автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка динамической модели процесса резания для проектирования режущего инструмента и параметров обработки при торцовом фрезеровании

На правах рукописи

КРЕМЛЕВА ЛЮДМИЛА ВИКТРОВНА

РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ ПРИ ТОРЦОВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ

Специальность 05.03.01 Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н Э.Баумана на кафедре МТ-2 и на кафедре "Проектирование подъемно-транспортного и технологического оборудования" Северодвинского филиала СПбГМТУ.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

A.Е. Древаль:

Научный консультант - доктор технических наук; профессор

B.И. Малыгин.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.А. Гречишников; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г.6. Боровский.

Ведущая организация - ПО «СЕВМАШПРЕДПРИЯТИЕ»

Защита диссертации состоится -К- ноя&ря 1998 г на заседании диссертационного совета К 053.15.15 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, Б-5, 2-я Бауманская ул., дом,5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Ваш отзыв на' автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан "23" ОКтЯ^рЯ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Подписано к печати ./с 1998 г. Заказ N8 /у..-!.

Объем 1 п.л. Тираж 80 экз. Типография МГТУ им. Н.Э.Баумана

Васильев А С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Торцовое фрезерование является широко распространенной технологической операцией обработки деталей машин,-которая сопровождается-нестационарными-динамическими- на-------

грузками. Э~и нагрузки вызывают вибрации технологическое системы (ТС), влияющие на качество продукции, точность обработки, стойкость инструмента. Особенности кинематики торцового фрезерования являются основной причиной его нестационарности. Динамические параметры при этом зависят от большого количества одновременно варьируемых факторов, среди которых важнейшими являются параметры режима резания, геометрические и конструктивные особенности режущего инструмента, схема обработки. В отечественной практике выполнены значительные и глубокие исследования динамических процессов, возникающих в металлорежущих станках, большей частью касающиеся токарной обработки. Работ по динамике процесса торцового фрезерования выполнено меньше, при этом преобладает экспериментальный подход, который дает большое количество частных решений и не позволяет на стадии проектирования технологической операции, станко-инструментальной оснастки и станков, сформулировать требования и ограничения на принимаемые конструктивные и технологические решения и целевым образом управлять параметрами режима обработки и построения технологической операции. Это определяет необходимость создания расчетных моделей динамических показателей процесса. Научная работа, направленная на создание математической модели динамики процесса торцового фрезерования, является актуальной, так как расчетные модели позволяют сформировать требования к конструкции режущего инструмента и' к проектированию технологической операции, что обеспечит повышение производительности обработки при принятых технологических ограничениях.

Цель и задачи работы. Целью работы является создание динамической модели торцового фрезерования, как нестационарного !р> цесса резания, для управления вибрациями при формировании исходных требований к конструкции режущего инструмента и к технологическим параметрам обработки

В соответствии с целью были определены следующие задачи исследования:

1.Выполнить схематизацию процесса торцового фрезерования.

2.Разработать алгоритм расчета и программы вычисления составляющих сил резания при торцовом фрезеровании, действующих на инструмент в процессе обработки в зависимости от схемы резания, режимных параметров и конструктивных особенностей инструмента.

3.Разработать алгоритм расчета и программы вычисления параметров вибраций при торцовом фрезеровании, позволяющие осуществлять анализ вибраций во временной и частотной областях.

4.Создать базу исходных математических зависимостей для расчета зависимости удельных сил резания от параметров режима обработки.

5. Проверить достоверность разработанной модели экспериментальным путем.

6. Разработать рекомендации по управлению амплитудно-частотными характеристиками процесса торцового фрезерования.

7.Апробировать разработанную расчетную модель при создании конструкций инструментов для конкретных деталей.

Методы исследования. Разработаны методики экспериментальных исследований процесса торцового фрезерования. Установлен состав экспериментальной и контрольно-измерительной техники для проведения исследований. Выбрана и обоснована среда программного и технического обеспечения разработанной расчетной модели. В исследовании использовались основные положения теорий обработки материалов резанием, колебаний, динамики станков, векторного анализа, численных методов расчета. Экспериментальный раздел работы выполнялся в лаборатории кафедры "Проектирование подъемно-транспортного и технологического оборудования" Севмашвтуза. Проведение экспериментов и регистрация результатов исследования производились с использованием динамометра УДН1200, осциллографа С1-55, а также серийно выпускаемых комплектов виброизмерительной аппаратуры фирмы "Брюль и Кьер" на станке модели 6С12. Достоверность полученной модели установлена в ходе сравнения экспериментальных и расчетных данных.

Научная новизна заключается в обосновании и разработке комплексной математической модели, позволяющей оценивать силы резания и параметры вибраций при торцовом фрезёроеайии на стадии проектирования режущего инструмента и технологической операции для конкретных условий обработки.

Практическая ценность заключается в разработке программного обеспечения расчета сил резания и динамических параметров процесса торцового фрезерования, расчетной методике, позволяющей но этапе проектирования режущего инструмента^ .технологической one--.рации формировать основные требования к конструкции инструмента и параметрам технологической операции, прогнозировать ЛЧХ процесса обработки.

Реализация результатов работы. С использованием методики расчета динамических параметров обработки сконструированы, изготовлены и внедрены в производство специальные инструмент!,! для обработки торцов плавниковых труб. Результаты работы в виде программного комплекса и рекомендаций по работе с ним приняты дг,л использования АО "Томский инструмент". Разработанный программный комплекс и измерительная аппаратура используются о учебном процессе на кафедре "Технология машиностроения" Северодвинского филиала Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на заседаниях кафедры "Инструментальная техника и технологии" МГТУ им. Н.Э. Баумана и кафедры "Технология машинос?роения' Северодвинского филилала СПбГМТУ, на II Всесоюзно^ НГК "Вибрации и вибродиагностика, проблемы стандартизации" (г,Горький, 1988), на межобластной НТК "Совершенствование конструкций и процессов изготовления режущего и измерительного инструмен тов и технологической оснастки" (г.Киров, 1988), IX, X HI К НТО им.А.Н.Крылова (г. Северодвинск 1987,1989 гг.), научной конференции «Автоматизация в проектировании и производстве» (г. Северодвинск. 1998 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в пяти течатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 man, общих зыводов, списка литературы и приложений. Работа изложена нь 1?,2 границах текста и содержит 101 рисунок, 22 таблицы, список литера--уры из 70 наименований.

"Автор выражает благодарность специалистам отдела глэ»ного жустика ПО "Севмашпредприятие" - к.т.н., доц Горину С.И , инженеру \шурову А.Е. за помощь при проведении экспериментов и анализе !кспериментальных данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор и анализ научных работ в области динамики процессов резания, станков и режущего инструмента. В отечественной школе (работы Кудинова В.А., Бармина, Каширина А.И., Кучмы Л.К., Решетова Д.Н., Левиной З.М., Дроздова H.A., Соколовского А.П., Эльясберга М.Е., Жаркова , Малкина Н.Я. и др.) выполнены обширные исследования, связанные с изучением условий возникновения вибраций ТС и методами борьбы с ними. Направление исследований носит разнообразный характер. Эти работы сформулировали основные подходы к изучению динамики станкоа при резании. Результаты анализа показывают, что реальный процесс резания, как совокупность процессов деформации, трения и разрушения, характеризуется наличием колебательных явлений. Эти явления проявляются в колебательном движении режущего инструмента и заготовки, в циклическом изменении силовой и тепловой нагрузок на режущую кромку, в формировании периодического профиля обработанной поверхности. Частоты и амплитуды этих колебаний зависят от конкретных условий резани я и не всегда заметны по их внешнему проявлению. Тем не менее, колебания в процессе механической обработки существуют всегда. Принято различать низко- и среднечастотные колебания, близкие по частоте к значениям собственных частот парциальных, систем станка и высокочастотные колебания. Выполнен анализ работ (Бармин Б.П., Жарков И.Г., Хает Г.А. и др.) посвященных влиянию вибраций на стойкость и прочность режущего инструмента, на точность и качество обработанных поверхностей. Влияние это неоднозначно, но, в основном, отрицательно. Работы показывают, что знание природы вибраций при резании, их взаимосвязи с основными технологическими параметрами процесса резания в конечном итоге позволяют повысить выходные характеристики процесса обработки -производительность, точность, качество изделий.

Рассмотрены основные источники колебаний при резании. Все колебательные процессы, возникающие в ТС, можно разделить на две основные группы: не связанные с процессом резания и вызванные непосредственно процессом резания. К первой rpyhne обычно относят вынужденные колебания, передаваемые станку через фундамент от соседних машин или станков, вызванные неуравновешенностью вращающихся частей станка, погрешностями зубчатых передач и др. Ко

второй группе относятся вынужденные колебания, вызываемые переменным сечением стружки, прерывистостью процесса резания, особенностями процесса стружкообразования, и автоколебания. Основными причинами автоколебаний принято_считать.ряд-причин;-среди которых.следует-отметить запаздывание сил по отношению к изменению сечения срезаемого слоя, влияние «следа», падающую характеристику силы резания от скорости и некоторые другие. Гипотезы, выявляющие основные причины возникновения автоколебании при резании, подтверждены, в основном, для операции точения. При нестационарных видах обработки, каким является торцовое фрезерование, одним из важнейших источников возбуждения колебаний, обусловленных процессом резания, является его прерывистый характер, определяемый кинематикой формообразования. Анализ работ, посвященных процессу торцового фрезерования, показал, что при выработке рекомендаций к конструкции режущего инструмента и условиям его экс: плуатации преобладает экспериментальный, подход, основанный на эмпирических зависимостях показателей стойкости инструмента от его конструктивных особенностей и режимов резания. Данные часто противоречивы. Немногочисленные работы (Шустиков А.Д., Андреев В.Н, Малыгин В.И., Громаков Г.К. и др.), посвященные изучению связи конструктивных особенностей инструмента, схемы обработки и режимов резания с возникающими при торцовом фрезеровании вибрациями, носят также эмпирический характер, что сдерживает развитие исследований в этой области а связи с многофакторностью процесса. Следует отметить практическое отсутствие работ, посвященных исследованию динамики торцового фрезерования фрезами с неравномерным окружным шагом зубьев и ступенчатыми фрезами. Поэтому, с учетом влияния вибраций на стойкость инструмента и технологические показатели обработки, возникает необходимость создания обобщенной математической модели, которая учитывала бы схему резания, конструктивные особенности инструмента, параметры режима обработки при известных показателях эквивалентной упругой системы станка, п. дво-пяла рассчитывать параметры вибраций во временной и частотной областях. Исходя из результатов анализа сформулирована цель работы и поставлены основные задачи для ее достижения, представленные выше.

Вторая глава посвящена разработке динамической модели про-десса торцового фрезерования. При построении модели сил розания

было произведено разбиение рабочих лезвий

инструмента

на

Рис.1.Схема разбиения рабочих лезвий фрезы на дискретные элементы.

дискретные режущие элементы (рис.1). Мгновенное положение элемента на дуге контакта определяется углом относительно оси ОХ принятой системы координат, где / - номер положения элемента вдоль оси фрезы, } - номер углового положения

элемента, к - номер зуба,

которому принадлежит дисковый элемент):

N

где: 0(/) = } х Л - текущее угловое положение элемента при /=1, Л=1, д - дискретность расчета, N - количество зубьев фрезы, й(Ц.к) - ширина элемента, Я - радиус фрезы, Х(к) - угол наклона режущей кромки к-го зуба. В выражении (1) первый член определяет положение торца к-го зуба в /-ом угловом положении, а второй характеризует угол поворота элемента вдоль режущей кромки к-го зуба, связанный с углом Л(к). Угол у(Ц,к) определялся в пределах угла контакта фрезы с заготовкой, зависящим от схемы обработки. Толщина среза на /,/Л-ом элементе с учетом величины подачи на зуб и величины радиального биения 8(к) на к-ом зубе определяется выражением:

Для каждого значения угла у>(Ц,к) определялись элементарные толщина и ширина сечения среза, окружная Я/д/Л, радиальная Р^ц.к), и осевая Р0(Ц,к) силы резания, действующие на дискретном элементе. Элементарные составляющие силу резания Р((ц,к), РД],к), Я0(».}.к> приводились к ортогональной неподвижной системе координат ХУ1, затем производилось суммирование всех элементарных сил в подвижной и неподвижной системах координат по всем элементам и всем

о(/,УД)=5а х К'.УД) + Щ)-

(2)

зубьям, в результате чего определялись полные мгновенные силы F,(j), F,(j), F0(j), Fx(j), FyÜ), Fz(j) в j-ом угловом положении. Рассчитанные значения ширины и толщины срезаемого слоя использовались в дальнейшем при расчете динамических характеристик процесса:

___Динамическая-модель процесса резания основана на предположении, что системы, непосредственно примыкающие к зоне резания, участвуют в общем относительном колебательном движении и представлена как эквивалентная даухмассовая система. Зона резания заменена действием сил резания. Автор исходит из положения, обоснованного, проф. Кудиновым В.А., о замкнутости технологической системы при резании и наличии "следов" обработки вибраций от прохода зубьев. Основным источником возбуждения колебаний являются ударные нагрузки, возникающие^ вхождения и выхода зубьев фрезы из зоны резания. Учтено влияние входа-выхода зуба на изменение площади сечения срезаемого слоя на зубьях, находящихся в резании. Принято, что перемещения в плоскости OXY изменяют толщину сечения срезаемого слоя, а в направлении OZ - ширину,- При построении модели приняты следующие допущения: линейность составляющих ТС к коэффициентам жесткости и демпфирования; система "режущий элемент - корпус" является абсолютно жесткой и фреза совершает движение в процессе колебания как единое целое. Модель списана системой уравнений:

к'1

■ ЛЛ . Z24 Z2 = £/• Л;

IUI V*'

(J)

F.n = F,k (') • sin щ (/) - Frk ■ cos f/j (i);

Fn - + Frl -sin^f/);

Flk=kräk(t)-bk0)\

Frk=k,-Flk\

Fu=k0'Fa\

äkU) = ak(t) + (Xl - XI),-«»^(О-ИП- У2),-sinvM')-

- {Xi - X2) •cosíc1(/)-(K1-}'2) шЫО;

bk{l) = b(t) + {Z\ - ZZ),, ,

где: тху /.з .п^х.у.г и - приведенные к зоне резания массы систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей; Хуу,г},Лхул и - коэффициенты демпфирования систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей; кХхгэ Ао;г</ - коэффициенты жесткости систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей; Х1,У1,11- абсолютные виброперемещения системы заготовки; X2.Y2.Z2- абсолютные виброперемещения системы инструмента; Рхк Рчи составляющие силу резания по соответствующим направлениям на к-ом зубе; Рц, Я,.*,- тангенциальная и радиальная составляющие силу резания на к-ом зубе закон изменения толщины и ширины сечения срезаемого слоя на к-ом зубе, обусловленные настройкой технологической системы; к„ кг к0- эмпирические коэффициенты, характеризующие обрабатываемый материал; 5к(!),Ьк(1)- истинный закон изменения толщины и ширины сечения срезаемого слоя на к-ом зубе, обусловленный динамическим взаимодействием элементов технологической системы, №(()- текущее угловое положение,.к-го зуба на дуге резания. Индексы t и /-г*., соответствуют тому, что координаты X, У и 1 для рассматриваемых систем берутся соответственно либо в текущий момент времени /, либо в момент (-г*., (гк- время запаздывания к-го зуба, зависящее от углового шага и угловой скорости вращения фрезы). В каждый момент времени производился перерасчет изменения площади сечения срезаемого слоя в результате взаимных деформаций взаимодействующих подсистем. Данные, определяющие закон изм&нения толщины и ширины сечения срезаемого слоя на к-ом зубе ак(1),ЬкЦ), обусловленные настройкой технологической системы, рассчитывались по методике определения составляющих силу резания. Решение системы уравнений (3) осуществлено методом Рунге-Кутта. Выходными данными являлись: относительные и абсолютные виброперемещения, виброскорости систем заготовки и инструмента, составляющие силу резания, вычисленные в предположении, что система является абсолютно жесткой и с учетом деформаций, прирост длины траектории относительного движения в результате вибрационного процесса Л1:

ДЛ = £%/Щ-Х2,)1 +(П, -Г2,)г +(2), -7Л,)\

где М - количество рассчитанных значений координат за заданный пе риод времени. С целью качественного сравнения различных схем об

работки предусмотрен анализ во временной (в функции угла позорота фрезы) и в частотной областях. Для анализа колебательного процесса в частотной области была реализована стандартная_процедурэ- дис-. кретного преобразования Фурье на основе быстрых алгоритмов (БПО) На основе построенных моделей были разработаны алгоритмы расчета и программы, реализующие эти алгоритмы

Вдв§1ьей_главе экспериментальным путем определены коэффициенты статической жесткости, демпфирования и приведи и'ьк,-массы систем для станка модели 6С12. Определение коэффициентов жесткости осуществлялось путем линеаризации участка ветви нагрузочной ветви графиков нагрузка-разгрузка для соответствующих систем. Приведенные массы и коэффициенты сопротивления определились расчетным путем по экспериментально определенным частотам собственных колебаний систем, логарифмическим декрементам, коэффициентам жесткости. Собственные частоты систем и логарифмические декременты определялись с помощью виброизмерительной аппаратуры фирмы «Брюль и Къер». Результаты определения характеристик системы приведены в табл.1.

Таблица 1

Нзпр. | | Т ( к,Н/мм | ^Гц | /т)„р,Нс7м I о Х-10'( Нс/м |

ОХинст. ! 3,43 107 210 20 | 0,34 __2,856 _ | 5 075 _ ' 2 *.В ' | 40,73 1

02 инст. 5,28-10' __150_______ Г 05 37,1 | 0,36

ОХ за гот. 12,7'10' 356 | 0,43

02 загот. 13,4-10' 85 470 | 0,52

Эмпирические коэффициенты сил резания к,, к, к0- определялись при торцовом фрезеровании фрезой по ТУ 2-035-618-78, оснащенной твердым сплавом КНТ-163ЫЕА-150410Н(ф=85^.=-8%=-1 Г,ун=-8° а= 12°,2=8,0= 125мм) по планам однофакторных экспериментов с помощью УДИ1200 в режиме однозубого фрезерования. Коэффициенты определялись для трех сталей: 20,20X13,12Х18Н10Т В ¡-.ачестве варьируемых параметров использовалась глубина резания ? и подача на зуб 5г. Коэффициент удельной силы резания к( для торцового фрезерования принят в виде:

С

" " а. '¡Г

а "о

где: С, а-,/¿-коэффициенты, определяемые экспериментально, толщина и ширина сечения срезаемого слоя. Коэффициенты, опреде-

ляющие радиальную и осевую составляющие, приняты пропорциональными окружной составляющей. Обработка экспериментальных данных производилась с помощью методов математической статистики.

Численный эксперимент был направлен на выявление различных особенностей процесса торцового фрезерования в зависимости от режимных параметров 5г, ширины фрезерования В, величины смещения заготовки относительно фрезы е, числа зубьев г, угла наклона режущей кромки X, величины радиальных биений на зубьях 5, влияния неравномерного шага зубьев на параметры вибраций. Анализ производился во временной и частотной областях. Примеры полученных расчетных зависимостей представлены на рис.2, 3.

Рис.2.Влияние числа зубьев на размах колебаний (система инструмента) и прирост длины траектории движения Ы., сталь 20, 0=200 мм, В=120мм, 5г=0,2мм/зу6, X = 8°,.<р=90о, симметричное фрезерование, радиальные биения на режущих кромках равны 0.

Численный эксперимент позволил установить наличие устойчивых и неустойчивых режимов при торцовом фрезеровании. Устойчивые режимы характеризуются преобладанием в спектре частот вреза-10

] [7 Г[ Г| ' ] Т | I [ 11' Тп'о 6 7«" 9 ¡о" 12 15 г

ЗА. М¥М

' \\--("т--!-1-1-1---1 /

60П \ Т------- в?—Г"'—1 /< Рис.3.Влияние величины смещения е

Уч заготовки относительно фрезы на «о ь\ -1 —[-- —'--^-Ч——|—^¡г размах колебаний (система инст-зорумента): е<0-смещение встарого -Уу,-]——рт^^^-гу^!— ну входа зуба в заготовку, в>0~

ю |—-г—г—(—[—|—¡~~(-------]—■ -■{— смещение в сторону выхода, е=0 -

ТГго1з 'с, «,* симметричное фрезерование.

ния зубьев в заготовку. Неустойчивые режимы характеризуются достаточно большими амплитудами и преимущественным преобладанием в

частотном спектре частот, близких к собственной частоте системы ин-____________________

_ струментаг-Увеличение глубины резания для просчитанных вариантов ведет практически х пропорциональному росту размаха колебаний. Увеличение подачи для стали 20 ведет к росту амплитуды колебаний, но в меньшей степени, чем изменение глубины резания. Для сталей 20X13 и 12Х18Н10Т в случае подачи 0,05 мм/зуб при 1=2 мм поведение ТС неустойчиво. Получена немонотонная зависимость величины размаха колебаний от подачи для стали 12Х18Н10Г. Характер динамического поведения ТС при увеличении числа зубьев и отношения В/О определяется прежде всего глубиной резания. Зависимости при этом немонотонны, что объясняется изменением коэффициента неравномерности фрезерования с изменением этих параметров. Смещение заготовки относительно фрезы также немонотонно влияет на размах колебаний. Для конкретных режимов обработки (?, ) будет существовать определенный предел величины смещения, при превышении которого поведение ТС может стать неустойчивым. Проведено моделирование процесса торцового фрезерования фрезами с неравномерным окружным шагом зубьев для различных вариантов расположения зубьев по торцу фрезы для двух сталей (20 и 20X13). Установлено, что неразномерный окружной шаг оказывает значительное влияния на снижение размаха колебаний при неустойчивых режимах (сталь 20X13) из-за уменьшения влияния «следа» от прохода зубьев. Величина снижения определяется характером распределения углового зубьев. Для стали 20 снижения уровня вибраций при варьировании величины окружного шага зубьев не происходило.

В четвертой главе проведена экспериментальная проверка достоверности расчетной динамической модели опытами с резанием. Разработана методика проведения испытаний, подобрана экспериментальная аппаратура и оборудование. Установлены методы обработки результатов эксперимента. Исследовалось влияние глубины, подачи, числа зубьев и схемы установки заготовки относительно фрезы на виброперемещени.я систем заготовки и инструмента. Выполнены од-нофакторные эксперименты. Проверка результатов численного моделирования осуществлялась на вертикально-фрезерном станке модели 6С12, соответствующем нормам точности и жесткости в соответствии требованиям ГОСТ17734-88Е. В экспериментах использованы фрезы в

соответствии с ТУ 2-035-618-78, оснащенные твердым сплавом КНТ-16 8ЫЕА-150410Я (<р=85°, Х=-8°, у0=-11°, уй=-8°, а=12°, 2=8, 0=125мм). Измерения осуществлялись отдельно для заготовки и инструмента по контактной и бесконтактной схемам измерения. Измерительный тракт при контактной схеме измерения состоял из регистрирующей и измерительной аппаратуры фирмы "Брюль и Къер", составляющих стандартный комплект виброизмерительной аппаратуры (акселерометры модели 4370, измерительный магнитофон модели 7005, анализатор спектра модели 2034, графический цифровой регистратор модели 2313). При установившемся процессе фрезерования производилась запись сигнала в направлении осей ОХ и ОЕ. Записанный сигнал в виброускорениях подвергался частотному анализу с помощью цифрового анализатора модели 2034, осуществляющему частотный анализ в цифровой форме на основе БПФ. В результате строился'усредненный по линейному закону спектр колебаний в ускорениях. Сравнивались максимальные составляющие реальных спектров в диапазоне 60-300 Гц с максимальными составляющими расчетных спектров.

В качестве первичного преобразователя при определении колебаний вращающегося шпинделя использовалась оптоэлектронная пара.. Специально изготовленный оптодатчик был предварительно тарирован. Для качественной оценки влияния изменяемых параметров процесса резания на размах колебаний в случае изменения глубины резания 2/4, и подачи 2А3 полученные по результатам однофакторных экспериментов выходные данные процесса представлялись в виде степенных зависимостей:

и 2А,=С,/ ,

Значения коэффициентов и показателей степени представлены в табл.5.

_ _•_Таблица 5

Обрабатываемый материал с, с* к

Сталь 20 Расчет. 18.089 0.915 128,163 0,72

Экспер. 22.985 0,879 129,092 0,639

20X13 Расчет 39,175 1,052 173,913 0,512

Экспер. 55,411 1,018 272,8 0,59

12Х18Н10Т Расчет 44,501 1,347 - -

Экспер. 65,802 1,089 302,983 0,636

Количественная оценка достоверности разработанной модели производилась путем нахождения относительной погрешности размаха^ колебаний для _системы._ инструмента,- Средняя- величина составила ~13;3-37%. Просматривается тенденция увеличения относительной погрешности с ростом вязкости стали. Проведено численное сравнение спектров колебаний заготовки, полученных расчетным и экспериментальным путем. При этом сравнивались значения частот и амплитуд вибраций заготовки в зависимости ст се»'/мних ппрагогг':: • .--• . зубьев, и способа установки заготовки относительно фрезы Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало наличие корреляции спектральных характеристик при резании с расчетными результатами. Коэффициент корреляции при зтсм составил 0,79-0,03. Это поззолило сделать вывод о том, что разработанная динамическая модель вполне приемлема для описания динамических процессов, происходящих при торцовом фрезеровании. В качестве примера на рис. 4 представлены в ¿равнении расчетные и экспериментальные

2*} Г! -р|""-1-|~>-

! . 1 Шплилгпь I

Сталь 20, 0=200 мм,; в-и'омм, .ч.-о>«.!'г.-г.

Г".:.?/7

'' /

Л |СГ\мЛ.'

-л/.

■

« о 10

а)

% *

— — — — —— Жпсримсн? »ль иые течения ^ ^

Рис.4. Сравнение расчетных и экспериментальных данных' а) влияние числа зубьев, б) влияние величины смещения е. на динамические параметры. 2А-размах колебаний шпинделя, А- максимальная составляющая спектра колебаний (заготовка, направление ОХ).

(данные.

Пятая глава. В данном разделе описан разработанный программный комплекс МАЗН@СиТ, включающий в себя основные расчетные модули, файлы аппаратной поддержки, обработки расчетных данных и др. Программный комплекс имеет развитый графический интерфейс, справочную систему. Разработано руководство пользователя с общими рекомендациями по обработке и анализу рассчитанных параметров. Ориентированный на рядовых пользователей, программный комплекс позволяет выполнять расчет режущей части торцовых фрез, позволяющий рассчитывать составляющие сил резания для конкретных условий обработки, минимизировать амплитуды вибраций в рассматриваемом частотном диапазоне путем варьирования количества и расположения числа зубьев по торцу фрезы, выбора углов X, подбора необходимого числа ступеней и распределения припуска между ними, введения ограничения на величины биений режущих кромок, а также оценить влияние параметров режима резания, расположения заготовки относительно фрезы на параметры вибраций.

. С использованием пакета программ в рамках хоздоговорных работ было проведено проектирование пневмомеханического приспособления и специальных фрез к нему для обработки плавниковых труб, используемых при ремонте мембранных панепей на теплоэнергоцен-тралях. Процесс обработки таких деталей протекал крайне нестабильно, сопровождался вибрациями и поломками инструмента из-за наличия плавников (ребер-перемычек), пониженной жесткостью существующего приспособления. Расчетным путем была определена схема резания, ожидаемые нагрузки на приспособление, подобрано количество зубьев, угол наклона режущих лезвий, что позволило снизить уровень вибраций в процессе обработки примерно на 40 %. Фрезы были изготовлены, их работоспособность подтверждена лабораторными и производственными испытаниями. Разработанные методики и программное обеспечение приняты для использования АО «Томский инструмент».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников показал, что нестационарность торцового фрезерования, обусловленная его кинематикой, является важным источником возбуждения вибраций ТС, которые оказыва-

ют влияние на стойкость инструмента и технологические показатели обработки. Создание расчетной динамической модели торцозого фре-^ - -зерования с учетом его многофакторности являемся.актуальный

2. Обоснована и разработана-динамйчоская модзль торцооою фрезерования, ^базирующаяся на кинематике процесса резаная о

_ предположении абсолютной жесткости элементов ТС и г.олучениаи посредством схематизации, заключающейся в следующем режущие лезвия инструмента разбиваются из дискретны« элементы полс^.-'ни.- ю тсрых определяется тремя координатами в пространстве, машинным способом имитируется вращение фрезы с заданной дискретностью, в принятые интервалы времени дпя каждого элемента ycrrwaiMiwea'OTvW параметры срезаемого слоя и соответствующее сою являющие силу резания, в автоматизированном режиме производится их суммирование относительно принятой системы координат.

3. Общая динамическая модель торцового фрезерования основана на корректировке мгновенных значений параметров срезаемого слоя, обусловленных податливостью элементов ТС с учетом «следа» от прохода зубьев.

4. Разработан математический аппарат, описывающий прг.цос-. колебаний при торцовом фрезеровании, на оспсъе которого построены алгоритмы расчета параметров вибраций и создай комплекс программ, реализующих эти алгоритмы. Особенное!ыо разработанной модели является возможность расчета динамических параметров обработки фрезами с неравномерным окружным шагом зус-ьев и ступенчаты?«? фрезами.

5. Для исследования процесса торцового фрезерования методами численного эксперимента были определены эмпирические зависимости удельных сип резания для сталей 20, 20X13, 12Х18Н10Т а зависимости от режимных параметров.

6. Методами численного эксперимента установлено наличие устойчивых и неустойчивых режимов, амплитудный спекгр которых качественно различен Увеличение глубины резания ведет практически к пропорциональному росту размаха колебаний. Увеличение подп"" также ведет к росту размаха колебаний, но в меньшей степени Для сталей 20X13 и 12Х18Н10Т при «малой» подаче поведение ГС неустойчиво. Путем варьирования числа зубьев, отношения В/О, величины смещения заготовки относительно фрезы получены немонотонные зависимости размаха колебаний от этих параметров Характер этого

а

15

влияния определяется глубиной резания. Теоретически установлено, что неравномерный окружной шаг зубьев приводит к снижению вибраций при неустойчивых режимах.

7. Экспериментальная проверка расчетной модели выполнена при различных режимах и схемах фрезерования. Показано наличие устойчивой корреляции спектральных характеристик при резании с расчетными значениями.

8. На базе расчетных программ разработан программный комплекс и руководство пользователя с рекомендациями для моделирования технологической операции торцового фрезерования, позволяющий путем варьирования различных параметров обработки и конструктивных особенностей инструмента минимизировать амплитуды сил резания и параметры вибраций.

9. С использованием программного комплекса выполнено проектирование специального инструмента для обработки плавниковых труб. Проведенные лабораторные и производственные испытания выявили стабильную работоспособность инструмента.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

!. Малыгин В.И., Кремлева Я.В., Мюллер О.Д. Динамическая модель сборных фрез И Вибрация и еибродиагностика, проблемы стандартизации: Тез. докл. И Всесоюзной научн.-техн. конф. - Горький, 1988,- С.84-95.

2. Малыгин В.И., Кремлеза Л.В. Оптимизация конструкций сборных фрез // Вибрация и вибродиагностика: Тез. докл. научн.-техн. конф. - Киров, 1988. - С.20-21.

3. Малыгин В.И., Кремлева Л.В. Динамическая модель процесса фрезерования Н Вопросы технологии, эффективности производства и надежности: Научн.-техн сб. - Северодвинск, 1995, - №13. - С. 55-60.

4. Подураеа 8.Н., Малыгин 8.И., Кремлева Л.В. Динамическая модель элементов технологической системы с учетом кинематической нестабильности процесса резания // Вестник машиностроения. - 1996. - N£6,- С. 18-23.

5. Кремлева Л.В. Разработка динамической модели торцового фрезерования // Информационные технологии в проектировании и производстве: Тез. докл, научн.-техн. конф. - Северодвинск, 1998. -С.36-41.