автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Высокопроизводительное точение тонкостенных закалённых цилиндрических заготовок

На правах рукописи

Астахов Сергей Алексеевич х^я*-—^

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЕ ТОЧЕНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАКАЛЁННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ 2012

Тула-2012

005016671

005016671

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Грязев Михаил Васильевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Васин Леонид Александрович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», зав. кафедрой «Экономика и управление»

Ионов Олег Юрьевич кандидат технических наук, директор ООО «СОЛИД», г. Тула .

ФГУП ГНПП «СПЛАВ», г. Тула

Защита диссертации состоится «£ч/_» мая 20012 г. в ■/ У часов на заседании диссертационного Совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу:

300012, г. Тула, проспект Ленина, д. 92, 9-101.

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

Автореферат разослан а^З» апреля 2012 г. Ученый секретарь

Орлов Александр Борисович

Общая характеристика работы Актуальность темы

Современный этап развития техники требует точного изготовления деталей типа тонкостенных труб. Тонкостенные трубы, как и оболочковые конструкции, обеспечивая высокую плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности и, что особенно важно, в ответственных областях: нефтедобывающей, самолето- и ракетостроении, криогенной технике и холодильных установках, космических и воєнно - промышленных разработках. Одновременно с увеличением количества тонкостенных труб повышаются и технические требования к точности размеров поверхностей, формы и их взаимного расположения. В прецизионном машиностроении допуски составляют порядка микрометров. Известны решения по получению труб методами пластического деформирования. Для получения цилиндрических изделий повышенной точности успешно применяется раскатывание, однако его эффективность падает при обработке закаленных заготовок, поэтому приходится прибегать к окончательной обработке резанием. Резание по своей сущности менее производительно, чем пластическое деформирование, так как формообразование происходит не в объёме заготовки, а по её поверхности. При обработке резанием геометрически возможная точность формообразования снижается вследствие проявления технологической наследственности и собственно погрешностей точения. Практика показывает, что при интенсификации режимов резания обычно ухудшается точность обработки, возникают интенсивные вибрации.

Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров тонкостенных трубных деталей и снижающих трудоемкость их изготовления, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011), выполняемой по единому наряд - заказу на фундаментальные работы ТулГУ по плану 2012 г. и госбюджетной НИР № Тема НИР 10-10: "Автоматизация управления и проектирования промышленного оборудования и процессов"

Цель работы: разработка научно обоснованных высокопроизводительных технологий точения тонкостенных закаленных заготовок при обеспечении заданных геометрических параметров детали (точности размеров, форм и относительного положения поверхностей) и виброустойчивости процесса.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1) Исследовать систематические погрешности, возникающие вследствие упругих деформаций тонкостенных заготовок, при точении одним резцом.

2) Исследовать влияние упругих деформаций станка и цанговых оправок.

3) Создать методику определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками на базе аналитической модели.

4) Исследовать систематические погрешности, возникающие, при точении многорезцовыми головками.

5) Разработать технологическую оснастку для высокопроизводительного безвибрационного точения многорезцовыми головками.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

1) Результаты статистических исследований точности точения тонкостенных трубных заготовок, показывающие, что основную долю продольной погрешности обработки даёт упругая деформация стенки заготовки, особенно между зажимными элементами цанги (примерно 60%), а погрешность в поперечном сечении максимальна в местах зажима и определяется воздействием цанги на стенку заготовки.

2) Результаты экспериментальных исследований, которые показали, что погрешности формы детали зависят от радиальной составляющей силы резания Р , приведенной толщины стенки кк, погрешности формы и положения

внутренней поверхности, а также типа применяемой оправки.

3) Структурный критерий виброустойчивости Гаусса - Гурвица для одно и многорезцового точения, учитывающий параметры технологической системы (жесткость, демпфирующие способности, количество и расположение резцов, а также их геометрию, способ закрепления заготовки, конструктивные особенности цанговых оправок) в сочетании со свойствами заготовки (габариты, толщина стенки, физикомеханические свойства материала).

4) Математическую модель процесса многорезцового точения тонкостенных труб, учитывающую динамические изменения составляющих силы резания при возникновении вибраций в системе.

5) Комплекс технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндрических деталей. Рекомендации по повышению виброустойчивости процесса точения многорезцовыми головками за счёт их оснащения разработанными специальными гидромеханическими виброгасителями.

Научная новизна состоит в том, что:

-статистической обработкой результатов экспериментальных исследований выявлено, что типичными систематическими погрешностями при обработке тонкостенных трубных заготовок являются разностенность, кривизна образующих и некруглота поперечного сечения в виде равно или неравнофокусного эллипса;

- установлены зависимости систематических погрешностей от режимов резания, схемы базирования и жесткости технологической системы;

- разработано аналитического определения условий безвибрационного точения тонкостенных заготовок.

Практическая значимость

- Разработаны рекомендации по повышению точности и виброустойчивости процесса точения многорезцовыми головками за счёт их оснащения разработанными специальными гидромеханическими виброгасителями, рационального комбинирования геометрических параметров групп резцов

- Создан комплекс технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности закаленных тонкостенных цилиндрических деталей.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ВНПК «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты», Тула, 2011 г. Материалы МНТК Автоматизация: проблемы, идеи, решения. «АПИР-15», Тула, 2011 г., а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2012г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации,- 4; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов - 4; из них статей без соавторства - 5.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 138 наименований, 4 приложений на 22 стр. и включает 223 с. основного печатного текста, содержащего 99 ил., 16 табл. Общий объем 248 с.

Обзор содержания диссертации

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве деталей типа тонкостенных труб и технических требований, предъявляемых к их качеству. Отмечается, что повышение точности и производительности обработки тонкостенных цилиндров является весьма важной производственной задачей, причем ее решение особенно актуально для чистовой обработки наружной поверхности. Вопросам повышения точности токарной обработки посвящены ряд

работ B.C. Корсакова, А.П. Соколовского, A.M. Дальского, В.Г. Подпоркина, В.А. Скрагана, В.П. Кузнецова, С.А. Тиллеса, Х.М. Сарбаша, Б.М. Базрова, В.П. Хохулина, И.В. Мертсона, С.Ш. Микаеляна, P.C. Каплунова, Н.Б. Дорохина, A.C. Ямникова и др. В качестве примера в диссертации приводится анализ технологии изготовления конкретной детали (рис. 1).

fW/W//////// « S3 Cï

-s. s, •e! S

1SJ8m 15J8

Рис. 1. Конструкция детали типа тонкостенного цилиндра и основные технические требования: разностенность детали на участках до 125мм от торцов не более 0,25 мм, научастках от 125 мм до 155 mai от торцов не более 0,3 мм, на среднем участке не более 0,35 мм Кроме требований, указанных на рис. 1, нормируются также минимальная толщина стенки; наружный диаметр; внутренний диаметр; максимальная разностенность; биение внутренней поверхности относительно наружной; изогнутость наружной поверхности; изогнутость внутренней поверхности. Низкая жесткость подобных деталей приводит к тому, что под действием сил резания наблюдаются значительные деформации, вызывающие образование погрешностей формы в продольном и поперечных сечениях. В этих случаях положительные результаты могут быть достигнуты при обработке тонкостенных деталей многорезцовыми головками, в которых резцы расставлены в радиальном по отношению к оси детали. Подобная схема резания позволяет перераспределить силу резания из одной точки в несколько, равномерно расположенных по окружности, что исключает прогиб оси заготовки. Однако при использовании уравновешенной схемы резания небольшие колебания силы резания могут приводить к значительным перемещениям за счет зазоров в стыках технологической системы и, соответственно, вызывать вибрации технологической системы.

Проблемой обеспечения виброустойчивости точения занимались отечественные ученые: А.П. Соколовский, И.И. Ильницкий, И.С. Амосов, В.А. Скра-ган, В.А.Кудинов, Г.С. Лазарев, Н.Б. Дорохин, В.П. Кузнецов, A.C. Ямников, О.А Ямникова Н.А.Дроздов, А.И. Каширин,- и зарубежные: Ван дер Поль, С.Дои, Като, И. Тлустый, Чен Чжиган. Ими выполнена гамма фундаментальных исследований, объясняющих природу возникновения вибраций. При этом установлена связь между динамическими характеристиками и основами механики процесса резания, позволяющая глубже понять физическую суть динамики резания, лучше разобраться в причинах неустойчивости процесса. Однако эти

объяснения не позволяют без проведения экспериментальных работ установить безвибрационные режимы резания, особенно для многорезцовых головок. В конце главы формулируется цель работы и задачи исследования.

Во второй главе описываются результаты статистических исследований точности изготовления тонкостенных цилиндров в действующем производстве.

Объектом исследования явились основные геометрические параметры детали: наружный диаметр, внутренний диаметр и толщина стенки, которые измерялись в 12-ти поперечных сечениях (рис. 2), в каждом из которых размеры фиксировались в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и 7.

Измерения проводились на специальных многомерных и одномерных индикаторных приспособлениях (рис. 2) группами по 30 штук в каждой, что примерно соответствует одному периоду стойкости резца при обтачивании наружного диаметра. По результатам измерений, которые обрабатывались по стандартной программе, были получены следующие статистические характеристики: среднее квадратиче-ское отклонение, полигон и теоретическая кривая распределения, проверка гипотезы о виде

распределения по критерию Колмогорова, проверка гипотезы о случайности выборки, коэффициент рассеяния и коэффициент настроенности

Наибольшая погрешность формы в поперечном сечении наблюдается у торцов детали, а по мере удаления от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся практически незначимыми. То есть она сосредоточена именно на тех участках, где требования, предъявляемые к этому параметру, наиболее высокие. Наружная поверхность представлена совокупностью таких погрешностей, как седлообразность и бочкообразность.

Минимальные значения диаметра наружной поверхности приходятся на те сечения, в которых происходит контакт заготовки с зажимными элементами приспособления, а максимальные значения - в средней части и у торцов детали.

Относительно невысокая точность получения цилиндрических поверхностей тонкостенных цилиндров связана с образованием погрешности формы в

1,1 ----? 1

т 7Г<

измерения тонкостенных цилиндров:

а - наружного диаметра; б - внутреннего; в - разностенности

продольном и поперечном сечениях. Доминирующими видами погрешности в поперечном сечении являются:- для наружной поверхности: эллипсность и трехгранка;- для внутренней поверхности: эллипсность. Указанные погрешности существенно меняются по длине детали: от незначимо малых величин в средней ее части до максимальных у торцов детали. Образование продольных погрешностей связано с переменной жесткостью стенок детали, изменяющейся от максимальной в местах контакта с зажимными элементами цанговых оправок до минимальной у торцов детали. Образование разностенности связано с погрешностями формы цилиндрических поверхностей и с погрешностями их взаимного положения. Доминирующее влияние в образовании последней погрешности оказывает копирование биения наружной поверхности заготовки.

Третья глава посвящена исследованию деформаций технологической системы. Экспериментальным путем исследовалась жесткость станков, приспособлений и заготовок. Измерение статической жесткости производилось по традиционной методике у трех станков, имеющих различную степень изношенности. Измерения показали, что радиальная жесткость переднего и заднего центров у трех исследуемых станков примерно одинакова; жесткость пиноли в среднем в четыре раза меньше, чем жесткость шпинделя; распределение жесткости продольного суппорта по длине станины показало, что у двух станков при различных положениях поперечного суппорта значения жесткости вблизи передней бабки существенно изменяются и зависят от степени изношенности направляющих. Характер распределения жесткости оправки по оси имеет различный характер и зависит от типа оправки (рис. 3).

А-А

_,- ) -

^—, 1—■

Рис. 3. Типы оправок, применяемых для обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндров

Погрешности формы в продольном и поперечном сечениях образуются, как результат совместного прогиба оси заготовки совместно с оправкой, а так-

же прогиба стенки заготовки в процессе обработки. Степень влияния деформации оси и стенки заготовки на образование погрешностей существенно зависит от приведенной толщины стенки кк (с уменьшением это влияние увеличивается). Особенностью влияния оправки на точность обработки является образование в поперечном сечении такой специфической погрешности, как нерав-нофокусный эллипс. Подобное явление объясняется переменной жесткостью оправки в различных радиальных направлениях.

Величина погрешности формы детали зависит от следующих факторов: радиальной составляющей силы резания Р, приведенной толщины стенки Ик,

погрешности формы и положения внутренней поверхности и типа применяемой оправки. Используя количественные зависимости указанных параметров, представляется возможным по разработанной методике прогнозировать ожидаемую величину погрешности формы в продольном и поперечных сечениях.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы обеспечения виброустойчивости процесса точения тонкостенных трубных заготовок.

Упругие линейные деформации технологической системы по трем осям х, у, г и углу поворота заготовки вокруг оси Ог (рис. 4) описываются следующими уравнениями:

ту -иу + г\у ■йу + •иу

Iч,•(p + Ч<f■ф + Jv■(p = R^ЬPг. Здесь тъ, цу, лг, ЛФ " коэффициенты затухания;

Лх ="

ясо

-; Чу =-

У .

71 со

-; л<р =

Рис. 4. Схема технологических факторов, действующих при точении многорезцовыми головками

3х, 3у, - приведенные коэффициенты жесткости технологической

системы в зоне резания; 1(р - момент инерции; О - логарифмический декремент; Я — радиус заготовки, тх, ту, т2, - приведенные массы технологической системы по осям координат:

Л

ю

2\ту

А-

со

со2

где ю - круговая собственная частота колебаний технологической системы: со = 2я • /, в свою очередь/- частота собственных колебаний системы. Экспериментально определено для рассматриваемой системы/=460 Гц.

Тангенциальная составляющая силы резания Рт при многорезцовом точении будет направлена по касательной к поверхности резания (см. рис. 4). Индекс г зависит от номера инструмента: г = 1 ,...,п. Здесь п - количество резцов. Две остальных составляющих силы - радиальная Рк. и осевая Рх. были пересчитаны через линейный коэффициент:

РТ1 = СГ-^-А^Т.^-^У^-АУУ-К, (2) Ря,=кк-РХ1, (3)

Рх, =К-Р,Г (4)

где Ср - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала; /0 - глубина резания; - подача; у0 - скорость резания; ш, р, п - табулированные показатели степени; К - общий поправочный коэффициент, учитывающий изменение условий резания по отношению к табличным; кх, ку - линейные табулированные коэффициенты; Д/,, Дх,-, Ду,- - динамические изменения соответствующих режимов резания (глубины, подачи и скорости).

Решение системы (1) находили в виде: Iу=А-е"

-Ау-

(5)

А

и2=А2-е

Ф = Л'е"

В общем случае математическая модель динамических составляющих силы резания представляет собой линейные комбинации упругих колебаний и скоростей их изменения:

ДР2 = аХ2-ы + ау2 ■иу -и2 +афг -<р + -и2 -ф; ДРу = аху^ + ауу-иу+а2у-и2+а1Г,у-(р + а'22-й2+а'((,2-ф; (6)

[АРх

Эта модель может быть применима для численного моделирования при оценке критерия устойчивости процесса точения. Решения системы (5) представляют собой показательные функции относительно переменной 5, определяемые линейными коэффициентами Ах, Ау, А2 и Ат

Относительно коэффициентов система (1) представляет собой систему линейных алгебраических уравнений, при этом б выступает в роли параметра. Для того чтобы ответить на основной вопрос о том, при каких условиях (то есть при каких значениях исходных параметров) возникают автоколебания, не обязательно знать полное решение задачи. Система однородных уравнений относительно Ах, Ау, А2 и А,р имеет решение, не равное нулю, только в том случае,

если определитель системы равен нулю. Развернув детерминант относительно s, получили характеристическое уравнение системы (1).

A¡) -s8 + A¡ -s7 +А2 -s6 +А3 -s5 +А4 -s4 +A¡ -s3 + Аб -s2 + А7 -s + A8 =0.

Достаточно составить из коэффициентов характеристического уравнения системы, так называемые условия устойчивости (критерий Гаусса - Гурвица), которые указывают, в каком случае характеристическое уравнение имеет корень с положительной вещественной частью или не имеет его. Критерий устойчивости, то есть условия, при соблюдении которых ни один из корней уравнения не имеет вещественной положительной части.

Чтобы учесть все упругие колебания: продольно-крутильные и поперечные, - выполнялось имитационное моделирование процесса обработки резанием, для чего проводили линеаризацию динамических составляющих силы резания от самих величин погрешностей или их производных по времени. При этом устойчивость определялась для данной координаты зоны резания по длине заготовки (рис. 5).

Геометрические и физико-механические свойства заготовки, характеристики станка,, характеристики / суппортной группы/

Оценка устойчивости ПО структурному критерию

I

Задание режимов и схемы резания

Моделирование динамики процесса резания с учетом упругих колебаний

допустимые режимы и схема резания

Рис. 5. Схема выбора безвибрационных режимов резания

На каждом шаге рассчитываются текущие значения функций колебаний заготовки в зоне резания; погрешности режимов резания; и, наконец, динамические изменения силы резания, учитывающие вышеперечисленные параметры. При этом на каждой итерации необходимо проверять критерий устойчивости технологической системы: если система устойчива, то процесс продолжается, в противном случае - моделирование прекращается, запоминается и фиксируется момент времени и текущая координата зоны резания. В случае устойчивости

процесса результатом моделирования являются текущие режимы резания и, как следствие, изменения формы детали относительно номинальной.

Имея математический аппарат для качественной оценки виброустойчивости технологической системы и количественной оценки влияния упругих колебаний на динамические характеристики процесса многорезцового точения, можно алгоритмизировать действия по выбору безвибрационных режимов, а затем определять оптимальные режимы резания, исходя из желаемой производительности и обеспечения заданного качества обработанной поверхности. Полученный критерий устойчивости легко рассчитывается с помощью ЭВМ, что можно применять в практике.

Минимальная жесткость, №м

3500000 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

— Логарифмический декремент

Рис. 6. Зависимость минимально допустимой жесткости ТС от её логарифмического декремента при точении трёхрезцовой МРГ

На графике (рис. 6) показана зависимость минимально допустимой жесткости ТС (при которой резание является устойчивым) от её логарифмического декремента при точении трёхрезцовой МРГ тонкостенной заготовки из стали 30ХГСА, (Ш1С 33 ...38; ств =1100 Н/мм2); при следующих фиксированных режимах резания: V -скорость резания-136 м/мин; Б -диаметр обработки-54 мм; ( -глубина резания-0,5 мм; - подача на резец-0,23 мм/рез. Если соотношение жесткость ТС - логарифмический декремент

окажется ниже кривой на рис. 6, то необходимо принимать меры для повышения виброустойчивости процесса. При небольших отклонениях можно изменять в разумных пределах режимы резания с последующим пересчетом названного соотношения (время расчета на ПЭВМ типа Пентиум-4 составляет 5с). При значительном - принимать меры конструктивно - технологического характера. После того, как будет известно, что процесс устойчив по всей длине обрабатываемого участка, можно подбирать режимы резания. Так применение резцов с задним углом переходной грани а„ =0° (рис. 8), проведённое в ходе планированного эксперимента, показало полное отсутствие вибраций. Более практично использование следующих параметров резцов: ширина переходной грани 1п= 2 мм; задний угол переходной грани ап = 20'.

В пятой главе исследуется точность обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндров МРГ. Показано, что погрешность обработки в продольном направлении в значительной степени зависит от прогиба стенки заготовки под резцом. Данное утверждение справедливо как для однорезцовой, так и для многорезцовой обработки. В связи с этим повышение точности точения многорезцовыми головками за счет увеличения числа режущих кромок ограничено. Теоретически и экспериментально доказано, что существенное повыше-

ние точности может быть достигнуто за счет использования эффекта повышения жесткости самой деформированной заготовки в процессе ее обработки двумя группами чередующихся резцов - «тупых» и «острых», обеспечивающих существенное различие радиальных составляющих сил резания.

Резцы с уменьшенными значениями задних углов снимают основную часть припуска и развивают большие радиальные силы, а резцы с большими задними углами срезают излишне выпученный материал заготовки. Разработана методика проектирования операции точения многорезцовыми головками, включающая установление количества резцов в головке; их рациональной геометрии для двух групп резцов; установление режимов обработки (подачи и глубины резания); определение ожидаемой точности в зависимости от геометрических параметров инструмента и режимов обработки (рис. 7).

Рис. 7. Схема срезания припуска при обработке тонкостенного цилиндра:

А - тремя резцами; Б - двумя группами чередующихся резцов с различной геометрией

Подтверждено, что точение МРГ при использовании двух групп чередующихся резцов повышает точность обработки за счет уменьшения погрешностей формы в продольном направлении в 2,2 раза. Установлено, что точение МРГ позволяет повысить точность обработки также и за счет уменьшения погрешности формы в поперечном сечении, что достигается благодаря эффекту взаимной компенсации радиальных составляющих сил резания. В главе дано описание комплекса технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности. Оснастка включает в себя многорезцовые головки двух видов, кронштейны для крепления головок на суппорте токарного станка, резцовые блоки с элементами регулировки для бес-подналадочной смены, заточные приспособления, приспособления для контроля положения базовых поверхностей резцовых головок при их изготовлении. Проведена оптимизация значений геометрических параметров резцов методом Бокса-Уилсона. Полученные значения углов заточки резцов позволяют повысить стойкость наладки примерно в 1,3 раза.

Для более эффективного подавления вибраций предлагается использование многорезцовых головок, оснащенных виброгасителями, расположенными в

А

В

той же плоскости, что и резцы. Принцип действия виброгасителей основан на рассеивании энергии колебаний обрабатываемой детали за счет искусственно созданного сопротивления (рис. 8). При возникновении вибраций в процессе обработки стакан виброгасителя должен перемещаться внутри корпуса со скоростью колеблющейся детали, преодолевая сопротивление трения о внутреннюю поверхность корпуса, резиновые кольца, а также усилие пружины и сопротивление истечению жидкости через дроссельное отверстие.

Как показали испытания, предложенная конструкция виброгасителя, установленного в многорезцовую головку обеспечивает достаточно надежное гашение низко- и высокочастотных колебаний, возникающих при многосуппортной обработке.

Рис. 8. Многорезцовая головка с подвижным виброгасящим люнетом для точения цилиндрических поверхностей

В частности представленная головка позволила высокопроизводительно обтачивать нежесткие заготовки стволов охотничьих ружей Т03-34.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ В диссертации всесторонне исследованы операции чистовой обработки наружного диаметра тонкостенных цилиндров, осуществляемые единичным резцом и точением многорезцовыми головками, то есть несколькими резцами, радиально расположенными в плоскости, перпендикулярной продольной оси детали. Теоретически обоснована возможность повышения производительности и точности обработки при переходе к точению многорезцовыми головками. Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования позволили объективно оценить конкурирующие процессы по наиболее ответственному и важному для функционирования изделия критерию - точности обработки. Таким образом, можно считать, что в диссертации решена важная для машиностроения научная задача: повышение производительности токарной об-

работки наружных цилиндрических поверхностей тонкостенных заготовок при обеспечении их заданной точности и виброустойчивости процесса резания.

1. Показано, что низкая точность обработки тонкостенных цилиндров единичными резцами определяется погрешностями формы в продольном и поперечных сечениях, а также погрешностями взаимного положения цилиндрических поверхностей, образование которых в значительной степени связано с деформациями ТС. В общем балансе погрешностей наибольший удельный вес, примерно 60%, составляют погрешности, связанные с деформациями заготовки, а 30% - разжимной оправки. Наиболее существенные погрешности формы - в продольном направлении - возникают вследствие прогиба оси и стенок заготовки. Степень влияния каждого вида деформации на точность обработки зависит от приведенной толщины стенки.

2. Установлено, что вследствие деформаций разжимной оправки возникает специфическая для обработки тонкостенных цилиндров погрешность - не-равнофокусный эллипс. Непосредственной причиной образования неравнофо-кусного эллипса является неодинаковая жесткость оправки в различных радиальных направлениях.

3. Погрешности формы, характерные для тонкостенных цилиндров, возникают как при однорезцовой обработке, так и при точении многорезцовыми головками. Однако в последнем случае погрешности могут быть существенно уменьшены за счет уравновешивания действующих радиальных сил резания.

4. Доказано, что удовлетворительные по точности результаты при обработке тонкостенных цилиндров точением многорезцовыми головками могут быть получены лишь в случае оснащения головки двумя группами чередующихся резцов с различной геометрией.

5. В диссертации разработана методика определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками, включающая математический аппарат для качественной оценки виброустойчивости технологической системы и количественной оценки влияния упругих колебаний на динамические характеристики процесса многорезцового точения, который позволил построить алгоритм по выбору безвибрационных режимов. Для реализации структурного критерия определения виброустойчивости процесса точения была разработана программа для ЭВМ, определяющая численную зависимость минимально допустимой жесткости технологической системы от её логарифмического декремента и режимов резания при точении МРГ. При нарушении устойчивости системы следует менять режимы резания, геометрию резцов (задний угол на вспомогательной кромке) или применять дополнительные виброгасящие устройства.

6. Для внедрения процесса точения МРГ разработан комплекс технологической оснастки и проведена модернизация станков на операции чистовой обработки наружной поверхности детали 1 изделия черт. 9-01520. Эффективность разработанного процесса точения МРГ подтверждена результатами внедрения, позволившими повысить точность получения геометрических параметров в 2,2 раза; увеличить производительность операции чистовой обточки с 450 до 780 деталей в смену, сократить потери от брака на 60%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Астахов С.А., Сидоркин A.B., Маликов A.A. Экспериментальное определение жесткости технологической системы и ее влияние на точность обработки/ Известия ТулГУ, Серия «Технические науки», 2011, 4 вып., с. 302306.

2. Астахов С.А. Деформации обрабатываемой полой цилиндрической заготовки / Известия ТулГУ, Серия «Технические науки», 2011, 4 вып., с. 307-315.

3. Астахов С.А., Маликов A.A. Аналитическое определение погрешностей базирования тонкостенных труб при центрировании в двух плоскостях/Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. №6-1. 2011. С. 42 - 48.

4. Астахов С.А., Маликов A.A. Аналитическое определение условий виброустойчивости при точении тонкостенных цилиндрических заготовок многорезцовыми головками Известиях ЮЗГУ. 2012. №1 (40). 4.1. С. 258264.

5.Астахов С.А. Определение безвибрационных режимов точения при использовании критерия устойчивости/ Доклады ВНПК «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практич. результаты». Тула, 2011 г., с. 9-11.

6. Астахов С.А. Влияние упругих колебаний технологической системы на шероховатость обработанной поверхности. / Доклады ВНПК «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты». Тула, 2011г., с. 11-13.

7. Астахов С.А. Оптимизация геометрических параметров резцов для многорезцовых головок/ Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы МНТК «АПИР-15». В 2-х частях. 4.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 33-40.

8. Астахов С.А. Экспериментальное определение логарифмического декремента технологической системы/ Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы МНТК «АПИР-15». В 2-х частях. 4.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 40-43.

Изд. Лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 17.04.2012 Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 079

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

61 12-5/3261

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЕ ТОЧЕНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАКАЛЁННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени

На правах рукописи

Астахов Сергей Алексеевич

\

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Грязев Михаил Васильевич

Тула-2012

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................6

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ДЕТАЛЯМ ТИПА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ..............................................................................................16

1.1. Технические требования на изготовление деталей типа тонкостенных труб...........................................................................................16

1.2. Технологический процесс изготовления тонкостенных цилиндров. Пути повышения производительности обработки наружной поверхности.... 19

1.3. Обзор существующих способов повышения точности. Перспективы применения процесса точения МРГ..........................................27

1.4 Причины возникновения автоколебаний при резании. Известные пути снижения вибраций...................................................................................34

1.4.1. Теории возникновения автоколебаний при резании металлов .... 35

1.4.2. Вибрации при многорезцовой обработке..................................45

1.5. Выводы, цель работы и задачи исследования..................................49

2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ...........................................................................................................51

2.1. Оценка точности обработки диаметральных параметров...........51

2.2. Образование погрешности при обработке наружной поверхности .............................................................................................................................60

2.3. Гармонический анализ погрешностей формы тонкостенных цилиндров............................................................................................................65

2.4. Измерение диаметральных параметров тонкостенных цилиндров .............................................................................................................................68

2.5. Погрешности взаимного положения цилиндрических поверхностей .............................................................................................................................77

2.6 ВЫВОДЫ

88

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ......................................................................................................90

3.1. Жесткость станков..........................................................................90

3.2. Жесткость зажимного приспособления.........................................97

3.3. Деформации обрабатываемой заготовки.....................................102

3.4. ВЫВОДЫ.........................................................................................123

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА ТОЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ МНОГОРЕЗЦОВЫМИ ГОЛОВКАМИ..................................................................................................125

4.1. Модель упругих колебаний технологической системы.................126

4.1.1. Математическая модель процесса обработки точением тонкостенных труб...........................................................................................127

4.1.2. Математическая модель процесса многорезцового точения тонкостенных труб...........................................................................................135

4.2. Структурный критерий устойчивости технологической системы ...........................................................................................................................140

4.3 Математическая модель определения отклонения диаметрального размера при токарной обработке деталей типа тонкостенных труб.......142

4.4. Алгоритм определения устойчивости системы по структурному критерию..........................................................................................................145

4.5 Алгоритм численного расчета погрешности формы....................146

4.6. Анализ результатов математического моделирования устойчивости процесса многорезцового точения тонкостенных труб......150

4.7 Экспериментальное определение демпфирующих и технологических свойств системы................................................................152

4.7.1 Экспресс-метод расчета показателей качества технологической системы (логарифмического декремента колебаний)....................................152

4.7.2 Экспериментальное определение параметров безвибрационного резания..............................................................................................................155

4.8 Выводы..............................................................................................163

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТОЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ МРГ..........................................................................................165

5.1. Технологическая оснастка..............................................................165

5.1.1. Резцовые головки..........................................................................165

5.1.2. Заточка и контроль твердосплавных пластин.............................173

5.2. Точность точения МРГ..................................................................175

5.2.1. Продольные погрешности............................................................175

5.2.2. Погрешности формы в поперечном сечении при точении МРГ 181 5.2.3 Погрешности взаимного положения наружной и внутренней

поверхностей....................................................................................................183

5.3 Пути повышения точности и еиброустойчивости процесса точении МРГ....................................................................................................186

5.3.1. Применение двух групп резцов...................................................186

5.3.2. Оптимизация геометрических параметров инструмента...........194

5.3.3. Точение нежестких заготовок многорезцовыми головками с подвижным люнетом-виброгасителем............................................................202

5.4. Выводы.............................................................................................208

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................209

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................212

Приложение 1. Результаты статистического анализа точности

получения параметра 054-0,25........................................................................225

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета устойчивости процесса

многорезцового точения тонкостенных труб.................................................228

Приложение 2.1. Тест программы расчета устойчивости процесса

многорезцового точения тонкостенных труб.................................................228

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.2. Результаты расчета программы определения

устойчивости процесса многорезцового точения тонкостенных труб..........231

Приложение 2.2.1. Процесс многорезцового точения тонкостенных труб (3 резца)...................................................................................................231

Приложение 2.2.2. Процесс многорезцового точения тонкостенных

труб (6 резцов).................................................................................................234

Приложение 2.3. Форма ввода исходных данных программы расчета

устойчивости процесса многорезцового точения тонкостенных труб..........237

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Экспериментальное определение сил резания при

точении резцами с виброгасящей (зачистной) кромкой................................238

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Документы о внедрении.........................................244

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития техники требует точного изготовления тонкостенных труб. В настоящее время значительно увеличилось их количество в изделиях. Тонкостенные трубы, как и оболочковые конструкции, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности и, что особенно важно, в ответственных областях: нефтедобывающей, самолето - и ракетостроении, криогенной технике и холодильных установках, космических и военно -промышленных разработках. В специальных отраслях машиностроения находят широкое применение тонкостенные цилиндры с отношением длины к диаметру 8 ...12, работающие в условиях силовых и температурных импульсных нагрузок. К деталям рассматриваемого класса предъявляются весьма высокие требования по точности выдерживаемых параметров. Предприятия, специализирующиеся на массовом выпуске тонкостенных цилиндров, испытывают определенные затруднения, обусловленные значительной протяженностью и низкой жесткостью обрабатываемых заготовок.

Одновременно с увеличением количества тонкостенных труб повышаются и технические требования к точности размеров поверхностей, формы и их взаимного расположения. В прецизионном машиностроении эти требования достигают порядка микрометров и долей микрометра. Для таких дета-

лей важны все этапы изготовления, и законы технологической наследственности играют важную роль при разработке технологического процесса.

Вопросом технологической наследственности занимались A.M. Даль-ский [46,107], A.C. Васильев [111], А.Г. Суслов [107], A.C. Ямников [127], В.В. Семин [101] и другие ученые.

Наследственные связи как повышают, так и понижают показатели качества, поэтому важно на каждом этапе изготовления тонкостенных труб учитывать влияние их наследственности на характеристики детали. Явление технологической наследственности позволяет формировать оптимальные технологические среды и изменять свойства предмета производства в желаемом направлении. Некоторыми из важнейших факторов, влияющих на качество трубных деталей, являются исходные погрешности (овальность и кривизна оси), схема базирования и силы закрепления заготовки в технологическом приспособлении. Значимость этих факторов для качества детали отмечалась еще в работах основоположников технологии машиностроения: А.П. Соколовского [103], B.C. Корсакова [64,65].

Основное противоречие между процессами обработки тонкостенных трубных заготовок и качеством детали состоит в том, что базирование и закрепление происходят в условиях существования овальности, кривизны оси и низкой жесткости заготовки. Исходная овальность, кривизна оси заготовки и силы закрепления при любом технологическом воздействии влияют на деформацию заготовки и вызывают погрешность центрирования перед механической обработкой, сборкой или контролем. Для тонкостенных трубных деталей эти погрешности в ряде случаев превышают допуск и могут вывести деталь из разряда прецизионных.

Кроме этого, погрешности формы у труб еще оказывают влияние на последующие технологические процессы. Так, например, на одном из машиностроительных предприятий в среднем около 15-5-17% сборок тонкостенных труб не удовлетворяют требованию чертежа по радиальному биению, несмотря на то, что все детали проходят контроль ОТК. Такие сборки переби-

рают и подвергают ручному подбору с использованием большого количества слесарей-сборщиков высокой квалификации. Это увеличивает трудоемкость и снижает производительность сборки. Применяемые технологические процессы и оснастка не обеспечивают гарантированного обеспечения точности механической обработки при получении деталей из холоднотянутых, прогрессивных по форме заготовок, но имеющих погрешности формы и взаимного положения поверхностей в пределах 15-16 степени точности. На другом предприятии до 6% сборок не выдерживают заданного избыточного давления при гидроиспытаниях, а у 10% сборок односторонний зазор в стыке деталей при свинчивании их по резьбовому замку больше допустимого.

Для достижения требуемой точности при традиционно существующей однорезцовой обработке приходится существенно снижать режимы обработки, но и это не исключает значительных потерь от брака. В данном случае наиболее перспективным направлением является увеличение количества одновременно работающих резцов, расположенных с равномерным угловым шагом в плоскости, перпендикулярной продольной оси детали. Такую схему в дальнейшем будем называть точением многорезцовыми головками (МРГ).

Достижение высокой точности геометрических параметров при обработке тонкостенных цилиндров является весьма сложной задачей, зависящей от большого количества факторов, как при традиционной однорезцовой обработке, так и при переходе к обработке МРГ. Это послужило основанием для тщательного изучения точности изготовления тонкостенных цилиндров в условиях действующего массового производства (при однорезцовой обработке) с тем, чтобы результаты исследования в максимальной степени использовать для разработки процесса многорезцовой обработки. Результаты статистического анализа точности получения основных геометрических параметров показали, что наиболее низкой является точность наружного диаметра. Связано это с погрешностями формы в продольном и поперечном сечениях. Установление вида погрешностей с помощью гармонического анализа дало основание предположить, что причина, их вызывающая - деформации

технологической системы. Исследование жесткости технологической системы показало, что наиболее «слабыми» звеньями системы являются заготовка и оправка, причем в суммарной погрешности обработки доминирующую роль играют деформации оси и стенок заготовок.

При измерении жесткости оправок было отмечено, что радиальная жесткость в различных направлениях имеет существенные отклонения. Подобное явление объясняет один из наиболее распространенных видов погрешности обрабатываемой детали, поперечное сечение которой имеет профиль неравно-фокусного эллипса.

Основываясь на полученных выводах, можно утверждать, что использование процесса точения многорезцовыми головками (МРГ), при котором радиальные составляющие силы резания взаимно компенсируют друг друга, будут способствовать повышению точности обработки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса точения МРГ первые же попытки его осуществления привели к отрицательному результату, что объясняется возникающими вибрациями, 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 точения. Появление колебаний обусловлено наличием и взаимным влиянием технологических условий резания, внешних возмущающих сил и характеристик упругой технологической системы (ТС).

Предлагаемая работа является продолжением серии работ по виброустойчивости технологических систем (в том числе и при многорезцовом точении), выполненных в Тульском государственном университете (До-рохин Н.Б., Кузнецов В.П., Васин JI.A., Васин С.А., Чень Чжиган, Ямников A.C., Ямникова O.A.). В упомянутых работах были рассмотрены вопросы виброустойчивости технологической системы при точении, в том числе длинных валов.

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве деталей типа тонкостенных труб и технических требований, предъявляемых к их качеству. В конце главы формулируется цель работы и задачи исследования.

Цель работы: разработка научно обоснованных высокопроизводительных технологий точения тонкостенных закаленных заготовок при обеспечении заданных геометрических параметров детали (точности размеров, форм и относительного положения поверхностей) и виброустойчивости процесса.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1) Исследовать систематические погрешности, возникающие вследствие упругих деформаций тонкостенных заготовок, при точении одним резцом.

2) Исследовать влияние упругих деформаций станка и цанговых оправок.

3) Создать методику определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками на базе аналитической модели.

4) Исследовать систематические погрешности, возникающие, при точении многорезцовыми головками.

5) Разработать технологическую оснастку для высокопроизводительного безвибрационного точения многорезцовыми головками.

При решении поставленных задач использовались следующие методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

Во второй главе описываются результаты статистических исследований точности изготовления тонкостенных цилиндров в действующем производстве.

Установлено, что относительно невысокая точность получения цилиндрических поверхностей тонкостенных цилиндров связана с образованием погрешности формы в продольном и поперечном сечениях. Доминирующими видами погрешности в поперечном сечении являются:- для наружной поверхности: эллипсность и трехгранка. Указанные погрешности существенно меняются по длине детали: от незначимо малых величин в средней ее части до максимальных у торцов детали. Образование продольных погрешностей связано с переменной жесткостью стенок детали, изменяющейся от максимальной в местах контакта с зажимными элементами цанговых оправок до минимальной у торцов детали. Образование разностенности связано с погрешностями формы цилиндрических поверхностей и с погрешностями их взаимного положения. Доминирующее влияние в образовании последней погрешности оказывает копирование биения наружной поверхности заготовки.

Третья глава посвящена исследованию де