автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Устойчивость движения технологической системы при торцовом фрезеровании с использованием магнитной оснастки

/ / Г""" / »

(л Г И Ч ~ О / ' '' ~ ~ Ж

/

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.9.06:681.511.2

СОЛОВЕЙЧИК Александр Михайлович

устойчивость движения технологической

системы при торцовом фрезеровании с использованием магнитной оснастки

Специальность 05.02.08 - технология машиностроения

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф., С.Л.Мурашкин

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 4

ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ............................................................................. 8

1.1. Обеспечение качества плоскостных деталей полиграфических машин................................................................................ 8

1.2. Устойчивость движения при работе на металлорежущих станках.... 13 Проблемы применения магнитной оснастки.................................. 22

1.3. Выводы, цель и задачи исследования....................................... 33

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ................................35

2.1. Методика определения параметров технологической

системы............................................................................... 35

2.1.1. Определение частот собственных колебаний и логарифмических декрементов................................................................................................................39

2.1.2. Определение жесткости элементов технологической

системы........................................................................... 42

2.1.3. Определение приведенных масс, моментов инерции, коэффициентов сил и моментов сопротивления, пропорциональных скорости......................................................................................................................................47

2.2. Определение силовых зависимостей процесса фрезерования.... 47 2.2.1. Определение формы и величины периодических возмущающих сил..................................................................................... 51

2.3. Методика исследования устойчивости движения технологической системы.............................................................................. 52

2.3.1. Анализ движения на фазовой плоскости............................... 52

2.3.2. Определение границ областей устойчивого движения.............. 53

2.4. Методика экспериментальных исследований вынужденных колебаний системы............................................................... 54

2.5. Методика сравнительных экспериментальных исследований фрез с равными и рациональными неравномерными угловыми шагами....... 57

2.6. Методика расчета и проектирования магнитной оснастки........... 58

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ ПРИ ТОРЦОВОМ ФРЕЗЕРОВ АНИИ........................................................................65

3.1. Исследование влияния режимов резания на силовые параметры торцового фрезерования.......................................................... 65

3.2. Теоретическое определение формы периодических возмущений......76

3.3. Экспериментальная проверка формы и величины периодических возмущающих сил................................................................. 82

3.4. Гармонический анализ сил резания при торцовом фрезеровании.... 91

3.5. Расчет параметров магнитной оснастки................................... 97

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.............................................. 116

4.1. Определение параметров технологической системы.................. 116

4.1.1. Частоты собственных колебаний и логарифмические декременты..................................................................... 116

4.1.2. Коэффициенты жесткости элементов технологической системы..120

4.1.3. Приведенные массы, моменты инерции, коэффициенты сил и моментов сопротивления, пропорциональных скорости.................. 126

4.2. Зависимость постоянных составляющих сил резания от режимов обработки........................................................................... 126

4.3. Исследования устойчивости движения технологической системы... 13 0

4.3.1. Анализ движения на фазовой плоскости........................... 130

4.3.2. Определение областей устойчивого движения..................... 135

4.4. Исследование вынужденных колебаний технологической системы в процессе фрезерования......................................................... 149

5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С НЕРАВНОМЕРНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЗУБЬЕВ......................................................157

5.1. Определение зависимости амплитуды вынужденных колебаний от произвольного расположения зубьев фрезы................................ 158

5.2. Определение рациональных угловых шагов при неравномерном расположении зубьев фрезы.................................................... 162

5.3. Экспериментальные исследования фрез с равными и рациональными неравномерными угловыми шагами.................. 171

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 177

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 180

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................... 193

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывное повышение требований к надежности выпускаемых машин вызывает необходимость постоянного повышения точности деталей этих машин. Не стоит в стороне от этой основной тенденции машиностроения и производство полиграфического оборудования.

Анализ изменений конструкций показывает, что только за последние 1015 лет требования к надежности работы полиграфического оборудования возросли на 60%. Гарантийный срок эксплуатации основных типоразмеров выпускаемого заводом оборудования возрос до 1.5 лет.

Изменение конструкций, использование новых, иногда принципиально новых подходов в разработке полиграфических аппаратов привело к довольно значительному повышению требований к точности размеров, формы, взаимного расположения и качеству поверхностного слоя деталей.

Сравнение показывает, что требования к точности вышеперечисленных параметров качества деталей возросли в среднем от 35 до 100%. В отдельных случаях при запуске в производство полиграфических машин нового поколения ужесточение требований еще более значительно. Так при обработке цилиндра (внутренний диаметр 0172Н9, наружный диаметр 0180119), требуется обеспечить шероховатость наружной поверхности в пределах Яа < 0,05 мкм.

В объединении в настоящее время заканчивается переход на выпуск нового поколения полиграфического оборудования. Это комплексные системы для минитипографий, включающие в себя малые печатные машины ПОЛ-35, наборные комплексы с лазерными выводными устройствами, позволяющими выводить текст, как на фотоматериал, так и на обычную бумагу с использованием ксерографического процесса. Это такие изделия как ФЛП-330 - лазерный вывод на фотопленку и фотобумагу, ФЛК-20 лазерный принтер на формат А4, ФЛК-300 - лазерный принтер на формат АЗ. Во всех этих устройствах качество

полиграфической продукции требует прецизионного изготовления входящих в это оборудование деталей. Так, например, поднятие линиатуры записи лазерного принтера с 20 линий/мм до 40 линий/мм, требует повысить точность изготовления селенового цилиндра на 2-а квалитета, а шероховатость поверхности поднять до 11а < О.ОЬ мкн.

Однако даже такого качества недостаточно для изготовления тоновых иллюстраций. Сегодня ведется работа над созданием устройств, позволяющих осуществлять запись с линиатурой 60 линий/мм, 80 линий/мм, а в перспективе 120 линий/мм. При некотором снижении объема механической обработки за счет внедрения электроники, на предприятии остался значительный объем обработки резанием, составляющей до 60% всего фонда времени, затрачиваемого на выпуск машин.

Анализ конструкции машин, производимых предприятием, показал, что наибольшую долю в изделиях составляют плоскостные детали и тела вращения. Одним из основных методов, применяемых при изготовлении плоскостных деталей полиграфических машин (планок, стенок, перегородок, оснований и пр.) является торцовое фрезерование.

При механической обработке резанием одной из доминирующих причин, снижающих надежность процесса резания, а, следовательно, и качество деталей, являются колебания в технологической системе. Необходимым условием обеспечения реализации расчетных технологических параметров процесса является отсутствие колебаний в этой системе.

Вопросы виброустойчивости приобретают особое значение для станков, на которых реализуется прерывистое резание, в частности, станков фрезерной группы. В таких системах, наряду с возможным возбуждением автоколебательного движения, вследствие переменной силы резания возникают вынужденные колебания, достигающие в ряде случаев значительной интенсивности. Поэтому повышение эффективности процесса торцового фрезерования по качеству,

точности и производительности за счет увеличения виброустойчивости системы станка является актуальной задачей и представляет значительный практический интерес.

При этом практика показала, что следующим шагом, значительно повышающим эффективность металлообработки при изготовлении деталей полиграфических машин, является использование магнитной оснастки.

Особенно эффективным является применение магнитной оснастки при обработке плоскостных, нежестких заготовок, так как усилие закрепления распределяется равномерно по всей опорной поверхности заготовки. Это в значительной степени снижает опасность ее деформирование, а, следовательно, повышает точность обработки.

Магнитные и электромагнитные плиты являются наиболее распространенным видом технологических устройств, использующих энергию магнитного поля. Их широко используют для закрепления заготовок на шлифовальных и в меньшей степени на фрезерных и токарных станках. Это объясняется возможностью повышения точности и производительности благодаря сокращению числа ручных операций, увеличению количества одновременно обрабатываемых заготовок, расширению номенклатуры закрепляемых заготовок, интенсификации режимов обработки, а также реальностью автоматизации технологических процессов. Еще более расширили область применения магнитной технологической оснастки использование прогрессивных конструкций и технологий изготовления трудоемких узлов и деталей, современных магнитотвердых материалов, электрических методов управления магнитным потоком или механизированного привода. С другой стороны, специфика устройства и работы магнитных и электромагнитных приспособлений, недостаточность и малое разнообразие серийно выпускаемых магнитных крепежных приспособлений, отсутствие систематизированных данных для проектирования или выбора геометрических размеров или эксплуатационных параметров крепежных магнит-

ных технологических устройств, несоответствие и трудоемкость методик расчета магнитных систем с условиями определения силовых характеристик затрудняют широкое внедрение этого вида оснастки.

Вместе с тем практика показала, что внедрение магнитных приспособлений на фрезерных операциях значительно повышает эффективность обработки при изготовлении плоскостных деталей полиграфического машиностроения.

Доля этих деталей (планки, стойки, основания, перемычки и т.д.) в конструкциях полиграфических машин достаточно весома.

В связи с этим, предлагаемая работа посвящена исследованию динамики процесса фрезерования и разработке методик расчета магнитной оснастки и рациональной неравномерности угловых шагов торцовых фрез с целью повышения виброустойчивости технологической системы.

Работа состоит из 5 глав и основных выводов, в работе имеются 67 рисунков, 23 таблицы, список литературы /151 наименование/ и приложения

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.1. Обеспечение качества плоскостных деталей полиграфических машин

В современных условиях качество продукции является одним из главнейших критериев ее конкурентоспособности.

В машиностроении одним из основных показателей качества изделий является их точность. Понятие точность изделий (деталей) включает в себя точность размеров, формы, взаимного расположения и качество поверхностного слоя.

В соответствии с данными Американского Национального Научного Центра по Машиностроению в период с 1980 по 2000 годы допуски размеров для многих станочных операций уменьшатся в 5 раз. Там, где допуски на обработку в настоящее время составляют 7.5 мкм, к 2000 году они снизятся до 1.5 мкм. Такие темпы уменьшения допусков наблюдаются с 40-х годов нашего века. Кроме уменьшения допусков на размеры, значительно повышаются требования к точности формы, взаимного положения и качеству поверхностного слоя.

Анализ конструкций оборудования, производимого полиграфической промышленностью, позволил выполнить классификацию и группирование деталей в соответствии с технологическими задачами, стоящими при их изготовлении.

Значительную долю при этом составили детали с развитыми плоскостями сплошными и прерывистыми (стойки, планки, основания, перегородки и т.п.). Основным методом обработки плоскостей, обеспечивающим их требуемое качество (плоскостность, прямолинейность, параллельность базовой плоскости и

др.) является торцевое фрезерование (в некоторых случаях с последующим плоским шлифованием).

В общем случае национальные и международные стандарты по качеству продукции рекомендуют связывать допуски формы и взаимного расположения с допусками размеров, координирующих рассматриваемые элементы деталей.

При этом практически, во всех случаях эти допуски должны быть меньше допусков на размеры. Так, например, согласно ГОСТу 24643-81, в зависимости от соотношения допусков формы и размера различают 3 степени относительной геометрической точности: нормальную А, повышенную В и высокую С, для которых соотношение между допусками составляет соответственно 60%, 40% и 25%.

В ряде случаев требование к точности формы и взаимного расположения плоскостных деталей полиграфических машин соответствуют 7...8 степени точности (ГОСТ 24643-81), что обеспечивается непосредственно торцовым фрезерованием.

Для некоторых деталей необходимо обеспечить более высокое требование по точности формы и взаимного расположения - 5...6 степени точности.

В этих случаях маршрут обработки поверхностей включает операции торцового фрезерования и последующего плоского шлифования. При этом повышение точности торцового фрезерования является необходимым условием обеспечения высокой производительности и точности процесса шлифования. Прежде всего, это связано со значительным снижением величин припусков и их неравномерности.

Анализ конструкций и результатов эксплуатации выпускаемого предприятием полиграфического оборудования [114, 116] позволяет сделать следующие заключения.

Основными деталями, определяющими качество работы оборудования, являются детали с развитыми (сплошными и прерывистыми) плоскостями, в

отверстиях которых смонтированы точные валы. Так, например, на рис. 1.1. показана схема одной из выпускаемых машин печатных, офсетных, листовых, а на рис. 1.2. - ее остов.

Машина состоит из следующих основных частей: станины и стенок, привода, механизмов бумагопроводящей системы, формного, офсетного и печатного цилиндров, красочного аппарата, увлажняющего аппарата, воздухораспределительной системы, кожухов, электрооборудования и пульта управления. Станина и стенки машины являются остовом, на котором монтируются все остальные узлы и механизмы машины. На стол самонаклада 1 (рис. 1.1.) закладывают стопу бумаги, и стол вместе со стопой поднимают вручную до уровня, с которого штанга с присосами 2 берет лист бумаги.

Со стола самонаклада лист переносится на транспортный стол 3, по которому он перемещается до передних упоров. Лист бумаги выравнивается передними и одним из боковых упоров 4 и проходит между офсетным 9 и печатным 11 цилиндрами. Изображение на офсетное резиновое полотно передается с печатной формы, закрепленной на формном цилиндре 7.

На печатную форму краска и увлажняющий раствор наносятся накатными валиками красочного 8 и увлажняющего 5 аппаратов. После печати лист выводится цепным транспортером 10 и укладывается на приемный стол 12.

Остов машины состоит из сварного основания 3 (рис. 1.2) и стенок правой 1 и левой 2, которые устанавливаются на остов и крепятся к нему четырьмя болтами. Между собой стенки соединены связями и валами.

Выпуск полиграфической продукции высокого качества требует повышенной точности изготовления [115,117, 118].

Рис. 1.1. Технологическая схема работы машины

Рис. 1.2. Остов машины

Так допуски плоскостности, прямолинейности, параллельности стенок и

осей отверстий, торцового и радиального биений составляют 0.008.......0.025

мм. Эти погрешности приводят в фотонаборных машинах к смещению и неравномерности протяжки пленки и как следствие, к нарушению совместимости цветоделенных фотоформ.

При передаче цветоделенными фотоформами пурпурного, желтого и черного цветов совместимость должна быть не хуже ±0,025.. .0,030 мм.

В печатных машинах эти погрешности вызывают неравномерность нанесения краски и соответственно разнооттеночность оттисков и нарушение цветопередачи.

1.2. Устойчивость движения при работе на металлорежущих станках

Анализ работ [1...9, 58, 60, 69, 94, 95, 102 и др.], посвященных данному вопросу показал, что в качестве причин возбуждения автоколебаний считают:

1) взаимодействие упругой системы станка с процессами, определяющими зависи�