автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Пути повышения показателей динамического качества токарных станков с ЧПУ при выполнении прорезных и отрезных работ

ч

, <изии8ЦЪЬ ЦРГЭ-ПКд-зт^ ЬЧ О-ЬБПЬГЭ^иЪ ЪШи11Р11РП ыэ-зп ьъ ^изииБиЪЬ «ДОШОЮ ШР8иР11<}-М11Ч1ГЪ <ШЛШЛ1Р1Г1.

п р чжрииъ п-ирр-кьзиъ иипии<иъ1шъ ьч^изшъисюизи^еъьгп Т-Ь»1ШПМГ

о-т {иип-изизьъ <иизпзъьгь акъи№и1Ш1Гь пгшчь зпьзиъьсъьрь рцррризтгъ пьяьъьрс

Ь.02.03 "1ГЬрЬйш2110ш1{шО шртшпрпвдшО тЬ^иОщпц^шОЬр Ь ишррщфцтиШЬр" йшиСии^ииирзшЛр шЬ^В^^шЦшС q|lшnlpJmGQhpIl

рЫ}(1Ш&пф фиш1|ши шиифбшО}] ЬицдгёшО штЬйифпитишО

иьаииоФР Р /о л)

ЬРЬ^ЦЪ -2000

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРМЕНИИ

ДАРБИНЯН АКОП ВАГРАМОВИЧ

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРОРЕЗНЫХ И ОТРКЗНЫХ РАБОТ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.03 " Технологии и оборудования машиностроительного

производства"

ЕРЕВАН—2000

ишЬСш{ипитр|шй рЬйшй Ьшишидии]^1: <и1|шитш(ф 'ПЬшш^шО ишринипик^тш^шС

<Ш11ш[ишршСт15

4-})шш1]шс цЦш^шр' тЬ|ий. <){пп. грЦтпр, цдшфЬипр tL.ll. ЩшсциШ

«1Ш^ШПБШ1]Ш& рйц1^1|1ш)ипийЬр' шЦиО. с^т. |у>1|ШП|1 Ч-.Ь. ЗЬр-Цчицушй

шЬ{иС. ^ш. рЫ}Сш£гт <4.4. ЬииущО

Ипш^штшр 1риф1ш11Ьри1тр.|111(Г «Ц^шЦ» Ф1Ч!

УЗ-

'ПиутщшЦпцугийр 1ри,)шОш[П11 2000р. иЬи)шЬйрЬр[129-110 Лийр — ^'Ч'К^фО итрбрЬр 034Цишйиис^тшЦшй 1ипрЬрц}1 [фшший <ицшшпшй}1 'ПЬтш^шй 6шршшршц}ипш1)шВ ^шйицишршйтй <шш)кС 375009, р. ЬришС, Ь^шй ф.105 ШлИш^итр^Пр 1)шрЬ|]1 Ь ¿гшСприШиц •4а115<-}1 (¡рищшршйтй

иЬд|$шфрс ишшр^шд Ь 29 одпииинф2000р

034 ШииСш^шшЦшй 1ипрЬрг111 фш^шО ршрштцшр,

шЬ(ий. ц|1ш. риЦйшйт, груЬйиг 1Г. <1-. <шрпщт(ушй

Тема диссертации утверждена в Государственном Инженерном Университете

Армении

Научный руководитель: доктор техн. наук, профессор Авакян В. А.

Официальные оппоненты: доктор техн. наук Тер -Азарян Г. И.

кандидат техн. наук Есаян П. М.

Ведущая организация: АОЗТ "МШАК"

/*ее

Зашита состоится 29 сентября 2000 г. в ---—часов на заседании

Специализированного Совета 034 Государавенного Инженерного

Университета Армении

Адрес: 375009, г. Ереван, ул. Теряна, 105.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИУА.

Автореферат разослан 29 августа 2000г.

Ученый секретарь Специализированного Совета 034

канд. техн. наук, доцент Арупонян М. Г.

К6Ь2.02-52-012.3,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение производительности в мелькосерийном и серийном производствах в 3-5 раз во многом обусловлено совершенствованием металлорежущих станков с ЧПУ с обеспечением виброустойчивости технологической системы при выполнении отрезных и прорезных, работ. Проблема заключается в том, что при выполнении этих работ изменяется соотношение между динамической характеристикой ( ДХ ) процесса резания (ПР) и ДХ упругой системы станка (УСС ) в зависимости не только от взаимного расположения инструмента и заготовки, но и от измененения скорости резания по мере отрезания и прорезания.

При выполнении этих работ на станках с ЧПУ необходимо учитывать погрешности возникающие в системе управления исполнительными механизмами станка. Анализ работ по данной проблеме показывает,что они в основном посвящены обработке металлов с продольным точением и не учитывают специфические особенности отрезки и прорезки . С другой стороны , отсутствуют работы, которые позволили бы объективно (качественно) оценивать компоновку современных станков с ЧПУ. Между тем, фактор наибольшей виброустойчивости мог бы служить оценкой правильности выбора компоновок станков.

Целью работы является повышение виброусгойчивоста и эффективности многоцелевых токарных станков с ЧПУ при выполнении нестационарных процессов: отрезания, прорезания и фасонирования, с установлением оптимальных режимов резания.

Научная новизна. При наличии направленных воздействии на элементы системы станка, определены закономерности взаимодействия УСС и ПР, позволяющие осуществить выбор ДХ ПР и компоновку УСС из условий виброустойчивосга. Получены зависимости, позволяющие определить усадку стружки в зависимости от пространственного взаиморасположения инструмента и заготовки, а также формы режущей кромки инструмента . Установлены закономерности изменения параметров передаточной функции системы управления станка с ЧПУ от скорости подачи с применением нового расчетно-экспериментального метода. Спроектировано и изготовлено устройство, позволяющее осуществлять автоматическую поперечную подачу в пределах углов 0-360 градусов , на которое получено авторское свидетельство # 1282968.

Практическая ценность . Предложен расчетно- экспериментальный метод определения передаточной функции системы управления станком с ЧПУ и высокоточный метод определения расчетной длины стружки. Предложены экспериментальные зависимости для определения предельной ширины среза и

усадки стружки в зависимости от угла действия силы резания. Предложены номограммы для определения режимов высокопроизводительной отрезки и прорезки, а также разработана методика оценки компоновки станков из условия обеспечения виброусточивости динамической системы станка ( ДСС ).

Реализация работы.Разработанное и изготовленное специальное устройство применяется в станочно-технологической лаборатории на Ереванском станкостроительном заводе при динамических испытаниях токарных станков с ЧПУ. Основные положения работы нашли применение при исследовании технологической надежности станков моделей 16Б16КП и 16Е16КП в 1985-89г.г. в Закавказском филиале ЭНИМС ( Ныне: Научно-производственное акционерное обществе открытого типа "Интерстанок").

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

1.Республиканской научно-технической конференции " Молодежь и научно-технический прогресс в машинострении'.-Ереван, 1988г.

2.Ежегодной конференции профессорско-преподавательского состава Сельхозакадемии, Ереван 1989г.

3. Еже годной конференции профессорско-преподавательского состава ГИУА, Ереван, 1999г.

4. На научно-техническом совете НПАООТ "Интерстанок" Ереван, 2000г.

Публикации . Результаты диссертации отражены в пята научных работах и защищены двумя авторскими свидетельствами.

Структура и объем работы. Рабога состоит из введения, шеста глав, основных результатов исследований, списка использованной литературы, включающий 101 источника и пять приложении. Работа содержит 140 страниц основного текста, 50рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится обзор работ, посвященных виброустойчивости системы металлорежущего станка. Анализ литературных данных выполнялся с учетом сложившегося в настоящее время общего мнения: виброустойчивоегь системы металлорежущего станка определяется условиями отсутствия автоколебаний. В этом смысле, из ряда теорий о возникновении автоколебаний, наиболее универсальной является теория координатной связи ( В.А. Кудннов, И Тлусты ). Согласно данной теории , неоднозначность изменений силы резания по перемещению является следствием неоднозначности изменений толщины срезаемого слоя при сложном относительном движении инструмента и заготовки. Позднее , влияние ДХ ПР на условия вознткновения автоколебаний всесторонне изучено П. Альбрехтом,Р,Л. Кеггам,

ВА Кудиновым, М.Е. Эльясбергом, С.С. Кедровым, МЛ. Орликовым, М.Е. Кучмой, Н.И. Ташлицким и другими.

Наиболее реалистично, причины временного запаздывания изменений силы резания трактуются В.А. Кудиновым : явление связывается с инерционностью процесса и обусловливается условиями резания. Временное отставание обнаружено также М.Е. Эльясбергом , Л.К. Кучмой , Р.И. Ташлицским и другими. Если в работах Н.А. Дроздова, А.И. Каширина и А.П. Солаловского вопрос о взаимосвязи между характером обработки (по " чистому " или по " следу") и устойчивостью резания не рассматривался вообще и первым его рассмотрел Р. Хан ,то в монографии В.А. Кудинова этот вопрос получил дальнейшее развитие. Установлено , что наличие следов от предыдущего прохода создает дополнительную положительную обратную связь с запаздыванием в автоколебательном контуре. Указывается.что существование указанной дополнительной связи зависит от степени перекрытая последовательных проходов -коэффициента перекрытая. Этот вопрос непосредственно затрагивает область выполняемого исследования, т.к. в литературе нет данных о виброусгойчивоста ДСС при выполнении нестационарных процессов резания: отрезки ,прорезки и фасонирования. С.СКедровым отмечается,что влияние механизма вторичного возбуждения зависит от соотношения между жесткостью УСС и коэффициентом резания,что не освещено и литературе.

При выполнении нестационарных процессов резания важными являются продолжительность переходных процессов и "выстоя ", а они зависят не только от жесткости УСС и параметров ПР, но и от пространственной ориентации инструмента и заготовки. Указывается, что проблема создания станков с ЧПУ, обеспечивающих выполнение разнохарактерных технологических переходов при принятой схеме установки заготовки, включая окончательную обработку деталей с удовлетворением технических условий, остается до конца не разрешенной.

Целью работы является повышение виброустойчивости, эффективности токарных станков с ЧПУ при выполнении нестационарных процессов резания с установлением оптимальных режимов резания, при наличии направленных воздействий на элементы системы путем исследования взаимодействия УСС и ПР; разработка рекомендаций для создаваемых технологических проектов и конструкций.

Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих задач: -на основе анализа динамики замкнутой технологической системы станка установить харатериешки УСС и ПР, критерии устойчивости с учетом особенностей нестационарных процессов резания на станках с ЧПУ;

-разработать методику экспериментальных исследований, предусматривающую

оценку параметров колебаний, условий устойчивости в зависимости от направленных воздействий на ДСС с учетом закономерностей изменения сигналов от системы управления;

-разработать конструкцию устройства для определения характеристик элементов автоколебательного контура с реализацией автоматической поперечной подачи при различной пространственной ориентации режущего инструмента и заготовки;

-в том же аспекте установить закономерности изменения усадки счружки и характеристик ПР;

-установить оптимальные условия резания по виброустойчивости с учетом факторов, предусмотренных целью исследований ;

-разработать рекомендаций для промышленной реализации результатов исследований.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена теоретическому анализу динамики системы при выполнении нестационарных процессов резания. Анализ виброустойчивости ДСС при резании выполнялся исходя из следующих основных положений:

-ДСС представляет собой замкнутую автоколебательную систему .состоящую из двух основных элементов: УСС и ПР в их взаимодействии ;

-УСС рассматривается как система с сосредоточенными параметрами, с множеством степеней свободы в которой массы связаны жеспсостями и демпфированием;

-допускается ,что данная замкнутая система является автономной; -путем анализа поведения УСС без резания выделяются потенциально неустойчивые формы, развитие которых при резании с учетом ДХ ПР может привести к неусгойчивосга.

Рассмотрены этапы раскрытия решаемой задачи для случаев, наиболее характерных для отрезных работ ,имея в виду наличие возмущений от следов вибрации на предыдущем обороте обрабатываемой заготовки.

Связь между элементами замкнутой системы установлена через отношение мгновенных изменений толщины среза к се номиналу с учетом фактора перекрытая и запаздывания изменений силы резания. Для процесса прорезки резцом с прямолинейной режущей кромкой:

где: й(р)-действительная толщина среза; $(р) -номинальная толщина среза; ^/с -ДХ УСС; -ДХ ПР;

¿Я -элемент запаздывания .обусловленный влиянием следов вибраций;

р -оператор Лапласа.

При приравнении характеристического уравнения из (1) к нулю, и перейдя к частотой форме записи, имеем

VI И =_ , ,

Г * { -уи е-1<дс (2)

где : ¡^-выраженный в радианах фазовый угол регенеративной волны

на обработанной поверхности относительно волны фактического резания; л, -целое число циклов; ^ -доля цикла;

7м -косффициент ,характеризирующий влияние следов вибрации.

График функции правой части выражения (2) в комплексной плоскости, при=1 ,что соответствует выполнению отрезных работ .представляет собой прямую, параллельную мнимой оси и проходящую через точку (-0,5 ,0 ). ДСС будет устойчива ,если график не будет простираться в область

слева от этой линии.

Путем анализа выражения (2) показано ,что при отрезных работах условием границы абсолютной устойчивости ДСС для случая свободного резания является

ин

а условием границы асимптотической устойчивости ДСС с учетом влияния следов является:

К*

Г\ус

1 Кр

~У/ = 1—Т 1-динамический коеффициент резания (ДХ ПР);

V- *£Е=ШШв> угг (5)

гус — --ггугУ-'-динамическая жесткость УСС;

^^ -ориентированная в пространстве статическая характеристика УСС ; £ -безразмерный коеффициент затухания.

Выражения (1-4) следует отнести к токарным станкам традиционной компоновки . Они приемлемы к станкам с ЧПУ при учете отклонений, вызываемых системой управления .выражаемых соотвегстиующей передаточной функцией, которая раскрывается в третьей главе.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изложены условия и этапы проведения эксперментальных исследований с оценкой колебаний УСС при холостом ходе , установлением характеристик элементов автоколебательного коктура,границ устойчивости при реализации принятых нестационарных процессов обработки в зависимости от

пространственной ориентации инструмента и заготовки, ряда технологических параметров в соответствии с положениями теории (глава вторая).

Исследования проводились на токарно-вингорезном станке модели 16Б16КП (базовый станок) и на токарном станке модели 16Б16ФЗ-Э1 с ЧПУ (станок с ЧПУ) .выпускаемых серийно Ереванским станкозаводом.

Колебания УСС при холостом ходе оценивались значениями амплитуд и частот отдельных составляющих спеюора. Методом импульсного воздействия определялись параметры собственных форм колебаний.

Статические и динамические характеристики УСС определялись в зависимости от пространственной ориентации инструмента и заготовки при помощи устройства, защищенного авторским свидетельством # 1282968. Эксперименты лри определении статических характеристик станков, проводились при установке заготовки в патроне и в коническом отверстии шпинделя, а при определении ДХ заготовка установиивалась в патроне. Строго соблюдалась идентичность условий проведения экспериментов во всех этапах исследовании. Предельная ширина среза определялась при обработке ступенчатых заготовок, а при определении усадки стружки применялись заготовки с взаимоперпендикулярными отверстиями, благодаря которым создавалась возможность точного определения длины стружки.

С целью избежания порбообразной зависимости усадки стружки от скорости резания последняя назначалась выше 40-50 м/мин. Первоначально, на базовом станке, при его традиционной компоновке (угол # = 0 -опорная плоскость резца параллельна общей прилегающей поверхности направляющих станка) определялся режимы обработки, при которых предельная ширина среза имела наибольшее значение. В последующих экспериментах режимы обработки были постоянными и предельная ширина среза определялась в зависимости от угла $ .

Эксперименты по определению передаточной функции системы управления станка с ЧПУ проводились на холостом ходу. Задача решалась путем определения действительной скорости подачи на заданных скоростях подачи: 9,12, 15, ЗОмм/мин, когда число оборотов шпинделя составлял 500 об/мин, и определения параметров О-, и) и Ъ выражения

К Хех[1± 5,п(и>1 + ■£)] (6)

63 гг

(А.С.Клюев. Автоматическое управдснис.-М. Энергия, 1973.-392с.)

где: о. = н и> — -корни характеристического уравнения

передаточной'функции; 3 г

17 -инерционная постоянная времени ;

и -постоянная времени демпфирования.

Осциллографирование пути перемещения подвижного узла 'от состояния покоя до стабилизации величины скорости обеспечивало запись всех параметров переходного процесса благодаря тому,что:

-запись начиналась при отключенном датчике перемещения, продолжалась при его включении в измерительную цепь и оставалась включенной до конца эксперимента;

-подача команды на включение перемещения и включения датчика перемещения к измерительной цепи осуществлялись одновременно.

Имитация различных компоновок станков, т.е. различная пространственная ориентация инструмента и заготовки обеспечивалась устройством, установленном на верхней части суппорта станка. На прямоугольных направляющих поворотной планшайбы устройства установлен ползун с токарным динамометром и режущим инструментом. Ползун кинематически связан с винтом поперечной подачи станка. Устройство,в качестве нагрузочного механизма, использовали при определении направленных податливостей исследуемых станков, при измерении вертикальной составляющей силы резания, а также при определении предельной ширины среза и усадки стружки.

Отличительными чертами методики экспериментального исследования являются: разработка специального устройства, применение специальных заготовок, реализация метода расчетно-экспериментального определения передаточной функции системы управления станка ,а также разработка и применение метода сравнительной оценки компоновок станков.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ анализируются результаты серий экспериментов по определению статической характеристики УСС, спектра собственных колебаний, коэффициентов затухания и амплитудно-частотных характеристик УСС. Выполнен краткий обзор методов определения упругой составляющй статической характеристики УСС. Сделан выбор и пользу способа, предпоженого В.А.Кудиновым, когда упругая составляющая определяется линией, проведенной через точки, которые делят пополам отрезки между нагрузочной и разгрузочной ветвями петли гистерезиса. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований по определению круговой жесткости шпиндельного узла и суппортной группы путем измерения упругих перемещений оправки, установленной в резцедержателе.

Результатами экспериментов в первой серии показано, что в зависимости от углового положения шпинделя жесткость изменяется в пределах 8-ми процентов от ее средней величины -20,84 Кн/мм. Во второй серии экспериментов направление действия нагружающей силы изменяли в пределах 0-360 градусов с точностью один градус. Показано,что в этом случае имеет место резкий перепад значений жесткости: максимальные значения 39,8 кН/мм

и 32,3 кН/мм при углах 120 и 300 градусов соответственно и минимальное 17,25 Кн/мм при углах 0, 30 и 240 градусов.

Результатами экспериментов в третьей серии, когда оправка была установлена в трехкулачковом патроне .показано,что максимальные и минимальные значения жесткостей имеют ту же направленность, но значения жесткостей в среднем уменьшились: максимальные на 18 процентов,а минимальные на 36 процентов.

Жесткость суппортной группы исследовалась методом " пеленгации ".Были определены координаты центра жесткости и направление главных осей жесткостей. Путем расчетов моментов от нагружающей силы относительно центров жесткости при вылетах "резца " 30, 60 и 90 мм определялись упругие крутильные перемещения, которые суммировались к результирующим перемещениям от горизонтальных и вертикальных перемещений. Суппорт был установлен в середине длины направляющих, вертикальная ось резцедержателя находилась на расстоянии 134 мм от оси центров станка, а направление действия нагружающей силы изменяли в пределах 0-360 градусов.

Анализом экспериментальных данных показано,что максимальные значения жесткости:54-72 кН/мм,имеют место при углах 60 и 210, 240 градусах, т.е. почта противоположно направлениям максимальных жесткостей шпиндельного узла,а минимальные-3,2-4 кН/мм,при углах 120-150 градусов,когда нагружающая сила раскрывает стыки в направляющих

Путем сложения величин упругих перемещений двух узлов в соответствующих направлениях действия нагружающей силы, дана оценка балансу жесткости базового станка при вылете " рсзца"30мм для случаев установки оправки в шпинделе и в трехкулачковом папроне.Показано,что максимальные значения жесткости (16,8-18,4 кН/мм) имеют места в пределах углов 60-240 градуса, минимальные-3,5-5,8 Кн/мм при углах 270-360 градусов .Причем,в среднем, жесткость УСС на 25 процентов меньше в случае установки оправки в патроне. Установлено, что жесткость станка по условиям ГОСТ 18097-72 удовлетворительная, однако при изменении направления действия силы относительные перемещения превышают ГОСТовскую норму в 1,1-1,4раза. Аналогичные эксперименты проведены на станке с ЧПУ. Показано.что статическая характеристика этого станка лучше,чем базового станка, причем направление наибольшей податливости на обоих станках одинаковое.

Спектр собственных колебаний исследован в 12 точках (в трех направлениях) базового станка и в двух точках станка с ЧПУ. Все измерения проводились при двух способах установки оправки: в гнезде шпинделя и в трех кулачковом патропе.Анализом осциллограмм,установлено наибольшее количество частот в подсистеме оправки: в пределах от 153 до 217Гц для случая установки оправки в патроне и от 198 до 497Гц дая случая ее установки в гнезде шпинделя .По

количеству различных частот на втором месте подсистема суппорта. Заметно приобладание более высоких частот колебаний оправки при ее установке в гнезде шпинделя базового станка, чем на станке с ЧПУ.

По осциллографическим записям определялись также коэффициенты затухания S значения которых колеблются в пределах от 0,43 до 0,8 в зависимости от направления измерения и уалов станка.Показано,что для подсистемы оправки значения коэффициента затухания:0,45-0,52,практически одинаковы для случаев установки оправки в гнезде шпинделя или в трехкулачковом патроне. Среди узлов базового станка наибольшие коэффициенты затухания имеют сганина-0,8, далее идут задняя бабка-0,72 и резцедержатель-0,69.На станке с ЧПУ коэффициент затухания равен 0,45 в радиальном и 0,19 в вертикальном направлениях для подсистемы оправки, установленной в паггроне.

Исследованы также амплитудно-частотные характеристики станков путем измерения колебаний оправки относительно станины и абсолютные колебания оправки и узлов станков при холостом ходе.Показано,что вынужденные колебания станков имеют амплитуды от 3 до 82 мкм в зависимости от условий их работы и направления измерения. Установлено,что уровень колебавний на частотах возбудителей, на обоих моделях станков выше в горизонтальной плоскости: амплитуда колебаний оправки,установленной в патронелостигает 48-82мкм на базовом станке и 30-59мкм на станке с ЧПУ в зависимости от частоты вращения шпинделя. Омечано.что в спектре колебаний оправки проявляются также колебания на собственных частотах: на базовом станке на частоте подсистемы оправки(230Гц),а на станке с ЧПУ на частоте шпиндельной группы (95Гц). Уровень колебаний на собственных частотах достигает 5-10мкм на базовом станке и 4-20 мкм на станке с ЧПУ. Установлено,что работа привода подачи обоих станков не влияет на спектр и уровень колебаний при холостом ходе станков, а вентилятор электродвигателя главного движения станка с ЧПУ и его привод являются мощными источниками вибрации на частотах 25 и 50Гц.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены три взаимосвязанных вопроса, обусловленные необходимостью получения результатов по оценке границ устойчивости ДСС в зависимости от различных факторов. К ним относятся:анализ спектра колебаний системы при резании с выделением неустойчивых форм; оценка закономерностей изменения усадки стружки как фактора тесно свяанного с ДХ ПР; определение предельной ширины среза. Путем сопоставления спектра собстоешшх колебаний оправки при холостом ходе, с частотами автоколебаний по следам вибраций на обработанной поверхности установлено,что из 23 составляющих спектра колебаний системы и узлов базового станка в автоколебательном процессе проялякяся лишь некоторые с частотами 26 ,93 ; 108; 158; 266 Гц. Остальные составляющие резко уменьшаются или исчезают (демпфируют!? процессом

резания). После установки устройства, позвол ьяющего изменить взаиморасположение инструмента и детали, установлено,что автоколебания детали проявляются на собственных частотах элементов системы, имеющих следующие значения: 93; 255; 296 Гц-собсгоенные частоты шпиндельной группы; 1 ЗОГц-собственные колебания суппоргаой группы.Редко,но наблюдались также вынужденные колебания шпиндельной бабки-27Гц.

Произведена также оценка колебаний силы резания на частотах собственных форм колебаний. Колебания тангенциальной составляющей силы резания происходили на частотах собственных форм колебаний: 153Гц и 170Гц.

Показано,что на станке с ЧПУ автоколебательный процесс происходит на частотах собственных форм колебаний:92Гц и 167Гц-очень близкими к частотам детали,установленной в патроне,а также на частотах,возбуждаемых высокомоментаыми электродвигателями постоянного тока:25,3-44-52,5-105Гц.

Установлено,что при работе на базовом станке размахи колебаний детали достигают до 200мкм в пределах частот до 96Гц, а силы резания-150-1600Н и в зависимости от режимов резания колебания силы резания могут достигнуть до 50 процентов номинального значения, но не всегда максимальной силе соответствует максимальный размах ее колебаний.

Установлено,что при работе отрезными резцами максимальные значения силы резания в зависимости от угла р колеблются в пределах от 2454 до 3886Н на базовом станке , и от 1070 до 2400Н на станке с ЧПУ . Учитывая, что условия проведения экспериментов были абсодютно одинаковыми, разницу в значениях силы в зависмимоста от угла $ следует объяснить различными значениями статических и ДХ станков и величиной усадки стружки в различных пространственных ориентациях инструмента и детали. По результатам экспериментов установлена зависимость усадки стружки от скорости резания на базовом станке: при работе отрезными резцами она имеет падающий характера при работе прорезными резцами слабовыраженный горбообразный характер. Показано,что в пределах подач 0,05-0,2мм /об усадка стружки не претерпевает существенных изменений. Методом наименьших квадратов, выведены зависимости усадки стружки от скорости резания при работе отрезными резцами,на скоростях 55-118м /мин,

(7)

при работе прорезными резцами,на скоростях 55-66м /мин,

-3 .,2,35

и на скоростях 66-95м /мин.

ш = -V~i0S rp

Определена зависимость усадка стружки от угла J3 . Доказано,что она имеет определенную направленностымаксимальные значения 2,9-4,6 при углах / =150-210 градусов,а минимальные 1,6-2,4 при углах_р=0-60 фадусов. Показано,что зависимость усадки стружки от значения угла сильнее чем выше скорость резания; что направления максимальных значений усадки стружки и податпивостей УСС практически, противоположны. Эксперименты,проведенные на станке с ЧПУ показали,что характер влияния угла fi на усадку стружки такой же как на базовом станке. При прочих равных условиях, значения усадки стружки большие при работе прорезными резцами,чем отрезными.

Произведена оценха устойчивости процесса резания путем экспериментального определения предельной ширины среза. Получена зависимость предельной ширины среза от скорости резания при работе отрезными резцами,когда угол равен нулю, т.е. при традиционной компоновке станка: определен режим обработки при котором процесс резания протекает наиболее устойчиво: предельная ширина среза равна 8,5мм. Установлено,что максимальные значения предельной ширины среза имеют определенную направленность обозначаемой углом 150 градусов.Показано.что величина предельной ширины среза предопределяется величиной фактической скорости резания по конечному диаметру обработки:

_р _ ло а. \у-0,А6

Ълр — v , им/, (Ю)

которое дает заниженные на 14,5 процентов значения от эксперимента.

Экспериментами,проведенными при различных значениях угла JS (на постоянном режиме) показано,что нет четкой зависимости предельной ширины среза от угла

Очевидно,что это связано с проявлением избирательности УСС при плотном спектре частот автоколебаний. Выше было показано,что значения вертикальной составляющей силы резания в зависимости от угла изменяются не только в широких пределах, но, что очень важно, не всегда максимальным силам соответствуют максимальные колебания силы. В связи с непрерывными изменениями скорости резания изменяются также усадка стружки и постоянная времени стружкообразования,а изменения переднего угла в сторону уменьшения приводят к сравнительно большим отжатиям УСС. Поэтому оценка зависимости предельной ширины среза от угла £> рассмотрена в главе шестой ири одновременном учете таких важных параметров процесса резания какими являются вертикальная составляющая силы резания, скорость резания, усадка

стружки, круговая частота автоколебаний и постоянная времени стружкообразования.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ, руководствуясь результатами теоретического анализа, условий устойчивости ДСС, экспериментальными данными, приведенными в главах четыре и пять выполнены расчеты по определению ДХ ПР и УСС и по их отношению оценены абсолютная (С=1) и асимптотическая (С=0,5) границы устойчивости ДСС. Анализом результатов расчетов показано:

-при работе отрезными резцами на базовом станке традиционной компоновки значения ДХ ПР наибольшие при малых значениях скоростей резания ( 15-27м/мин) и низких частотах автоколебаний. По мере увеличения скорости резания (62-97 м/мин) разброс значений ДХ ПР от частоты автоколебаний и его абсолютные значения уменьшаются: первые 6 раз, а вторые 2 раза.

-при тех же условиях, значения ДХ ПР в зависимости от угла $ изменяются в пределах от 8000 до 21000 Н/мм и ее среднее значение-15000Н/мм сопоставимо со значениями ДХ ПР(13000Н/мм) при традиционной компоновке на соответствующем режиме обработки. При этом достаточно четко обозначается интервал угла £ =150-210 градусов, где ДХ ПР достигает максимума.

Значения постоянного времени стружкообразования в зависимости от угла колеблются в пределах от 2,3x10 с до 8.8*10 с на базовом станке и <гг 2.5*10 с до 4,9x10 с на станке с ЧПУ,причем при восьми значениях угла (из12) оно больше в случае работы прорезными резцами. Изменение значений иодатливостей УСС в зависимости от угла _|3, непрерывное изменение скорости резания вследствие изменения диаметра обработки и изменение действительного значения переднего угла резца из за изменений силы резания и усадки стружки исключают возможность выявления четкой зависимости постоянного времени стружкообразования от угла/.

Определена ДХ системы управления станка с ЧПУ путем экспериментального определения параметров переходного процесса в зависимости от задаваемой скорости нодачи(см. Главу ш). Показано,чти переходные процессы, независимо от скорости подачи, имеют периодический характер и затухающую характеристику, которые представлены в виде завистмостей средних значений действительной скорости подачи от времени в переходном процессе. Определены: время запаздывания начала движения- от 0,26 до 0,18с ; время разгона- от 0;: до 0,42с и время торможсня - от 0,4 до 0,31с. Расчетным путем определены параметры л , ь) , тг выражения (6) и получено выражение для определения ДХ системы управления:

пригодного для подач выше 15м/мин.

Постановкой величины задаваемой подачи 50 мм/мин в (II) и времени переходного процесса Ь =0,5с, показано,что передаточный коэффициент системы управления изменяется от 0,97 до 1,03,что равносильно изменению ДХ ПР от 0,5 до 6 процентов,т.е. снижается устойчивость ДСС в целом.

Далее используя экспериментальные значения коэффициентов затухания подсистемы детали в радиальном направлении.0,22 и 0,45 для базового станка и 0,19 и 0,45 для станка с ЧПУ,и значения статических характеристик станков определены ДХ УСС в зависимости от угла £. Показано,что на обоих станках ДХ УСС имеет минимальные значения (от 5700 до 13200Н/мм) при углах./=150-200 градусов. Максимальные значения достигают : 28800Н/мм при угле £ =300 градусов на базовом и 50000Н/мм,при угле£=240 градусов,на станке с ЧПУ.

Имея ДХ ПР и УСС определены границы асимптотичесой и абсолютной устойчивости ДСС. Показано,что при традиционной компоновке устойчивость ДСС базового станка повышается по мере увеличения скорости резания, особенно при больших значениях коэффициентов затухания и круговой частоты автоколебаний. ДСС асимптотически устойчива на всех режимах обрабоки при коэффициенте затухания 0,45 и не устойчива при коэффициенте затухания 0,22.

Границы устойчивости ДСС в зависимости от угла определены при относительно низких (578-584Гц), средних (1049-1670Гц) и высоких (51604189Гц ) (первые значения частот относятъся к станку с ЧПУ) частотах автоколебаний.

Показано,что на высоких частотах автоколебаний отношение ДХ ПР к ДХ УСС не превышает 0,5, т.е. ДСС обоих станков асимптотически устойчивы во всем диапозоне изменения угла ,независимо от коэффициентов

затухания и вида режущей кромки инструмента.

На средних и высоких частотах автоколебаний выявлена горбообразная зависимость степени устойчивости ДСС от угла £ . Наибольшая неустойчивость (на базовом станке) проявляется в диапазоне углов 150-240 градусов при коэффициенте затухания;0,22: С=4,3 при работе отрезными и С=3,5 при работе прорезными резцами. На станке с ЧПУ степень устойчивости С=2,8 при коэффициенте затухания 0,19.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов отрезки и прорезки с максимальным использованием ДХ УСС на действующем оборудовании. Исходя из требований действующих нормативных документов, определяются исходные данные:диапазон изменений размеров канавок и диаметров отрезков;

выбор сечений резцов в соответствии с типоразмерами станков; выбор рекомендуемых режимов обработки. Оптимальность выбранного режима оценивается определением предельной ширины среза по предлагаемому выражению.Если предельная ширина среза равна или больше ширины канавки,то режим считается оптимальным. Показано,что с точки зрения обеспечения устойчивости ДСС, действующие режимы не всегда удовлетворяют этому условию^ предположении,что станки изготовлены по ГОСТ 18097-88.

Разработаны рекомендации по определению требуемых значений статических характеристик УСС для вновь проектируемых станков, руководствуясь нормативными документами, разработаны режимы резания, где скорости и подачи назначены исходя из современных требований повышения производительности на отрезных и прорезных операциях. По скорости резания, по выражениям приведенным в работе,определяются: усадка стружки; постоянная времени стружкообразования и ДХ ПР, учитывая,что частота автоколебаний будет в пределах 500Гц. Из условия асимптотической устойчивости определяется ДХ УСС и,полагая,что новое металлорежущее оборудование будет иметь коэффициент затухания не ниже,чем 0,34 , определяется статическая податливость УСС. Эта характеристика служит показателем качества проектирования новых станков. Предпочтение дается той компоновке станка при которой расчетное значение статической пдцатпивости равно или больше ее рекомендуемому значению. Показано,что расчетные значения статической податливости УСС и ее нормированные значения по ГОСТ 18097-88 имеют один и тот же порядок, что говорит о высокой достоверности экспериментальных данных. Показано,что при больших глубинах прорезки следует обеспечить постоянство скорости резания, которое приведет к повышению производительности от 1,24 до 1,4 раза. По результатам исследований разработаны номограммы для выбора оптимальных режимоа резания.

ВЫВОДЫ-Выполнен теоретический анализ ДСС применительно к процессам отрезки и прорезки. Установлены границы абсолютной и асимптотической устойчивости, выраженные соотношениями между ДХ ПР и УСС с учетом ДХ системы управления станка.

Разработаны и применены, новые методики, испытательные средства для определения характеристик станков и процесса резания, а также методы определения передаточного коэффициента системы управления станка и расчетной длины стружки.

Установлены закономерности изменения жесткости исследованных станков при постоянном и переменном направлениях нагружающей силы; обозначены направления максимальных и минимальных жесткостей и их соотношения: 2,3 для шпиндельной группы и 18 для суппортной группы базового

Установка трехкулачкового патрона увеличивает статическую податливость УСС в два раза,а значения максимальных ДХ УСС превышают статические характеристики УСС в 1,7 раза при,практически,одинковых минимальных значениях.

Оценены спетры собственных форм колебаний систем станков в различных направлениях. Показано,что из 23 составляющих спектра колебаний при холостом ходе,в автоколебательном процессе проявляются 6 составляющих, что размахи колебаний на этих частотах достигают, до 5-20мкм.

Показано,что усадка стружки изменяется от 0,4 до 2,9 раза в зависимости от компоновки станков, ее максимальные значения направлены по оси минимальных статических податливостей. Усадка стружки на 20 процентов больше при работе прорезными резцами.

Оценена устойчивость процесса резания по предельной ширине среза, которая при традиционной компоновке станков может бьпъ предопределена степенной функцией от скорости, а при различных пространственных ориентациях инструмента и заготовки однозначная зависимость не установлена.Показано.что ДХ ПР в завсимости от пространственной ориентации может изменяться от 8000 до 2 ЮООН/мм, а от реализированных режимов резания до44раза.При этом четко обозначается интервал углов, где ДХ ПР достигает максимума.

Установлены закономерности изменения параметров передаточной функции системы управления станка с ЧПУ от скорости подачи.Показано,что действительная толщина среза составляет 0,97 от номинальной.Это приводит к понижению степени устойчивости ДСС до 0,5-6 процентов в зависимости от величины частоты автоколебаний.

Показано,что степень устойчивости ДСС в зависимости от угла изменяется от 0,1 до 4,3 при работе на базовом станке и от 0,1 до 2,4 при работе на станке с ЧПУ. ДСС обоих станков устойчивы во всем диапазоне изменения угла, если автоколебания происходят на частотах 600-800Гц. При частотах автоколебаний ЮО-ЗООГц устойчивость ДСС зависит от пространственной ориентации инструмента и детали. Наивысшая степень неустойчивости в области углов 150-210 градусов,соответствующей наименьшей жесткости УСС.

Разработаны рекомендации для промышленной реализации результатов исследований в виде номограмм для выбора оптимальных режимов резания на действующем оборудовании и в виде таблиц даны требуемые значения статичесческих характеристик вновь проектируемых станков. Показано,что рекомендуемые оптимальные режимы резания обеспечивают максимальное использование возможностей действующего оборудования, а предлагаемые значения статических характеристик станков могут обеспечивать высокопроизводительную обработку при различных компоновок несущих систем.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1.Дарбинян A.B., Асатрян А.Р., Есаян М. А. "Зависимость статической характеристики токарного станка от пространственной ориентации нагружающей силы " // Новые станки и технологические процессы: Тр. НПО "АРМСТАНОК ". Вып.9 -М.: ВНИИТЭМЕР ,1990.- С .181 - 185.

2.Дарбинян А. В., Асатрян А .Р., Есаян М.А. Оценка компоновки станка по величине усадки стружки // Промышленность , строительство и архитектура Армении. -1989,-# 3.-С.52-53.

ЗДарбинян A.B., Ерицян Р.Г. Оптимизация режимов обработки при отрезных и прорезных работах // Тезисы докладов "Республиканской научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс в машиностроении ",-Ереван, 26-28 апреля ,1988.-С.70-72.

4. A.C. 1282968 СССР ,МКИ В23В 25/06. Устройство для определения динамических характеристик металлорежущих станков / М.А. Есаян ,А.В. Дарбинян ,ВЛ. Дарбинян ,А.Р. Асатрян , П.М. Есаян. Заяв. 26.07.85. Опуб. 15.01.85. Бюл. 2.

5. A.C. 1172646 СССР ,МКИ В23В 25/06. Нагрузочное устройство для комплексных испытаний станков на надежность / A.B. Дарбинян , ВЛ. Дарбинян АР- Асатрян. Заяв. 16.02.84. Опуб. 15.08.85. Бюл. 30.

6. Дарбинян A.B. Определение передаточной функции системы управления станка с ЧПУ // Известия HAH и ГИУА Армении .серия технических наук.1999г. ИЗ том52 С.306-311

7. Дарбинян A.B. Авакян В. А. Исследование динамической устойчивости станка с ЧПУ //Известия HAH и ГИУА Армении .серия технических наук 2000Г.ИЗ том53 С. 15-20.

UinhGiutunurupjuiG шОфпфви!

UinbüiutununipjniGp йфрЦшй t líbunuquihuiin huiumngChpnuI рршцпр&фщ pppnuiiliniuûq mt¡[u[ininq]uul}uiü qnpdQGpuigGhplT uiljnuiuhuiGiiiJuQ U huiuitíuiü m2tuuiuiuiQpühp{i qbujpnuS &Ö1 tuumuiwuijfiû huiuuingGhp{i i]jiûiudfil)iuljiiiû himnlinipjniGGbpli puiphiuiilüiuGp: UjG puii\4iuguiü t ijhg qimluGhplig,qinituGhpli ilbpuipbpjuii hqpuiliuigaipjmGGbpjig, pGqhuuQnip hqiimljuigmpjnLliühpfig U hmiJh^mdQhpJig, 2Uipuiqpi]ui() t 140 ùhphGuiqJip t2bpji ilflui U ßGqqpliniö t 50 йЦшр, 9 miuniumlj, 101 uiGmG oqiniuqnpöi{iiid qpiuljujGnipjntü: llnmjjiû адпфц} Gijjipiliuör t йЬшшцшЬшш huiuinng|i umiuöquiliiuü huiiîuiljuipqji (Ч<) pppnuiljuijtuGmpjuiü i|hpuipbpjuii qpuiliiuünipjiuü úuiGpuiúuiuG iJbppuöinpjiiiGo: Unrn? hG ри12фи& hbmiuqnumipjuiG СщшшшЦп U JuGqJipGhpp: bpl^pnpq qinitup йфрЦшд t huiuuingji q{i(iuiiJ{iliiujli mbuuiljuiG ilbpiniönipjuiGn' llinpiîuiû n¿ uinuig{mGiup qnp&pGpiugGhpfi rjfaujpniiï: <uinml]bgijmd hG U4 ijbpiniômpjuiû hJniQuiljuiG qpntjpGbpp U npn24uid hG puiguipâuili L uiu)nîuprmin]tlj IjuijmGmpjuiü uuiMuiGûhpp' uil|nuuihui(Miuû U huiuitíuiü ш2^ишшш0рйЬр[1 qhujpniiî:

bppnpq qituniú 2ШРШ1Р11Ш& bû huiuumgfi IK iniuinuiQruúGhpti фпр0шршрш1|шй hbmiuqnmntpjuiG tqiujiîuiGGbpji li фпцЬрр: ilpn2iluiö hG muimuiGnrçuiliuiG huiüuilpupqji mmppbpfi pGnipuiqpbpji b IjLujrnGnipjuiü umhiîmGûbpii liuijuijuiö qnpöfip -Ош^шщштршшлфдйр huiiiuiliuipq}i n¿ l}nqiínpti2niülig:

Qnppnpq qtfunuî ilbpiniöxjmö hG фпрбшршршЦиШ hbmuiqninnipjniGGhpti uipqjmGpübpp b npryijuid bG U< uiiïun{iiniuqui- hui6iu}uuij{iû pGmpuiqphpp: ^fiGqbpnpq q|]unuî Ji huijui bG рЬрфий huiuinngji qJiGuiù'JiljiuliuiG hiuiîuiliuipqli lluijiuGmpjiuG uuihiîuiGGbpp npn2nq bpbp фп^и1}шщш1]д1|ш& qnpönGQbpp Ipnpiïiuû qhiqpnid hiuiîuiljuipqfi inuimLuûnuIGhpfi uujhljmpQ, uiu^bqji Gutnhgijuiöpn b IjinpiîiuG umuui|h\uiqrujG luijGnipnvGp: QrGmhiuuiiliuö t GuiU IpnpiJiuû nidji inminmûniiîGbp|i фпфп^пвдтОр иЬфш1)шО hiuúiutuiuljujGnipjuiG inujiniuGnuiübp]i qbuyjnuî:

*lbgbpnpq q|)uniii qüiiihiumiliuö t huiuinngfi qjiüiuúfiljuiljiuü hunliuliuipqp ршдшрйшЦ Ь иифйицпгилЭД Ijmjmümpniüp:

<uii|hiiluiímuí рЬрфид bG mqjmumljGUp L GmSnqpuiúGbp Guu]uuiqöi|m\ huiuinngji итштЭД pGmpmqpbpfi Ь n¿ итшу{тйшр qnpöpGpuigühpfi qhiqpnnî IjuipiîuiG nhd}iiîGhp]i püuipnipjiuG huiúuip: