автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии концевого фрезерования с учётом упругих отжатий высокочастотного электрошпинделя станка

На правах рукописи

005009512

Башаров Рашит Рамилович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕВОГО

ФРЕЗЕРОВАНИЯ С УЧЁТОМ УПРУГИХ ОТЖАТИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОШПИНДЕЛЯ СТАНКА

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ЯНВ2012

Оренбург 2012

005009512

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Кудояров Ринат Габдулхакович

доктор технических наук, профессор Сабиров Фан Сагирович;

кандидат технических наук, доцент Михайлов Владимир Николаевич

ОАО «Институт технологии и организации производства»

Защита диссертации состоится 2012 г. в ^ "часов на

заседании диссертационного совета д '212.181.06 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, проспект Победы, 13, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан « /3» 012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент ~ Шерстобитова В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Конкурентоспособность металлообрабатывающих станков в значительной степени определяется критериями их работоспособности, к которым относятся: точность, жесткость, виброустойчивость и др. Производительность обработки и качество изготавливаемых деталей зависят от ряда факторов, в частности, от динамических процессов в технологическом оборудовании.

Особенностью современного технического прогресса в машиностроении является рост скоростей резания, увеличение частот вращения шпинделей станочного оборудования, сокращение времени холостых ходов и вспомогательных перемещений. Всё это направлено на увеличение производительности при обработке деталей. Высокие скорости резания сопровождаются изменением физико-механических процессов в зоне резания и динамических процессов в упругой системе оборудования. В связи с малой изученностью данных процессов, является актуальным исследование работы шпиндельных узлов оборудования на высоких частотах вращения.

В теории динамики станков в замкнутой динамической системе в качестве основных сил, действующих на упругую станочную систему, рассматриваются силы резания и трения, вызывающие колебания в этой системе. Естественно, что при повышенных частотах вращения, помимо вышеуказанных сил, на упругую систему шпинделя будет действовать значительная центробежная сила инерции, обусловленная неуравновешенной массой. Например, при работе шпинделя массой 15 кг с эксцентриситетом 10 мкм на скорости 12000 мин'1 возникает центробежная сила инерции, равная 236 Н.

В замкнутой динамической системе станка будет наблюдаться взаимосвязь изменений величин силы резания и центробежной силы инерции из-за упругих смещений в станочной системе. Сила резания, воздействуя на упругую систему оборудования, приводит к изменению величины начального дисбаланса шпинделя. Изменение дисбаланса приводит к изменению величины центробежной сипы инерции, которая в свою очередь влияет на изменение толщины срезаемого слоя и силы резания. В результате происходит сложный процесс изменения действующих сил и упругих деформаций станочной системы, отражающийся на размерной точности обрабатываемой поверхности, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.

Данная диссертационная работа посвящена изучению динамических процессов, возникающих при работе шпинделя станка на высоких частотах вращения, которые характерны для технологии высокоскоростной обработки. В качестве показателя, существенно влияющего на точность обработки, рассматривается траектория движения фиксированной точки, расположенной на оси вращения и торце шпинделя.

Математическое моделирование является важным этапом при изучении динамических процессов, позволяющим выявить и численно оценить наиболее важные факторы, влияющие на функционирование станков.

Математическому описанию и изучению динамики шпиндельных узлов

посвящено значительное количество исследований, однако, недостаточно исследовано взаимное влияние центробежных сил и сил резания при обработке деталей на высоких частотах вращения.

Таким образом, математическое моделирование динамических процессов, протекающих в шпиндельных узлах при работе на высоких частотах вращения (характерных для технологии высокоскоростной обработки), и разработка на этой основе методов повышения точности и производительности обработки являются актуальными задачами в области машиностроения.

Цель работы - повышение производительности концевого фрезерования на высоких частотах вращения.

Задачи исследования:

1) разработка расчётно-экспериментального метода определения траектории движения фиксированной точки, расположенной на оси шпинделя (инструмента);

2) разработка математической модели шпиндельного узла как упругой системы;

3) определение закономерностей изменения толщины срезаемого слоя и силы резания в зависимости от угла поворота концевой фрезы и её смещений, вызванных податливостью элементов системы шпиндельного узла;

4) оценка влияния конструктивных и технологических факторов исследуемой системы на размерную точность при фрезеровании деталей;

5) разработка методики определения режимов резания для концевого фрезерования на высоких частотах вращения шпинделя с учетом упругих деформаций шпиндельного узла.

Объект исследования - процесс обработки деталей концевой фрезой на высоких частотах вращения.

Предмет исследования — влияние упругих деформаций шпиндельного узла на размерную точность обработки при концевом фрезеровании на высоких частотах вращения шпинделя.

Методы исследования. Использованы основные положения и методы теоретической механики, теории колебаний систем, теории автоматического управления, математического моделирования, а также численные методы анализа и математического программирования. Моделирование проводилось в среде МаЙаЬ 6.5 / БтиНпк 5. Экспериментальные исследования проводились по известным и разработанным методикам в лабораторных условиях с применением методов статистической обработки результатов.

Научной новизной обладают:

- математическая модель, описывающая траекторию движения инструмента с учётом взаимного влияния параметров упругой системы шпиндельного узла, вынужденных и параметрических воздействий при обработке деталей концевой фрезой;

- установленное влияние на размерную точность деталей при обработке концевой фрезой соотношения скорости изменения силы резания во время обработки и скорости упругого восстановления системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка».

Практическую значимость имеют:

- методика назначения режимов резания при фрезеровании с учётом динамических характеристик шпиндельного узла многоцелевого станка для обеспечения повышенной производительности и требуемой размерной точности;

- математическая модель шпиндельного узла, реализованная в среде Ма^аЬ / БипЫшк, которая может быть использована промышленными предприятиями, занимающимися вопросами проектирования, изготовления и эксплуатации многоцелевых станков для оценки конструкторско-технологических решений при создании шпиндельных узлов.

Результаты, выносимые на защиту:

1) метод расчета траектории движения фиксированной точки шпинделя с учетом микроперемещений из-за упругих отжатий элементов динамической системы;

2) пр01рамма расчета изменения толщины срезаемого слоя при фрезеровании деталей;

3) закономерности влияния частоты вращения инструмента на формирование размерной точности детали в процессе фрезерования;

4) методика назначения производительных режимов при фрезеровании деталей.

Реализация работы. Результаты работы в виде алгоритма расчёта упругих перемещений шпинделя многоцелевого станка внедрены в учебный процесс кафедры мехатронных станочных систем (УГАТУ). Методика назначения производительных режимов фрезерования внедрена на предприятии ОАО НПФ «Геофизика» (г. Уфа), принята к внедрению на предприятии ОАО «Кумертауское авиационное производственное предприятие» (г. Кумертау).

Апробация полученных результатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); на международной научно-технической конференции «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем» (Уфа, 2009); на 5-ой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием (Уфа, 2010); на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2011).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликованы 14 печатных работ, в том числе 4 из них в журналах из «Перечня...» ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и результатов, списка использованных источников из 67 наименований. Работа выполнена на 146 страницах, включает 88 рисунков и 12 таблиц, 10 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика работы.

В первом разделе представлена систематизированная информация о высокоскоростной обработке (ВСО), отражены особенности ВСО и возникающие проблемы при ее применении! Рассмотрены требования, предъявляемые к применяемому оборудованию, оснастке и инструменту, САМ системам, системам ЧПУ при осуществлении ВСО. Анализ литературы показал, что в настоящее время отсутствует теория высокоскоростной обработки, с помощью которой можно достаточно полно объяснить происходящие явления и процессы, а также обоснованно назначать параметры резания. В литературных источниках представлена универсальная классификация, определяющая диапазоны скоростей ВСО с привязкой к обрабатываемому материалу, но нет рекомендаций по технологии обработки деталей.

Систематизированы технические характеристики современного станочного оборудования для ВСО. Представлен обзор конструктивных особенностей и характеристик электрошпинделей с классическими подшипниками качения, как наиболее распространённых при осуществлении высокоскоростного резания.

Изучены работы З.М. Левиной, А.Н. БурмИнистрова, Д.Н. Решетова, В.Б. Бальмонта, М.П. Ковалева, A.M. Фигатнера, Л.Я. Переля, A.M. Фролова, которые посвящены расчёту жёсткости шарикоподшипников. Так как электрошпиндель можно отнести к высокоскоростным роторным системам, были изучены работы A.C. Кельзона, М.Е. Левита с целью определения возможности применения установленных положений при проведении расчётов. На основании работ A.C. Проникова, В.В. Селезнёвой и A.B. Пуша установлено, что в качестве выходных характеристик узлов многих типов станков при проведении экспериментальных и теоретических исследований целесообразно выбирать точность траектории движения их фиксированных (опорных) точек. Пространственные траектории движения исполнительных органов, регистрируемые во времени, являются интегральным показателем качества и работоспособности узла. В работах А.П. Соколовского, В.В. Юркевича, Д.Н. Решетова, B.C. Балакшина, представлены экспериментально измеренные траектории движения осей шпинделя и валов различного оборудования. Имеющиеся данные свидетельствуют о сложной траектории вращения валов с периодическими и апериодическими колебаниями. Значительный вклад в область исследования и моделирования динамики шпиндельных узлов внесли ученые А.С Проников, В.Э. Пуш, А.Н. Решетов, В.В. Кудинов, A.B. Пуш и др. На основании данных работ приняты основные положения по расчёту и моделированию динамики шпиндельных узлов. Наряду с этим, выявлено отсутствие работ, связанных с моделированием динамики шпиндельных узлов при фрезеровании деталей на высоких частотах вращения. Работы H.A. Дроздова, И.С. Штейнберга, В.В. Кудинова, М.Л. Орликова и др. посвящёны исследованию динамики механической обработки.

Выполненный обзор литературных источников выявил отсутствие работ, связанных с моделированием процесса фрезерования, учитывающего перемен-

ность элемента срезаемого слоя в процессе обработки и при вынужденных колебаниях инструмента. 11а основе проведенного анализа определены нерешенные задачи в области динамических процессов, происходящих в шпиндельных узлах станков, сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе рассмотрены основные источники возмущающих воздействий, возникающих при работе оборудования на высоких частотах вращения. Определен характер взаимодействия центробежной силы и силы резания с учётом упругости элементов системы. Рассмотрены особенности процесса фрезерования на высоких частотах вращения с целью их учёта при моделировании. Наиболее приспособленным к условиям высокой частоты вращения и возможностям современного оборудования является фрезерование с использованием концевых фрез. Обоснована целесообразность применения попутного фрезерования при обработке деталей на высоких частотах вращения.

Разработана расчётная схема электрошпинделя (рис. 1) в виде деформированного, установленного в опорах 0( и О2 шпинделя. Центр масс находится по оси Ъ на расстоянии /1 от передней опоры шпинделя 0\ 1г), а по оси У -смещен на величину допустимого остаточного удельного дисбаланса.

Под действием центробежной силы происходит движение центра масс на

На основе составленных дифференциальных уравнений движения шпинделя в плоскости ZY определены передаточные функции вида:

W¡ =--, устанавливающая зависимость величины смещения пе-

тсо epersma>t

редней опоры от центробежной силы инерции;

W2 --—^—-, устанавливающая зависимость величины смещения

та> epcrúa.(ot

задней опоры от центробежной силы инерции;

Wi =--, устанавливающая зависимость движения центра масс

meo е sin cot

шпинделя от центробежной силы инерции.

Для определения траектории движения шпинделя, разработана и реализована в среде Matlab / Simulink структурная схема, реализующая концепцию замкнутости динамической системы (рис. 2).

Рисунок 2 - Структурная схема для расчёта отклонения оси шпинделя по координате У

Определены траектории движения точки, расположенной на оси в центре передней опоры электрошпинделя ЬС 100 при различной частоте вращения с учётом массовых, инерционных и упругих характеристик системы, статического и динамического дисбаланса. Результаты расчета показали, что отдельное воздействие центробежной силы оказывает относительно небольшое влияние на упругие смещения фиксированной точки, расположенной на переднем конце шпинделя. Данное обстоятельство позволило установить алгоритм расчёта при

последующем моделировании, где учитывались сила резания, центробежная сила инерции и их взаимодействие с учётом упругости элементов конструкции электрошпинделя.

В третьем разделе с использованием результатов раздела 2 разработана методика расчёта траектории движения инструмента при фрезеровании. Суть этой методики состоит в разделении упругой системы на отдельные элементы и нахождении баланса сил, действующих на каждый элемент.

Поведение каждого элемента упругой системы электрошпинделя можно описать в виде уравнения движения при вынужденных колебаниях:

ту + ку + су = Р, (1)

где т- масса, кг; у - перемещение, м; /г - коэффициент демпфирования, Н-с/м; с - величина жёсткости, Н/м; Р - внешнее воздействие, Н.

Баланс сил определяется из уравнений равновесия элемента. Смещение центра масс под действием силы резания определяется при помощи интеграла Мора с использованием правила Верещагина.

Разработана структурная схема алгоритма расчета, реализующая замкнутость динамической системы (рис. 3).

У1

траектории движения инструмента при фрезеровании

Блоки разработанной структурной схемы предназначены для расчета: Ру -силы резания при фрезеровании; кь к2 - сил, действующих на опоры под влиянием силы резания; к3, к» - сил, действующих на опоры электрошпинделя под влиянием силы инерции; О^ 02 - упругих смещений в опорах шпинделя (уь Уг); А - смещения консольной части электрошпинделя (уА); Б - смещения центра масс (ус2) вследствие податливости вала шпинделя; коь ког ~ смещений центра масс шпинделя (уа) под действием силы резания.

Сумма остаточного дисбаланса ерсг и смещения положения центра масс усь Усг, в процессе обработки определяет центробежную силу инерции по формуле

^ =т-со2-(ерег+уС1+уС2) (2)

Сумма смещений передней опоры у] и консольной части уА определяет смещение инструмента у, в процессе обработки, которое в свою очередь влияет на величину силы резания.

Далее на основе рассмотрения механизма процесса фрезерования определены закономерности изменения толщины срезаемого' слоя. На основе этого разработана программа, выполняющая расчёт толщины срезаемого слоя в зависимости от времени. Данная программа реализована в виде т-функции в среде МаНаЬ, что позволяет пользователю задавать параметры обработки и в автоматизированном режиме получать массив данных, в котором содержатся значения толщины слоя припуска в текущие моменты времени.

Проведено исследование влияния радиальных колебаний концевой фрезы на параметры срезаемого слоя. Радиальные колебания концевой фрезы непосредственно влияют на величину глубины фрезерования. Глубина фрезерования влияет на величину угла контакта инструмента, время контакта отдельного зуба с обрабатываемым материалом и максимальную толщину срезаемого слоя. Толщина срезаемого слоя оказывает влияние на величину силы резания.

В связи с этим определены зависимости изменения толщины срезаемого слоя из-за смещения инструмента, которое обусловлено деформацией элементов упругой системы. Зависимость (3) описывает изменение толщины среза при смещении инструмента в направлении от обрабатываемого материала, зависимость (4) - при смещении инструмента в сторону обрабатываемого материала:

Да (А >0) = 5. -sin

2(/-Д)

íi 2í arceos 1--

l D

■j -(s:-^R2-(R-t)2 +^R2-(R-í + A)2)x

xsin

arceos 1

D

А а (Д < 0)

(R-t-A)2 -t]r2-(R-í)2)-sin

f, 2(/ + A)>

arccos 1 —1---

l D ,

- S. ■ sin

í, 2í arceos 1--

\ A

(3)

(4)

где

S.- заданная величина подачи мм/зуб;

R - радиус фрезы, мм;

Д - величина колебаний фрезы от детали или в деталь, мм.

На основе вышеизложенного разработана математическая модель процесса фрезерования, которая учитывает колебания силы резания и деформации упругой системы (рис. 4). Математическая модель реализована в среде Simulink.

Блок «Процесс резания» генерирует значения силы резания, действующей на упругую систему шпиндельного узла. Упругие смещения A(t), в свою очередь, оказывают влияние на изменение толщины срезаемого слоя металла a(t). Изменение толщины срезаемого слоя Да описывается зависимостями (3), (4).

Рисунок 4 - Блок-схема к расчёт}' силы резания с учётом упругой системы: a(t) ".mat - массив толщины срезаемого слоя по времени; f(A) - зависимости (3), (4)

В четвёртом разделе приведено расчётио-экспериментальное определение параметров оборудования. В качестве оборудования при исследовании был использован сверлильно-фрезерно-расточной станок с ЧПУ модели 500V/5 (рис. 5) производства ОАО "Стерлитамак - М.Т.Е". Данный станок оснащён электрошпинделем LC 100 фирмы Franz Kessler GmbH (Германия).

Определены инерционные характеристики электрошпинделя с использованием CAD системы Solid Works. На основе известных работ произведён расчёт статической жёсткости шарикоподшипников электрошпинделя LC 100 с учётом их посадок на вал и в корпус и действующей радиальной нагрузки. На основе работ В.Б. Бальмонта, В.Ф. Журавлева и др. определена степень изменения радиальной жёсткости подшипников передней (jrl) и задней опор Ой) электрошпинделя при их вращении на различных частотах. Установлено, что жёсткость радиальных подшипников уменьшается с увеличением частоты вращения электрошпинделя (рис. 6).

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001100012000

-1

11, МИН

Рисунок 6 - Влияние частоты вращения на радиальную жёсткость опор электрошпинделя LC 100

Экспериментально определено изменение коэффициента усадки стружки в зависимости от скорости фрезерования. По значениям коэффициентов усадки и деформации стружки (скрученности) установлено, что сила резания увеличивается на высоких частотах вращения.

Проведено экспериментальное исследование жёсткости станка мод. 500 V/5. Для исследования жёсткости станка было спроектировано и изготовлено специальное нагрузочное приспособление. Для измерения перемещений использовался индикатор часового типа с ценой деления 2 мкм. Определен баланс жесткости технологической системы станка, в результате установлено, что существенную долю в суммарную податливость системы вносит ее часть «шпиндель -инструментальная оправка - цанговый зажим - фреза» - 67%. В этой системе податливость цанги и фрезы составляет более 80%. Экспериментально определённая величина жёсткости части «инструментальная оправка - цанговый зажим - фреза» использована в математической модели шпиндельного узла.

Проведено экспериментальное исследование колебаний упругой системы станка мод. 500V/5 при помощи тест-удара. Измерение сигналов с датчиков вибрации проводилось при помощи модульной USB системы N1 CompactDAQ фирмы National Instrument (США). В качестве датчиков вибрации применялись вибропреобразователи АР2019 с частотным диапазоном 0,5...30000 Гц. Получена амплитудно-частотная характеристика колебаний концевой фрезы, по которой определены значения собственных частот.

После определения всех необходимых параметров выполнен расчёт траектории движения оси вращения инструмента при фрезеровании. Расчет показал, что после начала фрезерования происходит упругое отжатие инструмента от детали (рис. 7). С увеличением частоты вращения упругое отжатие инструмента увеличивается.

Моделирование обработки показало, что на высоких частотах вращения восстановление начального положения инструмента при выходе его зубьев из

обрабатываемого материала не происходит, т.к. при обработке на скоростных режимах частота колебаний силы резания выше, чем собственная частота колебаний упругой системы.

7 6 5

2 4

«

1 3 >

2 1

-°10 0 10 20 30 40

X Axis, мкм

Рисунок 7 - Расчётная траектория движения оси вращения инструмента при обработке концевой фрезой детали из алюминиевого сплава Д16: п = 10000 мин"1; Sz = 0,1 мм/зуб; t = 3 мм; z = 4

В пятом разделе приведены результаты натурных экспериментов, выполненных с целью проверки адекватности разработанной математической модели.

Были проведены тестовые испытания - фрезерование вертикальной поверхности заготовки из дюралюминиевого сплава Д16, цельной концевой фрезой диаметром 16 мм (z = 4) с разными частотами вращения инструмента и при разной глубине резания. Фрезерование производилось на многоцелевом свер-лильно-фрезерно-расточном станке с ЧПУ модели 500V/5. При обработке использовалась оправка HSK 63-2/20-100 с цанговым зажимом.

Обрабатываемая поверхность была разделена на зоны длиной 60 мм, эти зоны обрабатывались за один проход по программе с автоматическим изменением частоты вращения шпинделя.

Измерение размерной точности обработанной поверхности проводилось с помощью индикатора часового типа с ценой деления 2 мкм. Для получения статистических данных выполнено несколько серий экспериментов.

Результаты измерений показали, что с повышением частоты вращения инструмента снижается размерная точность обработки, так как уменьшается фактический съём металла из-за деформации упругой системы. Данное обстоятельство подтверждается появлением местных углублений на обработанной поверхности в процессе вращения шпинделя при отсутствии подачи. Значения сил резания, рассчитанные на основе измеренной активной мощности электрошпин-

деля, также свидетельствуют об уменьшении фактического съёма металла на высоких частотах фрезерования.

Снижение размерной точности характерно при обработке на частотах вращения 6000 - 12000 мин"1. При обработке на меньших частотах вращения (п < 6000 мин"1) на величину размерной точности, в основном, влияет только глубина резания.

Проведено сравнение расчётных и экспериментальных данных (рис. 8).

30 8 20

о

2000 4000 6000 8000 10000 12000

п, мш1

-- значения, полученные экспериментально;

- - - расчетные значения

Рисунок 8 - Экспериментальные и расчётные значения отклонений размера деталей: I = 2 мм; 82 = 0,1 мм/зуб

Анализ полученных расчётных и экспериментальных значений размерных погрешностей при обработке детали показал, что расхождение результатов расчёта с экспериментальными данными не превышает 8 мкм. При этом форма расчетной кривой практически полностью повторяет форму экспериментальной кривой, что позволяет учесть погрешность математической модели с помощью эмпирического коэффициента кА. Тем самым доказана адекватность разработанной математической модели шпиндельного узла, учитывающей упругие отжатая при обработке на высоких частотах вращения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан расчётно-экспериментальный метод определения траектории фиксированной точки шпинделя на высоких частотах вращения, позволяющий с ^ учетом выявленных упругих деформаций шпиндельного узла обеспечить требуемую точность обработки с максимальной производительностью.

2. Разработана структурная схема и математическая модель шпиндельного | узла, реализующие принцип замкнутости динамической системы (взаимное влияние действующих сил и параметров упругой системы). Модель реализована

в среде МаГкЬ / БштИпк с возможностью автоматизированного расчёта и вывода на график траектории движения точки оси инструмента в процессе концевого фрезерования.

3. Выявлены закономерности изменения толщины срезаемого слоя припуска и силы резания в зависимости от угла поворота концевой фрезы и её

смещений, вызванных податливостью элементов шпиндельного узла. На этой основе разработаны программа расчёта толщины срезаемого слоя припуска при движении зуба фрезы в процессе обработки и математическая модель силового воздействия на упругую систему электрошпинделя, которая учитывает изменение силы резания из-за переменности сечения срезаемого слоя и деформации упругой системы в процессе фрезерования.

4. Выявлены закономерности образования размерной погрешности обработки при концевом фрезеровании под влиянием упругих деформаций, обусловленных конструктивными параметрами шпиндельного узла и режимами резания на высоких частотах вращения шпинделя.

Установлено, что на размерную точность деталей существенно влияет разница скорости изменения силы резания во время обработки и скорости упругого восстановления начального положения инструмента относительно детали при выходе зуба фрезы из обрабатываемого материала. Эта разница возрастает с повышением частоты вращения шпинделя и приводит к увеличению погрешностей обработки от 3 - 7 мкм при п = 2000 мин"1 до 14 - 38 мкм при п = 12000 мин'1.

5. Разработана методика назначения режимов резания при фрезеровании, которая может быть также использована для определения технологических возможностей шпиндельного узла. Использование указанной методики на производстве позволило повысить производительность обработки при фрезеровании деталей из алюминиевых сплавов на 10 - 15% с обеспечением требуемой точности.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В изданиях из «Перечня...» ВАК РФ:

1. Башаров, Р. Р. Проектирование мехатронного станочного оборудования для осуществления управляемых технологических процессов / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров, Е. М. Дурко, В. К. Зальцберг, А. В. Юсупова // Вестник УГАТУ. -2009.-Т. 12.-№4(33).-С. 81-90.

2. Башаров, Р. Р. Оценка работоспособности инструментальных оправок при высокоскоростной обработке деталей на многоцелевых станках / Р. Р. Башаров, О. К. Акмаев, Р. Г. Кудояров // Вестник УГАТУ. - 2009. - Т. 13. - № 1 (34). -С. 138- 140.

3. Башаров, Р. Р. Расчетный метод определения траектории движения оси шпинделя станка при высокоскоростной обработке / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров // Технология машиностроения. - 2011. - № 4. - С. 26 - 29.

4. Башаров, Р. Р. Методы совершенствования станочного оборудования с автоматическим управлением / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров, В. Н. Жаринов, В. Л. Зинов, Е. М. Дурко // СТИН. - 2011. - № 10. - С. 9 - 14.

В других изданиях:

5. Башаров, Р. Р. Сравнительная оценка работоспособности инструмен-

тальных оправок SK и HSK в условиях высокоскоростной обработки: сборник научных трудов П всероссийской научно-технической конференции «Мехатро-ника. Робототехника. Автоматизация.» / Р. Р. Башаров, О. К. Акмаев. - Москва : МГУПИ, 2008. - С. 6 —12.

6. Башаров, Р. Р. Анализ точности расположения инструмента при высокоскоростной обработке деталей на многоцелевых станках: сборник научных трудов всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» / Р. Р. Башаров. - Уфа : УГАТУ, 2009. - Том 2. - С. 186.

7. Башаров, Р. Р. Расчётный способ определения траектории движения оси вращения шпинделя: сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике» / Р. Р. Башаров. - Уфа: УГАТУ, 2010. - Том 4. - С. 28 - 31.

8. Башаров, Р. Р. Проектирование и эксплуатация мехатронных станочных систем: сборник тезисов инновационно-промышленного форума «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий. Ремонт. Восстановление. Реновация» / Р. Р. Башаров., В. В. Постнов., Р. Г. Кудояров., Ю. В. Идрисова А. Ю. Федоровцев. - Уфа: БГАУ, 2010. - С. 9 - 11.

9. Башаров, Р. Р. Расчёт траектории движения оси шпинделя с учётом динамических параметров: материалы научно-практической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении» / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров. - Уфа : УГАТУ.-2010. С. 10-11.

10. Башаров, Р. Р. Определение траектории движения оси шпинделя: сборник научных трудов всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» / Р. Р. Башаров. - Уфа: УГАТУ, 2010. - Том 2. - С. 203 - 204.

11. Башаров, Р. Р. Моделирование траектории движения оси шпинделя станка при высокоскоростном фрезеровании: сборник научных трудов всероссийской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров. - Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 107 -113.

12. Башаров, Р. Р. Особенности модульного проектирования многоцелевых станков: межвузовский научный сборник «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров, В. Н. Жаринов, В. JI. Зи-нов, Е. М. Дурко. - Уфа : УГАТУ, 2011. - С. 227 - 233.

13. Башаров, Р. Р. Исследование жёсткости многоцелевого станка 500V/5: межвузовский научный сборник «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров. - Уфа: УГАТУ, 2011. - С. 234 - 240.

14. Башаров, Р. Р. Метод определения траектории движения оси электрошпинделя многоцелевого станка: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технолопш» / Р. Р. Башаров, Р. Г. Кудояров. - Оренбург : ИП Осиночкин Я. В., 2011.-С. 149-154.

Башаров Рашит Рамилович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕВОГО

ФРЕЗЕРОВАНИЯ С УЧЁТОМ УПРУГИХ ОТЖАТИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОШПИНДЕЛЯ СТАНКА

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11.01.2012. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офисная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 эхз. Заказ № 463.

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12

61 12-5/1614

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ С УЧЁТОМ УПРУГИХ ОТЖАТИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОШПИНДЕЛЯ СТАЖА

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

К кописи

БАШАРОВ Рашит Рамилович

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Кудояров Р. Г.

Уфа 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................7

1.1. Современные тенденции повышения скоростей резания..................7

1.2. Анализ современных САМ-систем для реализации

обработки на высоких частотах вращения...............................................12

1.3. Анализ технических характеристик применяемых систем ЧПУ.... 13

1.4. Анализ режущего инструмента и инструментальной оснастки, применяемых при ВСО...............................................................................14

1.5. Анализ технических характеристик применяемого

станочного оборудования...........................................................................16

1.6. Шпиндельные узлы и опоры...............................................................17

1.7. Анализ исследований в области точности ШУ.................................24

1.8. Анализ исследований в области моделирования динамики шпиндельных узлов.....................................................................................27

1.9. Исследования в области динамики механической обработки.........29

1.10. Выводы, цели и задачи работы.........................................................32

2. РАСЧЁТ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ОСИ ШПИНДЕЛЯ.........................35

2.1. Анализ основных источников возмущающих воздействий, возникающих при обработке на высоких частотах вращения................35

2.1.1. Действие центробежной силы....................................................35

2.1.2. Действие силы резания...............................................................37

2.1.3. Взаимодействие центробежной силы и силы резания............38

2.2. Разработка расчётной схемы...............................................................39

2.3. Определение передаточных функции, структурная схема расчёта 41

2.4. Результаты моделирования траектории движения оси

электрошпинделя LC 100............................................................................44

Выводы.........................................................................................................46

3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ.........................................................................................47

3.1. Особенности математического моделирования................................47

3.2. Определение баланса сил, действующих на элементы упругой системы электрошпинделя.........................................................................48

3.3. Структурная схема расчёта.......................... .......................................53

3.4. Моделирование силы резания при фрезеровании.............................54

3.4.1. Особенности процесса фрезерования на высоких частотах вращения.................................................................................................54

3.4.2.Схемы фрезерования и их применимость при обработке на высоких частотах вращения.................................................................56

3.4.3. Механизм процесса фрезерования. Закономерность изменения толщины срезаемого слоя..................................................58

3.4.4. Динамика силы резания..............................................................62

3.4.5. Исследование влияния радиальных колебаний фрезы

на параметры срезаемого слоя.............................................................65

3.4.6. Моделирование силы резания при фрезеровании в среде МАТЬАВ / 8тш1шк..............................................................................69

3.5. Блок схема моделирования траектории движения инструмента

в среде МАТЬАВ / БштИпк.......................................................................73

Выводы.........................................................................................................75

4. РАСЧЁТ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ..................................................................................................76

4.1. Расчётное определение параметров исследуемой системы.............76

4.2. Экспериментальное исследование жёсткости системы...................85

4.3. Экспериментальное определение силы резания по потребляемой мощности электрошпинделя во время фрезерования..............................93

4.4. Экспериментальное определение коэффициента усадки стружки .99

4.5. Экспериментальное измерение колебаний инструмента...... .........101

4.6. Расчётные данные и их анализ..........................................................106

4.7. Методика назначения режимов резания..........................................111

Выводы.......................................................................................................118

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА СТАНКЕ 500V/5............................................................................................120

5.1. Условия проведения эксперимента..................................................120

5.2. Анализ расчётных и экспериментальных данных..........................126

Выводы.......................................................................................................127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ...............................................................128

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Конкурентоспособность металлообрабатывающих станков в значительной степени определяется критериями их работоспособности, к которым относятся: точность, жесткость, виброустойчивость и др. Производительность обработки и качество изготавливаемых деталей зависят от ряда факторов, в частности, от динамических процессов в технологическом оборудовании.

Особенностью современного технического прогресса в машиностроении является рост скоростей резания, увеличение частот вращения шпинделей станочного оборудования, сокращение времени холостых ходов и вспомогательных перемещений. Всё это направлено на увеличение производительности при обработке деталей. Высокие скорости резания сопровождаются изменением физико-механических процессов в зоне резания и динамических процессов в упругой системе оборудования. В связи с малой изученностью данных процессов, является актуальным исследование работы шпиндельных узлов оборудования на высоких частотах вращения.

В теории динамики станков в замкнутой динамической системе в качестве основных сил, действующих на упругую станочную систему, рассматриваются силы резания и трения, вызывающие колебания в этой системе. Естественно, что при повышенных частотах вращения, помимо вышеуказанных сил, на упругую систему шпинделя будет действовать значительная центробежная сила инерции, обусловленная неуравновешенной массой. Например, при работе шпинделя массой 15 кг с эксцентриситетом 10 мкм на скорости 12000 мин"1 возникает центробежная сила инерции, равная 236 Н.

В замкнутой динамической системе станка будет наблюдаться взаимосвязь изменений величин силы резания и центробежной силы инерции из-за упругих смещений в станочной системе. Сила резания, воздействуя на упругую систему оборудования, приводит к изменению величины начального дисбаланса шпинделя. Изменение дисбаланса приводит к изменению вели-

чины центробежной силы инерции, которая в свою очередь влияет на изменение толщины срезаемого слоя и силы резания. В результате происходит сложный процесс изменения действующих сил и упругих деформаций станочной системы, отражающийся на размерной точности обрабатываемой поверхности, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.

Данная диссертационная работа посвящена изучению динамических процессов, возникающих при работе шпинделя станка на высоких частотах вращения, которые характерны для технологии высокоскоростной обработки. В качестве показателя, существенно влияющего на точность обработки, рассматривается траектория движения фиксированной точки, расположенной на оси вращения и торце шпинделя.

Математическое моделирование является важным этапом при изучении динамических процессов, позволяющим выявить и численно оценить наиболее важные факторы, влияющие на функционирование станков.

Математическому описанию и изучению динамики шпиндельных узлов посвящено значительное количество исследований, однако, недостаточно исследовано взаимное влияние центробежных сил и сил резания при обработке деталей на высоких частотах вращения.

Таким образом, математическое моделирование динамических процессов, протекающих в шпиндельных узлах при работе на высоких частотах вращения (характерных для технологии высокоскоростной обработки), и разработка на этой основе методов повышения точности и производительности обработки являются актуальными задачами в области машиностроения.

1. АНАЛИЗ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Современные тенденции повышения скоростей резания

Особенностью технического прогресса в машиностроении является систематический рост рабочих частот вращения роторов машин, приборов и механизмов. Об этом свидетельствует представленная диаграмма [59] (рис 1.1) повышения скоростей резания.

Рис. 1.1 - Хронология повышения скоростей резания

В 1931 г. Доктором Соломоном был разработан патент [60], в котором им определены сверхкритические скорости обработки цветных металлов (V = 610 -г 762 м/мин), после превышения которых, температура резания не увеличивается, а наоборот понижается и приближается к температуре, возникающей при традиционных условиях резания (рис. 1.2). Такой характер зависимости температуры резания от скорости можно объяснить тем, что при

определённой скорости деформации происходит хрупкое разрушение обрабатываемого материала [38]. Наблюдается локализация деформации в малом объёме зоны резания, а также интенсивный разогрев контактных слоев, снижающий силы трения [32, 38].

Рис 1.2 - Зависимость температуры резания от скорости резания: 1 - для цветных металлов; 2 - для чугуна; 3 - для стали

С этого времени ведутся исследования в области высокоскоростной обработки (ВСО). Учёные в 60-е года говорили о том, что внедрение ВСО будет возможно только в случае решение проблем, связанных с износом инструмента и вибрации оборудования.

Технические характеристики современного металлорежущего оборудования позволяют реализовывать ВСО при осуществлении различных способов обработки деталей. К ним относятся: высокоскоростное фрезерование, сверление, зенкерование и развертывание, осуществляемые на многоцелевом сверлильно-фрезерном оборудовании, оснащённым электрошпинделем. Это позволяет уйти от лабораторных исследований, требующих сложных установок, и приступать к решению конкретных практических задач, возникающих при обработке. В мировом станкостроении в настоящее время наблюдается

устойчивая тенденция создания станков, предназначенных для высокоскоростной обработки.

Скорость резания, при которой наблюдается эффект ВСО, зависит от ряда факторов, но прежде всего, от прочностных и теплофизических свойств обрабатываемого материала. В настоящее время ещё не создана теория высокоскоростной обработки, с помощью которой можно достаточно полно объяснить происходящие явления и процессы, а также назначать параметры режима резания. Из анализа литературных источников, по данным [14, 38, 58, 67], выявлена наиболее универсальная классификация, определяющая диапазоны скоростей ВСО с привязкой к материалу, но в ней отсутствуют рекомендации по назначению режимов резания.

1000 10000 скорость резания (м/мин)

традиционные скорости переходная зона Ш- высокоскоростная обработка

Рис. 1.3 - Уровни скоростей резания при обработке различных материалов

В 70-80-е годы, когда на рынке ещё не существовало высокоскоростное оборудование, зарубежные учёные прогнозировали повышение производительности и уменьшение трудоёмкости при применении ВСО по сравнению с обычной обработкой резанием [15, 61, 63, 64].

К основным преимуществам высокоскоростной обработки, проверенным на практике многими фирмами, относятся более высокая производительность, сокращение сроков поставки продукции, повышенное качество изготавливаемых деталей, сокращение количества ручных доводочных операций, сокращение времени на пригонку и более высокая стойкость инструментов. Фирмы отмечают, что с помощью высокоскоростного фрезерования производительность при обработке сталей высокой прочности увеличилась в три раза, при обработке алюминиевых деталей в автомобильной промышленности - в 10 раз [14].

ВСО имеет ряд преимуществ по сравнению с резанием на традиционных скоростях. Из анализа литературных источников [14, 24, 38, 58, 59, 60, 62], а также рекламы производителей высокоскоростных шпиндельных устройств эти преимущества можно свести к списку:

- ВСО могут подвергаться практически любые материалы - сталь, чугун, легкие и цветные металлы, труднообрабатываемые стали и сплавы, пластмассы и др;

- существенно увеличивается удельный съем материала в единицу времени, тем самым повышается производительность и эффективность фрезерования;

- высокоскоростной обработке свойственно значительное уменьшение усилий резания, что особенно важно при обработке нежестко закрепленных и тонкостенных деталей, которые распространены в авиакосмической промышленности;

- при высокоскоростном фрезеровании тепло быстро отводится стружкой из зоны резания, снижая нагрев и деформацию детали;

- существенно повышается качество поверхности и тем самым уменьшается количество доводочных операций;

- практически отсутствуют проблемы дробления стружки;

- экологичность, вследствие возможности вести обработку всухую либо с подводом газовой среды.

В настоящее время сложились основные принципы ВСО [24]: малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, реализуемое на высоких оборотах шпинделя при высокой минутной подаче (рис. 1.4).

Высокая скорость

Высокая подача

.тонкое сеч

глуб

ина

Рис. 1.4 - К принципам ВСО

Современную ВСО следует понимать не просто как технологию резания на высоких скоростях, а как технологию, направленную на повышение производительности точности и качества обработки, экономичности, возможности обрабатывать новые материалы и детали со сложной нежесткой конструкцией и т.д. Внедрение данной технологии должно способствовать усилению конкурентоспособности машиностроительного предприятия.

Из вышесказанного можно дать определение современного ВСО.

ВСО - это процесс обработки резанием, при котором используются высокие подачи и скорости станка с целью повышения производительности, точности, качества, экономичности и экологичности при обработке сложных деталей из известных и новых материалов. Вышеперечисленных преимуществ ВСО можно добиться, только улучшив все стороны производственного процесса, к которым относятся [24, 62]:

- САМ система (Computer Aided Manufacturing);

- система ЧПУ;

- режущий инструмент и инструментальная оснастка;

- станок;

- шпиндельный узел;

- повышенные требования к технике безопасности металлообработки.

Важно помнить, что для ВСО недостаточно только осуществить готовую траекторию обработки и увеличить скорость вращения шпинделя и подачи. Пренебрежение хотя бы одной из выше приведённых составляющих может привести к отрицательному эффекту (не удовлетворение требованиям по качеству обработки, низкая стойкость дорогостоящего инструмента, поломка инструмента и металлорежущего оборудования).

1.2. Анализ современных САМ-систем для реализации обработки на высоких частотах вращения

САМ-системы (Computer Aided Manufacturing - компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). САМ-системы также называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом, применяемым при изготовлении сложно-профильных деталей с целью сокращения цикла их производства.

САМ система должна учитывать особенности высокочастотной обработки. Траектория перемещения должна быть плавной, без резких смен направления, скорости и подачи. Линейные перемещения должны заменяться на петлеобразные с использованием трохоидальной траектории (рис. 1.5). Врезание инструмента в металл должно проходить по спирали или под небольшим углом, но не вертикально. Всё это предусмотрено для поддержания неизменных условий резания, уменьшения нагрузки на инструмент и исключения его поломки.

а б

Рис 1.5 - Трохоидальная обработка: а - при обработке в местах врезания инструмента на полную ширину;

б - при обработке паза

Существующие САМ-системы пока еще не учитывают многообразие форм обрабатываемых деталей и влияние силы инерции, возникающей в процессе механообработки, а также не решают проблемы, связанные непосредственно с особенностями конструкции станков. Но необходимо отметить, что САМ-системы в настоящее время интенсивно совершенствуются, для удовлетворения специфических потребностей в создан�