автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Прогнозирование точности формы поперечного сечения деталей при точении поверхностей с неравномерным припуском

И 0 3 5 !»

государствшшш ШШ31 рсфср по ДВШ 1Ю'Ш ii ¿кСЫй! ШКОЛ!;

тульский ордена. трудового красного знашш

. полмтехзшескин институт

На правах-i-yKOiU'ca

f

СШШГТОВА Елена Николаевна

прогнозирование точности форш поперечного сечения деталей при точении поверхностей с неравшменш припуском

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-

техняческой обработки, станки и инструменты

. Авторе ф ер а т диссертации на соискание ученой стелет кавдадата технических наук

Тула - 1992

Работа выполнена на кафедре "Метачйорежущие станки" Тульского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института.

Научный руководитель - доктор технических наук, ■

профессор Дмитриев Л.Б*

Офпциатьные ошонентк - доктор технических наук,

профессор Мурашкин С.Л.

- 'кандидат технических наук, дсцент Иванов Б.В.

Ведущее предприятие - НПО "Сплав".

Защита состойся '¡¿У* марта 1992 г. в /Ц часов в 2 учебном корпусе, аудитория 101 на заседании спешат;-зировакяого совета б Тульском политехническом институте по адресу: 300Б00,.г. Тула, пр. Ленина, 92.

Автореферат разослан "¿У" февраля 1992 г..

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент ^

-- й • И. Федин

¿Г'" '

, ? (ВД&Я ХАРАКТЕРИСТКЛ РЛЕСШ

—Л-.и-1.Актуальность работы. Проблема обеспечения зэдшой точности деталей является валнейяей при ременпд задач, направленных на обеспечение конкурентоспособности отечественных пзделтш. В .настоящее время она приобрела особую остроту, так как от её реаенпя зависит датьчейаее поЕшекве'производительности процессов обработки на современном оборудовании.

Точение является наиболее распространении:! евдш механической обработке в ыашностроеш«!. В процессе точения на точность обработай ктаяют' дпнш.шчоемю характеристики технологической скстовд, среди которых особсэ место эаяшает дансьотеская .лосткость. Однако из-за отсутствия данпкх о дшкшческо2 яесткостя конкретного оборудования технолог н'е мо.ч-эт прогнозировать точность обработки на этапе проектирования. Позто;!у в пропзводствош-шх условиях возникают больно затраты'времени на отладь процессов точения. Трудоемкость иляадкп возрастает при пепользоваянп станков с Х1ПУ, так как в этом случае приходится осуществлять процесс многократного корректирования управляющих программ для подбора решился резшшя, позволяющих получать иеобходатую точность обработки,

Методом коррекция nporpai.ii станков с ЧПУ допустило управление точностью форщ: продольного сечения поверхностей' детглей, так как превалирующее значение пмовт статические параметру .технологической системы. Однако технолог не обладая достаточными возг.тностяш управления точностью борпы поперечного сечения деталей, когда основное влияние начинал? оказывать дяла'.пчеекпе характеристики тохно-логич'есг.с;.! систегм, Б распоряаешш технолога в данном случае плелись только два способа умекьшонпя погрешности:

1. Сшжвяле реншов резаная;

2. Перевод механической обработг" на другие ТС (станки), обдздазеидае лушаш ддагашгеескиш характеристиками.

В любом случае шябор одного'лэ этих методов вошахоя только при отладке технологических олерашш п определенных затратах временя п средств, тел как отсутствовали возможности прогнозировали точности формы поперечного сечэ.тая на стадки проектировался технологического процесса. Крале того, суц-зствуккрю петодн сценки динамических характеристик такае достаточно трудоёмки.

Автор' загрщае-т; '

I. Петодпку оценка язшампческах характеристик технологической

• системы'яри точешш. .2, Результаты теоретических п- экспержептальннх последовали!! способа определения характеристик техяологпчоскоП ст'сте;.:.:

по кривой следа от резца при обточке образца со ступенчатым пропуском. ■

3. '.'.атекатическую модель точности форш при точещш с нерав- -нокернш припуском.

1-ель работы. Созда1ие способа определения кгалтлекса. • технологических характеристик по кривой следа, образующейся в процесса точения образца со ступенчатш припуском, способа, позволявшего оценить: статичесх'ую' жесткость, отшшаемущ массу металла в направлении .осп У, зависимость для дцнашческой ■ геста ос та от частоты, частоту собственных колебашп спстсш. Разработка с помощью спектрально:! модели'точности методики оценки точности форглы деталей при точешш в попбречноы сечешш на базе ккйоркацип о динамических характеристиках станка,

П?учная новизна. Предложена, теоретически а экспериментально подтверждена спектральная г юдоль .точности Форш поперечного сечетя'деталек при точешш.

Теоретически обоснован п. экспериментально исследован способ определения комплекса дшйлических характеристик технологической слстеки по крнвоП следа, образующейся ог резца. б процессе точения образца со ступенчатш припуском.

Практическое значение, Для производственных условий разработан способ определения динамических : характеристик токарных технологических систем, обладающий мало!: -трудоёьзсостью. Дшашчеокав характеристики технологической- системы позволяю-оценивать точность форш деталей .в поперечном сеченая с помощью разработанной методика прогнозирования.

Реализация результсдов работы, Разработанные методики оценки динашчесиих характеристик'' технологической системы и • расчета точности форш-деталей в поперечном сечешш позволяют существенно сократить время на подаотоыу • производства. Они использовались на НПО "Сплав", что позвол;1ло получить-условный экономический эффект в размере 4793 рубля на один станок с ЧПУ.

Апробация работы, ОсцоЕПне положения и результаты диссертационной работы покладава- ■ лксь и обсуздаллся на- ХХУ - ХШ1 научяо-тьШшчесшх конференциях профессорско-преподавательского состава ТулПИ, -г. Гула, 1288 - 1951 гг.; па республиканской научно-технической -конференции "Автоматизация процессов механообработки и

сборки в мэпино- и приборостроении", г. Киев, 1990 г.:;.на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы ^азшностроэщш на современном этапе", г. Владимир, 1991 г.

Публикации. По токе ■диссертации опубликовано 14 работ, ролучено.два положительных решения по заявке на изобретение.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, дяти глав, выводов, излокешшх на ГЗО страницах машинописного Текста, содерэтл 42 рисунка, .список литературы из 65 наименований й приложения. Общи объём 270. страний. ■

Во введении изложены основные цели- работы и обосновывается £Х актуальность. Весь материал исследования разделен на отдельные задачи и дается распределение этих задач исследования по отдельным главагл работа.

В первой главе излагается общая теория.моделирования точности форь!ы детали в поперечном сечении. При обработке заготовки на .токарном станке её профиль будет функцией угла поворота или при постоянной угловой скорости функцией времени, скачем Эта функция мояет быть представлена сушой гармонических составляющих. Комплексную амплитуду любой гармоника, например /7-ой, можно записать в виде '

О

где й) - частота изменения входной периодической функции; р - номер -гармоники;

Ап. ~ комплексная амплитуда /7-ой гармоники

профиля заготовки. '

Технологическая' система при резании преобразует перемешал! припуск заготовки в усилие 'резания,, образуя профиль детали, на котором скопирована все погрешности заготовка» Положил, что-.технологическая система для каждой амплитуда гармошки профиля заготовку {её. погрешности) имеет некоторый коэффициент передачи Р(пиз), '£огда Комплексная амплитуда профиля детали для любой гармоники (погрешности .узка детали) вплоть до П -ой определится по формуле

Ра-конструкторском чертеже детали дискретно задается допустимая погрешность по форме в виде ограничения, во биению, овальности или величины, ограяок. При этом положение.максимума в этих иогреш-

ностях не имеет значения, а поэтому последние выражение можно записать в скалярной форме : •

■Апвых = Апис '

Величина Апех может быть получена на основе информации о заготовках, а Р(пы) есть характеристика технологической системы, которую можно считать зависимостью динамической податливости от частота • вращения шпинделя токарного станка. "

Вторая глава работа посвящена описанию и разработке метода получения характеристик технологической■системы в том числе и зависимости для динамической жесткости или податливости от числа оборотов шпинделя станка. .

Кетод включает в себя обточку специально подготовленного . образца (Рис. I), измерение, координат кривой' следа (кривую следа см. на Рис. 2) под инструментальным макроскопом,, обработку полученной информации на ЭШ. Измерение ординат кривой следа производится в центрах с поворотом образца на постоянный утол (6сР).. Абсциссы, являющиеся функцией угла поворота, машина-пересчитывает в функции времеи! в зависимости от числа оборотов шпинделя, установленного при обточке образца. Координаты крцвой следа, полученные в результате измерения, сказываются с разбросом вследствие влияния мнонес-тва факторов, имеющих место при обработке. Провести через зти точки крпЕую ыошю используя метод наименьш-х квадратов. Для выбора аппроксимирующей кривой было использовано дафферзнщальное уравнение технологической' системы с правой частью в, виде скачка силы:

/77 + + -СуРу Ш '

I \ ' (1)

* ' РуеОПй приХ>0

Здесь у - величина деформации технологической системы, -являющаяся функцией времени. -

Решением этой системы'в зависимости от коэффициентов кодёйа-.. телькос-зм | будут следуилдае два уравнения:

Рис. I

вид А

Рзс. 2

10

к О

40

г i

Щ 78k

Ряс. 3

tí, рад/с

п< 4мм

при

УФ тт 1г~-+ ч>1] , (з)

где ; ^

В этих уравнениях введены обозначения:

постоянная времена;

т - масса;

С - жесткость технологической•системы;

¿.-Л-

5 - коэффициент затухания; '

Ь - коэффициент демпфирования; ^ = "с" - податливость; .

*■= - Установившееся значение деформации в направлении-оси У;

Ра - радиальная составляющая усилия резания;

1 * ' ' Л/я-^г - частота собственных'Колебаний.

За алпроксиязрувдую кривую было принято уравнение (2), соответствующее устойчивому процессу резания. Поскольку уравнение имеет много параметров, задача аппроксимации оказалась многопараметри--ческой. Чтобн ез решить , надо"оптимизировать полокение идеально! кривой следа относительно экспериментальных точек не менее, чем по четырем параметрам. За. эти параметры были приняты. : . С - жесткость, ■ ■ ■

Ф - масса подвижной части системы при деформации, ^ - коэффидиеат за'тухаря, X - установившееся значение отжима инструмента. Генерируя значения'этих параметров на ЭВМ с помощью четырех генераторов случайных чисел по равновероятному 'закону а подставляя эти значения в уравнение для целевой функции, получим е§ минимум после 1000 испытаний. При этом запоминались соответствую-

щие оптимальные параметры, которые а принимались за действительные. В качестве целевой функции использовалось уравнение:

п ' г

Z С у Uli -ml — min ,

где Щ - значение абсцисс экспериментальных точек;

- значение абсцисс точек, вычисленных по аппроксимирующему уравнении.при тех же ординатах. Таким образом, был, оценен комплекс-характеристик технологической системы: статическая жесткость, коэффициент затухания, характеризующий склонность система к колебаниям; постоянная времени, характеризующая инерционность системы; величина установившегося отжима и радиальная составлявшая усилия резания. Если дополнить эти характеристики зависимостью для динамической ..жесткости от числа оборотов шпинделя, то будет получен полный "портрет" систеш, что было выполнено в ,той же программе с помощью спектрального анализа. Предварительно вычислялась производная по времени от аппроксимирующего уравнения (2) по зависимости:

о

где « -А-' ; = г'

ге-г, < гг-г,

Г ~

Дня получения динамических характеристик на ЭВМ использоеолись уравнения:

А(ш)= к[/а, oij •е"<5t- -e'^i cßswt dt 3(и) = к f (ск, <*5 ■ e "*3t- • cv e~*Ht) sin wi dt

0

■ Ftw) = t 8гш)

</wi = orctg

* Ata»

го

то есть было взято прямое преобразование Фурье от '.непериодической функции. Результата анализа дйя примера представлены на Рис, 3 зависимостью податливости (V от частоты (величины, пропорциональной числу оборотов шпинделя).' ' '

С целью оценки сходимости результатов при многократных испытаниях в одних и тех же условиях и влияния отдельных факторов в этой не главе представлено экспериментальное исследование.

Кривые следа семи образцов были получены на станке IK62, -момент зажима на кхючя, трёхкулачкового патрона превышал Ч кгс*м. Обработка проводилась с режимами ' л = 1250 об/шн,. подача 5= 0,21 т/об, глубина резания t= 2,5 мм, обрабатывавши материал XHI5.

Данные по обработке- кривых следа сведены в "таблицу I. Обработка данных таблица приводит к следующим значениям: доя кесткости; С =. (14987- ± 358) Н/щ; • для постоянной.времени Т = (0,034 + 0,003) с; для коэффициента колебательности ^ = 1,227 ± 0,005; для податливости на частоте 25 рад/с 'W .= 0,000032 ± 0,000004 ым/К. Интервалы здесь указачн с доверительной вероятностью 0,905. По этим результатам ко:хно' сделать вывод о приемлемой точности и стабильности метода оценки динамических характеристик системы. Существенное влияние на оценку динамических характеристик излоааннш методом оказывают два фактора': _' •. -

1. Момент''зажима образца в патроне,

2. Величина биения образца.

Исследование 'показало, что для -получения стабильных результатов момент зажима не дол&ен быть менее 7 кгс-м. Наличие биения образца приводит к сильному разбросу координат точек кривой, следа. Поскольку биение образца'носат регулярный характер и дая качсдого его поворота на угол повторяет своп значения,', то в-программу . введен фрагмент, по .которому'малина вычисляет значение соответствующей поправки и вносит её .в.отснятые координаты кривой слада. Эта мера существенно уменьшила разброс определяемых характеристик.

. В третьей главе проведено экспериментальное исследование степени влияния материала образца, регшмов'резания, геометрии и ' состояния инструмента на- динамические параметры технологической системы. Исследования показали, что для условий, в которых .проводилось исследование, при точности,' которой обладает метод, функциональных связей не выявлено, а"разброс характеристик систе-

Таблица I.

Оценка сходимости результатов при испытаниях на-7 образцах.

1--- i & С, Н/ш \ W , m/R ■ -4 .— "H /71 , КГ Py, H т~ ~ -г ; т, с ; W

{.. ф. , обоазца üJ. = 25 naтт/г;

\ 1 I Ь.О •I4I45 i 0,000071 1,215 ■ 9,0 440 ¡ 0,025 0,000043

! 2 ! 6.1 I54G0 t 0,000065 1,236 23 613 t 0,С38 , . 0,000025

; з ! -6.2- 14924 i 0,000067 1,227 17 589 i 0,033 , 0,000032

; А ! 6.3 ' I470I ' , 0,0000ß8 1,224 15 4IC , 0,031 , 0,000034 .

i 5 ! 6.4 152Б8 , 0,000066 ' 1,223 ' 21 1046 , 0,037 , 0,000029

г 6 ! 6.5 14924. , 0,000067 1,227 17 815 j 0,033 , р,000032

! 7 1 6,6 ! I548G , 0,000065 1,236 23 X.SÖI 1 0.023-, 0,000027

ш в зависимости от релслмов обрабатываемого материала, геометрии и состояния инструмента леянт в пределах разброса параметров системы при многократных испытаниях в идентичных условиях. Tai: значение статической жесткости дая пяти различных обрабатн-. ваеынх. материалов 14656 Н/мм с разбросом в интервале 347 Н/мм (доверительная вероятность 0,82). Наибольший доверительный ' интервал при оценки, жесткости яа различных.регимах резания и при разной геометрии инструмента составил 464 Н/мм.

Четвертая глаза диссертации посвящена подготовке входных переменных под моделирование, точности формы спектральным методом. Для. ряда заготовок, имеющих шгреашоста формы поперечного сечения, получены зависимости переменного припуска от угла'поворота заготовки. Это установлено дая следуяцох случаев: .

1. Обтачивания с неравномерным припуском от-несовпадения оси заготовки п линии центров станка; .

2. Обтачивания'заготовок-'с кедоптамповкой;■

3. Растачивания с неравномерным припуском' от несовпадения оси предварительного отверстия,с осью вращения;

4. Обтачивания заготовок с переменным припуском от смещения частей штампа.

В этой.же главе представлен разработанный алгоритм спектрального анализа (на основе рядов Фурье) радиальной' составляющей ' усилия резания дая условий работы с лере'менным припуском. Эти данные необходимы для прогнозирования точности, формы при обтачивании в условиях известной информации о точности заготовок. Проводилось таете аппаратурное определение спектра радиальной составляющей усилия резания при точении с неравномерным припуском С этой целью использовалась аппаратура фирмы Бркйь и" Къер '(Дания)

Б пятой главе работы приведены примеры практического применения разработанных методов. Во-первых, представлена методика определения статической и динамической'жесткости токарных станков приемлемая для проведения испытаний в производственных условиях. Во-вторых, показано, что'если пользоваться понятием эквивалентной системы и определять эквивалентные параметры системы до • кривой следа, то'-для оценки дияш.шческойке'сткосги можно не прибегать к спектральному" анализу, а мокно пользоваться прлведеншщ алгебраическими уравнениями-. В-третьих, в'данной главе приведен практически!"' пример прогнозирования на этапе проектирования точности формы поперечного сечения деталей для случая точения

ксцентричнкх заготовок. Для оценки достоверности прогноза была [роведеяа обработка аналогичных.заготовок.с избранным эксцентри-¡итетом. Сравнение теоретического расчета с экспериментальными [аннш.т показало, что несовпадение в средней не превышает 30 # .

ОСНОБШЕ ВЫВОД! '

1. В работе разработала методика оценки точности формы деталей в поперечном сечении при точении. Методика основана на спектральной модели точности формы с использованием понятия цинашческои аеоткости (или податливости), представляющей зави-зимость от частоты (иди числа оборотов шпинделя).

2. Предложен, теоретически обоснован и апробирован способ получения характеристик технологической системы по следу от резца при обточке-ступенчатого припуска (по кривой следа от резца).

Способ позволяет. получить комплекс данашческпх характеристик: статическую яесткость, отнимаемую массу метачла в направлении оси У, коэффициент затухания, постоянную времени системы п зависимость 'для динамической жесткости.

3. Экспериментальное исследование ■предложенного способа оценки 'динамических характеристик на сходимость рузудьтатов при многократных испытаниях показало, что разброс характеристик в диапазоне (3- 5)5 от полного значения определяемых характеристик, это' приемлемо дахя использования этих характеристик с целью решения технологических задач.

•' 4. Экспериментальное исследование зависимости статической яесткости и динамических характеристик, определяемых предло&еннш способом, .от обрабатываемого материала и реяпмов розанпя показало, что функциональных связей' не обнаружено. При этом наблюдаемый разброс в оценке характеристик в пределах интервала разбросов при многократных испытаниях в одинаковых условиях.

5. Внедрение методики прогнозирования точности формы поверхностей в поперечном сечении при точении позволяет получить экономический эффект на участке токарных станков с ЧПУ. Основная статья эффекта в экономии времени на контроль и внедрение управляющих программ из-за возможности с федёлпгь 'статическую и динамическую жесткость станков в производственных условиях, ■ Условный экономический эффект на один станок 4793 рубля.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Васин I.A., Васик С.А.,.Рузхенцова E.H.

Точность и качество поверхности, обработанном резцами с цельной и демпфированными конструкциями дерлавок // Исследования в области технологии механической обработки и сборки.- Тула: ТулПИ, IS83.

- С. 93-95.

2. Васин Л.А., Васин С.А., Руженцов Н.Ф., Серкантова E.H. Метод оцешп статической жесткости токарного станка // Автоматизация процессов механообработки и сборки в папино- и приборостроении:. Тезисы докладов»- Клев, 1991. - 0. 17-19.

3. Васин Л.А., Сержантова E.H. Определение динамического коэффициента кестк.ости технологической системы при точении // ■ Технология механической обработки и оборот. - Тула, ТулПИ, 199Г.

- С. 8Э-97.

4. Нетод оценки статической кесгкостп токарного станка / Баска Л.Л.., Васин O.k., Руженцов Н.Ф., Серкантова E.H.; ТулГШ. -Тула, 1991. -Деп. в-ВШДТ«, 18.03.91, й 18-Ш91.

5. Методика прогнозирования динамической точности технологической системы при обтачивают поверхностей с неравномерным припуском в поперечном сечении / Васин Д.А., Васин С.А., Сержан-. това E.H. Тезисы докладов Вс'есоизной научно-технической конференции. Актуальные проблемы малпшостроешш на современном этспе.

- Владимир, 1991. - С.' 6-7.

6. Метод оденет статической хесткости токарного станка / Васкп i.A., Басня С.А., Серлгантова Е, Н. Тезисы докладов. Всесоюзной научно-технической конференции. Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе. Владимир, 1991. - С, 6.

7. 0 влиянии отклонений форш базирующих поверхностей валов и труб на точность оценки радиального, биения измеряемой повзрхг-носгп / Геглшсман А.И., Рукенцов Н.Ф., Тисленко В.Т. , Рукенцова ЕЛ. Исследования в области технологии машиностроения. Механическая обработка и сборка. - Тула, ТулПИ, 1984. -С. 23-30.

. 8. Определение данамйческих характеристик жесткости '.- • технологической системы при точении / Васин Л.А.., Васин СЛ.,-Руженцов Н.З., Сержантова E.H.; ТулПИ, - Тула, IS9I, -г" Деп. в ВЖПТИ, I8.03.SI, » 19-Ш91. ■ .' '

9. Руженцов Н.Ф., Рулсенцова E.H. Спектральное представление! радиальной составляющей усилия резаная при обтачивании и растачивании с неравномерным-припусков // Исследования в области инструментального производства и обработки металлов розакздл.

- Тула: ТулШ, IS82. - С. 157-Г64.

10. Серналтова E.H. О подготовке входных переменных под моделирование технологических задач спектральный методом // Технология механической обработки п сборки, - Тула, I9S0. -С. 46-52.

11. Серяантова E.H. и др. Спектральное представление радиальной ооставлявдой усилия резекзя при точении с норгвношряш припуском. Лабораторная работа D 7 // Лабораторные работы по курсу "Математическое моделирование и автоматизированные системы'научных исследовании!'. - Тула: Центр научно-технической информации, IS9I. - С. 8Í-S0.

12. Сержантова ЕЛ. и др. Дкткичэскйе характеристики при точении,. получаа-ше по следу резва лри обточке езупеячатого припуска. Лабораторная работа >5 8 // Лабораторные работы по курсу "Математическое моделирование и автшатпзпровагаае систеиа научных исследований". - Тула: Центр научно-технической пнформа-цил, 1991. - С. 81-102.

13. Серлалтова Е.Н, и др. Модель-точности форш поперечного сечения деталей пол точении. Лабораторная работа Гз 9 // Лабораторные работа по курсу "Математическое моделирование п автоматизированию системы научных исследовали:-]". - Тула: Центр научно-технической шфоршщш» 1291, - G. IIQ-IIG.

14. Способ определения еосткости станков / Васин JI.Л., Васин С.Л., Сержантов?. В.Н. Положительное решение'по заявке i; 4847740/08 то-29.05.90 Г.

15. Спос'об определения динамической жесткости степков / Васин Л.А., Васин С.А., Серяантова E.H. Положительное решение по заявке, й 4352076/08 от 19.07.SO г.

Теоретические.и эксперт,юнтаяыгые исследования были проведены "под руководством к.т.н. Васина Л.А.