автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Виброустойчивость процесса лезвийной обработки нежестких валов

На правах рукописи

ЯМНИКОВА Ольга Александровна

ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ

Специальность 05.03.01 - "Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 2005

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные станочные системы" ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Иноземцев Александр Николаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Гречишников Владимир Андреевич доктор технических наук, профессор Васильев Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор Кузнецов Анатолий Михайлович

Ведущее предприятие - ФГУП ГНПП "Сплав" (г. Тула)

Защита диссертации состоится "4" апреля 2005 г. в 14 часов в 9 учебном корпусе, ауд. 101 на заседании специализированного совета Д212.271.01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан

»сре&рапЯ-

2005 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Орлов А.Б.

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающие требования к качеству изделий машиностроения неразрывно связаны с точностью изготовления деталей. Функциональное назначение отдельных деталей, а также стремление к снижению металлоемкости механизмов и машин обусловили необходимость применения класса так называемых нежестких деталей высокой точности, отличающихся непропорциональностью габаритных размеров, малой жесткостью в определенных сечениях и направлениях. Процесс лезвийной обработки нежестких деталей типа вал сопровождается вибрациями (механическими колебаниями), которые оказывают существенное влияние на шероховатость поверхности, размерную точность, стойкость инструмента и долговечность станка. Наряду с этим неуправляемые механические колебания со сравнительно большой амплитудой являются ограничивающим фактором при увеличении производительно -сти. Появление вибраций обусловлено наличием и взаимным влиянием технологических условий резания, внешних возмущающих сил и характеристик упругой системы станок-приспособление-инструмент-заготовка, далее называемой механической системой резания.

При лезвийной обработке нежестких валов виброустойчивость процесса связана, прежде всего, с колебаниями заготовки в зоне резания, которые влияют на изменения геометрических параметров срезаемого слоя во времени, и, как следствие, на микрогеометрию обработанной поверхности. Для повышения виброустройчивости процесса применяют различные способы и устройства, например снижение режимов резания, повышение жесткости механической системы резания и ее демпфирующей способности, введение управляемых колебаний подачи или скорости резания (виброрезание). Для их использования требуется достоверная и полная информация о динамическом состоянии механической системы резания. Известны работы по определению виброустойчивости механической системы резания, которые отвечают на вопрос: будет ли система устойчива или нет. В данных работах заготовку рассматривали как сосредоточенную массу на невесомых пружинах. Для определения виброустойчивости лезвийной обработки нежестких валов и численной оценки динамических параметров механической системы требуется учитывать физико-механические свойства заготовки, а также инструмента и узлов крепления. Это возможно только при рассмотрении заготовки как упругого тела, чьи массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом по всему объему.

Разработка этих теоретических положений позволяет априорно определять требования к основным параметрам известных способов достижения виброустойчивости механической системы резания за счет расчета мгновенных значений упругих колебаний и параметров режима резания.

В этой связи совершенствование теории виброустойчвости процесса лезвийной обработки нежестких валов на основе предлагаемых теоретических положений является актуальной научной проблемой.

Научно-исследовательские работы по теме связаны с тематическим планом госбюджетных НИР ТулГУ и выполнялись в соответствии с грантами № 96-15-98241 и № 00-15-99064 Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме: "Прогрессивные технологические процессы формообразования сложных поверхностей и сборки высокоточных изделий", грантом № НШ-1920.2003.8 Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме: "Прогрессивная технология механической обработки и сборки в машиностроении" и грантом МО РФ на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах № 10 - 10.

Цель работы. Совершенствование технологического обслуживания станков, используемых на операциях лезвийной обработки нежестких валов на основе повышения достоверности и полноты численного прогнозирования динамического состояния механической системы резания для обеспечения виброустойчивости процесса обработки.

Поставленная цель определила основные задачи работы:

1) Выполнить аналитическое описание динамического состояния технологической системы на базе токарного станка при лезвийной обработке нежестких валов с использованием классических уравнений теории упругости.

2) Найти зависимости составляющих силы резания от мгновенных значений параметров срезаемого слоя и режимов резания.

3) Найти взаимосвязь квазистатических параметров технологической системы в исходном состоянии, заданных параметров режимов резания, исходных параметров заготовки и схемы ее закрепления с мгновенными значениями отклонений системы от номинального состояния (с параметрами колебаний заготовки относительно инструмента).

4) Разработать критерий виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов.

5) Составить алгоритм и программное обеспечение определения устойчивости технологической системы при лезвийной обработке.

6) Осуществить выбор оптимального способа определения жесткости узлов технологической системы из известных ранее, а также коэффициента затухания.

7) Доказать адекватность математической модели упругих колебаний технологической системы для процесса точения с помощью экспериментальных исследований.

8) Разработать обобщенный подход к априорному определению необходимых параметров способов или устройств для гашения вибраций.

9) Разработать схему аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов лезвийным инструментом с учетом виброустойчивости процесса резания.

Методы исследования. В основу работы положены разделы теории технологии машиностроения о точности механической обработки и качестве получаемой поверхности; теория резания материалов и теория координатных связей при вибрационных процессах в механических системах. Работа включает в себя комплекс аналитических исследований в области теории упругости, который положен в основу математической модели и алгоритмов расчета параметров динамики процесса резания. Для получения решения совокупности дифференциальных уравнений в частных производных был применен конечно-разностный численный метод. Экспериментально определялись жесткость элементов процесса лезвийной обработки и коэффициенты затухания, а также подтверждена адекватность теоретических результатов.

Автор защищает:

1) Аналитическое описание динамического состояния механической системы резания на базе токарного станка при лезвийной обработке (точении цилиндрических и резьбовых поверхностей и фрезеровании резьб охватывающими головками) нежестких валов, учитывающее взаимное влияние поперечных и крутильно-продольных колебаний элементов системы и режима резания.

2) Зависимости составляющих силы резания от мгновенных значений параметров срезаемого слоя и режимов резания, в том числе зависимости мгновенных значений номинальных параметров срезаемого слоя от режима резания и времени для процесса резьбообразования охватывающим фрезерованием или точением.

3) Взаимосвязь квазистатических параметров процесса лезвийной обработки в исходном состоянии, заданных параметров режима резания, исходных параметров заготовки и схемы ее закрепления с параметрами колебаний механической системы резания.

4) Разработка критерия виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов.

5) Алгоритм определения виброустойчивосги процесса лезвийной обработки на основе расчета упругих перемещений элементов механической системы и мгновенных значений модулей составляющих силы резания.

6) Выбор оптимального способа определения жесткости узлов технологической системы из известных ранее, обеспечивающий возможность определения коэффициента затухания.

7) Результаты экспериментального подтверждения адекватности полученных функциональных зависимостей упругих колебаний механической системы от времени.

8) Обобщенный подход к априорному определению необходимых параметров способов или устройств для гашения вибраций, в частности рекомендации по применению электромеханической адаптивной системы стабилизации силы резания при резании.

9) Схему аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов лезвийным инструментом с учетом виброустойчивости процесса резания.

Научная новизна. Получено аналитическое описание динамического состояния механической системы резания на базе токарного станка при лезвийной обработке нежестких валов, учитывающее взаимное влияние поперечных и крутильно-продольных колебаний элементов системы и толщины срезаемого слоя, скорости, а также глубины резания, при этом заготовка рассматривается как упругое тело, чьи массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом, и выведены зависимости составляющих силы резания, учитывающие мгновенные изменения режима резания, для трех видов лезвийной обработки нежестких валов: точения, вихревого резьбофрезерования и нарезания резьбы резцом.

Теоретическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты расширяют и дополняют теорию колебаний технологических систем, теорию проектирования и методику применения адаптивных технологических систем, теорию эксплуатационного обслуживания технологического оборудования.

Практическая ценность. Применение численного метода конечных разностей позволило впервые получить функциональные зависимости упругих колебаний технологической системы от времени, которые легли в основу алгоритма моделирования упругих колебаний механической системы и определения устойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов. Разработанный алгоритм позволяет заранее, без проведения физического эксперимента, выбрать оптимальный режим резания, учитывая требуемое качество поверхности и заданные параметры заготовки. Созданная теория определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов обеспечивает возможность выбора оптимальных способов виброгашения и их параметров, так как априорно задает характеристики вибрационного процесса (амплитуду, частоту вибраций, мгновенные значения силы резания и параметры срезаемого слоя). Разработана методика аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов резанием, с учетом определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки.

Реализация результатов работы заключается в проведении лабораторных технологических испытаний и в разработке рекомендаций по аналитическому определению безвибрационных режимов обработки при различных схемах установки заготовки для трех видов обработки: точения вала, вихревого резьбонарезания и нарезания резьбы резцом.

Рекомендации приняты к внедрению на ГУП ГНПП "Сплав" (г. Тула), ОАО "Тульский оружейный завод", ОАО "Тяжпромарматура".

Кроме этого математическая модель и программное обеспечение используется в учебно-исследовательской работе студентов старших курсов и магистрантов, а также при изучении курса «Точность металлорежущих станков».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на ежегодных НТК ТулГУ в 1995-2004 годах, а также на международных конгрессах "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96, КТИ - 2000 (на секции, руководимой д.т.н. А.В. Пушем и д.т.н. Кудиновым В.А.) (май 1996 года и 2000 год, Москва, МГТУ "Стан-кин"), юбилейной МНТК "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" (сентябрь 1996 года, Тула, ТулГУ), МНТК "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов" (1997 г., Тула, ТулГУ), МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач" (Тула, ТулГУ, 2000 г.), МНТК "Проблемы теории и практики технологии машиностроения, механической и физико-технической обработки", (22 - 26 мая 2000 г., Харьков, ХНПК "ФЭД"), МНТК "АИМ 2000" (Тула, ТулГУ, 2000 г.) МНТК "Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol" (сентябрь 28-30, 2000 г.Орел, ОрелГТУ), 4-й МНТК "Качество машин" (10-11 мая 2001г., Брянск, БГТУ), Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении" (Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АГПИ, 2001), 4-й, 7-й МНТК "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве" (23-24 октября 2001 г, 27-28 мая 2003 г., Харьков, ХНПК "ФЭД"), Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии", посвященной 40-летию кафедры ТМС ЛГТУ (25-26 апреля 2002 г., Липецк, ЛГТУ), международной конференции "Нетрадиционные методы обработки" (Воронеж, Вор. гос. ун-т, 2002), МНТК "Технологические системы в машиностроении", посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И.А. и Лаш-нева СИ. (16-19 октября 2002 г., Тула, ТулГУ), международной конференции "Автоматизация: проблемы, идеи, решения" (2002,ТулГУ, Тула), серии международных электронных НТК "Технологическая системотехника" (2002, 2003, 2004, ТулГУ, Тула), МНТК "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003" (Орел, 25-27 сентября, 2003 г.), VII МНТК по динамике технологических систем «ДТС-2004» (4-9 октября, 2003 г., Саратов), международной научно-технической электронной интернет-конференции "Технология машиностроения 2004" [Электронный ресурс].

Устройство стабилизации силы резания (свидетельство на полезную модель № 28643) демонстрировалось на Всемирном Салоне инноваций "Брюссель-Эврика 2002" (12-17 ноября 2002 г.) и было отмечено бронзовой медалью Салона.

Публикации. По теме диссертации сделано 66 публикаций, в том числе в центральной печати - 9, в рецензируемых сборниках, входящих в Перечень ВАК РФ или Украины для докторских диссертаций, - 28, в материалах МНТК -- 27, в материалах Всероссийских НТК - 2; получены свидетельство на полезную модель и патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 254 страницах машинописного текста, иллюстрированного 100 рисунками, содержит 6 таблиц, библиографический список, состоящий из 116 наименований, и 3 приложений. Общий объем работы составляет 356 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе описывается состояние исследуемого вопроса. Здесь рассмотрен механизм вибрации при резании, особенности процесса резания при динамической нестабильности и теории устойчивости такого процесса, в том числе при многорезцовой обработке.

Возникновение вибраций при обработке резанием характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возможность возникновения вибраций, так и их интенсивность, то есть амплитуду и частоту.

При точении в динамических условиях возможны следующие разновидности вибраций:

1. Вибрации державки резца: а) в вертикальной плоскости; б) в горизонтальной плоскости.

2. Вибрации резцедержателя или суппорта в вертикальной плоскости: а) параллельно направлению подачи; б) перпендикулярно направлению подачи.

3. Вибрация заготовки между центрами: а) в вертикальной плоскости; б) в горизонтальной плоскости.

4. Крутильные колебания заготовки вокруг своей оси.

5. Продольные колебания заготовки вдоль своей оси.

6. Крутильные колебания шпинделя.

7. Вибрации станины токарного станка: а) в вертикальной плоскости; б) в горизонтальной плоскости.

8. Вибрации передней или задней бабки: а) в вертикальной плоскости; б) в горизонтальной плоскости.

Таким образом, заготовка может перемещаться почти в любом направлении относительно резца. При вибрации могут быть отклонения: 1) скорости резания (т. е. окружной скорости заготовки относительно резца); 2) подачи; 3) радиальной глубины срезаемого слоя; 4) наклона граней резца к поверхности заготовки (т. е. отклонения передних и задних углов и углов наклона режущей кромки).

Из теории процесса резания в состоянии установившегося режима ясно, что любое из этих отклонений может способствовать изменению сил, действующих на вершину резца В зависимости от направления и фазы отклонений, действующие силы могут либо гасить, либо возбуждать вибрацию

Система, выведенная импульсом силы из равновесия, обычно вибрирует с затуханием колебаний Однако если изменения сил резания значительны и противостоят демпфирующему эффекту, то они могут вызывать рост амплитуды вибрации, устанавливается равновесие демпфирующих и возбуждающих сил

Значительный интерес представляет изучение физических явлений, которые могут влиять на смещение силы по фазе при резании

Шоу и Холкен объясняют отставание силы изменением направления схода стружки относительно резца Н И Ташлицкий, Шоу и Холкен представили доказательства, подкрепляющие утверждение С Дои и П Като, что отставание силы по фазе является неотъемлемой чертой процесса резания Это объяснение основывается на допущении С А Тобиаса и В Фишвика, что динамическая сила резания представляет собой функцию подачи и толщины стружки

Также на автоколебательный характер вибраций при резании металлов было указано Н А Дроздовым, А И Кашириным, А П Соколовским В работе А П Соколовского, так же как и в работе А И Каширина, рассматривается колебательная система с одной степенью свободы Идея неоднозначности силы резания положена в основу объяснения возбуждения автоколебаний и в работе И И Ильницкого

Глубокие экспериментальные исследования, проведенные М Е Эль-ясбергом, Л К Кучмой, Н И Ташлицким, а также С Дои и П Като, позволили вскрыть закономерности, которые дают основание утверждать, что изменение силы резания в зависимости от толщины срезаемого слоя при обработке волнистой поверхности или при неустойчивом резании имеет тенденцию запаздывания Основываясь на этом положении, М Е Эльясберг развил теорию возбуждения автоколебаний при резании металлов

Для определения пределов виброустойчивости механической системы резания необходимо выявить силовые зависимости процесса резания от упругих перемещений, сопровождающих процесс лезвийной обработки Уравнения движения не могут быть решены прямым путем, но их анализ значительно упрощается изучением предельных условий Одинаковый подход к решению проблемы был предложен В А Кудиновым, И Тлустым, а также С А Тобиасом В работах I С Лазарева изложена структурная теория автоколебаний, которая является дальнейшим развитием "теории координатной связи" ГС Лазарев сформулировал структурный критерий устойчивости для механической системы резания с двумя степенями свободы Однако заготовка рассматривалась как приведенная подпр\жиненная масса Чтобы учесть геометрические параметры и физико-механические свойства заготовку следует рассматривать как упругое тело, чье массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом Когда тело рассматривается как упру!ая система, подразуме-

вается, что оно состоит из бесконечного числа частиц Для того чтобы указать положение каждой точки тела, требуется ввести бесконечное число координат перемещений, поэтому говорят, что система обладает бесконечным числом степеней свободы.

Для получения адекватного аналитического описания виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежесткого вала следует учитывать взаимное влияние поперечных и крутильно-продольных колебаний элементов механической системы и параметров режима резания

Для достижения поставленной цели необходим расчет мгновенных значений упругих колебаний механической системы, таких как продольные, крутильные и поперечные в вертикальной и горизонтальной плоскостях, которые, в свою очередь, влекут изменения геометрических параметров срезаемого слоя и скорости резания При этом следует иметь виду, что любые упругие перемещения заготовки относительно инструмента приводят к изменению мгновенного значения составляющих силы резания. Чтобы учесть взаимное влияние факторов был использован следующий путь Пусть в начальный момент времени все упругие перемещения равны нулю, а все составляющие силы резания равны номиналу На рисунке 1 представлена схема расчета, позволяющая определить характеристики вибрационного процесса при резании

Параметры

технологической системы

Режимы резания

Л * 5

Определение упругих премещений ♦ " Определение геометрических параметров срезаемого слоя —1 Определение режимов резания » " Определение мгновенных значений силы резания

- -

Рисунок 1 - Схема определения характеристик вибрационного процесса при резании

Расчет в блоках со 2 по 5 повторяется для каждого расчетного времени х . 0< х<т, где т- время обработки.

В связи с тем, что предлагаемая схема требует численных значений упругих перемещений, мы можем получить не только ответ на вопрос о виброустойчивосги процесса, но и определить погрешность обработки поверхности, например, шероховатость или волнистость

Из схемы следует, что изменение геометрических параметров срезаемого слоя, влияющих на мгновенные значения скорости резания и подачи, происходит вследствие изменения составляющих силы резания. Иначе, если сила резания постоянна, то вибрации в технологической системе отсутствуют.

Критерий виброустойчивости процесса лезвийной обработки включает два условия

необходимый - значения скорости резания в каждый момент времени обработки должны быть положительные Так как в противном случае передняя и задняя поверхности режущего клина меняются функциями: резать начинает задняя поверхность, и вершина инструмента скалывается; достаточный - модуль мгновенной силы резания находится в заданном интервале с допустимом разбросом от номинального значения силы резания.

Интервал допустимых значений модуля силы резания зависит от допуска шероховатости

В работе предложено использовать способ достижения виброустой-чивосги процесса резания за счет стабилизации любой из составляющих силы резания при неизменных режимах обработки и, оценив амплитуду колебаний мгновенных значений силы резания с помощью предложенного математического аппарата, выбрать требуемые параметры электромеханической адаптивной системы стабилизации силы резания.

Также в главе обосновывается актуальность проблемы, и конкретизируются задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена математическому моделированию упругих колебаний механической (упругой) системы "заготовка - инструмент - станок -приспособление" в процессе лезвийной обработки нежестких валов Рассмотрены три типовых процесса: точение гладкого нежесткого вала; нарезание резьбы резцом; фрезерование резьбы охватывающими головками.

Для каждого случая были разработаны три части математической модели:

- вывод расчетных зависимостей геометрических параметров срезаемого слоя с учетом упругих деформаций элементов механической системы резания;

- численное представление зависимостей мгновенных значений всех составляющих силы резания от текущих значений параметров срезаемого слоя и режима резания, учитывающее их взаимозависимость,

- постановка краевых задач о поперечных и продольно-крутильных колебаниях заготовки с учетом схемы ее закрепления и нагружения, геометрических и физико-механических параметров, а также динамических характеристик механической системы резания; интегральные зависимости поперечных колебаний суппортной группы от колебаний силы резания.

Для процесса точения геометрические параметры срезаемого слоя соответствуют режимам резания: глубине и подаче.

Если для первых двух процессов в установившемся режиме резания параметры срезаемого слоя квазистабильны, то для охватывающего резьбофрезерования его параметры при установившемся резании являются закономерно изменяющимися.

Для численного расчета геометрических параметров срезаемого слоя при охватывающем резьбофрезеровании рассмотрено движение инструмента относительно заготовки Относительное положение резцов и заготовки показано на рисунке 2

Рисунок 2 - Схема относительных положений предыдущего и настоящего реза при охватывающем резьбофрезеровании

В некоторый начальный момент времени зуб фрезы из центра Ом (рисунок 2) оставляет след по траектории с радиусом Д При этом инструмент заглублен в заготовку на величину t При следующем резе заготовка повернется на угол А у 8 /Д, где Дз - радиус заготовки, 8. - подача на зуб.

Так как межцентровое расстояние 0кц01 неизменно, то центр инструмента перемещается по дуге радиусом /?„=/?„ - (Я, -1)

Для построения картины из точки А (пересечение оси О^О, и контура заготовки) проводится по периферии заготовки отрезок дуги 4В, равный V , из точки Он1 - центра инструмента на следующем резе проводят очередной след резания радиусом Д Получается фигура (кривотинейный треугольник СБЕ), ограниченная двумя дугами радиуса Ди с центрами О10 и Ол, а также дугой радиуса с центром О,

Величина заглубления инструмента а, по радиусу Д из центра 0П] на участке СБ определена как расстояние между двумя окружностями радиуса Ди, а

на участке БЕ - как расстояние между окружностью радиуса Л3 с центром Оз и следом резания с центром Ои1. При решении задачи нахождения величины а, использована система координат, в которой прямая Ои1Оа- ось Оу а точка Оз -начало координат.

Величина а, зависит от угла поворота радиуса /?и. Считаем, что в некоторый момент времени г вектор радиуса Л,, проведенного из центра О\ повернут на угол относительно оси Оу, где - острый угол между прямыми

СОи0 и Ои1О/)о - шаг дискретизации угла поворота; г - номер узла, где в данный момент находится резец: г = 1, 2, ..., п; п - количество разбиений дуги реза СЕ. Тогда величина а, на отрезке дуги CD рассчитывается по формуле:

Аналогично рассчитывается величина а, на отрезке дуги DE.

Геометрические параметры определяются четырьмя величинами: а, - величиной заглубления вершины режущей кромки, Ъв - шириной вершины режущей кромки; т, - высотой следа предыдущего реза, йп„ А1( - величинами глубин срезаемого слоя для боковых кромок - правой и левой соответственно, внутренним углом профиля

При определении параметров боковых срезаемых слоев металла на отрезке СБ учтено осевое смещение нового реза относительно предыдущего на ве-

5 • р

личину 8Ж. = ----, где - подача на один зуб фрезы [мм/зуб]; Рк - ход на-

2п ■ Л, резаемого винта [мм]. В ре?

К

2 ^лтт^гятр

2а, +т, - - )

(

1

+

1

!чсоз2у соз2у,

- гё7, ~ -

А„ =

2а, • tgy + 25ос; +т, -{Щу-Щу,)

1^005" у СОБ* "/,

- +

(5)

На отрезке дуги DE профиль реза представляет собой сплошную равнобедренную трапецию высотой а,.

a, - sin у

2 • (7)

К, = к, = „ ,

2 cos у

Зная значение величины а, в любой момент времени, рассчитываем геометрические параметры срезаемого слоя.

На рисунке 3 представлена геометрия срезаемого слоя при нарезании резьбы. Здесь Ъ - ширина срезаемого слоя вершиной резца; i - номер прохода: / - 1, 2, ., п, где п - количество ппттгютг ? - подача на /-том проходе; tt - глубина врезания на /-том проходе: - левый и правый углы наклона

И

резьбы; Нл, hn - толщина слоя, срезаемого левой и правой режущими кромками инструмента: hn ~St • sin ул , hm =s( • sin уя Величина 5, зависит от схемы резания. При равнопроходной схеме подача берется постоянной (s, = const), тогда

s. = —, где t - глубина впадины резьбы.

Рисунок 3 - Геометрические параметры срезаемого слоя при нарезании метрической резьбы резцами методом последовательных проходов

В результате зависимость глубины резания на /-ом проходе при равно-проходной схеме нарезания резьбы от номера прохода принимает вид"

При равносиловой схеме главное условие - равная площадь срезаемого слоя на каждом проходе.

В результате получена рекуррентная зависимость для расчета глубины резания на г-ом проходе при равносиловой схеме нарезания резьбы

где

При этом значение t1 задается как глубина первого прохода Далее разработана математическая модель силы резания для данного процесса на основе известной эмпирической степенной зависимости При этом учитывались упругие колебания подсистемы "инструмент - заготовка" и эксцентриситет заготовки

Для процесса точения -

где С, - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала, t - глубина резания, ,5 подача, V - скорость резания, т р п-табулированные показатели степени, К - общий поправочный коэффициент, учитывающий изменение условий резания по отношению к табличным, Я - радиус заготовки, у0 скорость резания, to - глубина резания, Ч{ -подача, уи(х т) продольные колебания заготовки, колебания подсистемы "суппорт - инструмент" вдоль оси заготовки, -поперечные колебания заготовки вдоль оси ОУ,, <7, (т) - колебания подсистемы "суппорт - инструмент" в направлении оси ОУ, е - эксцентриситет заготовки, ю - круговая скорость вращения шпинделя, и (х т) - поперечные колебания заготовки вдоль оси О7_ (р(х т) - крутильные колебания заготовки кх кг - линейные табулированные коэффициенты

Интервал для задания условия виброустойчивости процесса токарной обработки определяется следующим образом

Рппп-Ср ['о~~ГЧ V у0

К,

Р• т»у — С п ' ^П +

Для процесса вихревого резьбонарезания суммарные составляющие силы резания по осям 01 и Оу рассчитывались по формулам:

где к - линейный табулированный коэффициент пересчета радиальной составляющей силы резания через тангенциальную :

'' {" С08У I % и>р)/

(12)

q - табулированное значение, зависящее от параметров резания и материала заготовки, г - номер узла, где расположен первый работающий резец; Кг -количество резцов, участвующих в работе одновременно:

у/ - угол СОи1Е в радианах (рисунок 1); ад- - утл между соседними резцами в

охватывающей головке: ак ~ ^ ; К - общее количество резцов в головке; -номер узла, где расположен г -ый работающий резец: г - 1, 2, ..., Кр(г).

Интервал для задания условия виброустойчивости процесса вихревого резьбонарезания определяется следующим образом:

где

Суммарное значение силы резания по оси Ох рассчитано по зависимости:

где Рх1 - осевая составляющая силы резания для резца, расположенного в г-ом узле:

т,

cosy

■ (а9 - А» ),

\ л, п, />

(14)

кх - линейный табулированный коэффициент.

По аналогии с процессом точения рассмотрено влияние поперечных, продольных и крутильных колебаний заготовки с учетом подвижного люнета.

Пусть - отклонение, направленное по радиусу к центру инструмента, Ах - отклонение, направленное вдоль оси заготовки. Они влияют на глубину врезания и на ширину срезаемого слоя.

зависит от поперечных колебаний заготовки по

осям координат Оу и 01 соответственно:

На Ах влияют продольные и крутильные (р{Хрез,т) колебания

и вид фрезерования.

Рассмотрены два вида фрезерования встречное и попутное фрезерование правой резьбы.

В первом случае динамическая составляющая силы Рх, действующая на резец, направлена на шпиндель. В результате резец дополнительно отжимается вдоль оси винта к шпинделю, то есть на правой стороне увеличивается глубина резания на величину на левой - уменьшается Момент

от силы резания Р., скручивает винт таким образом, что обрабатываемая поверхность уходит от резца в сторону от шпинделя. После окончания резания она возвращается в номинальное положение. Следовательно, погрешности от действия складываются:

Во время попутного фрезерования при повороте винта на уве-

личивается толщина срезаемого слоя на правой стороне резца. Следовательно, резец отжимается к шпинделю станка. Однако перемещения, связанные с закруткой вала под действием крутящего момента от сил резания также приближают обрабатываемую поверхность к шпинделю, а после снятия нагрузки - от

шпинделя. Поэтому при попутном фрезеровании вычитают упругие деформации от сил Рх из величины погрешности от действия момента'

По осям Оу и 01 деформации не зависят от направления фрезерования

В результате глубина врезания на вершине резца изменяется следующим образом: а,(г) = аг - Л/?(г); на боковых кромках: т1(т)-т1 -дЯ(т). Ширина срезаемого слоя на боковых кромках учитывает отклонения следующим образом:

На вершине резца ширина срезаемого слоя не зависит от динамических отклонений. Модули составляющих силы резания рассчитываются по формулам (12) и (14). При этом геометрические параметры срезаемого слоя учитывают динамические погрешности (16) - (18).

Для процесса нарезания резьбы резцом модули составляющих силы резания рассчитываются аналогично процессу фрезерования Пусть - продольные перемещения винта во времени, (р^х, т) - крутильные колебания, иу1(х,1) - поперечные в плоскости Х0У колебания заготовки, тогда мы рассчитываем следующие погрешности, оказывающие влияние на геометрические параметры срезаемого слоя. Для вершинной кромки резца характерно влияние только поперечных колебаний заготовки в зоне резания на величину заглубления: ; для боковых кромок учтено и влияние продольно-крутильных колебаний:

К,

С[:1

средний радиус резьбы

Здесь хра - координата зоны резания; 2

Тогда расчетные формулы для составляющих сил резания принимают

вид:

Р._, (т) = Ср\ь- - Д5, (т))» +(/,-■*,+ Д*,«)> х[(Ая+ДАЛ1(т))? + (Ага+ААш(т))»44 I ««(у,) соз(уп)

Р„ (т) = к, ■ Ср ■ (ъ • (V, - Д*, (т))" + (/, - + Д5, (т))

))

х (в(у,) {К + <4, (х)У + £(уп) (А„, + АА„, (т)У)) Рх, (т) = кх ■ Ср ■ (/, - 4, + Дг, (т)) ■ ((*„ + ДИ„ (т))4 - (Иш + ДАП, (т))*).

Интервал для задания условия виброустойчивости процесса нарезания резьбы резцом определяется следующим образом:

V Л

Для расчета упругих колебаний процесса лезвийной обработки поставлена краевая задача с учетом их влияния в зоне резания на мгновенные значения параметров срезаемого слоя, а, следовательно, на модули составляющих силы резания.

Исходными данными являются параметры резания (скорость резания, подача, глубина резания), геометрические параметры заготовки и схема закрепления вала (с учетом люнетов), а также жесткость элементов процесса лезвийной обработки.

В работе рассмотрены упругие тела, чьи массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом. Когда тело рассматривается как упругая среда, подразумевается, что оно состоит из бесконечного числа частиц. При этом говорят, что система обладает бесконечным числом степеней свободы. Благодаря распределению массы упругое тело имеет бесконечное число собственных форм колебаний, поэтому его динамические перемещения рассмотрены как сумма перемещений по каждой из нормальных форм колебаний. Рассматривая колебания упругих тел, предполагаем, что материал этих тел однороден, изотропен и подчиняется закону Гука

Рассмотрена общая постановка краевой задачи о крутильно-продольных и поперечных колебаний вала при резании. При этом схема обработки включает закрепление заготовки в трехкулачковом патроне и заднем центре с применением неподвижного и подвижного люнетов.

Задача решена в трехмерном декартовом пространстве. В начальный момент времени - модули составляющих силы резания по осям координат. В процессе обработки заготовка совершает вынужденные упругие колебания, вызванные силой резания. При моделировании исходными данными являются следующие характеристики заготовки: Я - радиус заготовки, р - плотность материала, I - длина заготовки, ¡1 - расстояние от задней бабки до неподвижного люнета, ¡2 - расстояние от задней бабки до подвижного люнета, хра - координата зоны резания.

На рисунке 4 представлена расчетная схема крутильно-продольных колебаний заготовки В этом случае считаем заделку вала в трехкулачковом патроне

абсолютно жесткой, а задний центр принимаем за опору и считаем вал при х=1 свободно опертым.

777777777

Рисунок 4 - Расчетная схема крутильно-продольных колебаний заготовки

при точении

Система дифференциальных уравнений в частных производных (19) описывает крутильно-продольные колебания вала при точении.

где - коэффициенты затухания продольных и крутильных колебаний,

- скорость распространения продольных колебаний, которая в свою

очередь зависит от Е - модуля упругости первого рода, - скорость

распространения крутильных колебаний, которая зависит от О - модуля упругости второго рода.

Граничные условия зависят от вида крепления заготовки. В нашем случае при х = 0 обе функции их первые производные по перемещению равны нулю

¥/(0,т) = 0; (20)

ср(0. т) = 0,

При х = I граничные условия принимают вид:

(2!)

В зоне резания значения функций рассчитаны с учетом непрерывности функций:

где 1хх(х) - момент инерции вала вдоль оси Ох в точке с координатой х.

Начальные условия следуют из того предположения, что в момент времени г = 0 вал неподвижен и не подвергается нагрузке:

В результате система уравнений (19) с граничными (20) - (25) и начальными (26) - (27) условиями представляет собой краевую задачу о крутильно-продольных колебаниях вала при резании.

Вынужденные поперечные колебания заготовки рассмотрены как в плоскости Х0У(рисунок 5), так и в плоскости Х02 (рисунок 6). В этом случае крепление вала в патроне и заднем центре аппроксимировано балкой круглого сечения, опертой на пружины с массами: - жесткости передней бабки

вдоль осей Оу и 01, тп - приведенная масса передней бабки; С1 , С! - жесткости задней бабки вдоль осей Оу и 01, - приведенная масса задней бабки. Также учтено использование люнетов как дополнительных опор с заданной массой и жесткостью: - соответственно масса и жесткость по

осям Оу и 01 неподвижного люнета и т¡¡, С (Сл2 ) - соответственно масса

и жесткость по осям Оу и 01 подвижного люнета.

Рассмотрено уравнение поперечных колебаний в плоскости ХОУ. В плоскости Х02 построение краевой задачи о поперечных колебаниях заготовки будет аналогично.

\E~~R2

где - скорость распространения поперечных колебаний заготовки,

\ 4Р

О

тп

Ю,/

1-Х

1—лрез

Рисунок 5 - Расчетная схема поперечных колебаний заготовки в плоскости ХОУ при точении

О

т„ С„

т,1

ЛТТТУТТТТ-

1-Ха

р.

,т,2 -Лт, ■Л,. < С.

'//////

Рисунок 6 - Расчетная схема поперечных колебаний заготовки в плоскости ХОХ

при точении

- коэффициенты затухания поперечных колебаний, соответственно, в плоскостях ХОУ и Х02.

В этом случае начальные и граничные условия имеют вид. при т = О

ои1,

5м. I

ад7!

=0;

>Х=*2

= 0,

4 ' 1 я я2 е а3 и.

Х=Х2

д2 иу "дё

(Г и)

4 а

ся~

+С7, -и (х2,т);

(38)

(39)

в зоне резания х = хр

дх .. дг . £

Здесь 1ху(х) = 1хт(х) - моменты инерции заготовки в плоскостях ХОГ и ЖЖ соответственно в точке на оси заготовки с координатой х.

В результате дифференциальное уравнение (28) и условия (30), (32), (34), (36), (38), (40) представляют собой краевую задачу о поперечных колебаниях вала при точении в плоскости XOY, а дифференциальное уравнение (29) и условия (31), (33), (35), (37), (39), (41) представляют собой краевую задачу о поперечных колебаниях вала при точении в плоскости ХО2.

При описании уравнений упругих колебаний подсистемы "инструмент -суппорт" аппроксимируем данный элемент процесса лезвийной обработки сосредоточенной подпружиненной массой, которая колеблется под воздействием только двух динамических составляющих силы резания АР,, и АРХ, гак как вдоль оси Ог подсистема имеет жесткость, близкую к бесконечной.

На рисунке 7 показаны схемы расчета колебаний подсистемы "суппорт - инструмент" по осям Ох и Оу.

Упругие колебания в этом случае будут рассчитываться по формулам:

Рисунок 7 - Схема упругой подсистемы "суппорт - инструмент" где г/и , т)и - коэффициенты затухания колебаний суппортной группы по осям

Охи Оу.

Зависимости (42) - (43) являются функциями упругих колебаний вершины резца в зоне резания в интегральной форме. Получить явный вид зависимостей невозможно из-за сложного вида функций модулей силы резания. Поэтому при расчете использовано численное интегрирование.

На основе полученных частных моделей определён общий подход к определению виброустойчивости процесса обработки лезвийным инструментом, поясняемый схемой, представленной на рисунке 8.

Предложенная математическая модель может быть использована для численного расчета погрешностей, в частности, шероховатости или волнистости обработанной поверхности. Поставленные задачи решены с использованием численного моделирования приведенных выше краевых задач.

В третьей главе была разработана структура программного обеспечения, которое позволяет моделировать динамику процесса резания с учетом упругих колебаний процесса лезвийной обработки. При этом рассмотрено три процесса: точение гладкого вала, вихревое резьбонарезание и нарезание резьбы резцом.

На основе разработанных в главе 2 математических моделей создана численная модель динамики процесса обработки резанием.

На рисунке 9 представлена укрупненная блок-схема расчета, базирующаяся на предложенной ранее схеме.

Алгоритм расчета делится на две части:

- определение начальных значений;

цикл по времени обработки (0<TAU<T) с шагом DT.

Первая часть включает два блока. Блок 1 представляет собой вызов процедуры УУОБ, которая вводит исходные данные для решения поставленной задачи. Результаты работы процедуры содержатся в следующих переменных: GPZ- массив геометрических параметров заготовки; GP1 - массив геометрических параметров инструмента; RR0 - массив режимов резания;

Рисунок 8 - Схема определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки при лезвийной обработке нежестких валов Цифры в кружках обозначают входные и выходные параметры 1 - геометрические параметры элементов процесса лезвийной обработки (заготовки, инструмента, узлов крепления, люнетов), жесткости элементов крепления и физико-механические свойства материала заготовки (для точения - также инструмента), 2 - начальные значения модулей составтяющих силы резания, 3 - расчетные значения упругих колебаний процесса лезвийной обработки, 4 -погрешности геометрических параметров срезаемого слоя, 5 - режимы резания, 6 геометрические параметры срезаемого слоя, 7 - модули составляющих силы резания, 8 - шероховатость в зоне резания.

Рисунок 9 - Укрупненная блок-схема расчета виброустойчивости процесса лезвийной обработки (начало)

4, КОНЕЦ

Рисунок 9 - (Окончание)

GFS массив лестокостей элементов процесса лезвийной обработки, FMS- массив физико-механических свойств заготовки

В блоке 2 на основе исходных данных (массивы GPZ GPI, RR0) рассчитываются начальные значения геометрических параметров срезаемого споя (массив GPSS0), модулей составляющих сил резания (массив MSP) и общего времени обработки Т Также здесь определяются интервал времени для расчета продольной шероховатости DT0, координаты зоны резания и люнеюв (массив COOK), шаги дискретизации по длине DX и времени DT, количество точек расчета по времени Nt В блоке 3 задается начальное значение времени обработки TAU = 0. Блок 4 - блок начала цикла, который выполняется до тех пор, пока текущее время TAU меньше расчетного времени обработки Т В блоке 5 выполняется процедура VIBR - процедура расчета значений функций упругих колебаний (<[)(х,т), w(jt,t), и (х,т)) в данный момент времени TAU. Здесь

входной информацией явпяются массивы MSP GFS FMS GPZ и COOK, ре-

зультатом - массив значений функций упругих колебаний MZV. Далее в блоке 6 вызывается процедура POGR, которая рассчитывает геометрические параметры срезаемого слоя на данный момент времени TAU (массив MPSS), используя полученные ранее значения массивов MZV, GPSS и текущие значения COOR. Представленная в блоке 7 процедура GEOM служит для определения мгновенных значений геометрических параметров срезаемого слоя и режимов резания (массивы GPSS и RR) с учетом начальных значений GPSS0 и RR0. Блок 8 служит для оценки знака мгновенной скорости резания, если величина отрицательна, то расчет прекращается и процесс считается неустойчивым (блок 16). В блоке 9 с помощью процедуры FORS рассчитываются составляющие силы резания (массив MSP) с учетом значений массивов GPSS, FMS и GPI. Далее в блоке 10 проверяется второе условие виброустойчивости: модуль силы резания должен находиться в нормированном интервале мгновенных значений [Pz min, Pz max). Блок 11 представляет собой процедуру Ra, которая оценивает продольную шероховатость в зоне резания на данный момент времени TAU, используя при этом значения массива MP S S за период времени DT0, а также мгновенное значение силы резания и глубина резания. Результат сохраняется в массиве MRa. В блоке 12 значения массива MRa выводятся в результирующий файл. Блок 13 служит для пересчета текущего времени: TAV -- TAU + DT. Блоки 14 и 15 - конец описания действий в цикле и вывода сообщения об оценке виброустойчивости процесса лезвийной обработки.

Полученный алгоритм можно использовать как базовый для всех рассмотренных выше процессов, но для каждого из них входная информация и сами расчеты определяются частным образом. Логика алгоритма не привязана к определенному типу программирования, поэтому, с учетом модульности структуры, можно по аналогии разрабатывать алгоритмы для других видов обработки резанием длинных нежестких валов.

Четвертая глава посвящена определению одного из важнейших параметров технологических систем - жесткости. Это обычно выполняют несколькими альтернативными способами: статическим, производственным и динамическим.

Статический способ требует достаточно трудоемких экспериментов с применением универсальных измерительных средств для создания линейной нагрузки и контроля упругих перемещений звеньев процесса лезвийной обработки и рекомендуется для научных исследований процессов и систем.

Наиболее перспективным способом определения жесткости следует признать динамический, основанный на математическом анализе кривой переходного процесса упругих перемещений в стыке элементов процесса лезвийной обработки от ступенчатого силового воздействия (в частности для определения приведенной жесткости - в стыке заготовка-инструмент).

Основное преимущество способа - возможность получения комплекса важнейших параметров, характеризующих явление затухания колебаний.

В главе приведены экспериментальная конструкция прибора для снятия динамических параметров и математический аппарат для обработки получаемого электрического сигнала с тензодатчиков прибора.

Анализ и обобщение экспериментальных данных о жесткости процесса лезвийной обработки (токарного станка) позволяет сделать вывод о сложном влиянии этого параметра на динамические процессы при резании материалов.

При решении экспериментальных задач в машиностроении нередко требуется оперативное определение основных характеристик процесса лезвийной обработки с достаточной точностью ±10%. Такую возможность предоставляет использование аналитического метода с применением стандартных программ математической обработки данных, например, Ма&САБ.

Сущность метода заключается в визуализации переходного процесса по данным, записанным в файл с помощью АЦП исследовательского комплекса, и вычислении основных параметров по задаваемым границам данных, определенным по графику переходного процесса. Для уменьшения погрешности вычислений выделяем только основной участок графика переходного процесса до начала установившегося режима.

В пятой главе дана оценка адекватности разработанной математической модели динамики процесса точения. При этом ошибка расчетов не превысила 10% от реального значения параметра (считалась шероховатость Я) Было выявлено, что рассматриваемый параметр (шероховатость) не отслеживает увеличение амплитуды колебаний, тогда как расчетные значения модуля силы резания определенно реагируют на изменение динамики процесса.

Также в главе проведено исследование возможностей снижения уровня вибраций за счет использования адаптивных устройств. Как частный случай, было рассмотрено устройство для токарной обработки нежестких деталей. Оно было учтено в предлагаемой модели определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки. Для этого введено условие при расчете модуля силы резания: если мгновенная сила резания вышла за пределы допустимых значений, то, с учетом запаздывания, она принимает номинальное значение. На рисунке 10 представлена схема определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки с учетом применения адаптивного устройства стабилизации силы резания.

При математическом моделировании адаптивное устройство учитывалось пересчетом мгновенных значений силы резания, которые возвращались к номинальным значениям через интервал времени, равный Дт секунд. Здесь Лт -время реакции адаптивного устройства. Для экспериментального экземпляра эта величина составила 0,004 секунды.

На рисунке 11 представлены результаты моделирования временной зависимости главной составляющей силы резания для процесса точения при заданных режимах резания без применения адаптивного устройства (график а) и с применением (график б). Для примера рассматривалось точение длинного нежесткого вала, закрепленного с эксцентриситетом.

Параметры

технологической

системы

Режимы резания

Расчет начальных

значений составляющих силы резания

Рисунок 10 - Схема определения виброустойчивости технологической системы с учетом устройства стабилизации силы резания

Рисунок 11 - Результаты моделирования мгновенных значений силы резания при точении а) без применения адаптивного устройства, б) с применением адаптивного устройства

Из графиков видно, что при использовании адаптивного устройства отклонение мгновенных значений силы резания уменьшилось в 3 раза, соответственно, уменьшилось амплитуда колебаний глубины резания, что улучшило качество микрогеометрии обработанной поверхности

Глубина резания, мм

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Координата по длине заготовки, мм

—О— Эксперимент, процесс без вибраций

• Устойчивое резание по Лазареву )( Устойчивое резание по исследуемому методу

Рисунок 12 - График предельной безвибрационной гл>бины резания по длине детали, установленной в центрах станка

Для оценки эффективности разработанной теории было проведено сравнение предельно безвибрационной глубины резания, полученной расчетами по методике Лазарева Г.С., экспериментальными данными и расчетами по предлагаемой методике. Из результатов, приведенных на рисунке 12, видно, что расчет по методике Лазарева Г.С. дает погрешность по величине допустимой глубины резания в два раза (в критической точке он допускает <=0,35 мм, а фактически - <аибр\сг=0,6 мм) по нашему методу 'нибрч1=0,55 мм, что значительно ближе к эксперименту То есть погрешность вычисления снижается с 71% до 12%.

Разработанная методика определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки для заданной механической системы резания может быть использована для аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов, схема которой представлена на рисунке 13

Рисунок 13 - Схема аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработаны теоретические положения, определяющие виброустойчивость процесса лезвийной обработки нежестких валов, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области механической обработки резанием. Данные положения включают аналитическое описание вибраций механической системы при лезвийной обработке нежестких валов как временных функций, связывающих следующие параметры: геометрические характеристики заготовки, физико-механические свойства процесса лезвийной обработки и режим резания. Это подтверждено следующими результатами проведенной работы:

1) Показано, что многие из известных способов и технических средств повышения виброустойчивости процесса лезвийной обработки валов имеют существенные ограничения их применения в промышленности из-за отсутствия возможности априорного получения динамической картины вибраций, сопровождающих обработку и оценки эффективности виброгашения путем моделирования процесса.

2) Впервые получено аналитическое описание динамического состояния процесса лезвийной обработки на базе токарного станка при лезвийной обработке (точении цилиндрических и резьбовых поверхностей и фрезеровании резьб охватывающими головками) нежестких валов с учетом взаимного влияния поперечных и продольно-крутильных колебаний. Данное описание включает три компоненты:

- временные зависимости геометрических параметров срезаемого слоя с учетом упругих деформаций элементов механической системы резания;

- численное представление зависимостей мгновенных значений всех составляющих силы резания от текущих значений параметров срезаемого слоя и режима резания, учитывающее их взаимозависимость;

- постановку краевых задач о поперечных и продольно-крутильных колебаниях заготовки с учетом схемы ее закрепления и нагружения, геометрических и физико-механических параметров, а также динамических характеристик механической системы резания; интегральные зависимости поперечных колебаний суппортной группы от колебаний силы резания.

3) На основе полученных временных зависимостей силы резания и краевых задач об упругих колебаний нежесткого вала созданы алгоритм и программное обеспечение расчета виброустойчивости процесса лезвийной обработки, позволяющие рассчитать временные зависимости упругих перемещений, силы резания, а также оценить виброустойчивость процесса. При этом модульность структуры позволяет по аналогии разрабатывать алгоритмы для других видов обработки резанием длинных нежестких валов.

4) Предложенное численное решение аналитического описания динамического состояния процесса лезвийной обработки использовано для расчета погрешностей, в частности, шероховатости или волнистости обработанной поверхности с учетом влияния вибраций, сопровождающих процесс обработки,

способов и устройств, применяемых для виброгашения Этим достигается возможность установления диапазона допустимых значений амплитуды колебаний в зависимости от заданных техническими условиями параметров точности обрабатываемой поверхности

5) Показано, что оценка технического состояния станков, используемых для обработки нежестких валов, должна предусматривать проведение испытаний на жесткость и определение параметров, характеризующих явление затухания колебаний Установлено, что наиболее перспективным способом определения жесткости среди рассмотренных является динамический, основанный на математическом анализе кривой переходного процесса упругих перемещений в стыке элементов механической системы от ступенчатого силового воздействия (в частности для определения приведенной жесткости - в стыке заготовка-инструмент), также позволяющий определить такую характеристику колебательного процесса, как коэффициент затухания Для его реализации разработана, изготовлена и испытана экспериментальная конструкция прибора для снятия динамических параметров и разработан математический аппарат для обработки электрического сигнала, получаемого с тснзометрических датчиков прибора

6) Экспериментально подтвержден высокий уровень адекватности полученных функциональных зависимостей упругих колебаний, сопровождающих процесс лезвийной обработки, от времени при гонении

7) Система устойчива при выполнении двух условий необходимого (скорость резания имеет положительные значения) и достаточного (сила резания принадлежит интервалу в приделах нормированных мгновенных значений) Показано, что микрорельеф обработанной поверхности не отслеживает увеличение амплитуды колебаний механической системы низкой частоты, тогда как расчетные значения модуля силы резания определенно реагируют на изменение динамики процесса Поэтому в основу кршерия виброусгойчи-вости процесса лезвийной обработки нежестких валов лег допустимый интервал мгновенных значений силы резания, нормированные приделы которого определяются как функции от номинальной глубины резания за вычетом или прибавлением половины регламентированной высоты микронеровностей

8) Показано, что результаты численного моделирования вибраций, сопровождающих процесс лезвийной обработки валов, позволяют установить параметры процессов и устройств, обеспечивающих виброгашение за счет стабилизации составляющих силы резания При моделировании процесса резания исходные данные к алгоритму расчета должны включать специфические параметры способа или устройства для повышения виброустойчивости (закон изменения скорости резания или подачи, требуемую жесткость или демпфирующую способность механической системы резания, ограничения в колебании силы резания или время запаздывания ее стабилизации) На примере применения за-пантетованной электромеханической адаптивной системы стабилизации

силы резания доказано, что этот способ снижает влияние вибраций в процессе резания и улучшает микрогеометрию обрабатываемой поверхности

9) Сравнительный анализ показал, что погрешность оценки допустимой глубины резания по предложенной методике по сравнению с принятыми ранее сокращен с 71% до 12%, то есть методика определения виброустойчивости более адекватно отражает физическую сущность процесса обработки лезвийным инструментом валов в механической системе резания

10) Предложена схема аттестации рабочего места, реализующая информационные и организационные связи, необходимые для достижения виброустойчивости процесса обработки нежестких валов в производственных условиях Эта схема позволяет контролировать технологическое состояние станочного парка (оборудования) цеха и выдавать рекомендации о проведении технического обслуживания, ремонта, модернизации или замены средств технологического оснащения, используемых для обработки нежестких валов лезвийным инструментом

Основные положения работы отражены в следующих публикациях

1 Васин Л А Ямникова О А Точение с постоянной силой резания // Технология механической обработки и сборки, Тула, ТулГУ, 1994, с 70-73

2 Васин Л А , Ямникова О А Исследование связанности крутильных и продольных колебаний валов при точении // Технология механической обработки и сборки, Тула, ТулГУ, 1995, с 110-116

3 Васин Л А , Ямникова О А Определение продольно-крутильных колебаний при точении нежестких валов // Режущие инструменты и метрологические аспекты их производства, Тула, ТулГУ, 1995, с 33-39

4 Ямникова О А Динамическая модель колебания заготовки при точении // Проектирование технологических машин Выпуск 2, М 1996, МГТУ "Станкин", с 55-60

5 Федин Е И , Васин Л А , Ямникова О А Адаптивное управление силами резания при точении // Техночогия механической обработки и сборки Тула, ТулГУ, 1996, с 118-121

6 Васин Л А , Федин Е И, Ямникова О А Математическая модель силы резания с учетом колебания заготовки при точении Ч Труды 3-го международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96, Москва - 1996, МГТУ "Станкин", с 39-40

7 Ямникова О А Технологические возможности устройства стабилизации силы резания // Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов Сб трудов МНТК Тула, ТулГУ, 1997, с 41

8 Федин Е И Ямникова О А Рациональные способы применения устройства стабилизации силы резания //Изв ТулГУ Сер Машиностроение Вып 1 Гула, 1997, с 125-127

9. Васин Л.А., Федин Е.И., Ямникова О.А. Математическая модель силы резания с учетом колебания подсистемы "инструмент - заготовка". // СТИН, 1998, №8, с. 8- П.

10. Ямникова О.А. Математическая модель силы резания при нарезании метрической резьбы. // Bicник !нженерж^ академи Украши. - Кшв, 2000. -С. 193 - 196.

11. Ямникова О А., Ульд Хадрами С А. Определение геометрических параметров срезаемого слоя при вихревом резьбонарезании. // Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 68 - 76.

12. Ямникова ОА, Ульд Хадрами С.А. Кинетостатические погрешности при вихревом резьбонарезании. //Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 77-81.

13. Ямникова ОА, Ульд Хадрами С.А., Дорохин Н.Б. Динамика резания при вихревом резьбонарезании. //Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 81-85.

14. Ямникова О.А. Снижение вибрации при точении валов за счет стабилизации силы резания. // Сборник научных трудов ведущих ученых технологического факультета.- Тула, 2000. - С. 52 - 55.

15. Ямникова ОА. Влияние колебаний нежесткого вала на величину силы резания при точении. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов.- Донецк: ДонГТУ, 2000. выи. 14 - с. 139 -

142.

16. Ямникова О.А., Ульд Хадрами С.А. Форма и размеры срезаемого слоя при нарезании червяков охватывающей фрезой. // Материалы МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с. 293 - 296.

17. Ямникова О.А. Кинетостатические погрешности при фрезеровании впадин червяков охватывающими фрезами. // Материалы НТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с. 297 - 300.

18. Ямникова ОА, Дорохин Н.Б. Динамика фрезерования впадин червяков охватывающими фрезами. // Материалы МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с. 300 -303.

19. Ямникова О.А. Математическая модель силы резания при обработке нежестких валов и винтов. // Материалы МНТК "АИМ 2000", Тула: ТулГУ, 2000. - С. 256 - 258.

20. Ямникова О.А. Влияние вибраций заготовки на точность обработки при вихревом резьбонарезании. // Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol, September 28-30, 2000. -Oryol: OryolSTU, 2000. - С 275 - 278.

21. Ямникова О.А. Влияние направления подачи на кинетостатические порешности при вихревом резьбонарезании. // Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol, September 2830, 2000. - Oryol: OryolSTU, 2000. - С 279-282.

22 Ямникова О А Моделирование продольно-крутильных колебаний обрабатываемого винта при охватывающем резьбофрезеровании с учетом затупления инструмента // КТИ-2000 Труды конгресса В 2-х т т Т 2 - М Изд-во "Станкин", 2000 - С 287-288

23 Ямникова О А Определение значений силы при вихревом резьбона-резании // Избранные труды первой МНТК "АИМ 2000", Тула ТулГУ, 2000 -С 49-57

24 Ямникова О А Повышение качества обрабатываемой поверхности в процессе точения // Качество машин Сб тр 4-й междунар науч - техн конф , 10-11 мая 2001 г В 2т / Под общ ред А Г Суслова - Брянск БГТУ, 2001 -Т 2 С 248-250

25 Ямникова О А Численное решение краевой задачи о продольно-крутильных колебаниях заготовки при нарезании метрической резьбы // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении Сборник статей по материалам Всероссийской НТК - Н Новгород - Арзамас НГТУ - АГПИ, 2001 -С 120-126

26 Ямникова О А Математическое моделирование продотьно-крутильных колебаний при нарезании метрической резьбы // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве Труды 4-й МНТК, 23-24 октября 2001 г - Харьков ХНПК "ФЭД", 2001 г - С 46-49

27 Васин Л А , Васин С А , Федин Е И , Ямникова О А Технические характеристики устройства стабилизации силы резания при точении // Бюник шженерно1 академи Украши -Кшв 2001 №3 (Частина 1) - С 138-142

28 Ямникова О А , Серегин Р Н Математическое моделирование динамики процесса нарезания трапецеидальной резьбы // Изв ТулГУ Сер Машиностроение Выпуск 6 -Тула, 2001 -С 223-228

29 Ямникова О А Особенности процесса нарезания резьб охватывающими фрезами // Технология машиностроения, М 2002, №6, С 13-17

30 Ямникова О А Управление шероховатостью за счет устройства стабилизации силы резания при точении // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии Сборник материалов Всероссийской НТК, посвященной 40-летию кафедры ТМС ЛГТУ Часть 1 25-26 апреля 2002 г - Липецк ЛГТУ, 2002 г С 90-95

31 Ямникова О А Нетрадиционное применение адаптивного устройст ва// Нетрадиционные методы обработки Сборник научных трудов межд\на родной конференции Часть 1 Воронеж Вор гос унив 2002 - С 173 - 177

32 Ямникова О А Математическое моделирование сипы резания при на резании метрической резьбы по равносиловой схеме резания // Технологиче ские системы в машиностроении Труды МНТК, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И А и Лашнева С И 16 19 октября 2002 г -Тута Гут ГУ, 2002 -С 106-109

33 Ямникова О А Автоматическое регулирование сипы резания при точении // Автоматизация проблемы, идеи, решения Сб трудов международной конференции / Под ред Ю Л Маткина, А С Горелова, ТулГУ, - Тула, Гриф и К, 2002 - С 93-95

34. Ямникова О.А. Математическое моделирование динамики процесса нарезания метрической резьбы // Технологическая системотехника. Сборник трудов первой международной электронной НТК. Тула: Гриф и К0, 2002. -С. 27 - 29.

35. Ямникова О.А. Построение математической модели колебаний нежесткого вала при обработке резанием // СТИН, М.: 2003, № 1, С. 18-21

36. Федин Е.И., Ямникова О.А. Экспериментальное определение динамических характеристик технологических систем // СТИН, М.: 2003, № 3, С. 7 - 9

37. Свидетельство на полезную модель № 28643. Устройство для токарной обработки нежестких деталей. Авторы: Васин С.А., Васин Л.А., Ямникова О.А., Федин Е.И. Зарегистрировано 10.04.2003 г.

38. Ямникова О.А. Математическая модель упругой технологической системы // Известия ТулГУ, сер. "Технологическая системотехника", вып. 1, Тула, 2003, С. 181-184.

39. Ямникова О.А. Общая концепция построения математической модели упругих колебаний заготовки при обработке резанием // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. / Труды 7-й МНТК, 27-28 мая 2003 г., Харьков, ХНПК "ФЭД", 2003. - С. 100 - 103

40. Ямникова О.А. Динамические характеристики технологических систем // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003. Материалы МНТК, Орел, 25-27 сентября, 2003. - С. 445447.

41. Ямникова О.А. Критерий устойчивости упругой технологической системы // Известия ТулГУ, сер. " Технология машиностроения", вып. 1, Тула, 2004, С. 56-60.

42. Кузнецов В.П., Ямникова О.А. Устойчивость процесса лезвийной обработки при нарезании резьбы многорезцовыми головками // СТИН, М.: 2004, №2, С. 12-14

43. Патент на изобретение №2226140 / Устройство для токарной обработки нежестких деталей / Васин С.А., Васин Л.А., Ямникова О.А., Федин Е.И. Зарегистрировано в Госреестре изобретений РФ 27 марта 2004 г. 9 с.

44. Ямникова О.А. Моделирование упругих колебаний валов при лезвийной обработке. - Тула: издательство ТулГУ, 2004. - 187 с.

45. Васин С.А., Ямникова О А Методология оценки устойчивости процесса резания с учетом упругих колебаний технологической системы // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. / Труды 9-й МНТК, 3 июня 2004 г., Харьков, ХНПК "ФЭД", 2004. - С. 56-60.

46. Васин С.А., Ямникова ОА. Моделирование вибрационной составляющей шероховатости при точении. Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. / Труды 10-й МНТК, 28-30 сентября 2004 г., Харьков, ХНПК "ФЭД", 2004. - С. 73-76.

47. Ямникова О.А. Общая концепция построения математической модели упругих колебаний подсистемы «суппорт - инструмент - заготовка» при обработке резанием. / Труды VII МНТК по динамике технологических систем «ДТС-2004». Саратов, с. 371.

40

Of, Ol - Of СУ 6

48 Федин Г И, Ямникова О А Методика определения составляющих силы резания при матричном моделировании процессов резания многозубыми инструментами // Известия ТулГУ Серия Инструментальные и метрологические системы, вып 1 Труды юбилейной МНТК «Наука о резании материалов в современных условиях» Тула, Изд во ТулГУ, 2004, с 114 116

49 Иноземцев А Н , Ямникова О А Экспериментальное исследование быстродействия адаптивной системы стабилизации силы резания при точении / Известия ТулГУ Серия Технология машиностроения, вып 2 Изл-во ТулГУ, 2004, с 93-97

50 Иноземцев А Н, Ямникова О А Определение упругих колебаний технологической системы при нарезании резьбы резцом / Известия ТулГУ Серия Технологическая системотехника, вып 3 Труды второй элекгронной МНТК «Технологическая системотехника» 2003 Изд-во ТулГУ, 2004 с 217 221

51 Иноземцев А Н , Ямникова О А Устойчивость технологической системы при обработке нежестких деталей Известия ТулГУ Серия Технологическая системотехника, вып 3 Труды второй э тектронной МНТ К «Технологическая системотехника» 2003, Изд-во ТулГУ, 2004, с 225 226

52 Международная научно-техническая Электронная интернет-конференция "Технология машиностроения 2004" [Электронный pecуpc] Тру ды ) электронных интернет конференций по технологии машиностроения/ Туль-скии гос унт - Электр журн - Тула ТулГУ 2004 - Режим доступа: http //www.naukа tula.ru, свободный - Загл с экрана - № гос регистрации 0220409933

Перспективы практического использования адаптивного устройства стабилизации силы резания / Иноземцев АН, Ямникова О А // Междуна родная научно техническая электронная интернет конференция 'Технология машиностроения 2004' [Электронный ресурс] -2004 -Вып 1

53 Международная научно-техническая электронная инетернет конференция "Технология машиностроения 2004" [Электронный ресурс] Тру ды электронных интернет-конференций по технологии машиностроения/ Туль ский гос ун-т - Электр журн - Тула ТулГУ, 2004 - Режим доступа http //www nauka tula ru, свободный - Загл с экрана - № гос регистрации 0220409933

Структурный критерий устойчивости технологической системы Иноземцев А Н , Ямникова О А // Международная научно техническая электрон ная интернет-конференция "Технология машиностроения 2004" [Электронный ресурс] - 2004 - Вып 1

По шиижо в печать 18 02 05 Формат бумаги 60x84 1 16 Ь\чага офсетная

1\ П.СКИН i (кл прствишый\ниверсите1 300600 Г> ча npoc.fi ItítoA <32 ^ Из (ате 1ы.гво I \ il Ъ 400600 Ts та vi Ьсндина у q Н\Г! Í у

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Механизм вибрации при резании.

1.2 Особенности процесса резапня при динамической нестабильности.

1.3 Теории устойчивости.

1.4 Исследование вибраций при многорезцовой обработке.

1.5 Специфика обработки нежестких валов.

1.6 Постановка цели и задач нсслсдоваппя.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ТИПОВЫХ СЛУЧАЕВ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

2.1 Математическая модель силы резания при точении.

2.2 Общая концепция построения математической модели упругих колебаний подсистемы "суппорт—инструмент —заготовка" при

Ф обработке резанием.

2.2.1 Математическая модель продольно-крутильных колебаний вала при точении.

2.2.2 Математическая модель поперечных колебаний вала при точении.

2.2.3 Математическая модель упругих колебаний подсистемы инструмент-суппорт".

2.3 Математическое моделирование процесса нарезания резьб охватывающими фрезами.

2.3.1 Методика определения геометрических параметров срезаемого слоя при вихревом резьбонарезании.

2.3.2 Расчет силы резания при вихревом резьбонарезании.

2.3.3 Динамические погрешности резьбонарезания охватывающими фрезами.

2.4 Математическое моделирование процесса нарезания резьбы резцами.

2.4.1 Методика определения геометрических параметров срезаемого слоя для процесса нарезания резьбы.

2.4.2 Сила резания при нарезании резьбы резцом.

2.4.3 Динамические погрешности при нарезании резьбы резцом.

2.5 Моделирование шероховатости.

2.5.1 Шероховатость при точении.

2.5.2 Шероховатость при вихревом резьбонарезании. 2.5.3 Шероховатость при нарезании резьбы резцом.

2.6 Схема определения устойчивости технологической системы при лезвийной обработке нежестких валов.

Выводы.

3 ЧИСЛЕННОЕ И ПРОГРАММНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТОТЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ

ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ.

• 3.1 Процедура ввода данных.

3.2 Процедура расчета начальных значений.

3.2.1 Расчет начальных значений для процесса точения.

3.2.2 Расчет начальных значений для процесса вихревого резьбонарезания.

3.2.3 Расчет начальных значений для процесса нарезания резьбы резцами.

3.3 Численное моделирование упругих колебаний технологической системы при лезвийной обработке.

3.4 Расчет погрешностей геометрических параметров срезаемого слоя.

3.5 Чпслсппый расчет шероховатости.

3.6 Программа определенны устойчивости технологической системы при резанпн с учетом упругих колебаний.

Выводы.

4 СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (СТАНКОВ) ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ.

4.1 Статический способ определения жесткости.

4.2 Производственный способ определении жесткости.

4.3 Разработка п нсследовапне нового способа определения динамических характеристик технологической системы. щ 4.3.1 Конструкция экспериментального прибора оценки динамических характеристик технологических систем.

4.3.2 Структура исследовательского комплекса для регистрации переходного процесса в технологической системе.

4.3.3 Методика аппроксимации переходного процесса по экспериментальным данным и определения динамических характеристик технологической системы в стыке «инстумент-заготовка».

4.3.4 Методика расчета показателей качества технологической системы 250 4.3.5 Результаты исследований переходных процессов в эквивалентной упругой системе токарного станка.

Выводы.

5 ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ С УЧЕТОМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМБ1.

5.1 Оценка адекватности модели упругих колебаний 265 технологической системы при точения.

5.2 О возможности борьбы с вибрации,ми с помощью системы стабилизации силы резанпн. 2^

5.2.1 Принцип проектирования системы стабилизации силы резания при точении.

5.2.2 Конструкция электро-механического устройства стабилизации силы резания.

5.2.3 Экспериментальное исследование технологических возможностей адаптивной системы стабилизации составляющих силы резания при точении.

5.2.4 Перспективы практического использования разработанной конструкции адаптивного устройства.

5.3 Определение устойчивости технологической системы с учетом воздействии адаптивной системы стабилизации силы резаини.

5.4 Сравнительный анализ результатов определения внброустончивостн механической системы резании.

5.5 Схема аттестации рабочего места в случае обработки нежестких валов.

Выводы.

Для успешного решения множества экономических и социальных задач, стоящих перед страной, необходимо обеспечить быстрый рост

• производительности труда, повышение технического уровня, эффективность и улучшение качественных показателей всех отраслей общественного производства.

В осуществлении этих задач машиностроению, как отрасли, обеспечивающей все сферы народного хозяйства современными машинами и оборудованием, принадлежит первостепенная роль.

Значительный удельный вес в трудоемкости изготовления деталей ^ машин приходится на токарную обработку. Станки токарной группы составляют свыше 40% всего станочного парка нашей страны. Поэтому повышение точности и производительности токарной обработки является важной задачей, решение которой будет способствовать дальнейшему прогрессу.

Предлагаемая работа является развитием и обобщением результатов серии работ по виброустойчивости технологических систем, выполнен

• ных в Тульском государственном университете [Дорохин Н.Б., Кузнецов В.П., Эккерт С.Л., Кошелева Л.А, Сержантова Е.Н., Васин J1.A., Васин С.А.].

Мотивацией к проведению настоящих исследований явились проблемы при попытке существенного повышения производительности обточки торсионов (валов длиной около 3 метров при диаметре 40.50 мм) по заказу нижнетагильского предприятия "Уралвагонзавод". Поскольку торсионы по условиям эксплуатации должны выдерживать высокие крутящие моменты при больших углах закручивания, то их изготовляют из высокопрочной легированной стали. Это же сочетание механических свойств при обработке торсиона приводит к появлению значительных крутильно-продольных колебании, снижению точности и качества обработанной поверхности, а также стойкости инструмента.

Естественно, что данная проблема является общей для большого класса деталей.

Возрастающие требования к качеству изделий машиностроения неразрывно связаны с точностью изготовления деталей. Функциональное назначение отдельных деталей, а также стремление к снижению металлоемкости механизмов и машин обусловили необходимость применения класса так называемых нежестких деталей высокой точности, отличающихся непропорциональностью габаритных размеров, малой жесткостью в определенных сечениях и направлениях и тому подобное. Высокие требования предъявляются к параметрам точности геометрических форм и взаимному расположению поверхностей, линейных размеров и качеству поверхности нежестких деталей.

Процесс лезвийной обработки такого класса деталей сопровождается вибрациями (механическими колебаниями), которые оказывают вредное влияние на шероховатость поверхности, размерную точность, стойкость инструмента и долговечность станка. Наряду с этим неуправляемые механические колебания со сравнительно большой амплитудой являются ограничивающим фактором при увеличении производительности процесса резания. Появление колебаний обусловлено наличием и взаимным влиянием технологических условий резания, внешних возмущающих сил и характеристик упругой системы станок-приспособление-инструмент-заготовка, далее называемой механической системой резания.

При лезвийной обработке нежестких валов виброустойчивость процесса связана, прежде всего, с колебаниями заготовки в зоне резания, которые влияют на изменения геометрических параметров срезаемого слоя во времени, и, как следствие, на микрогеометрию обработанной поверхности. Для повышения виброустройчивости процесса применяют различные способы и устройства, например снижение режимов резания, повышение жесткости механической системы резания и ее демпфирующей способности, введение управляемых колебаний подачи или скорости резания (виброрезание). Для их использования требуется достоверная и полная информация о динамическом состоянии механической системы резания. Известны работы по определению виброустойчивости механической системы резания, которые отвечают на вопрос: будет ли система устойчива или нет. В данных работах заготовку рассматривали как сосредоточенную массу на невесомых пружинах. Для определения виброустойчивости лезвийной обработки нежестких валов и численной оценки динамических параметров механической системы требуется учитывать физико-механические свойства заготовки, а также инструмента и узлов крепления. Это возможно только при рассмотрении заготовки как упругого тела, чьи массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом по всему объему.

Разработка этих теоретических положений позволяет априорно определять требования к основным параметрам известных способов достижения виброустойчивости механической системы резания за счет расчета мгновенных значений упругих колебаний и параметров режима резания.

В этой связи совершенствование теории виброустойчвости процесса лезвийной обработки нежестких валов на основе предлагаемых теоретических положений является актуальной научной проблемой.

Научно-исследовательские работы по теме связаны с тематическим планом госбюджетных НИР ТулГУ и выполнялись в соответствии с грантом МОПО "Повышение виброустойчивости процесса токарной обработки на основе выбора инструмента по динамическим параметрам", грантом МО РФ № Т00-6.3-725, грантами Кч 96-15-98241 и Кч 00-15-99064 Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме: "Прогрессивные технологические процессы формообразования сложных поверхностей и сборки высокоточных изделий", грантом № НШ-1920.2003.8 Президента РФ на поддержку ведущих научных школ по теме: "Прогрессивная технология механической обработки и сборки в машиностроении" и грантом МО РФ на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих

• научно-педагогических коллективах № 10-10.

На основании проведенного обзора литературы и анализа основных проблем проектирования безвибрационного процесса токарной обработки была определена цель работы. Она состоит в совершенствовании технологического обслуживания станков, используемых на операциях лезвийной обработки нежестких валов на основе повышения достоверности и полноты численного прогнозирования динамического состояния механической системы резания для обеспечения виброустойчивости процесса обработки.

Поставленная цель определила основные задачи работы:

1) Выполнить аналитическое описание динамического состояния технологической системы на базе токарного станка при лезвийной обработке нежестких валов с использованием классических уравнений теории упругости. а 2) Найти зависимости составляющих силы резания от мгновенных значений параметров срезаемого слоя и режимов резания.

3) Найти взаимосвязь квазистатических параметров технологической системы в исходном состоянии, заданных параметров режимов резания, исходных параметров заготовки и схемы ее закрепления с мгновенными значениями отклонений системы от номинального состояния (с параметрами колебаний заготовки относительно инструмента).

4) Разработать критерий виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов.

5) Составить алгоритм и программное обеспечение определения устойчивости технологической системы при лезвийной обработке.

6) Осуществить выбор оптимального способа определения жесткости узлов технологической системы из известных ранее, а также коэффициента затухания.

7) Доказать адекватность математической модели упругих колеба-* ний технологической системы для процесса точения с помощью экспериментальных исследований.

8) Разработать обобщенный подход к априорному определению необходимых параметров способов или устройств для гашения вибраций.

9) Разработать схему аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов лезвийным инструментом с учетом виброустойчивости процесса резания.

В первой главе описывается состояние исследуемого вопроса, обосновывается актуальность проблемы, формулируются цели исследования, и конкретизируется проблема, решаемая в диссертации.

Вторая глава посвящена математическому моделированию упругих колебаний механической (упругой) системы "заготовка - инструмент - станок -приспособление" в процессе лезвийной обработки нежестких валов. Рассмотрены три типовых процесса: точение гладкого нежесткого вала; щ нарезание резьбы резцом; фрезерование резьбы охватывающими головками.

- точение гладкого нежесткого вала;

- вихревое резьбонарезание;

- нарезание резьбы резцом.

Для каждого случая были разработаны три части математической модели:

1) расчет геометрических параметров срезаемого слоя;

2) математическая модель силы резания для данного процесса на ^ основе известной эмпирической степенной зависимости;

3) постановка краевой задачи об упругих колебаниях технологической системы с учетом их влияния в зоне резания на мгновенные значения параметров срезаемого слоя, а, следовательно, на модули составляющих силы резания.

В работе была использована теория упругих колебаний. При этом обрабатываемая заготовка рассматривалась как упругая балка с различными * способами закрепления, влияющими на граничные условия краевой задачи.

Также в математической модели учитывалась возможность использования подвижного и неподвижного люнетов (для процесса вихревого резьбонарезания сама фреза рассматривалась как подвижный люнет), что включалось в задачу как дополнительные граничные условия.

В результате был разработан общий подход к математическому моделированию упругих колебаний технологической системы в процессе ^ лезвийной обработки, которое включает в себя деформации заготовки, узлов крепления и инструмента.

Предложенная математическая модель может быть использована для численного расчета погрешностей, в частности, шероховатости или волнистости обработанной поверхности. Поставленные задачи предложено решать с использованием численного моделирования приведенных выше краевых задач.

В третье главе была разработана структура программного обеспечения, которое позволяет моделировать динамику процесса резания с учетом упругих колебаний технологической системы. При этом рассмотрено три процесса: точение гладкого вала, вихревое резьбонарезание и нарезание резьбы резцом. Полученный алгоритм расчета не привязан к определенному типу программирования. При этом, с учетом модульности структуры, можно по аналогии разрабатывать алгоритмы для других видов обработки резанием длинных нежестких валов.

Четвертая глава посвящена определению одного из важнейших параметров технологических систем - жесткости. Это возможно выполнить несколькими альтернативными способами: статическим, производственным и динамическим.

Статический способ требует достаточно трудоемких экспериментов с применением универсальных измерительных средств для создания линейной нагрузки и контроля упругих перемещений звеньев технологической системы и может быть рекомендован для научных исследований процессов и систем. Основным достоинством данного способа является возможность определения как приведенной жесткости всей технологической системы в целом, так и относительной жесткости ее отдельных частей. Вместе с тем, точность определения жесткости как технического параметра системы во многом зависит от конструктивной сложности этой системы, количества составляющих звеньев (узлов, деталей) и наличия в системе надежных и устойчивых измерительных баз.

Производственный способ можно классифицировать как относительный, обеспечивающий получение величины жесткости сравнением точностных параметров обрабатываемых деталей на квалифицированном по параметру жесткости станке (эталоне) и исследуемом технологическом оборудовании. Рекомендуется использовать этот способ (что и определило его название) в машиностроительном производстве, особенно с достаточно большим количеством од

• нотипного оборудования. Основное преимущество способа - малая трудоемкость контроля жесткости. Вместе с тем, способ обеспечивает определение только приведенной жесткости технологической системы и обладает относительно большой погрешностью, что делает этот способ нерациональным для научных исследований.

Наиболее перспективным способом определения жесткости следует признать динамический, основанный на математическом анализе кривой переход* ного процесса упругих перемещении в стыке элементов технологической системы от ступенчатого силового воздействия (в частности для определения приведенной жесткости - в стыке заготовка-инструмент).

Основное преимущество способа - возможность получения комплекха важнейших параметров, характеризующих явление затухания колебаний.

В главе приведены экспериментальная конструкция прибора для снятия динамических параметров и математический аппарат для обработки получаемого электрического сигнала с тензодатчиков прибора.

Анализ и обобщение экспериментальных данных о жесткости процесса лезвийной обработки (токарного станка) позволяет сделать вывод о сложном влиянии этого параметра на динамические процессы при резании материалов.

При решении экспериментальных задач в машиностроении нередко требуется оперативное определение основных характеристик процесса лезвийной обработки с достаточной точностью ±10%. Такую возможность предоставляет

• использование аналитического метода с применением стандартных программ математической обработки данных, например, MathCAD.

В пятой главе дана оценка адекватности разработанной математической модели динамики процесса точения. При этом ошибка расчетов не превысила 10% от реального значения параметра (считалась шероховатость Rz). Было выявлено, что рассматриваемый параметр (шероховатость) не отслеживает увеличение амплитуды колебаний, тогда как расчетные значения модуля силы резания определенно реагируют на изменение характера и уровня вибраций.

Далее проведено исследование возможностей снижения уровня вибраций за счет использования адаптивных устройств. Как частный случай, было рассмотрено устройство для токарной обработки нежестких деталей.

Для оценки эффективности разработанной теории было проведено сравнение предельно безвибрационной глубины резания, полученной расчетами по методике Лазарева Г.С., экспериментальными данными и расчетами по предлагаемой методике. Разработанная методика определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки для заданной механической системы резания может быть использована для аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов.

В диссертации выносятся на защиту следующие основные результаты:

1) Показано, что многие из известных способов и технических средств повышения виброустойчивости процесса лезвийной обработки валов имеют существенные ограничения их применения в промышленности из-за отсутствия возможности априорного получения динамической картины вибраций, сопровождающих обработку и оценки эффективности виброгашепия путем моделирования процесса.

2) Впервые получено аналитическое описание динамического состояния процесса лезвийной обработки на базе токарного станка при лезвийной обработке (точении цилиндрических и резьбовых поверхностей и фрезеровании резьб охватывающими головками) нежестких валов с учетом взаимного влияния поперечных и продольно-крутильных колебаний. Данное описание включает три компоненты:

- временные зависимости геометрических параметров срезаемого слоя с учетом упругих деформаций элементов механической системы резания;

- численное представление зависимостей мгновенных значений всех составляющих силы резания от текущих значений параметров срезаемого слоя и режима резания, учитывающее их взаимозависимость;

- постановку краевых задач о поперечных и продольно-крутильных колебаниях заготовки с учетом схемы ее закрепления и нагружения, геометрических и физико-механических параметров, а также динамических характеристик механической системы резания; интегральные зависимости поперечных колебаний суппортной группы от колебаний силы резания.

3) На основе полученных временных зависимостей силы резания и краевых задач об упругих колебаний нежесткого вала созданы алгоритм и программное обеспечение расчета виброустойчивости процесса лезвийной обработки, позволяющие рассчитать временные зависимости упругих перемещений, силы резания, а также оценить виброустойчивость процесса. При этом модульность структуры позволяет по аналогии разрабатывать алгоритмы для других видов обработки резанием длинных нежестких валов. ♦ 4) Предложенное численное решение аналитического описания динамического состояния процесса лезвийной обработки использовано для расчета погрешностей, в частности, шероховатости или волнистости обработанной поверхности с учетом влияния вибраций, сопровождающих процесс обработки, способов и устройств, применяемых для виброгашения. Этим достигается возможность установления диапазона допустимых значений амплитуды колебаний в зависимости от заданных техническими условиями параметров точности об-^ рабатываемой поверхности.

5) Показано, что оценка технического состояния станков, используемых для обработки нежестких валов, должна предусматривать проведение испытаний на жесткость и определение параметров, характеризующих явление затухания колебаний. Установлено, что наиболее перспективным способом определения жесткости среди рассмотренных является динамический, основанный на математическом анализе кривой переходного процесса упругих перемещений в стыке элементов механической системы от ступенчатого силового воздействия в частности для определения приведенной жесткости - в стыке заготовкаинструмент), также позволяющий определить такую характеристику колеба-t тельного процесса, как коэффициент затухания. Для его реализации разработаI на, изготовлена и испытана экспериментальная конструкция прибора для снятия динамических параметров и разработан математический аппарат для обработки электрического сигнала, получаемого с тензометрических датчиков при* бора.

6) Экспериментально подтвержден высокий уровень адекватности полученных функциональных зависимостей упругих колебаний, сопровождающих процесс лезвийной обработки, от времени при точении.

7) Система устойчива при выполнении двух условий: необходимого (скорость резания имеет положительные значения) и достаточного (сила резания принадлежит интервалу в приделах нормированных мгновенных значений). Показано, что микрорельеф обработанной поверхности не отслеживает увеличение амплитуды колебаний механической системы низкой частоты, тогда как расчетные значения модуля силы резания определенно реагируют на изменение динамики процесса. Поэтому в основу критерия виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов лег допустимый интервал мгновенных значений силы резания, нормированные приделы которого определяются как функции от номинальной глубины резания за вычетом или прибавлением половины регламентированной высоты микронеровностей Rz.

8) Показано, что результаты численного моделирования вибраций, сопровождающих процесс лезвийной обработки валов, позволяют установить параметры процессов и устройств, обеспечивающих виброгашение за счет стабилизации составляющих силы резания. При моделировании процесса резания исходные данные к алгоритму расчета должны включать специфические параметры способа или устройства для повышения виброустойчивости (закон изменения скорости резания или подачи, требуемую жесткость или демпфирующую способность механической системы резания, ограничения в колебании силы резания или время запаздывания ее стабилизации). На примере применения за-пантетованной электромеханической адаптивной системы стабилизации силы резания доказано, что этот способ снижает влияние вибраций в процессе резания и улучшает микрогеометрию обрабатываемой поверхности.

9) Сравнительный анализ показал, что погрешность оценки допустимой глубины резания по предложенной методике по сравнению с принятыми ранее сокращен с 71% до 12%, то есть методика определения виброустойчивости более адекватно отражает физическую сущность процесса обработки лезвийным инструментом валов в механической системе резания.

10) Предложена схема аттестации рабочего места, реализующая информационные и организационные связи, необходимые для достижения виброустойчивости процесса обработки нежестких валов в производственных условиях. Эта схема позволяет контролировать технологическое состояние станочного парка (оборудования) цеха и выдавать рекомендации о проведении технического обслуживания, ремонта, модернизации или замены средств технологического оснащения, используемых для обработки нежестких валов лезвийным инструментом.

Научная новизна. Получено аналитическое описание динамического состояния механической системы резания на базе токарного станка при лезвийной обработке нежестких валов, учитывающее взаимное влияние поперечных и крутильно-продольных колебаний элементов системы и толщины срезаемого слоя, скорости, а также глубины резания, при этом заготовка рассматривается как упругое тело, чьи массовые и деформационные характеристики распределены непрерывным образом, и выведены зависимости составляющих силы резания, учитывающие мгновенные изменения режима резания, для трех видов лезвийной обработки нежестких валов: точения, вихревого резьбофрезерования и нарезания резьбы резцом.

Достоверность научных результатов подтверждается корректным применением современного математического аппарата, классической теорией упругости, численного моделирования с использованием ЭВМ, а также экспериментами по определению шероховатости обработанной поверхности и сопоставлением их результатов с расчетными значениями.

Теоретическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты расширяют и дополняют теорию колебаний технологических систем, теорию проектирования и методику применения адаптивных технологических систем, теорию эксплуатационного обслуживания технологического оборудования.

Практическая ценность. Применение численного метода конечных разностей позволило впервые получить функциональные зависимости упругих колебаний технологической системы от времени, которые легли в основу алгоритма моделирования упругих колебаний механической системы и определения устойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов. Разработанный алгоритм позволяет заранее, без проведения физического эксперимента, выбрать оптимальный режим резания, учитывая требуемое качество поверхности и заданные параметры заготовки. Созданная теория определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов обеспечивает возможность выбора оптимальных способов виброгашения и их параметров, так как априорно задает характеристики вибрационного процесса (амплитуду, частоту вибраций, мгновенные значения силы резания и параметры срезаемого слоя). Разработана методика аттестации рабочего места, предназначенного для обработки нежестких валов резанием, с учетом определения виброустойчивости процесса лезвийной обработки.

Реализация результатов работы заключается в проведении лабораторных технологических испытаний и в разработке рекомендаций по аналитическому определению безвибрационных режимов обработки при различных схемах установки заготовки для трех видов обработки: точения вала, вихревого резьбонарезания и нарезания резьбы резцом.

Рекомендации приняты к внедрению на ГУП ГНПП "Сплав" (г. Тула), ОАО "Тульский оружейный завод", ОАО "Тяжпромарматура".

Кроме этого математическая модель и программное обеспечение используется в учебно-исследовательской работе студентов старших курсов и магистрантов, а также при изучении курса «Точность металлорежущих станков».

Апробации работы. Основные положения и результаты работы были представлены на ежегодных НТК ТулГУ в 1995-2004 годах, а также па международных конгрессах "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96, КТИ - 2000 (на секции, руководимой д.т.н. А.В. Путем и д.т.н. Кудиновым В.А.) (май 1996 года и 2000 год, Москва, МГТУ "Стан-кин"), юбилейной МНТК "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий мaшинocтpoeния,, (сентябрь 1996 года, Тула, ТулГУ), МНТК "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов" (1997 г., Тула, ТулГУ), МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач" (Тула, ТулГУ, 2000 г.), МНТК "Проблемы теории и практики технологии машиностроения, механической и физико-технической обработки", (22 - 26 мая 2000 г., Харьков, ХНПК "ФЭД"), МНТК "АИМ 2000" (Тула, ТулГУ, 2000 г.) МНТК "Technology-2000. Transactions collection of International Scientific-technical Conference in Oryol" (сентябрь 28-30, 2000 г.Орел, ОрелГТУ), 4-й МНТК "Качество машин" (10-11 мая 2001г., Брянск, БГТУ), Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии в мапшно- и приборостроении" (Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АГПИ, 2001), 4-й, 7-й МНТК "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве" (23-24 октября 2001 г, 27-28 мая 2003 г., Харьков, ХНПК "ФЭД"), Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии", посвященной 40-летию кафедры ТМС ЛГТУ (25-26 апреля 2002 г., Липецк, ЛГТУ), международной конференции "Нетрадиционные методы обработки" (Воронеж, Вор. гос. унив., 2002), МНТК "Технологические системы в машиностроении", посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И.А. и Лаптева С.И. (16-19 октября 2002 г., Тула, ТулГУ), международной конференции "Автоматизация: проблемы, идеи, решения" (2002,ТулГУ, Тула), серии международных электронных НТК "Технологическая системотехника" (2002, 2003, ТулГУ, Тула), МНТК "Фундаментальные и прикладные проблемы технологин машиностроения - Тсхиология-2003" (Орел, 25-27 сентября, 2003 г.), VII МНТК по динамике технологических систем «ДТС-2004» (4-9 октября,

2003 г., Саратов), международной научно-технической электронной интернет-конференции "Технология машиностроения 2004" [Электронный ресурс].

Устройство стабилизации силы резания демонстрировалось на Всемирном Салоне инноваций "Брюссель-Эврика 2002" (12-17 ноября 2002 г.) и на VII Международном салоне промышленной собственности (30 марта - 2 апреля

2004 г., Москва). Изоборетение отмечено бронзовой медалью Всемирного Салона инноваций "Брюссель-Эврика 2002".

Публикации. По теме диссертации сделано 66 публикаций, в том числе в центральной печати — 9, в рецензируемых сборниках, входящих в Перечень ВАК РФ или Украины для докторских диссертаций, - 28, в материалах МНТК - 27, в материалах Всероссийских НТК - 2; получены свидетельство на полезную модель и патент на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Цель, поставленная в работе, достигнута. Разработаны теоретические положения, определяющие виброустойчивость процесса лезвийной обработки нежестких валов, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области механической обработки резанием. Данные положения включают аналитическое описание вибраций механической системы при лезвийной обработке нежестких валов как временных функций, связывающих следующие параметры: геометрические характеристики заготовки, физико-механические свойства процесса лезвийной обработки и режим резания. Это подтверждено следующими результатами проведенной работы:

1. Показано, что многие из известных способов и технических средств повышения виброустойчивости процесса лезвийной обработки валов имеют существенные ограничения их применения в промышленности из-за отсутствия возможности априорного получения динамической картины вибраций, сопровождающих обработку и оценки эффективности виброгашения путем моделирования процесса.

2. Впервые получено аналитическое описание динамического состояния процесса лезвийной обработки на базе токарного станка при лезвийной обработке (точении цилиндрических и резьбовых поверхностей и фрезеровании резьб охватывающими головками) нежестких валов с учетом взаимного влияния поперечных и продольно-крутильных колебаний. Данное описание включает три компоненты:

- временные зависимости геометрических параметров срезаемого слоя с учетом упругих деформаций элементов механической системы резания;

- численное представление зависимостей мгновенных значений всех составляющих силы резания от текущих значений параметров срезаемого слоя п режима резания, учитывающее их взаимозависимость;

- постановку краевых задач о поперечных и продольно-крутильных колебаниях заготовки с учетом схемы ее закрепления и нагружения, геометрических и физико-механических параметров, а также динамических характеристик механической системы резания; интегральные зависимости поперечных колебаний суппортной группы от колебаний силы резания.

3. На основе полученных временных зависимостей силы резания и краевых задач об упругих колебаний нежесткого вала созданы алгоритм и программное обеспечение расчета виброустойчивости процесса лезвийной обработки, позволяющие рассчитать временные зависимости упругих перемещений, силы резания, а также оценить виброустойчивость процесса. При этом модульность структуры позволяет по аналогии разрабатывать алгоритмы для других видов обработки резанием длинных нежестких валов.

4. Предложенное численное решение аналитического описания динамического состояния процесса лезвийной обработки использовано для расчета погрешностей, в частности, шероховатости или волнистости обработанной поверхности с учетом влияния вибраций, сопровождающих процесс обработки, способов и устройств, применяемых для виброгашения. Этим достигается возможность установления диапазона допустимых значений амплитуды колебаний в зависимости от заданных техническими условиями параметров точности обрабатываемой поверхности.

5. Показано, что оценка технического состояния станков, используемых для обработки нежестких валов, должна предусматривать проведение испытаний на жесткость и определение параметров, характеризующих явление затухания колебаний. Установлено, что наиболее перспективным способом определения жесткости среди рассмотренных является динамический, основанный на математическом анализе кривой переходного процесса упругих перемещений в стыке элементов механической системы от ступенчатого силового воздействия (в частности для определения приведенной жесткости - в стыке заготовка-инструмент), также позволяющий определить такую характеристику колебательного процесса, как коэффициент затухания. Для его реализации разработана, изготовлена и испытана экспериментальная конструкция прибора для снятия динамических параметров и разработан математический аппарат для обработки электрического сигнала, получаемого с тензометрических датчиков прибора.

6. Экспериментально подтвержден высокий уровень адекватности полученных функциональных зависимостей упругих колебаний, сопровождающих процесс лезвийной обработки, от времени при точении.

7. Система устойчива при выполнении двух условий: необходимого (скорость резания имеет положительные значения) и достаточного (сила резания принадлежит интервалу в приделах нормированных мгновенных значений). Показано, что микрорельеф обработанной поверхности не отслеживает увеличение амплитуды колебаний механической системы низкой частоты, тогда как расчетные значения модуля силы резания определенно реагируют на изменение динамики процесса. Поэтому в основу критерия виброустойчивости процесса лезвийной обработки нежестких валов лег допустимый интервал мгновенных значений силы резания, нормированные приделы которого определяются как функции от поминальной глубины резания за вычетом или прибавлением половины регламентированной высоты микронеровностей Rz.

8. Показано, что результаты численного моделирования вибраций, сопровождающих процесс лезвийной обработки валов, позволяют установить параметры процессов и устройств, обеспечивающих виброгашение за счет стабилизации составляющих силы резания. При моделировании процесса резания исходные данные к алгоритму расчета должны включать специфические параметры способа или устройства для повышения виброустойчивости (закон изменения скорости резания или подачи, требуемую жесткость или демпфирующую способность механической системы резания, ограничения в колебании силы резания или время запаздывания ее стабилизации). На примере применения запантетованной электромеханической адаптивной системы стабилизации силы резания доказано, что этот способ снижает влияние вибраций в процессе резания и улучшает микрогеометрию обрабатываемой поверхности.

9. Сравнительный анализ показал, что погрешность оценки допустимой глубины резания по предложенной методике по сравнению с принятыми ранее сокращен с 71% до 12%, то есть методика определения виброустойчивости более адекватно отражает физическую сущность процесса обработки лезвийным инструментом валов в механической системе резания.

10. Предложена схема аттестации рабочего места, реализующая информационные и организационные связи, необходимые для достижения виброустойчивости процесса обработки нежестких валов в производственных условиях. Эта схема позволяет контролировать технологическое состояние станочного парка (оборудования) цеха и выдавать рекомендации о проведении технического обслуживания, ремонта, модернизации или замены средств технологического оснащения, используемых для обработки нежестких валов лезвийным инструментом.

1. А.с. 1049191 СССР, МКИ G 23 В 1/00. Способ обработки нежестких длинномерных вращающихся деталей и устройство для его реализации. БИ, 1983, Лг» 39.

2. А.с. 1085674 СССР, МКИ В 23 В 1/00. Устройство для токарной обработки нежеских деталей. БИ, 1988, Лг« 21.

3. А.с. 1126776 СССР, МКИ В 23 В 1/00. Способ обработки нежестких деталей. БИ, 1984, JVb 44.

4. А.с. 869972 СССР, МКИ В 23 В 1/00. Способ обработки нежестких деталей. БИ, 1984, № 44.

5. А.с. 973240 СССР, МКИ В 23 В 1/00. Способ обработки нежестких деталей.

6. Адаптивное управление станками / Под ред. Б.С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973.

7. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соло-менцев, В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980.

8. Альбрехт П. Автоколебания при резании металлов // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1962, JVb 3. - С. 11 - 25.

9. Амосов И.С. Осциллографическое исследование вибраций при резании металлов // Точность механической обработки и пути ее повышения. М.-Л.: Машгиз, 1951.

10. Армарего И.Дж.А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1977.-325 с.

11. П.Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1958. 628 с.

12. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1966.

13. Бидерман В.J1. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1972.-416 с.

14. Бобров В.Ф. Многопроходное нарезание крепежных резьб резцом. М.: Машиностроение, 1982.- 104 с.

15. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

16. Вазов В., Форсайт Д. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.

17. Васин Л.А. Комплексная система проектирования безвибрационного процесса токарной обработки на основе динамических характеристик элементов технологической системы /Диссертация на соискание учёной степени д.т.н. Тула: ТулГТУ, 1994.

18. Васин Л.А., Васин С.А., Федин Е.И., Ямникова О.А. Технические характеристики устройства стабилизации силы резания при точении. // BicmiK 1нже-нерноТ академ1'1 УкраТни. Кшв, 2001. №3 (Частина 1) - С. 138-142.

19. Васин Л.А., Федин Е.И., Ямникова О.А. Математическая модель силы резания с учетом колебания подсистемы "инструмент заготовка". // СТИН.1998, № 8, с. 8 -11.

20. Васин Л.А., Федин Е.И., Ямникова О.А. Математическая модель силы резания с учетом колебания заготовки при точении. // Труды 3-го международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" КТИ-96, Москва - 1996, МГТУ "Станкин", с. 39 - 40.

21. Васин Л.Л., Федин Е.И., Ямникова О.Л. Статические характеристики адаптивной системы стабилизации силы резания при точении. // Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып.1. Тула, 1997, с. 18-22.

22. Васин Л.Л., Ямникова О.Л. Исследование связанности крутильных и продольных колебаний валов при точении. // Технология механической обработки и сборки, Тула, ТулГУ, 1995, с. 110-116.

23. Васин Л.Л., Ямникова О.Л. Определение продольно-крутильных колебаний при точении нежестких валов. // Режущие инструменты и метрологические аспекты их производства, Тула, ТулГУ, 1995, с. 33 -39.

24. Васин Л.А., Ямникова О.Л. Точение с постоянной силой резания. // Технология механической обработки и сборки, Тула, ТулГУ, 1994, с. 70-73.

25. Васин С.Л., Васин Л.А., Сержантова Е.Н. Исследование метода определения динамических характеристик по кривой следа // Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. Трудов /ТулГТУ, Тула, 1992.

26. Васин С.А., Васин Л.А., Сержантова Е.Н. Исследование метода определения динамических характеристик по кривой следа // Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. Трудов /ТулГТУ, Тула, 1992.

27. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1973.

28. ГОСТ 4.93-86 СПКП. Станки металлообрабатывающие. Номенклатура показателей.

29. Гробов В.Л. Теория колебаний механических систем. Киев: Вища школа, 1982. 183 с.

30. Дорохин Н.Б. Разработка и исследование многосуппортной токарно-копировальной обработки. Диссертация на степень к.т.н. Тула: ТПИ, 1976. -305с.

31. Дроздов Н.А. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент. М.: 1937, № 22.

32. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. — М. Свердловск: Машгиз, 1958.

33. Каширин Л.И. Вопросы устойчивости рабочего движения при обработке металлов резанием // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. - С.24 - 29.

34. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.-Л.: АН СССР, 1944.

35. Кемплер M.JI., Нестерова С.В. О нелинейной связанности крутиль-но-продольных колебаний коленчатых валов. Изв. вузов. М.: Машиностроение, 1976, № 1. - С. 40 - 43.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1974. -831 с.

37. Краткий справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1975. 816 с.

38. Краткий физико-технический справочник, том II. Общая механика, сопротивление материалов, теория механизмов и машин. Под общей ред. К.П. Яковлева. М.: Физматгиз, 1960.-411 с.

39. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. -259 с.

40. Кудинов В.А. Общность задач устойчивости движения в станках и других механических системах // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1952.

41. Кудииов В.Л. Теория вибраций при резании (точении) // Передовая технология машиностроения. М.: ЛИ СССР, 1955.

42. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. М.: Наука, 1977. 310 с.

43. Кузнецов В.П. Точность и виброустойчивость при нарезании наружных резьб многорезцовыми головками. Диссертация на степень к.т.н. Тула: ТПИ, 1983.

44. Кучма J1.K. Учет сил сопротивления в автоколебательной системе деталь-станок-инструмент // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1956. - С.220 - 227.

45. Кушнир Э. Ф. Динамическая характеристика процесса резания и динамическое качество станка при многоинструментальной обработке// Станки и инструмент. 1991, Л»4, С. 10-13.

46. Лазарев Г.С. Автоколебания при резании металлов. М.: Высшая школа, 1971.-243 с.

47. Лазарев Г.С. Устойчивость процессов резания металлов. М.: Высшая школа, 1973. - 184 с.

48. Мантуров О.В. Курс высшей математики. М.: Высшая школа, 1991. -428 с.

49. Межевой Ю.Т. Экспериментальное исследование вибраций при точении в зависимости от условий обработки // Диссертация на степень д.т.н. М., 1954.

50. Мягков 10.В. Разработка и исследование процесса нарезания внутренних резьб на закаленных деталях многорезцовыми головками. Диссертация на степень к.т.н. Тула: ТПИ, 1980. - 171с.

51. Пестунов В. М. Развитие систем адаптивного управления. // Станки и инструмент. 1990, №7, С.32-36.

52. Подпоркин В.Г. Обработка нежестких деталей. М.-Л.: Машгиз, 1959.-208 с.

53. Свидетельство, на полезную модель № 28643. Устройство для токарной обработки нежестких деталей. Авторы: Васин С.А., Васин Л.А., Ямникова О.А., Федин Е.И. Зарегистрировано 10.04.2003 г.

54. Сержантова Е.Н. Прогнозирование точности формы поперечного сечения деталей при точении поверхностей с неравномерным припуском./ Диссертация на соискание учёной, степени кандидата технических наук. Тула: ТулПИ, 1991.-270 с.

55. Соколовский А.П. Вибрации при обработке на металлорежущих станках // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. - С. 3 - 23.

56. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 3. Под ред. A.M. Малова. М.: Машиностроение, 1977. 748 с.

57. Ташлицкий Н.И. Первичный источник возбуждения автоколебаний при резании металлов // Вестник машиностроения. 1960, № 2. - С. 45 -50.

58. Тейлор Ф. Искусство резать металлы. Берлин: Бюро иностранной пауки и техники, 1922.

59. Техническая кибернетика. Книга 1. Теория автоматического регулирования. Под ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1967.

60. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1965. -480 с.

61. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985. 472 с.

62. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. М.: Маш-гиз, 1956.

63. Федин Б.И., Васин JI.A., Ямникова О.А. Адаптивное управление силами резания при точении. // Технология механической обработки и сборки. Тула, ТулГУ, 1996, с. 118-121.

64. Федин Е.И., Васин JI.A., Ямникова О.А. Адаптивное устройство для безвибрационного точения. // Управление качеством финишных методов обработки. Сборник научных трудов. Пермь, ПГТУ, 1996, с. 217 221.

65. Федин Е.И., Попов М.А. Теоретическое исследование динамики процесса многопроходного резьбонарезания //Известия Тульского государственного университета. Серия «Машиностроение». Вып. 1. Тула: ТулГУ, 1997, С. 67-72.

66. Федин Е.И., Ямникова О.А. Рациональные способы применения устройства стабилизации силы резания. //Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып. 1. Тула, 1997, с. 125-127.

67. Федин Е.И., Ямникова О.А. Экспериментальное определение динамических характеристик технологических систем // СТИН, М.: 2003, J\l> 3, С. 7 9

68. Федин Е.И., Ямникова О.Л., Серегин Р.Н. Экспериментальное определение динамических характеристик технологических систем. // BiciniK 1нженер-ноТ академн Укра'нш. КиУв, 2001. №3 (Частина 1) - С. 143-147.

69. Чэнь Чжиган Критерии виброустойчивости технологической системы // Диссертация на степень к.т.н. Тула, 2000. 96 с.

70. Шраер А.Б. Жесткость шпиндельных узлов токарных станков // Прогрессивная технология машиностроения, часть 1, М.: Машгиз, 1951.

71. Штейнберг И.С. Устранение вибраций, возникающих при резании металлов на токарном станке. М.: Машгиз, 1947.

72. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов // Станки и инструмент. 1962, № 10. - С. 3 - 8, № 11. - С. 3 - 7.

73. Эльясберг М.Е. Расчет металлорежущих станков на устойчивость процесса резания // Станки и инструмент. 1959, № 3. - С. 3 - 7.

74. Ямников А.С. Научные основы повышения производительности и точности нарезания резьб на тонкостенных деталях из труднообрабатываемых материалов // Диссертация на степень д.т.н. Тула, 1983. — 532 с.

75. Ямников А.С., Федин Е.И., Попов М.А. Методика расчёта динамических характеристик технологической системы по экспериментальным данным. //Известия Тульского государственного университета. Серия «Машиностроение». Вып. 3. Тула: ТулГУ, 1997.

76. Ямникова О.А. Автоматическое регулирование силы резания при точении // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Сб. трудов международной конференции / Под ред. IO.JI. Маткина, А.С. Горелова, ТулГУ, Тула, Гриф и К, 2002. - С.93 — 95

77. Ямникова О.Л. Влияние колебаний нежесткого вала на величину силы резания при точении. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. Донецк: ДонГТУ, 2000. вып. 14 - с. 139142.

78. Ямникова О.Л. Динамическая модель колебания заготовки при точении. // Проектирование технологических машин. Выпуск 2, М.: 1996, МГТУ "Станкин", с. 55 60

79. Ямникова О.А. Динамические характеристики технологических систем // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения -Технология-2003. Материалы МНТК, Орел, 25-27 сентября, 2003. С. 445-447.

80. Ямникова О.Л. Кинетостатические погрешности при фрезеровании впадин червяков охватывающими фрезами. // Материалы НТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с. 297-300.

81. Ямникова О.Л. Математическая модель силы резания при нарезании метрической резьбы. // BiciniK 1нженерноУ академп Укра'йш. Кшв, 2000. - С. 193-196.

82. Ямникова О.Л. Математическая модель силы резания при обработке нежестких валов и винтов. // Материалы МНТК "АИМ 2000", Тула: ТулГУ, 2000. С. 256-258.

83. Ямникова О.Л. Математическое моделирование динамики процесса нарезания метрической резьбы // Технологическая системотехника. Сборник трудов первой международной электронной НТК. Тула: Гриф и К°, 2002. С. 27 -29.

84. Ямникова О.Л. Математическое моделирование продольно-крутильных колебаний при нарезании метрической резьбы. // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. Труды 4-й МНТК, 23-24 октября 2001 г. -Харьков: ХНПК "ФЭД", 2001 г. С.46-49.

85. Ямникова О.А. Моделирование продольно-крутильных колебаний обрабатываемого винта при охватывающем резьбофрезеровании с учетом затупления инструмента. // КТИ-2000: Труды конгресса. В 2-х т.т. Т.2. М. Изд-во "Станкин", 2000. - С.287-288.

86. Ямникова О.А. Нетрадиционное применение адаптивного устройства. // Нетрадиционные методы обработки. Сборник научных трудов международной конференции. Часть 1. Воронеж. Вор. гос. унив. 2002. С. 173 -177.

87. Ямникова О.А. Общая концепция построения математической модели упругих колебаний заготовки при обработке резанием // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. Харьков, 2003. - С. 100—103

88. Ямникова О.А. Общая концепция построения математической модели упругих колебаний заготовки при обработке резанием // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. / Труды 7-й МНТК, 27-28 мая 2003 г., Харьков, ХНПК "ФЭД", 2003. С. 100 - 103

89. Ямникова О.А. Определение значений силы при вихревом резьбонарезании. // Избранные труды первой MHTIC "АИМ 2000", Тула: ТулГУ, 2000. С. 49-57.

90. Ямникова О.А. Особенности процесса нарезания резьб охватывающими фрезами //Технология машиностроения, М.: 2002, Л1> 6, С. 13 17

91. Ямникова О.Л. Повышение качества обрабатываемой поверхности в процессе точения. // Качество машин: Сб. тр. 4-й междунар. науч.- техн. конф., 10-11 мая 2001г.: В 2т./ Под общ. ред. Л.Г. Суслова.- Брянск: БГТУ, 2001.-Т 2. С. 248-250.

92. Ямникова О.Л. Построение математической модели колебаний нежесткого вала при обработке резанием // СТИН, М.: 2003, № 1, С. 18-21

93. Ямникова О.Л. Снижение вибрации при точении валов за счет стабилизации силы резания. // Сборник научных трудов ведущих ученых технологического факультета.- Тула, 2000. С. 52-55.

94. Ямникова О.Л. Стабилизация силы резания при точении / Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. Тула: ТулГТУ, 1997. 191 с.

95. Ямникова О.А. Технологические возможности устройства стабилизации силы резания. // Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов. Сб. трудов МНТК. Тула, ТулГУ, 1997, с. 41.

96. Ямникова О.Л., Дорохнн Н.Б. Динамика фрезерования впадин червяков охватывающими фрезами. // Материалы МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с.300-303.

97. Ямникова О.Л., Серегин Р.Н. Математическое моделирование динамики процесса нарезания трапецеидальной резьбы. // Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. Выпуск 6. Тула, 2001. - С. 223 - 228.

98. Ямникова О.А., Ульд Хадрами С.А. Кинетостатические погрешности при вихревом резьбонарезании. // Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 77-81.

99. Ямникова О.А., Ульд Хадрами С.А. Определение геометрических параметров срезаемого слоя при вихревом резьбонарезании. // Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 68-76.

100. Ямникова О.А., Ульд Хадрами С.А. Форма и размеры срезаемого слоя при нарезании червяков охватывающей фрезой. // Материалы МНТК "Современные проблемы проектирования и производства зубчатых передач". Тула, ТулГУ, 2000, с.293-296.

101. Ямникова О.А., Ульд Хадрами С.А., Дорохин Н.Б. Динамика резания при вихревом резьбонарезании. // Известия ТулГУ, сер. "Машиностроение", вып. 5, Тула, 2000, С. 81-85.

102. Arnold R. Mechanism of Tool Vibration in Cutting of Steel. // The Engineer, № 4686, 4687. 1945.

103. Doi S., Kato. Vibration of Lathe Tools. // Transactions of the ASME, vol. 78, 1956, № 5.

104. Salje E., Self-Excited Vibrations of systems with two degrees of freedom. // Transactions of the ASME, vol. 78, 1956, № 4.

105. Tobias S.A. and Fishwick W. Eine Theorie Regenerativen Ratterns. // Der Maschinenmarkt, vol. 62, № 17, 1956.

106. Tobias S.A. and Fishwick W. The chatter of Lathe tools under orthogonal Cutting conditions.//Transactions of the ASME, vol. 80, 1958, № 5.