автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка методов и средств обоснования состава инструментальной системы для повышения производительности изготовления сложнопрофильных деталей

БОРИСОВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 21 НОЯ 2013

2013

005538781

005538781

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» на кафедре высокоэффективных технологий обработки

Научный руководитель:

Маслов Андрей Руффович, д-р техн. наук, профессор кафедры высокоэффективных технологий обработки, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Официальные оппоненты:

Сабиров Фан Сагирович, д-р техн. наук, профессор кафедры станков, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Башков Валерий Михайлович, канд. техн. наук, директор учебно-исследовательского центра нанотехнологий ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ведущее предприятие:

ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», г. Москва

Защита диссертации состоится «10» декабря 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127944, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан «8» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Темпы и уровень развития авиационно-космических, автомобильных, медицинских и информационных технологий зависят от эффективности процессов изготовления сложнопро-фильных деталей.

Существенное значение для развития этих технологий в нашей стране имеет повышение производительности фрезерования сложнопрофильных поверхностей деталей турбин, компрессоров, штампов, корпусов приборов и т.п. путем разработки специализированных инструментальных систем.

Одним из направлений повышения производительности фрезерования является научное обоснование состава и конструктивных параметров инструментальных систем, спроектированных с учетом особенностей обработки подобных деталей. Основой таких инструментальных систем являются системы базирования и закрепления концевых фрез для последующего базирования и закрепления полученной сборки инструмента в шпинделях станков.

Сборки инструмента при фрезеровании еложнопрофильной детали имеют большой вылет от торца шпинделя станка, что обуславливает их относительно высокую податливость. Поэтому возникает задача оптимизации размеров вылетов сборок с целью обеспечения максимальной производительности изготовления сложнопрофильных деталей с заданным качеством обрабатываемых поверхностей.

Не исследованы взаимосвязи конструктивных параметров сборок с параметрами качества обработанных сложнопрофильных поверхностей. Не установлены рациональные составы инструментальных систем, определяющие высокую производительность изготовления сложнопрофильных деталей. Требования к составу и конструктивным параметрам инструментальных систем на основе широко применяемых сборок «термопатрон - удлинитель -концевая фреза» в условиях отечественного производства сложнопрофильных деталей ранее не устанавливались, области рационального применения

3

таких систем не определены. Поэтому повышение производительности изготовления сложнопрофильных деталей за счет разработки методов и средств обоснования состава и конструктивных параметров инструментальных систем является актуальным.

Актуальность выполненного исследования подтверждается его включением в Федеральную целевую программу «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках Государственного контракта от «15» марта 2010 г. №02.740.11.0520 на выполнение НИОКР «Проведение коллективом научно-образовательного центра научных исследований по созданию инновационной инструментальной системы для обработки сложнопрофильных изделий на высокоскоростных станках оборонно-промышленного комплекса».

Цель работы. Разработка методов и средств обоснования состава инструментальной системы для повышения производительности фрезерования сложнопрофильных деталей. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Разработка методики обработки экспериментальных данных о силовых параметрах процесса фрезерования на основе применения специализированной программы анализа.

2. Получение математических моделей податливости сборок «термопатрон — удлинитель - концевая фреза».

3. Установление размерных параметров инструментальной системы и допусков на основные присоединительные поверхности сборок «термопатрон — удлинитель - концевая фреза».

4. Получение математических моделей максимальной достижимой производительности фрезерования с ограничением по параметру шероховатости обработанной поверхности и конструктивным параметрам инструментальных систем на основе различных видов вспомогательного инструмента.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования проведены на основе базовых положений теории резания материалов, техноло-

4

гии машиностроения, контактной жесткости и математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного оборудования и измерительных средств. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием разработанного в диссертации специального программного обеспечения.

Научная новизна работы состоит в:

- методе расчета составляющих силы резания в условиях нелинейно изменяющейся глубины резания с использованием возможности программы спектрального анализа в части синхронизации с моментом начала резания на основе установленных связей между направлением действия составляющих силы резания и криволинейностью поверхности обработки;

- математических моделях, определяющих связи между вылетом сборки относительно торца шпинделя, скоростью подачи, глубиной резания и составляющими силы резания;

- математических моделях, определяющих связи между размерными параметрами сборок и их податливостью с учетом нелинейного изменения площадей контакта сопрягаемых частей под действием сил закрепления и из-гибной составляющей силы резания;

- оптимизации соотношений вылетов удлинителя и фрезы для сборки на базе термопатрона, обеспечивающих ее минимальную податливость при заданных габаритах инструментальной системы;

- математических моделях, определяющих связи между размерными параметрами сборок и их максимальной достижимой производительностью с ограничением по параметру шероховатости.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных практических рекомендациях по повышению производительности фрезерования корпусных сложнопрофильных деталей, в том числе приспособлений и инструмента.

Апробация и реализация результатов работы. Результаты были доложены на Всероссийских молодежных конференциях в Москве: «Машиностроение - традиции и инновации - 2010», «Инновационные технологии в машиностроении - 2011», «Автоматизация и информационные технологии -2012»; на XI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе в 2013 г., а также на заседаниях кафедры высокоэффективных технологий обработки ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов ФГБОУ ВПО РУДН.

Разработка программы спектрального анализа осуществлена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» на основании соглашения №14.132.21.1600 от 02.10.12 Ми-нобрнауки РФ с автором.

Полученные автором научные результаты и практические рекомендации используются при изготовлении сложнопрофильных корпусов приспособлений и дереворежущего инструмента.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения, всего 152 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и цель диссертации, дается характеристика личного вклада диссертанта в работу и описывается научная и практическая ценность работы, представленной к защите.

В первой главе приведены основные сведения о сложнопрофильных деталях и технологических условиях их изготовления. Выполнен анализ научно-технической информации по созданию и применению инструментальных систем для обработки сложнопрофильных деталей. Обосновано направле-

6

ние исследований, сформулирована цель диссертационной работы и перечислены задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

Вопросам исследования и создания инструментальных систем для автоматизированных производств посвящены работы В.А. Гречишникова, С.Н. Григорьева, В.В. Горелова, Ю.Н. Кузнецова, А.Р. Маслова, В.И. Малыгина, П.П. Серебреницкого, К.А. Украженко, Г.Л. Хаета и др. Однако требования к составу и конструктивным параметрам инструментальных систем для фрезерования сложнопрофильных деталей в этих работах не описаны.

Методики исследования состояния технологических систем при обработке концевыми фрезами приведены в работах М.П. Козочкина и В.Д. Турина. Исследования конструкций вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ выполнены А.Ф. Аслибекяном, А.Б. Барабановым, Ю.Н. Кузнецовым, А-Д. Хасаном, Худяковым М.П. и др. Однако в этих работах не исследовались инструментальные системы для фрезерования сложнопрофильных деталей.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, применяемая для решения поставленных задач.

Экспериментальные исследования проводились на станке Röders RXP 300 (Германия) и на научно-исследовательском комплексе мод. 528S производства фирмы WILLEMIN MACODEL (Швейцария) с встроенным многокомпонентным динамометром Kistler 9257В. Проведенные исследования АЧХ податливости узлов этого оборудования выявили, что его динамическая податливость достаточна для решения поставленных в диссертации задач.

Для установления экспериментальных зависимостей и параметров моделей фрезеровали заготовки из титанового сплава ВТ-9 и алюминиевого сплава AJI-2 твердосплавными концевыми фрезами диаметром 6 мм: 4-зубые для обработки титанового сплава с наклоном стружечных канавок 30° и 45°; 3-зубые для обработки алюминиевого сплава.

В качестве вспомогательного инструмента применялись термопатроны с хвостовиками HSK-A63 с посадочными отверстиями под хвостовик фрезы D<p = 6 и 16 мм и удлинители для закрепления в термопатроне с посадочным

отверстием под хвостовик фрезы Пф = 16 мм (рис. 1); цанговые патроны с хвостовиками НЙК-АбЗ и цангой для фрезы диаметром Д^ = 6 мм; термопатроны и цанговые патроны с хвостовиками Н8К-Е25.

Рис. 1. Сборка «термопатрон -

удлинитель — концевая фреза»: 1 - термопатрон; 2 и 3 - удлинители; 4 - фреза

Перед фрезерованием все сборки были сбалансированы на балансировочной установке Best Balance 4000 (Италия) по классу G2,5 при частоте вращения 12000 мин"1.

В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования силовых параметров фрезерования - составляющих силы резания Ph, Pv, Рх, Ру, а также ВА-сигнала для определения динамических характеристик ТС.

В связи с тем, что в ходе эксперимента фрезеровались криволинейные поверхности с нелинейно изменяющейся глубиной резания t, была применена специально разработанная методика расчета. Методика позволяет рассчитать силовые параметры процесса резания, используя возможности программы спектрального анализа в части синхронизации с моментом начала резания. Методика основана на приведении измеренных составляющих Ph и Pv к эквиваленту для схемы с постоянной глубиной (рис. 2, а) через равенство полных углов контакта у, соответствующего глубине резания t, с учетом:

а) реализации процесса резания с переменной глубиной (рис. 2, б) через вычисление временного смещения М фрезы от начала процесса резания до достижения определенной глубины резания /; зная А/ фрезы, по графикам динамометрии процесса, получали данные о значениях составляющих Рк и Рг;

б) криволинейности заготовки (рис. 2, в), через поворот системы координат на относительный угол в поворота поверхности контакта в плоскости действия составляющих РИкРл'ъ противоположном направлении.

а)

Рис. 2. Схема расчета составляющих Рк и Рх при резании с переменной глубиной: а — схема с постоянной

глубиной резания; б - расчет временного смещения; е - относительный поворот поверхности контакта фрезы

б)

в)

По результатам проведения экспериментов были получены математические модели вида Р/1КХ = С ■ Vх ■ Л'а2 • /а3 составляющих Ри, Рп Рх силы резания при фрезеровании сплава ВТ-9, учитывающие вылет сборки относительно торца шпинделя Ь, скорость подачи 5 и глубину резания I. Пример графической интерпретации моделей составляющих силы резания приведен на рис. 3.

-40

-40

1.0 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

І, ш

100 105 110 115 120 125

в. Ш.ШЙН

а)

б)

Рис. 3. Изменение составляющих РН, Р\> и Рх силы резания

Устанавливались соотношения между составляющими силы резания РА, Рх, измеряемыми в ходе эксперимента, и изгибной составляющей Ру с использованием данных Турина В.Д. По установленным соотношениям вычислялась максимальная изгибная сила Ру, используемая как параметр при моделировании прогиба методом конечных элементов (МКЭ).

Спектральный анализ полученных силовых параметров и параметров ВА-сигналов, измеренных по методике Козочкина М.П., позволил выявить связи между шероховатостью обработанной поверхности На и колебаниями технологической системы при использовании различных сборок.

В четвертой главе приводится описание расчета размеров и допускаемых отклонений составляющих частей сборок. Расчет размеров проводился на основе математических моделей податливости, полученных по результатам моделирования МКЭ прогиба сборок «термопатрон — удлинитель — концевая фреза».

Для получения надежных результатов моделирования учитывалась нелинейность изменения площадей контакта элементов сборок под действием изгибной составляющей силы резания Ру. Исходя из этого, схема нагружения включала учет напряжений в местах контакта элементов сборки, а также контакта со шпинделем при ее закреплении в станке, и изгибающую составляющую силы резания Ру.

Для проверки достоверности данных моделирования МКЭ проведен автоматизированный расчет упругой линии и контактных деформаций в стыках, при этом сборка принималась как балка переменного сечения, для которой определялся прогиб со под действием изгибающей силы Ру, при условии малости деформаций (о)тах = (0,01 -0,001) • /), что соответствует поставленной задаче. Расчет угла поворота б и прогиба со балки проводился путем последовательного интегрирования уравнения упругой линии.

Для автоматизации расчета была разработана программа, проводящая интегрирования численными методами для произвольного количества элементов сборки. Для учета контактных деформаций в соединениях частей сборки, а также в соединении самой сборки и шпинделя станка, использовалась методика В.Т. Портмана. Расхождение результатов расчета с данными моделирования составило менее 7%.

Полученные в результате моделирования МКЭ данные о прогибе сборок позволили получить математические модели вида 3 = С ■ А"' • Ьха2 (сборка без удлинителя) и 5 = С ■ Ьха1 ■ Ь2а1 (сборка с удлинителем) податливости сборок от величин вылетов и диаметров ее консольных частей (см. рис. 1). Пример полученных математических моделей для сборок с вылетом Ь = 60 мм показан на рис. 4.

0.40

Рис. 4. Податливость сборок с вылетом Ь = 60 мм

0.30

0.35

в зависимости от диаметра

консольной части;

1 - цанговый патрон

о

0.15

(Н8К-Е25); 2 - термопатрон (Н8К-Е25); 3 - термопатрон

О.ю

0.05 -

(ШК-А63)

0.00

} -1-----—>--ч-—:—---г.........—-—1---—!—і-Г—■—І---!

12 14 16 18 £0 22 24 26 28 30 32

О, мы

Расчет допустимых отклонений на рабочие поверхности деталей сборок с вылетом Ь выполнялся по критерию допустимого биения контрольной оправки. Графическая интерпретация результатов расчета приведена на рис. 5. 8.0

Рис. 5. Зависимость.

7.5 ♦.........;....................Г........г...........;............; у^.........

величины биения 2е

от величины вылета Ь

контрольной оправки

для сборок с использованием:

1 - цангового патрона

с хвостовиком Н8К-Е25;

2 - термопатрона (НЙК-Е25);

70 75 80 85 90 35 3 - термопатрона (НЭК-АбЗ) ишп, мм

Пятая глава посвящена экспериментальному определению оптимального режима резания - скорости подачи обеспечивающего максимальную производительность фрезерования П при заданных вылетах сборки I, и требуемой шероховатости обработанной поверхности Яа.

В ходе экспериментов варьировались вылеты консольных частей сборок и скорость подачи 5. По результатам измерений для каждого материала заготовки и вида сборки получены математические модели вида Иа = С • Ьа1 • Ба2 и Яа = С • 12"'' /фа2 ■ Я"3 (сборка на базе термопатрона с удлинителем).

Пример графической интерпретации модели шероховатости для сборки на базе термопатрона и удлинителя представлен на рис. 6. При этом математическая модель вместо полного вылета сборки Ь раздельно учитывает вылеты удлинителя /2 и фрезы /ф (см. рис. 1). Это объясняется тем, что требуемый вылет сборки Ь возможно достигнуть с различными соотношениями вылетов ее частей. Оптимальное соотношение /2 и /ф выбирали исходя из условий технологии изготовления с обеспечением требуемых габаритов.

На основе полученных математических моделей шероховатости была проведена оптимизация скорости подачи 5 для всего диапазона исследуемых вылетов сборок I, с целью получения максимальной производительности фрезерования П при установленной шероховатости Яа. Оптимальная скорость подачи для сборки с термопатроном и удлинителем представлена на рис. 7, а.

Рис. 6. Зависимость шероховатости Яа обработанной поверхности заготовки из сплава АЛ-2 от скорости подачи 5' для сборки с использованием термопатрона с хвостовиком Н8К-А63 и удлинителя диаметром 16 мм

Рис. 7. Зависимость величины максимально достижимой скорости подачи от величины вылета сборки I при обработке сплава АЛ-2 с ограничением

[Яд] = 0,35 мкм (а); оптимальные размеры /2 опт и /ф опг (б)

Для сборки «термопатрон — удлинитель — концевая фреза», совместно с оптимизацией режима резания была проведена оптимизация вылетов /2 и /ф удлинителя и фрезы соответственно (рис. 7, б).

В шестой главе приводятся математические зависимости по определению максимально достижимой производительности обработки П для условий эксперимента и его результатов исследования шероховатости обработанной поверхности Яа. За производительность фрезерования П был принят объем материала, срезаемого фрезой за единицу времени.

Получены математические зависимости производительности вида П = С • I"' ■ Б"2 и П = С • 12а' • 1ф"2 ■ Ба3, что позволило определить оптимальные размеры сборок, обеспечивающие максимальную производительность фрезерования П при заданной шероховатости обработанной поверхности Яа. В таблице в качестве примера приведены значения параметров зависимостей при фрезеровании деталей из алюминиевого сплава АЛ-2.

Математические зависимости производительности П фрезерования деталей из алюминиевого сплава АЛ-2 (п = 12000 мин"1, 5 = Я011Г= 600..1200 мм/мин, 1 = 6 мм, В = 3 мм, Оф= 6 мм), мм3/мин

Сборки с хвостовиком НЙК-АбЗ Область определения С а/ а2

Термопатрон Ь = 122..142 мм, Иа= 0,31..2,15 мкм 1,61-Ю27 -10,81 1,21

Термопатрон и удлинитель ¡2 = 40..60 мм, /ф = 22..42 мм, Яа= 0,34..3,68 мкм С аі а2 а3

1,09-106 -0,20 -1,03 0,60

Цанговый патрон Ь = 122..142 мм, Ка= 0,39..2,25 мкм 5,49-1027 -11,09 1,32

Проверку эффективности разработанного варианта состава инструментальной системы на базе термопатрона с удлинителем проводили в производственных условиях ООО «ИНФЛЕКС» при изготовлении сложнопрофильных корпусов приспособлений и инструмента из алюминиевых сплавов.

Предварительное фрезерование корпуса приспособления из алюминиевого сплава АЛ-2 осуществлялось сборками инструмента с вылетом от торца шпинделя I = 140 мм при частоте вращения и = 12000 мин"1 и подаче =0,02 мм/зуб со скоростью подачи Л'у = 1200 мм/мин. За счет оптимизации вылетов удлинителя и фрезы при снижении податливости сборки достигнуто сокращение штучного времени на обработку корпуса приспособления с 43,9 до 27,2 минут (на 62%).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе содержится решение научно-технической задачи обоснования состава и конструктивных параметров инструментальной системы с целью повышения производительности фрезерования сложнопрофильных деталей, имеющей существенное значение для развития технологии механической обработки.

2. Разработан метод расчета составляющих силы резания с использованием разработанной программы спектрального анализа в части синхронизации с моментом начала резания на основе установленных связей между направлением действия составляющих силы резания и криволинейностью поверхности обработки, что позволило получить их математические модели, включающие глубину, нелинейно изменяющуюся в процессе резания.

3. Получены математические модели, определяющие связи между режимом резания, конструктивными параметрами сборок и шероховатостью обработанной поверхности, что позволило провести оптимизацию скорости подач для обеспечения максимальной производительности процесса изготовления сложнопрофильных деталей при установленном ограничении на шероховатость обработанной поверхности.

4. Получены математические модели, определяющие связи между размерными параметрами сборок, шероховатостью обработанной поверхности и максимально достижимой производительностью, что позволило определить конструкцию и оптимальные размерные параметры сборок, обеспечивающих максимальную производительность изготовления слож-нопрофильных деталей.

5. Разработана специализированная программа спектрального анализа, предназначенная для автоматизации обработки экспериментальных данных при исследовании динамических характеристик технологической системы, что позволило провести автоматизированную обработку данных динамометрии процесса фрезерования. Программа позволяет определять спектральные характеристики полученных экспериментальных данных, проводить их фильтрацию, осуществлять поворот координат между каналами данных и проводить синхронизацию по времени с началом обработки.

6. Для сборок «термопатрон - удлинитель - концевая фреза» определены оптимальные соотношения вылетов удлинителей и фрез по критерию максимальной производительности при установленной шероховатости обработанной поверхности.

7. В условиях экспериментального производства достигнуто повышение более чем в 1,6 раза производительности фрезерования корпусов приборов из титанового сплава ВТ-9 с допуском на шероховатость 11а = 0,15 мкм с применением сборки на базе термопатрона с хвостовиком Н8К-А63 за счет оптимизированного соотношения вылетов элементов сборки «термопатрон — удлинитель — фреза» и существенного снижения ее податливости. При обработке деталей из алюминиевого сплава АЛ-2 с допуском на шероховатость Ка = 0,35 мкм достигнуто повышение производительности фрезерования в 1,25 раза.

8. Решена задача оптимизации конструктивных параметров инструментальной системы в приложении к конкретному производству корпусных деталей в ООО «ИНФЛЕКС». Разработанные практические рекомендации по конструктивным параметрам, таким как размеры элементов системы, соотношения их вылетов в реальных сборках и допускаемые отклонения размеров присоединительных поверхностей элементов системы, рекомендуется использовать при изготовлении сложнопрофильных деталей.

9. Результаты диссертационной работы использованы в учебном пособии «Надежность технологических систем», допущенном в 2012 году Учебно-методическим объединением по автоматизации в машиностроении для подготовки бакалавров по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Борисов A.A., Маслов А.Р. Инструментальная система для микрообработки // Справочник. Инженерный журнал. 2011. №6. С. 33-35.

2. Григорьев С.Н., Борисов A.A., Маслов А.Р. Инструментальное обеспечение микрообработки // Справочник. Инженерный журнал. 2011ю №12. С. 32-37.

3. Борисов A.A., Маслов А.Р., Прохоров A.B. Сборная концевая фреза для обработки титановых сплавов // Справочник. Инженерный журнал. 2011. №4. С. 33-35.

4. Борисов A.A. Динамические характеристики технологической системы при фрезеровании малогабаритным инструментом // Вестник МГТУ «Станкин». 2012. №3. С. 55-58.

5. Борисов A.A., Леднев И.С. Разработка программы обработки результатов динамометрии // Вестник МГТУ «Станкин». 2012. №4. С. 60-63.

17

Другие публикации

1. Борисов A.A., Маслов А.Р. Сравнение виброустойчивости технологической системы при различных способах закрепления фрез // Надежность технологических систем в машиностроении: сб. тр. / под общ. ред. С.Н. Григорьева. - М.: Издательский центр МГТУ «Станкин», 2011. С. 93-97.

2. Борисов A.A., Маслов А.Р. Влияние вида сборки инструмента на качество обработанных поверхностей // The World of Technics and Technologies (WIT). (Украина). 2011. №5 (114). p. 50-51.

3. Борисов A.A. Исследование элементов инструментальной системы для обработки сложнопрофильных изделий. Материалы всероссийской молодежной конференции «ИТМ-2011». М.: МГТУ «Станкин». 2011. С. 35-38.

4. Борисов A.A. Программа спектрального анализа экспериментальных данных. Материалы всероссийской молодежной конференции «АИТ-2012». - М.: МГТУ «Станкин», 2012. С. 69-74.

5. Борисов A.A., Маслов А.Р. Спектральный анализ экспериментальных данных о силах резания при микрофрезеровании / Материалы и технологии XXI века: сб. статей XI Международной научно-технической конференции.-Пенза: Приволжский Дом знаний, 2013. С. 130-132.

6. Борисов A.A., Маслов А.Р. Инструментальная система для фрезерования сложнопрофильных поверхностей // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: межвуз. сб. науч. тр. - Уфа: УГАТУ, 2013. С. 65-70.

Научное издание

БОРИСОВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 05.11.2013 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 195.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

Борисов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Мае лов А.Р.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................4

Глава X. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследований ... 8

1.1. Обрабатываемые детали и условия их изготовления................8

1.2. Анализ материалов по обоснованию состава и конструкции инструментальных систем............................................................10

1.3. Обоснование принятого направления исследований, постановка цели и задач исследования........................................28

Глава 2. Методика выполнения экспериментальных исследований . 36

2.1. Экспериментальные исследования..............................................36

2.1.1. Оборудование и измерительные устройства........................36

2.1.2. Специализированное программное обеспечение

анализа экспериментальных данных....................................45

2.1.3. Заготовки и обрабатываемые материалы............................54

2.1.4. Режущий и вспомогательный инструменты........................56

2.1.5. Планирование экспериментов..............................................59

2.1.6. Обработка экспериментальных данных................................62

2.2. Методики теоретических исследований......................................64

Выводы по главе 2................................................................................65

Глава 3. Исследование силовых параметров фрезерования..................67

3.1. Получение моделей силовых параметров..................................69

3.2. Расчет изгибной составляющей силы резания..........................82

3.3. Исследование ВА-сигналов из зоны резания..............................83

Выводы по главе 3................................................................................87

Глава 4. Определение размеров и допусков сборок................................89

4.1. Моделирование прогиба сборок МКЭ........................................89

4.2. Определение геометрических параметров сборок....................104

4.3. Определение допускаемых отклонений поверхностей сборок 107 Выводы по главе 4................................................................................113

Глава 5. Определение оптимального режима резания..........................114

5.1. Исследование взаимосвязи параметров шероховатости обработанных поверхностей с параметрами СБЗФ....................114

5.2. Оптимизация режима резания......................................................123

Выводы по главе 5................................................................................127

Глава 6. Обоснование состава инструментальной системы..................128

6.1. Определение максимально достижимой производительности 128

6.2. Разработка рекомендаций по выбору средств базирования

и закрепления фрез........................................................................132

6.3. Проверка рекомендаций в производственных условиях..........136

Выводы по главе 6................................................................................140

Общие выводы................................................................................................141

Список использованной литературы........................................................143

Приложение. Технический акт о внедрении результатов исследований

и разработок Борисова A.A. по теме «Разработка методов и средств обоснования состава инструментальной системы для повышения производительности изготовления сложнопрофильных деталей. . . . 150

ВВЕДЕНИЕ

Темпы и уровень развития авиационно-космических, автомобильных, медицинских и информационных технологий зависят от эффективности процессов изготовления сложнопрофильных деталей.

Существенное значение для развития этих технологий в нашей стране имеет повышение производительности фрезерования концевыми фрезами сложнопрофильных поверхностей деталей, таких как монолитные колеса газотурбинных двигателей, пресс-формы, штампы, корпуса приборов и дереворежущих инструментов. Эти детали характеризуются такими особенностями, как большие перепады высот профиля и припусков на обработку. Удовлетворение требований к качеству обработки этих деталей возможно лишь при низких скоростях подачи или делении припуска на несколько проходов. В результате существенно снижается производительность обработки.

Одним из направлений повышения производительности является научно-обоснованная разработка конструкций специализированных инструментальных систем (ИС), спроектированных с учетом особенностей обработки подобных деталей. Основой этих систем являются системы базирования и закрепления концевых фрез (СБЗФ) для последующего базирования и закрепления полученной сборки «фреза - СБЗФ» в шпинделях станков.

Сборки при обработке сложнопрофильных поверхностей, как правило, имеют большой вылет от торца шпинделя станка, что обуславливает относительно низкую жесткость инструмента. Для фрезерования сложнопрофильных поверхностей экономически целесообразно применять составные конструкции СБЗФ, позволяющие оптимизировать размеры сборок с целью обеспечить их максимальную жесткость и динамическую устойчивость для заданных технологических условий.

В условиях отечественного производства требования к таким ИС и входящим в них составным СБЗФ для фрезерования сложнопрофильных поверхностей не регламентированы, области рационального применения не определены. Не исследованы взаимосвязи конструктивных и размерных

параметров сборок с параметрами качества обработанных сложнопрофильных поверхностей. Не установлены рациональные конструктивные параметры, определяющие высокую производительность обработки сложнопрофильных поверхностей. Комплексные научные исследования ИС, обеспечивающих решение вышеуказанных проблем, ранее не проводились. Поэтому повышение производительности фрезерования сложнопрофильных деталей за счет обоснования состава и конструктивных параметров ИС является актуальным.

Актуальность выполненного исследования подтверждается его включением в Федеральную целевую программу «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках Государственного контракта от «15» марта 2010 г. №02.740.11.0520 на выполнение НИОКР «Проведение коллективом научно-образовательного центра научных исследований по созданию инновационной инструментальной системы для обработки сложнопрофильных деталей на высокоскоростных станках оборонно-промышленного комплекса».

Цель работы. Разработка методов и средств обоснования состава инструментальной системы для повышения производительности фрезерования сложнопрофильных деталей. Для достижения поставленной цели осуществлено решение следующих задач.

1. Разработка методики обработки экспериментальных данных о силовых параметрах процесса фрезерования на основе применения специализированной программы анализа.

2. Получение математических моделей податливости сборок «термопатрон - удлинитель - концевая фреза».

3. Установление размерных параметров инструментальной системы и допусков на основные присоединительные поверхности сборок «термопатрон -удлинитель - концевая фреза».

4. Получение математических моделей максимальной достижимой производительности фрезерования с ограничением по параметру шероховатости обработанной поверхности и конструктивным параметрам инструментальной системы на основе сборок «термопатрон - удлинитель -концевая фреза».

Методы и средства исследования. Теоретические исследования проведены на основе базовых положений теории резания материалов, технологии машиностроения, контактной жесткости и математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного оборудования и измерительных средств. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием разработанного в диссертации специального программного обеспечения.

Научная новизна работы состоит в:

- методе расчета составляющих силы резания в условиях нелинейно изменяющейся глубины резания с использованием возможности программы спектрального анализа в части синхронизации с моментом начала резания на основе установленных связей между направлением действия составляющих силы резания и криволинейностью поверхности обработки;

- математических моделях, определяющих связи между вылетом сборки относительно торца шпинделя, скоростью подачи, глубиной резания и составляющими силы резания;

- математических моделях, определяющих связи между размерными параметрами сборок и их податливостью с учетом нелинейного изменения площадей контакта сопрягаемых частей под действием сил закрепления и изгибной составляющей силы резания;

- оптимизации соотношений вылетов удлинителя и фрезы для сборки на базе термопатрона, обеспечивающих ее минимальную податливость при заданных габаритах инструментальной системы;

- математических моделях, определяющих связи между размерными параметрами сборок и их максимальной достижимой производительностью с ограничением по параметру шероховатости.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных практических рекомендациях по обоснованию состава и

конструктивных параметров инструментальных систем на базе сборок

6

«термопатрон - удлинитель - концевая фреза» при изготовлении сложнопрофильных деталей.

Апробация и реализация результатов работы. Результаты были доложены на Всероссийских молодежных конференциях в Москве «Машиностроение - традиции и инновации - 2010», «Инновационные технологии в машиностроении - 2011», «Автоматизация и информационные технологии - 2012», на XI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе в 2013 г., а также на заседаниях кафедры высокоэффективных технологий обработки ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов ФГБОУ ВПО РУДН.

Разработка программы спектрального анализа осуществлена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» на основании соглашения №14.132.21.1600 от 02.10.12 Минобрнауки РФ с автором.

Полученные автором научные результаты и практические рекомендации используются при изготовлении сложнопрофильных корпусов приборов и корпусов дереворежущего инструмента.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения, всего 152 стр.

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследований

1.1. Обрабатываемые детали и условия их изготовления

Фрезерование полостей в монолитной заготовке является основным способом изготовления деталей в опытном и серийном производстве. Для изготовления сложнопрофильных поверхностей используют 5-координатные многоцелевые станки с поворотными столами или поворотными шпиндельными бабками с диапазоном угла наклона от -60 до +150° (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Обработка сложнопрофильной детали на 5-координатном многоцелевом станке

В настоящее время наиболее сложные профильные поверхности встречаются у таких деталей, как монолитные колеса газотурбинных двигателей, корпуса приборов и дереворежущих инструментов (рис. 1.2 и 1.3), которые фрезеруют концевыми фрезами. Эти детали характеризуются такими особенностями, как большие перепады высот профиля и припусков на обработку [1,2].

Рис. 1.2. Корпус прибора из титанового сплава

Рис. 1.3. Пазы в корпусе дереворежущей фрезы из алюминиевого сплава 9

Для изготовления перечисленных деталей в основном применяются титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ-6, ВТ-8, ВТ-25, а также алюминиевые сплавы АК4-1, АК-6, ВД-17.

Размеры обработанных деталей находятся в диапазоне 70...500 мм по наружным габаритам диаметру и 25... 175 мм по глубине пазов, впадин и соседних уступов.

Толщина стенок составляет от 0,9 до 3,0 мм, что в значительной степени влияет на жесткость ТС и требует продуманного выбора технологических переходов при обработке. Например, точность изготовления профилей лопаток монолитных колес должна соответствовать ОСТ 102571-86 «Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера», а шероховатость поверхностей - Яа = 0,32...0,63 мкм [3].

Трудоемкость фрезерования очень велика, например, при изготовлении моноколеса из титанового сплава диаметром 500 мм, имеющего 85 лопаток, одна лопатка фрезеруется в течение 15 мин.

Скорость резания при черновой обработке составляет порядка 100 м/мин. Шероховатость рабочих поверхностей лопаток после фрезерования составляет Яа = 1,5 мкм.

Для выполнения требований к указанным точности и шероховатости сложнопрофильных поверхностей в условиях единичного и серийного производства [4] фрезерование этих деталей выполняется при низких скоростях подачи с делением припуска на несколько проходов. В результате производительность обработки до настоящего времени является не удовлетворительной.

1.2. Анализ материалов по обоснованию состава и конструкции инструментальных систем

Инструментальные системы (ИС) для фрезерования применяются на современных многоцелевых станках интегрированных машиностроительных производств [6]. Элементы ИС могут выполнять различные функции, необходимые для безотказной работы ТС [7], в том числе:

10

а) базирование и закрепление сборок режущего и вспомогательного инструмента (в дальнейшем - «сборок») в шпинделях станков с высокой точностью по биению;

б) закрепление фрез с высокой жесткостью;

в) автоматическая смена сборок;

г) исключение вибраций в заданном диапазоне режимов обработки;

д) предохранение концевых фрез от поломок;

е) регулировка положения режущих кромок фрез в системе координат станка;

ж) регулировка дисбаланса комплектов инструмента и др.

К работах [7, 8, 9] показано, что требованиям к выполнению этих функций отвечают средства базирования и закрепления (СБЗ), которые для рассматриваемой области исследований могут ограничены средствами базирования и закрепления фрез (СБЗФ). В работах [10, 11, 12] установлено, что возможным повреждениям ТС, возникающим из-за СБЗФ, относятся:

а) ухудшение качества обрабатываемой поверхности при фрезеровании из-за низкой жесткости;

б) снижение стойкости фрез из-за низкой виброустойчивости;

в) отказы ТС при высокоскоростном фрезеровании из-за неудовлетворительной балансировки.

Проявление упомянутых повреждений ТС в серийном производстве приводит к существенному снижению производительности [13], которая в значительной мере зависит от технического уровня ИС, предполагающего сокращение всех составляющих штучно-калькуляционного времени [14].

В СБЗФ присоединительные поверхности соответствуют, с одной стороны, поверхностям устройства автоматической смены инструмента и закрепления инструмента на станке, а с другой - всем многообразным типам и типоразмерам присоединительных поверхностей фрез. Число присоединительных поверхностей для закрепления фрез только на одном многоцелевом

станке может доходить до 20 типоразмеров. Поэтому для снижения стоимости

11

ИС необходимо использовать унифицированные конструкции. Унификация типов СБЗФ осуществляется путем агрегатирования сборок из взаимозаменяемых агрегатов, что позволяет их использовать на различных типах, моделях и группах станков [15].

Актуальным является поиск конструкций сборок с минимальным числом деталей и минимальным дисбалансом, что позволяет сократить влияние центробежных сил на точность и виброустойчивость сборок [16, 17, 18].

Пути повышения производительности труда и снижения стоимости обработки в ТС весьма разнообразны и сложны, зачастую они не совпадают с путями повышения точности обработки. Речь идет о проблемах технического и организационного характера, которые включают в себя [19, 20]:

- учет факторов конструирования изготовляемых деталей (формы, материалов, комплектующих и т.д.);

- организацию труда (в целях исключения потерь рабочего времени, связанных с подготовкой инструмента, транспортированием деталей, организацией рабочего места и т.п.);

- рационализацию технологии производства (разработку технологического потока, технологического оборудования, его эксплуатацию).

Каждая из этих проблем связана с каждым элементом ТС, включая ИС. Поэтому важно выявление путей повышения производительности труда в той мере, в какой они определяются этим элементом ТС.

Влияние СБЗФ, как элементов ИС, на производительность труда и стоимость обработки в технологической системе определяется их конструкцией как технико-экономическим фактором [21, 22].

Главными характеристиками, служащими для оценки эффективности использо�