериментов

Характерные виды погрешностей и поверхностей отверстий

1

I. Исследование основных параметров и характеристик поперечных

колебаний инструмента

Станок мод.2Н135 тензо-усилитель "Топаз-3",приспособление для закрепления кнстру>гента, осциллограф мод.Н-П7,тензодатчи-ки Е=200 Ом ¡образцы 025+ +30 мм,1=50 мм из стали 45,бронзы БРАЖ9-4 и оргстекла, сверла спиральные 03+29 мм С 2<р=П8 +180'; 3=0,1+0,3 мм/об ;ыин=3,3+

+18,8 с-1

2ф < 180'

2ф » 180'

Параметры ш и А поперечных

колебаний сверл

со = 40+3120 с-1 А = 0,05+0,14 мм

Траектория движения оси

сверла

Направление перемещения центра сверла

Следы поперечных колебаний сверла на поверхности резания

при сверлении в сплошном материале

Направление изогнутости рисок

2. Исследование влияния виброперемещений сверл на погрешности обработки отверстия (при одноинструменгной обработке)

Тензоусилитель "Топаз-3", осциллографа мод.Н-117 и С1-485,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 свэшга 06,5 мм, симметрично заточённое 1=0, Ь=90 им,2ср=118 ' ,Б=0,1мм/об. Задэвал1сь амплитудно-коду-лировзнные осевые колебания вида:

а'Соз(сЛ) -совСщин- г) а)0,1соз(219,8г)-со5(31,«) 0)0,1соз(219,81-тс)соз(31,41) (смена фазы)

И

Увод и искрив ленив оси отверстия а)ЕпраЕ0 а)ВЛ9ЕО

Продолжение таблицы Ш

П.Установка I" сверло 06,5мм. т=0;Ь=90 км.

Задавались амплитудно-моду-лированные осевые колебания вида:

а-со8(шг) •созОшинЧ) 0,1соз(219,8г)-соз(94,2г) Фиксировались поперечные колебания с нарастающей амплитудой, Б^ОД мм/об

Накопление некруглосги

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

Ш/оО,кки=74,63 с~1,шо=и>=

=7шин=522,4 с-1 десинхронизация

ш

3£

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

К . Установка I

сверло" 06,5т с т=0,04 мм,

L=90 ш,2ф=180'

и1Ш=74,63 с"1

S=0,I мм/об

1^10 мм

Ы0=оз=7ш1Ш=522,4 с-1 12=7 мм

u)Q=(i>=I 4сои1=1044,8 с 13=Ю мм

U =3(^27(0 =2015 с" о кн

-1

S

к

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

IM

V.Установка" П сверло" "06,5мм с г=0,04 мм,Ь=90 мм,2<р=180',

иин=83,7с"¡3=0,Iмм/об,АБ= =0,08 мм/об

а) J^^

> 1,2

TtTÖT«

's ь

^ии

"пр

при рассинхронизации б) 0,8 < Я. < 1,2 при синхронизации

вЯ=0,8 на границе синхронизации

а)малзя разбивка отверстия

б)увод оси отверстия вЖонусность

отверстия

Продолжение таблицу ПГ

3". Исследование влияния виброперемещений сверл на погрешности многоинструментной обработки отверстий

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

-1

Сверла 010,2 мм г=0 Ь=150 мм

I)2ф=180* , <¿=3454 с 1 шн=43,5 с

Шо=2442 С-1

,, (2-3-1)- о ± шин

ио -----7--------

0) = -1-й

о 7

2 )2<р=174' , шин=34,5 С

а>=3454 С-1

о»=47Ю с-1

,. , (2К-1Ьи ± шя х----------

о с^

щт

Конусность отверс::;Д

Малая разбивка отверстий

при сверлении -систем отверстий.Поскольку полностью исключить поперечные и продольные колебания невозможно, предложены способы (а.с. N1537398, N1664412, N1404194) управлешя величинами их параметров с целью предотвращения самопроизвольного "вхоэдения" технологических систем в зоны "опасных" частот за счет изменения режимов обработки и путем изменения геометрт инструмента. Управление параметрами точности возможно тькже и при бесшгашдельном способе сверления (а.с. N1710213) систем близкорзсполотешшх отверстий в нетвердых материалах. При котором все инструменты размерена в специальной обойме с возможностью свободного вращения, а заготовке сообщают вынужденные поперечные круговые колебания, определенные расчетом. При этом инструменты начиняют самопроизвольно вращаться а резать, заготовку. Предложено также управлять параметрами точности при сверлении отверстий за счет применения компенсирующих устройств- виброгасителей, беззазорных кондукторных втулок, плпБатцкх кондукторов и так далее. Виброгасители могут успнаплиг.аться при этом как на многоЕПКндельнуга головку (а.с. N1404195) и компенсировать продсльше колебания всей системы инстру-

ментов, тал и на каждый шпиндель головки индивидуально (э.с. N1060338, N1127700), чтобы компенсировать продольное колебания каждого инструмента. Для ограничения величины поперечных колебаний инструментов разработан новый класс центрирующих устройств - беззазорные кондукторные втулки (а.с. N837692, N848179, N1152719, N1177078, N1366317). При использовании этих устройств существенно увеличивают поперечную жесткость инструмента, что улучшает точностные параметры обработанных отверстий. Причем, устройства (а.с. N837602, N848179, N1366317, N1177078) 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 теоретико-экспериментальных датах и предложенных направлений усовершенствования технологических систем, разработана методика отладки 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 к 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 деталей и контрольных замеров отверстий.

Таблица IV (фрагмент)

Карта диагностики и устранения брака по точности при сверлении

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

I 2 3 4 5 6

I Разбивка нарастающая (погрешность диаметра и продольной формы отверстия 1.При геометрической дассидает-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 симметрию заточки сверл. а)Сменить сверло или перезакрепить его; • б)сменить приводные элементы или изменить частоту вращения станка; в)применить машинную заточку . сверл..

2.При кинематической диссиммэтрии сверл и частотной модуляции их поперечных или продольных колебаний. При №=(2М).<лш«2^и наблюдается десинх-ронизация поперечных колебаний и возникает их частотная модуляция. а)Изменить продольную жесткость сверл; б)изменить частоту вращения сверл; в)изменить reo- . метрию заточки. а)Сменить или перезакрепить сверла; б)сменить приводные элементы или изменить частоту вращения ипинделя; в)изменить углы 2ср.

Пример отладки операции сверления

При обработке трех близкорасположенных отверстий 0 6,5+0,,ь мм в дет. "Крышка правая компрессора' бытового'холодильника" (П.О. "Булат" г. Златоуст), диаметр отверстия на входном торце составлял 6,5 В,65 мм, а на выходном - 7,6 + 7.8 мм при глубине сверления 5 км. То есть согласно п.1 методики выявлена нарастающая разбивка отверстий - погрешность диаметра и продольной форд» отверстий. , ,

Материал обрабатываемой заготовки - сталь 20, а обработка осуществляется спиральными сверлами 0 6,5 мм с углом 2<р=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 соцровоадались 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. Щ. '

Согласно п.2 методики по карте диагностики и устранения брака (4 столбец табл. IV) проверялось наличие сопутствующих явлений. При от. сутствии иаростообразовштЯ и пакетирования струят в канавках сверл, были обнаружены на дне отверстий, риски - следы поперечных колебаний. Их оценка (п. 3 методики) показала, что ориентировочно значения час. тоты и амплитуды поперечных колебаний при т= 29 шт. и и1М= 85 с~1, штоп~ 2440 с"1. А=0,05 мм., .

Затем проводилась идентификация вибрационных случаев и действующих механизмов образования погрешности (по п. 4 методики). Согласно перечня (см.'3 столбец, табл. IV) возможно два случая, образования нарастающей разбивки отверстий:

1. При геометрической дассиМметрии инструмента и частотой модуля-цш ого продольных колебаний.

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

В связи с наличием поперечных колебаний инструментов на погрешность обработки влияет.второй механизм. Отсутствие влияния первого механизма 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 решений (см. 5, Б столбцы, табл. IV) было выбрано последнее, т.е. изменено значение двойного угла в плане до 2<р=174". При этом заусенцы на выходе сверла из отверстия не образуются-, а возникновение конусности не наблюдается. Точность обработки отверстий обеспечивалась в пределах 6,5 + 6,6 мм. Для контрольной проверки правильности использования методики, в лабораторных условиях было проведено измерение фазочастотных характеристик поперечных и продольных колебаний инструментов "^=85 с-1, шпо[[=2490 с"1, шо=5000 с"1. Также была зафиксирована частотная модуляция поперечных вибраций и спектр их близок к сплошному, то есть механизм образования обратной конусности, связанный с да синхронизацией и частотной модуляцией поперечных колебаний был выявлен, правильно.

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

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

Вывода

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 ыногоптинделышх головок.

2. Теоретически показано, и экспериментально подтверждено, что из-за переменности толщины 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 этом показано, что траектория колебания сверла вытянута в направлении, перпендикулярном его лезвиям, а частота в 10 и более раз превосходит частоту вращения.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что увод И огранка отверстий возникают при продольных амплитудно-модулированных колебаниях сверла, если их несущая частота совпадает с частотой пош-

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

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

5. разработана инженерная методика отладки операций сверления, предусматривающая измерение параметров поперечных колебаний сверл или визуальную оценку их частоты и амплитуды по рискам на дне отверстий; изменение вибрационных характеристик, например, изменяя геометрию заточки и режимы обработки, обеспечивают заданную точность отверстий. Данная методика позволяет в 2-3 раза сократить время производственных испытаний и на 35*50Ж - технологическую подготовку производства.сложных корпусных деталей в целом.

6. Результаты работы внедрены на трех машиностроительных предприятиях П.О. УРАЛАЗ г. Ыиасс, П.О. "Булат" г. Златоуст, и г. Москвы, реальный годовой экономический эффект составил более 30 тыс.рублей в ценах 15Э0 г, и 1500 тыс. рублей в ценах 1Э95 г. Научные разработки внедрены в учебный процесс подготовки инженеров-механиков по специальности. 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 табл. -Библиогр. 153 назв.- Рус.-Деп. в ВИНИТИ 02.06.93, N I470-B93.

2. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.М., Сергеев C.B. Математическое моделирование динамики процессов обработки отверстий мерными инструментами и вибрационная диагностика ;мяогоинструментных наладок.- В кн.:. Совершенствование маапшотроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей: Тем.сбор.науч.трудов. Челябинск: ЧГТУ, 1995.

3. Сергеев C.B. и др. Автоматизированные средства оснащения операции обработки отверсткй/Л1раблбмы автоматизации технологических процессов в машиностроении:Тез.докл. Межреспубликанской конференции.-Волгоград: ВПИ.-198Э.-С. 16-16.

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

5. Сергеев C.B. и др. A.c. I404194 (СССР). Способ обработки от-

1в

вэрстий и многошпиндельная головка для его осуществления.- Опубл. в Б.И., 1988, N 23.

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

7. Сергеев C.B. и др. A.c. I7I02I3 (СССР). Способ обработки отверстий мерным многолезвийным инструментом.- Опубл. в Б.И., 1992, N 5.

8. Сергеев C.B. и др. A.c. I6644I2 (СССР). Способ возбуждения • круговых колебаний и устройство для его осуществления.- Опубл. в Б.И., 1991, N 27.

Новизна технических решений в работе защищена авторскими свидетельствами и патентами на изобретения Ш 837602, 848179, 876326, 1060338, 1034678,1X27700, II527I9, II77078, 1366317,1373490, I404I95.

Издательство Челябинского государственного технического университета

HP S 020354 от 20.01,92. Подписано а печать 09.11.95. Форг-йт 30x84 I/I6. Печать офсетная. Усл.пвч.л. 0,93. Уч.-изд.л. I. Гирах 100 экз. Заказ 316/496.

РОП издательства. 454000, г.Челябинск, пр.им. В.И.Леиикп, 76.