Оценка влияния конструктивно-геометрических параметров и вибрационных характеристик концевых дереворежущих фрез на качество обработки материала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат наук Лужанский Дмитрий Анатольевич

• Лужанский Дмитрий Анатольевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Лужанский Дмитрий Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности обработки фрезерованием сложнопрофильных поверхностей из древесины и древесно-композитных материалов

1.2 Станко-инструментальное обеспечение процесса многокоординатного фрезерования древесины и древесно-композитных материалов

1.3 Технологическое обеспечение процесса фрезерования древесины с учетом анизотропии её строения

1.3.1 Характеристики режима резания и их воздействие на показатели процесса фрезерования древесины

1.3.2 Зависимость технологических характеристик процесса фрезерования древесины от конструктивно-геометрических параметров инструмента

1.3.3 Особенности процесса торцового фрезерования древесины

1.4 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА КОНТУРНОГО

ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ КОНЦЕВЫМИ ФРЕЗАМИ

2.1. Модель процесса резания древесины с учетом кинематики торцового фрезерования концевыми фрезами

2.2 Модель процесса фрезерования древесины концевыми фрезами с учетом вынужденных колебаний инструмента

2.2.1 Возмущающие воздействия на инструмент при обработке древесины концевыми фрезами

2.2.2 Математическое описание колебательного процесса при фрезеровании древесины концевыми фрезами

2.3 Трехмерная модель процесса фрезерования древесины концевыми фрезами. 55 2.3.1 Определение собственных частот и форм колебаний концевых дереворежущих фрез

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Экспериментальная установка

3.1.1 Общая характеристика установки

3.1.2 Экспериментальные концевые дереворежущие фрезы

3.1.3 Измерительный комплекс

3.2 План экспериментальных исследований и методическая сетка опытов

3.3 Методика проведения измерений виброускорений и определения качества обработанной поверхности при фрезеровании древесины концевыми фрезами с различными конструктивно-геометрическими параметрами

3.4 Селективный отбор и обработка результатов опытов

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Амплитудно-частотные характеристики собственных резонансных колебаний концевых дереворежущих фрез

4.2 Характеристики уровней колебаний инструмента при фрезеровании древесины концевыми фрезами

4.3 Влияние конструктивно-геометрических характеристик концевых фрез на качество поверхности при обработке древесины

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ КОНЦЕВЫХ ДЕРЕВОРЕЖУЩИХ ФРЕЗ

5.1 Геометрия режущей части экспериментальных концевых фрез

5.2 Количество режущих элементов фрезы

5.3 Окружной шаг режущих элементов

5.4 Угол наклона винтовой канавки

5.5 Стружкоделительные канавки

5.6 Вывод по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка влияния конструктивно-геометрических параметров и вибрационных характеристик концевых дереворежущих фрез на качество обработки материала»

Актуальность работы.

Современное производство изделий с поверхностями сложной формы в специальном машиностроении характеризуется высокими требованиями к точности форм и размеров, получаемых деталей. Эти требования приводят к необходимости совершенствования всей технологической цепочки производства таких деталей, начиная с получения литых заготовок высокого качества в литейном производстве.

Особенностью литейного производства является широкая номенклатура изготавливаемых деталей, их большое разнообразие, высокая сложность изготовления, а также мелкосерийный и даже единичный тип производства. Эти факторы обусловили широкое распространение деревянных модельных комплектов, обеспечивающих изготовление форм для литья разнообразных деталей, в том числе сложнопрофильных. Модельные комплекты обеспечивают формирование внутренних и внешних поверхностей отливок, от точности их изготовления зависит степень точности формы и размера будущей отливки. Изготовление модельных комплектов из древесины и древесно-композитных материалов со сложнопрофильными поверхностями (СИП) связано с высокой сложностью изготавливаемых деталей.

Механическая обработка СПП проводится на станках с ЧПУ концевыми дереворежущими фрезами (КДФ) с разнообразными конструктивно-геометрическими параметрами, в то же время информации по применению концевых фрез с конкретными параметрами при определенных режимах обработки древесины недостаточно.

Конструкции КДФ требуют совершенствования и уточнения конструктивно-геометрических параметров и вибрационных характеристик, поэтому проведение целенаправленных исследований в этом направлении актуально.

Цель и задачи работы. Цель исследования - оценка влияния конструктивно-геометрических параметров и вибрационных характеристик концевых дереворежущих фрез на качество обработки материала.

Для достижения цели определены задачи.

1. Провести анализ исследований по влиянию конструктивных параметров дереворежущих фрез на качество обработки материала и уточнить направление исследования.

2. Разработать математическую модель силовых полей процесса резания при контурном фрезеровании древесины.

3. Разработать методику экспериментальных исследований параметров вибраций в системе СИД при контурном фрезеровании древесины.

4. Установить зависимости уровня вибрации и качества обработанной поверхности древесины и древесно-композитных материалов от конструктивно-геометрических параметров инструмента.

5. Разработать практические рекомендации для проектирования и конструирования концевых дереворежущих фрез.

Научная новизна работы.

1. Разработана и научно обоснована математическая модель силовых полей процесса контурного фрезерования древесины КДФ, для расчета составляющих сил резания в зависимости от конструктивно-геометрических параметров инструмента.

2. Разработана новая методика экспериментальных измерений среднеквадратического значения (СКЗ) виброускорения предмета обработки при торцовом фрезеровании древесины, как энергетической характеристики процесса резания древесины.

3. Получены регрессионные зависимости качества обработки древесины и СКЗ виброускорения процесса торцового фрезерования КДФ от конструктивно-геометрических параметров инструмента.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Математическая модель силовых полей процесса контурного фрезерования древесины и алгоритм расчета составляющих сил, действующих на КДФ во время резания.

2. Регрессионные взаимосвязи качества обработки поверхности ДКМ и величин СКЗ виброускорения в процессе фрезерования материала от конструктивно-геометрических параметров инструмента.

Методы исследования.

Теоретические исследования выполнены на основе теории резания древесины. Экспериментальные исследования проведены с использованием теории планирования эксперимента и статистической обработки. Измерение и обработка данных проведены на аппаратуре с государственными поверочными свидетельствами.

Достоверность результатов исследования

Достоверность результатов подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований, использованием современных научных методов, поверкой измерительных приборов.

Практическая значимость работы.

1. Предложенная математическая модель силовых полей процесса контурного фрезерования древесины позволяет рассчитывать составляющие сил резания для различных сочетаний конструктивно-геометрических параметров инструмента.

2. Разработаны практические рекомендации по повышению качества обработанной поверхности и по снижению вибрации в системе СИД при обработке древесины и древесно-композитных материалов.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований представлены на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова «Развитие северо-арктического

региона: проблемы и решения» (г. Архангельск, 2016), региональной научно-практической конференции «XLVII Ломоносовские чтения» (г. Северодвинск, 2018), международных конференциях: VII международная научно-техническая конференция «Строительная наука XXI век», посвященная 100-летию со дня рождения ученых СПбГАСУ (ЛИСИ) В.А. Лебедева, В.А. Трулля, Е.И. Светозаровой (г. Архангельск, 2016), XIX научно-практическая конференция «Достижения и проблемы современной науки» (г. Санкт-Петербург, 2017), II Всероссийская научная конференция с международным участием «Информационные технологии в моделировании и управлении: подходы, методы, решения» (г. Тольятти, 2019).

Личный вклад автора.

Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора работ по теме исследования, определении цели и задач исследования, разработке математической модели силовых полей при контурном фрезеровании древесины концевыми фрезами, создании экспериментальной установки, разработке методики экспериментальных исследований, статистической обработке данных и анализе результатов исследования, формулировании выводов и рекомендаций по результатам исследования, подготовке и написании научных статей по теме диссертации. Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе в научных изданиях по перечню ВАК (3), в базе Web of Science (4). Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературных источников из 144 наименований. Работа представлена на 120 страницах, включая 43 рисунка и 24 таблицы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности обработки фрезерованием сложнопрофильных поверхностей из древесины и древесно-композитных материалов

Древесина и древесно-композитные материалы широко используются в различных отраслях промышленности, строительстве, мебельном производстве и др. Одним из видов применения древесины и древесных материалов является изготовление деревянных модельных комплектов в литейном производстве.

Модельный комплект - набор специальной оснастки, предназначенной для получения литой заготовки какой-либо детали. Модельный комплект может включать в себя модели, комплект шаблонов, литниковую систему, подмодельные плиты и другие элементы.

Деревянные модельные комплекты служат для формирования отливок будущих деталей и от качества их внутренних и внешних поверхностей зависит качество получаемых с их помощью отливок и трудоемкость будущей механической обработки для получения окончательной формы деталей [12, 52, 110, 111].

Литейное производство часто характеризуется мелкосерийным и единичным типом производства. Важное место в нем занимает производство моделей. Модели разделяются на классы сложности, представленные в таблице 1.1. Одной из сложных задач, решаемых модельным производством является создание моделей объектов, имеющих поверхности со сложным профилем для получения которых необходимо применение обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ).

Особенность сложнопрофильных поверхностей (СПП) в их описании не стандартным набором простых поверхностей - плоскостей, цилиндров, конусов, а поверхностями, задаваемыми набором точек или кривых в пространстве. Типичными примерами таких поверхностей являются лопатки турбин, детали

корпуса самолетов и судов, гребные винты. Пример гребного винта, как СПП представлен на рисунке 1.1.

Таблица 1.1 - Категории сложности изготовления моделей

Категория сложности модели Характеристика сложности поверхностей, образующих модель

I Модели простейшей конфигурации, стенки которых образованы прямолинейными плоскостями под прямым углом. Простые цилиндрические модели из косяков и сегментов. Модельный комплект имеет от 1 до 3 простых стержневых ящиков.

II Модели, стенки которых образованы прямолинейными плоскостями под прямым углом, с единичными выступами и углублениями простой конфигурации, без ребер. Модельный комплект имеет до 5 простых стержневых ящиков и знаковые части на моделях.

III Модели для отливок, конструкция которых построена на 2-3 осевых линиях. Стенки моделей образуются прямолинейными и криволинейными поверхностями. На поверхности присутствует небольшое число выступов, углублений, плавных переходов. Модельный комплект имеет до 7 стержневых ящиков, до 6 отъемных частей.

IV Модели для отливок, конструкция которых построена более, чем на трех осевых линиях. Стенки моделей состоят из прямолинейных и криволинейных поверхностей, пересекающихся под любыми углами. На поверхностях и стенках имеется значительное количество выступов, ребер, углублений. Модели имеют сложные отъемные части. Модельный комплект имеет свыше 7 стержневых ящиков со сложными знаковыми частями.

Продолжение таблицы 1.1

V Модели для отливок, конструкция которых построена на большом количестве главных и вспомогательных линий, находящихся под разными углами в разных плоскостях. На поверхностях и стенках имеется значительное количество выступов, ребер, углублений, пазов и сложных отъемных частей. Модельный комплект имеет свыше 10 стержневых ящиков.

VI Модели для отливок, конструкция которых построена на большом количестве главных и вспомогательных линий, находящихся под разными углами в разных плоскостях. Стенки моделей образованы преимущественно криволинейными поверхностями, построение которых дается развертками, вспомогательными построениями и шаблонами. Модельный комплект имеет свыше 12 стержневых ящиков с весьма сложными знаковыми частями.

Рисунок 1. 1 Общий вид объекта со сложнопрофильной поверхностью

Широко распространенным видом обработки древесины и древесных материалов, применяемым для производства литейных моделей является фрезерование. На различных предприятиях часто используется станочный парк фрезерных станков, не позволяющих получать достаточное качество поверхности моделей, это приводит к необходимости большого количества ручного труда при их изготовлении.

Стремление к снижению трудоемкости стимулирует предприятия различных отраслей деревообрабатывающей промышленности внедрять обрабатывающее оборудование, оснащенное системами ЧПУ. К таким отраслям следует отнести прежде всего производство строительных материалов и мебельное производство. В последние годы на рынке появилось множество фрезерных станков, имеющих от 3 до 5 координат, предназначенных для художественной обработки древесины.

Многокоординатное фрезерование, используемое для обработки изделий из древесины и древесных материалов, находит широкое применение и на машиностроительных предприятиях. Это связано с широкой номенклатурой, высокой трудоемкостью и продолжительным циклом изготовления отливок, особенно крупногабаритных. Номенклатура изделий таких производств может достигать нескольких тысяч, а их масса колеблется от 0,1 до 1500 кг. Для крупногабаритных отливок, получаемых литьем в глиняно-песчаные формы, древесина является основным материалом, из которого изготавливают модельные комплекты. Поскольку производство крупногабаритных машиностроительных изделий, является в основном мелкосерийным или единичным, проблема технологической трудоемкости является очень острой. Так, по данным [118] стоимость литейной оснастки для крупногабаритных отливок в стоимости готового изделия может достигать 50 %, что связано с высокой удельной долей ручных работ.

Первым технологическим этапом изготовления отливки является изготовление деревянной литейной модели. Этот этап формирует базу для будущей отливки, он определяет насколько точно форма и размеры отливки будут соответствовать размерам детали, заложенным в чертеже. Точность изготовления

модельно-стержневой оснастки определяется в соответствии с ГОСТ 3212-92. Примеры модельного комплекта и готовой модели представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 а) Модельный комплект из древесины

%

45,0

40

35,0

30

25,0

20

15,0

10

5 0

Модельные работ ы 40,0%

е Прочие 26,9%

ын Ст аночные работ ь 25,5% ы т о

■к,0 "о б а р %

&

Ье £ 1 аМ

Рисунок 1.3 а) Показатели трудоемкости изготовления литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов для отливок изделий общего

машиностроения;

%

45

40

35

30

25

20

15

10

Модельные работы 38,8%

е ы

н К

% рот 6 г> ОВ Прочие 24 6%

Станочные работы 22 4% ы

нр 1 т тоб а

ные р 2,3%

! а

М

5

0

б)

Рисунок 1.3 б) Показатели трудоемкости изготовления литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов для отливок изделий с

поверхностями двоякой кривизны.

Сравнение трудоемкости изготовления разных видов моделей из древесины и древесно-композитных материалов для отливки изделий с разной сложностью поверхности на предприятиях судостроения в г. Северодвинске показало, что для обработки 1 м3 древесины при изготовлении моделей необходимо в среднем 42 нормочаса (н/часа), а при изготовлении моделей изделий со СПП (таких как гребной винт) требуется 61 н/час трудоемкости[68].

На рисунке 1.3 представлено распределение трудоемкости изготовления литейных моделей по этапам работ по данным работы [68]. Показатели трудозатрат достаточно высоки и связано это с тем, что качество формообразующих операций механической обработки поверхностей моделей для изделий обеспечивается в основном в ручном режиме и определяется квалификацией исполнителей. Наиболее перспективным путем, позволяющим снизить трудоемкость и себестоимость изготовления модельной оснастки, является внедрение для основных формообразующих операций обработки поверхностей моделей технологических центров с ЧПУ. Многофункциональные 3-5-осевые центры с ЧПУ, оснащенные точными системами позиционирования и высокоскростными шпинделями, обеспечивают гибкость производства и повышение точности изготовления элементов модельной оснастки. Все вышесказанное в полной мере относится и к таким областям деревообрабатывающей промышленности, как производство мебели, строительных материалов, для форматной обрезки и других областей.

Анализ опыта внедрения на различных предприятиях промышленности обрабатывающих центров при изготовлении деревянных моделей и модельной оснастки показывает значительное снижение трудоемкости изготовления деревянных модельных комплектов. Следовательно, внедрение обрабатывающих центров в производство моделей из древесины и древесно-композитных материалов актуально.

1.2 Станко-инструментальное обеспечение процесса многокоординатного фрезерования древесины и древесно-композитных материалов.

Основные принципы автоматизированного процесса подготовки производства изделий на станках с ЧПУ были сформулированы в 70-х годах прошлого столетия [46]. В 80-е годы исследователи работали над автоматизацией программирования процессов механической многокоординатной обработки с числовым программным управлением [44, 54].

Так, в работе [44] рассмотрена технология воспроизведения сложных поверхностей с помощью копиров и с использованием графических построений, приведены разнообразные методы копирования, которые разработаны в разное время И. А. Дружинским, А. Г. Назаровым, М. Г. Именитовым, А. Н. Бобровым. Эти методы обеспечивают процессы обработки трехмерных и двухмерных поверхностей фрезерованием одно- и двухсторонними строчками по копирам с использованием фасонных копировальных фрез. Вопросам формообразования геометрии поверхностей двоякой кривизны на станках с ЧПУ посвящены работы [3, 97, 98, 99]. Основная часть работ посвящена методам и стратегии обработки для разработки управляющих программ на станках с ЧПУ способам управления инструментом [3, 8]. Управляющая программа - это копир в неявном виде. Все упомянутые выше работы относят к области металлообработки.

Как было сказано выше в настоящее время в деревообрабатывающей промышленности наблюдается значительный рост количества станков с ЧПУ. Деревообрабатывающие центры с ЧПУ эффективно применяются в разных отраслях деревообрабатывающей промышленности: в производстве мебели, при производстве строительных конструкций и др. Одним из преимуществ обрабатывающих центров является их гибкость и легкая перенастройка на обработку нового изделия, что дает большое преимущество их использования в мелкосерийных и единичных производствах.

Основу конструкции обрабатывающего центра составляет мощная станина, которую обычно собирают в виде жесткой сварной конструкции достаточно

устойчивой к деформациям и вибрациям. Станина имеет значительный вес, что обеспечивает демпфирование вибрации, которая возникает в процессе работы станка и передается на его основание. На основе могут быть смонтированы такие функциональные механизмы станка, как механизм базирования заготовки, ходовая стойка, суппорт с несколькими обрабатывающими головками, направляющие координат, магазин для сменного дереворежущего инструмента, механизм управления и др. Столы обрабатывающих центров могут отличаться размерами, конфигурацией и способом фиксации заготовки. Для разных заготовок могут потребоваться разные условия закрепления, например, для обработки заготовок из прочных материалов требуются большие силы резания, что требует особого внимания к надежности их крепления. Для фиксации таких заготовок на столе обрабатывающего центра используют не только вакуумные прижимные устройства, но также и дополнительные крепежные элементы. Для получения обработанной поверхности высокого качества необходимо, снижение вибрации заготовки, а, следовательно, механизмы фиксации должны быть достаточно жесткими. На станину обрабатывающего центра устанавливается ходовая стойка. Она перемещается по продольным направляющим в направлении оси Х, скорость перемещения может достигать 100 м/мин. На ходовой стойке устанавливается может быть установлено несколько суппортов, а также магазины для смены инструмента.

Следует отметить, что исследовательских работ по систематизации научно-технической информации, касающейся обрабатывающих центров в области деревообработки, выполнено пока мало. Наиболее значимой следует признать попытку систематизации информации по классификации и компоновкам деревообрабатывающих центров, выполненную С.В. Гайдой (Украина). Приведенная ниже структура классификации осуществлена с учетом этой работы.

Деревообрабатывающие центры с ЧПУ классифицируют по разным признакам, основные из них -технологическое назначение, уровень компоновки; количество степеней свободы; вид принципиальной схемы; конструктивные

признаки; конструктивная проработка; вид системы управления; вид обслуживающих устройств.

По признаку назначения различают центры:

- для сверлильно-присадочных работ;

- для обработки плоских деталей;

- для обработки объемно-фасонных деталей;

- для обработки деталей с формой тел вращения;

- для контурной обработки изделий.

По уровню компоновки обрабатывающие центры делятся на три группы:

К первой группе относят узкоспециализированные центры, выполняющие одну основную технологическую операцию. Это сверлильно-присадочные центры, угловые центры, раскроечные центры, токарные центры. Ограничение по количеству выполняемых технологических операций и количеству столов делает такие центры самыми доступными на рынке.

Ко второй группе можно отнести центры повышенного класса точности, которые выполняют лишь фрезерные работы концевыми фрезами. Такие центры с ЧПУ часто доукомплектовываются дополнительными шпинделями, сверлильно-присадочными, пильными и иными узлами.

К третьей группе можно отнести центры класса маршрутных, которые предназначены для выполнения фасонно-фрезерных работ. Такие центры обеспечивают бесступенчатое фрезерование криволинейных поверхностей.

По количеству степеней свободы (количеству одновременно управляемых координат) обрабатывающие центры делятся на:

- с 1 - 3 степенями свободы (например, раскроечные, сверлильные);

- с 2 - 4 степенями свободы (например, присадочные, токарные);

- с 4 - 6 степенями свободы (например, центры для выполнения фасонно-фрезерных работ);

- с 5 - 6 степенями свободы (например, центры для выполнения ажурных работ).

Режущий инструмент, используемый в обрабатывающих центрах с ЧПУ, может иметь разное число степеней свободы в зависимости от поставленных задач:

- две степени свободы позволяют фрезеровать криволинейный паз на плоской детали (контурное фрезерование);

- три степени свободы позволяют фрезеровать различные наклонные и фасонные поверхности;

- четвертая, пятая и выше степени свободы дают возможность полноценного формообразования поверхностей двоякой кривизны.

По виду принципиальной схемы центры с ЧПУ делятся на:

- позиционного типа;

- проходного типа;

- циклового типа;

- роторного типа.

По конструктивным признакам центры с ЧПУ подразделяются:

- по количеству одновременно обрабатываемых деталей;

- по количеству одновременно обрабатываемых сторон заготовки;

- по количеству позиций обработки;

- по количеству шпинделей с головным рабочим органом;

- по количеству рабочих столов.

Обрабатывающие центры могут использоваться в маятниковом режиме работы, когда на одном столе ведется обработка детали, а на другом производятся съем обработанной детали и позиционирование заготовки для последующей обработки.

В зависимости от конструктивного уровня различают центры с ЧПУ:

1) по возможности установки двух или более одинаковых или принципиально разных агрегатов;

2) по разновидности столов двух и более:

а) консольных с автоматизированными вакуумными траверсами, оснащенными вакуумными присосками,

б) столов с маятниковым режимом работы,

в) тандемных (сдвоенных) столов, работающих в маятниковом режиме, с сдвоенным или строенным оснащением центра фрезерными агрегатами,

г) монтажного стола с ЧПУ и вакуумным закреплением деталей, который может поворачиваться для полноценной;

3) по точности позиционирования режущего инструмента в исходное положение перед началом обработки и в процессе обработки. Обрабатывающие центры делят по классам точности позиционирования и обработки следующим образом:

а) прецизионные, дающие погрешность размеров 0,02 ... 0,1 мм,

б) высокой точности, с погрешностью размеров 0,1 ... 0,5 мм;

в) точные - 0,6 ... 1,0 мм;

г) средней точности - 1,1 ... 2,0 мм;

д) низкой точности - больше 2,0 мм;

4) по частоте вращения шпинделя, управляемой программой (от 500 до 36000 мин-1), позволяющей получить обработанную поверхность с требуемой шероховатостью при высокой точности исполнения; по скорости перемещения режущего инструмента в зону резания (5...10 м/с), скорости поворота шпинделя (до 180 °/с);

5) по производительности вакуумной установки для фиксации крупногабаритных и шероховатых заготовок;

6) по наличию автоматической системы для объемного сканирования детали в ЧПУ. Такая система сокращает время на подготовку производства новых сложных изделий;

7) по объему рабочей зоны (0,1.20 м3), в которой может пребывать обрабатываемая заготовка.

Деревообрабатывающий центр оснащен системой с числовым программным управлением, которая может быть позиционной, контурной или комбинированной.

Позиционная система ЧПУ обеспечивает установку рабочего органа в позицию, которая задана управляющей программой и перемещение его по главной траектории. Ее используют для управления сверлильно-назовальными центрами и

там, где скорость и траектория перемещения рабочих органов не связаны с точностью обработки.

Контурная система ЧПУ обеспечивает перемещение рабочего органа центра по заданной траектории с заданной контурной скоростью. При этом осуществляется непрерывное управление инструментом по каждой из координат последовательно или одновременно по нескольким координатам. Такая система применяется для управления токарными и фрезерными центрами и позволяет обрабатывать криволинейные поверхности деталей. Контурная система обеспечивает деревообрабатывающему центру до трех степеней свободы. Комбинированная система ЧПУ представляет собой комбинацию контурной и позиционной систем, которые обеспечивают ДЦ четырьмя и более степенями свободы с возможностью выполнять фасонно-фрезерные работы.

Номенклатура фрез, выпускаемых фирмами-производителями режущего инструмента, такими как Felisatti, Makita, Tideway, DJTOL и др., довольно широка. Следует отметить, что фрезы, используемые для обработки на станках с ЧПУ, имеют довольно много конструктивных особенностей: значительные углы наклона винтовых стружечных канавок, торцовые кромки, стружкоделительные канавки, различное число режущих элементов, фасонный профиль и другие особенности. Так как шпиндели станков с ЧПУ имеют очень высокую частоту вращения, достигающую до 36000 об/мин, то при подготовке фрезы к работе необходимо обратить пристальное внимание на балансировку инструмента. Балансировка бывает статическая и динамическая. При этом статическая балансировка уравновешивает силы, действующие на вращающуюся фрезу, а динамическая балансировка уравновешивает также и моменты сил, действующие при вращении инструмента. Для динамической балансировки необходимы специальные балансировочные станки, а статическая балансировка производится в специальной оправке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лужанский Дмитрий Анатольевич, 2020 год

// //

/у // \

и \

л I

и

/ // ФЫц.к)

Г \

\

\

Г \ ! \ N. \

Н(к-1) С(к) н(к)_0\1,],к-й элемент <- \ Х Н(к+1) \ торец фрезы

к-:->1

Рисунок 2.4 - Развертка рабочей поверхности КДФ

Рисунок 2.5 - Схема вычисления углов контакта концевой фрезы и заготовки

В выражении (2.7) первый член определяет положение торца к-го зуба ву-ом угловом положении, а второй характеризует угол поворота элемента вдоль режущей кромки к-го зуба, связанный с углом Л(к). В общем случае для фрез с разнонаправленными зубьями величина Л(к) не постоянна и по величине, и по направлению. Схема, поясняющая (2.7), изображена на рисунке 2.4. Случай моделирования фрез с неравномерным угловым шагом и разнонаправленными зубьями реализуется в пределах данной работы на уровне программного обеспечения, экспериментальных исследований не выполнялось. Элементарная ширина принята как:

Ь(У,к) = Т, (2.8)

где Т - величина снимаемого припуска в мм. Равенство (2.7) справедливо, если выполняется условие:

(Т - Н (к)) х N.

N , ---^-. <, < N , (2.9)

где значения величин Т и Н(к) наглядно представлены на рисунке 2.4. Величина (Т- Н(к)) определит величину припуска, снимаемого к-ым зубом за оборот фрезы, а величина Т - общий припуск, снимаемый за оборот фрезы. При невыполнении условия (2.9) величина Ь(1у,к) принимается равной 0. Кроме того, наличие угла в плане р для фрез приведет к перераспределению толщины и ширины срезаемого слоя, приходящуюся на режущий элемент. Поэтому можно записать:

С, У, к) = а(/, у, к);

Ьр(г, у, к) = Ь(,, у, к), (2Л0)

Произведение текущего значения толщины среза ар(1,],к), на ширину Ьр(1,],к) элемента определит площадь сечения среза Б^ук), приходящуюся на /у,к-ый элемент, а следовательно, и элементарную силу резания:

Б(,, у, к) = а9(и у, к) х Ьр(,, у, к) (2.11)

Теперь можно записать общие выражения для элементарных тангенциальной Ft, радиальной Fr и осевой Fo составляющих сил резания, действующих на режущем элементе (рисунок 2.3):

Ft (i, j, к) = kt х S(i, j, к);

Fr (i, j, к) = кг X Ft (i, j, к); (2.12)

Fo a j^к) = ко X Ft a jкx где кг, кг, ко - коэффициенты пропорциональности, определяемые экспериментально. Тангенциальные и радиальные элементарные составляющие силу резания, связанные системой координат вращающейся фрезы, могут быть приведены к неподвижной системе координат OXYZ (см. рисунок 2.3) следующим образом:

Fx (i, j, к) = Ft (i, j, к) X sin /(i, j, к) - Fr (i, j, к) х cos /(i, j, к);

Fy (i, j, к) = Ft (i, j, к) х cos /(i, j, к) + Fr (i, j, к) х sin /(i, j, к); (2.13)

Fo (i, j, к) = Fo (i, j, к) Для того, чтобы определить нагрузку, действующую на отдельные зубья фрезы в любой момент времени (в функции угла поворота) необходимо просуммировать элементарные силы резания по осевому положению каждого дискового элемента:

N

Ft (j, к) = z F( (i, j, к);

i=1

Fr (j, к) = Z Fr (i, j, к);

i=1

Nt

F0 aк) = j к);

лГ (2.14)

Fx (jк)jк);

i=1 N,

¥У (ьк)=1 ^ Ьк);

г=1

N.

(У.к)=1 У.к).

г =1

Выражения (2.14) соответствуют составляющей силы на к-ом зубе в у-ом угловом положении для подвижной, связанной с вращающейся фрезой, и

неподвижной XYZ систем координат. Для расчета полных составляющих сил резания, в неподвижной системе координат XYZ Гхф, Гуф и Г2ф, действующих на фрезу, с учетом участия в резании нескольких зубьев в момент времени // просуммируем выражения (2.14) по всем зубьям:

N

Г (я)=1 Г.( як);

к=1

N

Г у (я) = 1 Гу( я к); (2.15)

к=1

N

Г (я) = 1 Г (я к).

к=1

С учетом (2.1) выражения (2.15) определяют изменение общей нагрузки фрезы во временной области.

Периодические возмущающие составляющие сил резания, описанные выше, не имеют аналитического выражения, а представляются в виде таблицы дискретных значений.

Далее представлен алгоритм вычисления составляющих сил, действующих на инструмент (рисунок 2.6).

Начало!

Ввод исходных данных

Конструктивные параметры инструмента: диаметр, число зубьев, параметры распределения припуска по ступеням, угловые шаги, радиальные биения, углы в плане.

Технологические параметры: коэффициенты обрабатываемого материала, ширина, глубина ' фрезерования, подача, частота вращения, схема установки заготовки.

Характеристики оборудования: инерционные массы, коэффициенты демпфирования

у вх =arccos[(B/2-e)/Я],

увх=-arccos[(B/2+е)/Я]. .....

* 60 0} 360=

Ь, М, Ъ(1,],к)

t=0

_4. .............

j=0,360

г

t=t+д

1 г

i=1, Ь

1

0=0

1 г

<5

Расчет параметров, характеризующих кинематические параметры фрезерования: углы входа-выхода, подача, приходящаяся на к-ый зуб фрезы.

' Введение числа разбиения припуска (в осевом направлении), дискретность расчета углового положения элемента (в угловых единицах), определение дискретности расчета во времени, толщины элемента

' Начало отсчета времени, начало отсчета цикла углового положения элемента

Начало цикла осевого положения элемента

Проверка условия контакта 1,},к-го элемента с обрабатываемым материалом (для ступенчатых) фрез

а(1,],к)=0, Ъ(1,],к)=0 ВД,к)=0, ВД,к)=0,

Fo(i,j,k)=0, Fx(i,j,k)=0, Fy(i,j,k)=0.

Расчет углового положения г,],к-го элемента

Проверка условия нахождения г,у,к-го элемента на дуге нет контакта с заготовкой

да

да

Цикл j

I

Цикл i

-М 6

а(1,Я,к)= а(],к)+а(1,],к), Ъ(1,],к)= Ъ(],к)+Ъ(1,],к), Р(',к)= ГЯк) +Г(як) , ГМк)= Гг(Я,к)+ Гг(Цк), Ра(Я,к)= Г0(],к)+ Г0(Цк), Гх(],к)= Гх(],к)+ Гх(Цк), Гу(Я,к)= Гу(],к)+ Гу(Цк).

Конец цикла i

М 6

Конец цикла j

М 5

Конец цикла к

М 4

г

Г(я)=о, ГгЯ)=о, Го(я)=0, Г()=о, ГуЯ)=о

Цикл j

Цикл i

Г(я)= Гя Гк, Г()= Гг(])+ Гг(],к), Го(я)= Го(})+ ГоЯ,к), Гх(я)= Гх(})+ Гх(/,к), Гу(я)= Гу(})+ Гу(я,к)

Конец цикла i

Конец цикла j

'Конец блока расчета^ сил резания

Начало расчета суммарной нагрузки на инструмент

Рисунок 2.6 Алгоритм вычисления составляющих сил резания, действующих на

инструмент

2.2 Модель процесса фрезерования древесины концевыми фрезами с учетом вынужденных колебаний инструмента

2.2.1 Возмущающие воздействия на инструмент при обработке древесины концевыми фрезами

Основное влияние на процесс резания, как это было указано выше, оказывают колебания инструмента относительно изделия. Эти колебания влияют на характеристики инструмента, такие как стойкость и производительность, и на качество получаемой поверхности (волнистость, шероховатость и др.).

В большинстве случаев одну из парциальных систем (систему инструмента или систему изделия), совершающую наиболее интенсивные по амплитуде колебания, можно считать доминирующей колебательной системой [45].

При обработке древесины концевыми фрезами, а также другими видами фрез доминирующей колебательной системой будет являться система инструмента. По данным [45] здесь перемещения инструмента составляют до 80% и более в общем относительном движении.

Связь парциальных систем в единой замкнутой упругой системе СПИД осуществляется через зону резания и может быть заменена действием сил резания.

Для большинства упругих систем, совершающих интенсивные поперечные колебания, при анализе можно пользоваться единой принципиальной схемой, показанной на рисунке 2.7, где доминирующая колебательная система представляет собой сплошной вал (или брус), загруженный силами упругости, сопротивления (демпфирования) и силами резания. Рассмотрим концевую фрезу в виде такого вала. Введем обозначения (рисунок 2.7):

Сх, Су - коэффициенты жесткости обобщенного (эквивалентного) вала вдоль осей X и Y соответственно;

Цох, Цоу - обобщенные коэффициенты сопротивления (демпфирования). по соответствующим осям;

Fx, Fy - проекции силы резания на оси X и Yсоответственно.

ч

У

Рисунок 2.7 Принципиальная схема доминирующей колебательной системы при

обработке древесины концевой фрезой

В большинстве реальных систем доминирующими являются поперечные колебания в плоскости XOY. Это связано с тем, что жесткость доминирующей системы вдоль оси Ъ значительно (обычно на порядок и больше) превосходит жесткость вдоль осей X и Y. Кроме того, из опытов известно, что составляющая силы резания Рz не превосходит двух других составляющих, а в большинстве процессов меньше их. В связи с этим, влиянием на автоколебательное движение сил вдоль оси Ъ будем пренебрегать.

Обобщенным эквивалентным валом (или брусом) будем называть вал с усредненными геометрическими и упругими параметрами так, что движение его в определенной мере характеризует движение реальной упругой системы.

Приведением массы т будем называть замену равномерно распределяемой массы сосредоточенной массой на свободном конце без изменения геометрических и упругих характеристик, замеренных на конце вала (или бруса). Расчет приведенной массы т производится по известным из курса сопротивлениям материалов формулам.

На любую из парциальных систем (систему инструмента или систему изделия) общей замкнутой упругой системы СПИД, участвующих в колебаниях, действуют следующие силы: инерции, сопротивления, упругости, резания.

2.2.2 Математическое описание колебательного процесса при фрезеровании древесины концевыми фрезами

Рассмотрим уравнение движения обобщенного эквивалентного вала (бруса), закрепленного консольно, с массой, приведенной к свободному концу, что соответствует принципиальной схеме, изображенной на рисунке 2.7.

В общем виде колебания, совершаемые данной системой с учетом сил инерции, упругости, сопротивления и резания, могут быть описаны системой уравнений:

^ й2х Лх(£)

т—- + Пох--+ Сгх = к.

м2 1 м х х (2.16)

. т—22 + Су у =

V йь2 1 * м у' у

При реальной обработке на КДФ действует система сил, представляющая собой сумму проекций силы резания на i -м зубе и центробежной силы на координатные оси. Тогда система уравнений (2.16) может быть записана в виде:

' + Цох^^ + Схх = РХ1 - Рцб sin(«t + до)

м2

Л2у . V,

т— + фу

м

ЛуЦ)

м

+ СуУ = Ру1 — Рцб + до)

(2.17)

у

где Fxi , Fyi - проекции силы резания на i -м зубе на координатные оси, которые могут быть определены как:

= рцсобшь + РпБтшг 18)

Ру1 = — РаБЫш1 + Рг1СОБШ1 ( . )

Учитывая выражение центробежной силы в виде, Рцб = теш2, получим в развернутом виде систему уравнений, описывающих колебания фрезы при фрезеровании древесины:

т—2 + Пох--+ Схх = ^^(РцСОБшЬ + Рг1бЫшЬ) — теш2 + д0)

м2 1 м

^ + Поу^

м2 1 <и

й2у Лу(€) 2 (219)

т—2 + Поу--+ Суу = + meш2cos(шt + д0)

2.3 Трехмерная модель процесса фрезерования древесины концевыми фрезами.

2.3.1 Определение собственных частот и форм колебаний концевых дереворежущих фрез.

Одной из важных задач при проектировании режущего инструмента является контроль частот собственных резонансных колебаний. Для исключения влияния собственных колебаний КДФ на результат обработки частоты этих колебаний не должны совпадать или быть близкими к частотам вращения шпинделя, поэтому для подбора оптимального соотношения инструмента и соответствующих ему режимов резания необходимо знать эти частоты. В работе расчет частот и форм собственных

колебаний КДФ проводился для подбора оптимального режима фрезерования при проведении эксперимента и удобства последующего анализа данных.

В настоящее время существует различное программное обеспечение для проведения частотного анализа конструкций, в том числе для определения частот и форм собственных колебаний конструкции. Это программное обеспечение позволяет строить трехмерные модели по готовым чертежам, параметризировать их, проводить прочностной расчет конструкции, динамический расчет и другие виды исследований модели.

В данной работе построение трехмерных моделей двузубой и трехзубой фрез и частотный анализ их конструкций проводились в программе «DS Solidworks Premium» с применением дополнительного программного пакета «Solidworks Simulation». Для расчетов были построены трехмерные модели фрез, которые соответствуют эскизу, представленному в главе 3 на рисунке 3.2. Модели были выполнены в виде твердого тела. Для расчета форм и частот собственных резонансных колебаний моделей применен метод конечных элементов, сетка конечных элементов содержит 8675 и 9977 элементов для моделей двузубой и трехзубой фрезы соответственно, модель закреплена фиксированием части фрезы со стороны хвостовика, что соответствует фиксации концевой фрезы в шпинделе станка. Аппаратура, использованная в эксперименте позволяет проводить измерения в частотном диапазоне до 12000 Гц, однако теоретический расчет частот собственных резонансных колебаний концевых фрез проводили в диапазоне до 20000 Гц. Общий вид трехмерной модели, сетка конечных элементов и условие закрепления на примере модели двузубой концевой фрезы представлены на рисунке 2.8.

Моделирование показало, что в частотном диапазоне до 12000 Гц находится 3 частоты, а в диапазоне до 20000 Гц 8 частот собственных колебаний фрезы. При этом первая собственная частота для двузубой фрезы составляет 846 Гц, а для трехзубой фрезы 949 Гц. Анализ результатов моделирования показал следующие виды форм колебаний: изгиб, сжатие, кручение. Формы мод собственных

колебаний фрезы и соответствующие им частоты, полученные для модели двузубой фрезы представлены на рисунке 2.9.

Для определения вклада каждой моды в общую энергию колебаний была построена диаграмма, представленная на рисунке 2.10, показывающая вклад каждой моды по осям X, Y, 7. Анализ данной диаграммы показывает, что наибольший вклад в общую энергию колебаний вносят две первые моды колебаний.

а) б) в)

Рисунок 2.8 Общий вид трехмерной модели двузубой концевой фрезы (а), сетка разбиения модели на конечные элементы (б) и схема закрепления модели (в)

Изгиб 846 Гц

Сжатие 1832 Гц

Кручение 4529 Гц

Изгиб 5041 Гц

Изгиб 9549 Гц

Изгиб 13093 Гц

Кручение 14031 Гц

Сжатие 15185 Гц

Рисунок 2.9 Формы и частоты собственных колебаний двузубой концевой фрезы

сР

'-колебаний , — - [ -

-—ч Г1 1 п п

Номер моды колебаний

П х □ У Ш 2

Рисунок 2.10 Вклад разных мод собственных колебаний концевой фрезы в общую колебательную энергию на примере двузубой концевой фрезы

2.4 Выводы по главе 2

1. Разработана математическая модель составляющих сил резания при торцовом фрезеровании древесины КДФ, позволяющая рассчитать составляющие сил резания в зависимости от режимных параметров фрезерования и конструктивно-геометрических параметров инструмента.

2. Построен алгоритм расчета составляющих сил резания, реализующий рассматриваемую математическую модель.

3. Созданы трехмерные модели и проведен расчет частот собственных резонансных колебаний на примере двузубой и трехзубой концевых фрез методом конечных элементов в программе SoHdworks.

4. Для проверки трехмерной математической модели концевой фрезы на адекватность необходимо провести экспериментальные исследования влияния конструктивно-геометрических параметров КДФ на качество обработанной поверхности.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1 Экспериментальная установка. 3.1.1 Общая характеристика установки

Эксперименты по фрезерованию древесины проводили на высоких скоростях резания, требующих высоких оборотов инструмента, поэтому в качестве основы для создания экспериментальной установки был выбран обрабатывающий центр с ЧПУ BIESSE ROVER 20, характеристики которого позволяют провести все необходимые эксперименты по фрезерованию экспериментальными концевыми фрезами.

Эксперименты по фрезерованию проводили в месте расположения данного обрабатывающего центра в условиях действующего производственного цеха АО «ПО «Севмаш». Для снижения влияния внешних помех на измеряемые сигналы все работы проводились в вечернее время по окончании рабочей смены в цехе.

Основные характеристики обрабатывающего центра приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1 Основные технические характеристики обрабатывающего центра BIESSE ROVER 20

Наименование параметра Значение

Размер рабочего поля по оси X 2893 мм

Размер рабочего поля по оси Y 950 мм

Размер рабочего поля по оси Ъ 65 мм

Мощность электрошпинделя, кВт 6,6

Частота вращения электрошпинделя, об/мин 1000 ... 24000

Наибольшая скорость перемещения по оси Х, м/мин 75

Наибольшая скорость перемещения по оси Y, м/мин 45

Наибольшая скорость перемещения по оси Ъ, м/мин 15

Данное оборудование способно выполнять такие операции, как фрезерование, сверление, пиление. Станок оборудован вакуумным столом, который позволяет точно позиционировать обрабатываемый объект, и исключает его сдвиг во время фрезерования. Общий вид станка представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Общий вид экспериментальной установки

3.1.2 Экспериментальные концевые дереворежущие фрезы

Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена партия, состоящая из девяти экспериментальных дереворежущих концевых фрез в соответствии с ГОСТ 8994-80. Все фрезы соответствуют одному типоразмеру, но отличаются отдельными конструктивно-геометрическими элементами, наиболее популярными среди производителей инструмента для обрабатывающих центров с ЧПУ.

Фрезы имели следующие общие параметры: диаметр d=16 мм, длина рабочей части 1р=60 мм, материал - сталь Р6М5, твердость рабочей части 61..63 ИЯСэ, твердость хвостовика - 32..42 ИЯСэ, передний угол у=25°, задний угол а=10о, радиус скругления режущих кромок 0,01 мм. Варьировались следующие конструктивно-геометрические параметры фрез: угол наклона винтовой канавки (0..45°), наличие стружкоделительных канавок, количество резцов (2 ,3) и равномерность углового шага режущих элементов. При этом расстояние между стружкоделительными канавками по оси для всех фрез составляло 5 мм, ширина канавки 2 мм, расположение канавок шахматное. Для фрезы с неравномерным шагом режущих элементов углы между ними составляли 110, 120, 130°. Для удобства планирования экспериментов и дальнейшей обработки результатов всем фрезам были присвоены числовые коды. Варьируемые параметры изготовленных фрез и присвоенные им числовые коды представлены в таблице 3.2. Внешний вид экспериментальных фрез и их базовые размеры приведены на рисунке 3.2.

Таблица 3.2 - Варьируемые конструктивно-геометрические параметры

экспериментальных концевых фрез

Код Число Угол наклона Шаг режущих Наличие

фрезы режущих винтовой элементов стружкоделительных

элементов канавки канавок

1 2 12 равномерный нет

2 2 30 равномерный нет

3 2 45 равномерный нет

4 3 30 равномерный нет

5 3 30 неравномерный нет

6 2 0 равномерный есть

7 2 45 равномерный есть

8 3 45 равномерный есть

9 3 45 равномерный нет

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9

Рисунок 3.2 - Внешний вид и базовые размеры экспериментальных фрез 3.1.3 Измерительный комплекс

Для исследования виброакустических характеристик процесса фрезерования применяли приборное обеспечение фирмы «Брюль и Къер» (Дания). Для измерения качества получаемой поверхности использовали профилометр Taylor-Hobson 8ш1готс 3. Все оборудование, использовавшееся для проведения экспериментов, прошло поверку в установленном порядке и на момент проведения измерений имело действующие поверочные сертификаты.

Рисунок 3.3 - Тракт для измерения виброакустических характеристик

фрезерования

Измерительный тракт для анализа и записи виброакустических характеристик во время фрезерования древесины экспериментальными фрезами представлен на рисунке 3.3

В качестве первичных преобразователей вибрации использовали трехкомпонентные акселерометры типа 4321, которые являются пассивными пьезоэлектрическими датчиками. Пьезоэлектрические элементы, установленные внутри корпуса акселерометра, преобразуют вибрацию поверхности, на которой они закреплены в переменный зарядовый сигнал. Так как на входы анализатора сигналов должен поступать сигнал напряжения, возникает необходимость применения в измерительном тракте предварительного согласующего усилителя, который преобразует сигнал электрического заряда в сигнал напряжения. В данной

работе использовали предварительные усилители типа 2647А, сигнал с которых передавался на многоканальный анализатор Pulse 3560-С, в состав которого входят измерительный модуль типа 3039 и интерфейсный модуль типа 7539. Технические характеристики акселерометра, предварительного усилителя и измерительных модулей представлены в таблицах 3.3 - 3.5.

Анализатор сигналов подключается к персональному компьютеру (ПК) и передает на него через специальную программу все измеряемые данные в реальном масштабе времени. Общий вид анализатора с подключенным ПК представлен на рисунке 3.4.

Одновременно с измерением уровней вибрации производили измерение уровня звукового давления (уровня воздушного шума). Для этого использовали конденсаторный измерительный микрофон типа 4134 со встроенным предварительным усилителем, который подключали анализатору одновременно с акселерометрами. Микрофон в сборе с предусилителем устанавливали на штативе, на расстоянии 1 м от обрабатываемого объекта. Основные характеристики микрофона представлены в таблице 3.6.

Для измерения, записи и обработки сигналов создали специальную программу в среде программирования Pulse Lab Shop. Данное программное обеспечение позволяет контролировать временную реализацию сигналов, а также проводить частотный анализ сигнала в реальном масштабе времени и записывать его для дальнейшей обработки. Проводили узкополосный спектральный анализ уровней виброускорения в трех направлениях, а также третьоктавный и узкополосный анализ уровня звукового давления с определением общего уровня шума. Частотный диапазон измерения вибрации составлял 12000 Гц, а измерения звукового давления 10000 Гц, данные диапазоны ограничиваются возможностями анализатора сигналов и применяемого измерительного тракта.

Рисунок 3.4 - Анализатор РиЬе 3560-С, подключенный к ПК

Таблица 3.3 - Характеристики акселерометра типа 4321

Наименование параметра Значение

Чувствительность по оси Х, пКл/м*с2 1,006

Чувствительность по оси Y, пКл/м*с2 1,008

Чувствительность по оси 7, пКл/м*с2 0,9965

Нижняя граница частотного диапазона, Гц 0,1; определяется используемым усилителем

Верхняя граница частотного диапазона, кГц 12

Диапазон измерений, м/с2 до 5000

Тип датчика пьезоэлектрический типа Р7 23

Материал корпуса титан

Масса, г 55

Таблица 3.4 - Характеристики предусилителя типа 2647А

Наименование параметра Значение

Номинальная чувствительность, мВ/пКл 1

Нижняя граница частотного диапазона, Гц 0,17

Верхняя граница частотного диапазона, Гц 50000

Габаритные размеры, мм 07х37,7

Масса, г 6,3

Таблица 3.5 - Технические характеристики модулей анализатора

Наименование параметра Тип модуля

Измерительный тип 3039 Интерфейсный тип 7539

Диапазон частот, Гц 0 ... 25600 0 ... 25600

АЦП, разрядов 24 24

ЦАП, разрядов - 24

Число параллельных каналов 6 входов 5 входов, 1 генератор

Тип входа/входного сигнала Прямой/ CCLD/ микрофонный предварительный усилитель/ тахометрический Прямой/ CCLD/ микрофонный предварительный усилитель/ тахометрический

Для фрезерования в качестве объекта обработки были изготовлены заготовки из древесины сосны длиной 350 мм, толщиной 40 мм и шириной 140 мм. Предварительно была проведена сушка заготовок в сушильной камере, после которой влажность заготовок составляла от 6% до 8%. Заготовки были установлены на станке и зафиксированы вакуумными присосками. Общий вид заготовки, установленной на станке и акселерометры, установленные на заготовку представлены на рисунке 3.5.

Таблица 3.6 - Характеристики измерительного микрофона типа 4134

Наименование параметра Значение

Частотная характеристика Случайного падения и звукового давления

Частотный диапазон в котором характеристика замкнутой цепи линейна с допуском ±2 дБ, Гц 4 ... 20000

Чувствительность разомкнутой цепи, мВ/Па 12,5

Тепловой шум, дБА 18

Верхний предел динамического диапазона относительно 20 мкПа, дБ более 160

Резонансная частота, Гц 23

Номинальный диаметр, дюйм 1/2

Рисунок 3.5 - Акселерометры, установленные на заготовке

Ввиду анизотропных свойств древесины, для исследования влияния относительного положения направления подачи концевой фрезы при фрезеровании и направления волокон древесины были изготовлены заготовки с направлением вдоль волокон и направлением поперек волокон.

После проведения экспериментов по фрезерованию древесины экспериментальными концевыми фрезами проводили измерение шероховатости обработанной поверхности с помощью профилометра. Был использован профилометр Taylor-Hobson Surtronic 3, прошедший поверку в установленном порядке. Основные технические характеристики профилометра представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Основные технические характеристики профилометра.

Наименование параметра Значение

Диапазон измерения параметра Ra, мкм 0 ... 25

Стандартные длины перемещений, мм 1,75; 4,5; 13; 25

Скорость перемещения, мм/с 1

Точность измерения ±2% показания; ±единица в последнем значимом разряде

Тип датчика переменного магнитного сопротивления

Материал иглы Алмаз

Радиус закругления вершины иглы, мкм 5

Усилие иглы, мН 3

Размеры, мм 80х135х80

Масса, кг 1

Для оценки влияния собственных частот колебаний инструмента на частотную характеристику процесса фрезерования были проведены измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) экспериментальных фрез. Для этого фреза устанавливалась в шпинделе станка, на фрезу устанавливался миниатюрный акселерометр типа 4393, специально предназначенный для такого вида измерений,

который подключали к анализатору через предварительный усилитель типа 2647А, а по фрезе наносили удары измерительным ударным молотком типа 8202, который подключался к анализатору через предварительный усилитель типа 2647А. Сигнал записывался на ПК для дальнейшей обработки. Схема измерительного тракта для определения АЧХ инструмента представлена на рисунке 3.6. Характеристики ударного молотка типа 8202 приведены в таблице 3.8. Характеристики миниатюрного акселерометра типа 4393 приведены в таблице 3.9

Рисунок 3.6 - Тракт измерения АЧХ инструмента

Таблица 3.8 - Характеристики ударного измерительного молотка типа 8202

Наименование параметра Значение

Диапазон динамической силы (с резиновым бойком), Н 100 ... 700

Диапазон длительности удара (с резиновым бойком), мс 1,5 ... 5

Длина молотка, мм 280

Длина головки, мм 52,5

Масса резинового бойка, г 4,1

Масса молотка, г 280

Таблица 3.9 - Характеристики акселерометра типа 4393

Наименование параметра Значение

Чувствительность, пКл/м*с2 0,316

Нижняя граница частотного диапазона, Гц 0,1; определяется используемым усилителем

Верхняя граница частотного диапазона, кГц 12

Диапазон измерений, м/с2 до 20000

Тип датчика пьезоэлектрический типа Р7 23

Материал корпуса титан

Масса, г 2,4

Анализатор работал в режиме триггерного запуска регистрации сигналов, что позволило синхронизировать процессы возбуждения, накопления и обработки данных. Обработку данных производили с применением методов взаимного спектрального анализа сигналов, что позволило контролировать и минимизировать случайные и систематические ошибки оценивания АЧХ.

При взаимном спектральном анализе частотная характеристика отклика определяется анализатором по формуле:

Н (I) =

^ (I) (I)

(3.1)

где: Оху(/) - взаимный спектр сигнала возбуждения и сигнала отклика;

Охх(/) - автоспектр сигнала возбуждения.

3.2 План экспериментальных исследований и методическая сетка опытов

Для исследования влияния варьируемых конструктивно-геометрических параметров экспериментальных концевых фрез, представленных в таблице 3.2, на уровень вибрации в процессе фрезерования и на качество обработанной поверхности был разработан план проведения экспериментальных исследований, представленный ниже.

Для проведения экспериментов по фрезерованию был выбран режим:

1. Подача и = 1,6 м/мин для 2-зубых фрез, и = 2,4 м/мин для 3-зубых фрез

2. Подача на резец и2 = 0,05 мм/рез.;

3. Обороты п = 16 000 об/мин;

4. Порода древесины - сосна;

5. Глубина резания t = 10 мм;

6. Направления резания:

6.1) вдоль волокон,

6.2) поперек волокон.

Все эксперименты проводили на одном режиме фрезерования. На указанном режиме исследовали влияние следующих конструктивно-геометрических параметров инструмента:

1) Угол наклона винтовой канавки концевой фрезы

2) Наличие стружкоделительных канавок

3) Число режущих элементов

4) Неравномерность окружного шага режущих элементов.

В первом эксперименте проводили исследование влияния двух конструктивно-геометрических параметров - угла наклона винтовой канавки и числа резцов фрезы. Для этого был использован план полного факторного эксперимента 23. Такие планы являются наиболее универсальными и широко

используемыми планами многофакторных экспериментов. Применение многофакторного эксперимента позволяет построить уравнение регрессии и оценить влияние исследуемых факторов на выходные показатели фрезерования во взаимосвязи. План эксперимента с указанием номеров экспериментальных фрез использованный для его проведения представлен в таблице 3.10.

Во втором эксперименте исследовали влияние угла наклона винтовой канавки фрезы. Для реализации этого эксперимента были выбраны 3 экспериментальные фрезы. с одинаковым количеством резцов (двузубые), равномерным окружным шагом и без стружкоделительных канавок. Угол наклона винтовой канавки для выбранных фрез №№ 1,2,3 составляет 12, 30, 45 градусов соответственно. Таким образом, был реализован план однофакторного эксперимента, представленный в таблице 3.11.

В третьем эксперименте исследовали влияние неравномерности окружного шага резцов, для чего были выбраны две трехзубые фрезы №№ 5, 6 с углом наклона винтовой канавки 30 градусов, без стружкоделительных канавок. При этом у фрезы № 5 шаг резцов составлял 120 градусов (равномерный), а у фрезы № 6 шаг был неравномерным и составлял 110, 120 и 130 градусов. Исследования, как и в эксперименте № 2, проводили по плану однофакторного эксперимента, который представлен в таблице 3.12

В четвертом эксперименте выполняли исследование влияния стружкоделительных канавок на процесс фрезерования, для чего были выбраны две трехзубые фрезы №№ 8, 9 с углом наклона винтовой канавки 45 градусов и равномерным окружным шагом. При этом у фрезы № 8 на режущих элементах имелись шахматные стружкоделительные канавки, а у фрезы № 9 их не было. План однофакторного эксперимента приведен в таблице 3.13.

Таблица 3.10 - План эксперимента № 1. Полнофакторный эксперимент 23. Х1 - угол наклона канавки (-1 угол 30 градусов, +1 угол 45) Х2- число резцов (-1 двузубая, +1 трехзубая) Х3- направление подачи (-1 поперек волокон, +1 вдоль волокон)

Номер точки плана Х1 Х2 Х3 Номер фрезы

1 -1 -1 -1 2

2 +1 -1 -1 3

3 -1 + 1 -1 4

4 +1 + 1 -1 9

5 -1 -1 +1 2

6 +1 -1 +1 3

7 -1 + 1 +1 4

8 +1 + 1 +1 9

Таблица 3.11 - План эксперимента № 2. Проверка влияния угла наклона

винтовой канавки фрезы.

Номер Угол наклона Номер

точки фрезы

плана

1 12 градусов 1

2 30 градусов 2

3 45 градусов 3

Таблица 3.12 - План эксперимента 3. Проверка влияния равномерности окружного шага режущих элементов фрезы

Номер Равномерность Номер

точки шага фрезы

плана

1 равномерный 4

2 неравномерный 5

Таблица 3.13 - План эксперимента 4. Проверка влияния стружкоделительных канавок

Номер Наличие Номер

точки канавки фрезы

плана

1 канавка есть 8

2 канавки нет 9

Для оценки значимости коэффициентов уравнений регрессии, проверки адекватности модели, а также для контроля стабильности и повторяемости результатов измерений каждый эксперимент был повторен дважды для направлений подачи фрезы вдоль волокон и против волокон. Общее количество проведенных экспериментов составило 44.

3.3 Методика проведения измерений виброускорений и определения качества обработанной поверхности при фрезеровании древесины концевыми фрезами с различными конструктивно-геометрическими параметрами

Измерения виброакустических характеристик процесса фрезерования начинаются со сборки измерительного тракта в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3.3. Поскольку качество измерений уровня вибраций и получаемой характеристики зависит от места установки датчиков, этому вопросу

уделили особое внимание. Наиболее подходящим местом для установки датчиков следует считать обрабатываемый объект (заготовку), так как в данном случае она находится на неподвижном вакуумном столе и вибрации от процесса резания через заготовку поступают на акселерометры. Следует учесть, что фреза по мере обработки проходит по всей длине заготовки, и установка датчиков должна по возможности обеспечивать их равную удаленность от фрезы в каждый момент времени. Для этого размещали один датчик в точке близкой к зоне врезания фрезы, а второй в точке близкой к зоне выхода фрезы из контакта с объектом обработки. Такое решение дает следующий эффект: сумма расстояний от двух акселерометров до фрезы в каждый момент фрезерования заготовки не изменяется. Таким образом, при дальнейшей обработке сигнала и усреднении данных, полученных с двух акселерометров, каждая временная реализация процесса фрезерования будет получена в одинаковых условиях. В качестве способа крепления датчиков было выбрано крепление на винт, обеспечивающий надежное и жесткое крепление, не снижающее частотного диапазона измерений.

Перед проведением измерений необходимо оценить помеху, создаваемую оборудованием, работающим в цехе. Для этого после сборки измерительного тракта проводили запись сигналов с акселерометров и микрофонов с выключенным станком. Анализ помехи показал, что уровень виброускорения в режиме холостого хода станка примерно на 40 дБ ниже, чем в режиме фрезерования. Таким образом, при дальнейшем анализе, вибрацией от узлов станка можно пренебречь и считать, что измеренный в ходе экспериментов уровень вибрации обусловлен только процессом резания. Перед началом измерений для корректной настройки входных аттенюаторов в соответствии с уровнем сигнала, получаемого с акселерометров, в процессе фрезерования были проведены несколько тестовых проходов фрезы по одной из заготовок, после чего аттенюаторы настраивали в соответствии с максимальными уровнями вибрации при фрезеровании для исключения перегрузки входного измерительного тракта. Поскольку станок оборудован вакуумным столом, для работы которого необходим компрессор, который эпизодически включается и через непродолжительное время выключается, для исключения

влияния помехи, вносимой им, фрезерование производили сразу после очередного отключения компрессора и заканчивали до следующего его включения.

Для удобства дальнейшей обработки результатов запись сигналов на цифровой магнитофон, встроенный в программу Pulse Lab Shop запускали до начала очередного прохода фрезы и выключали только после его окончания.

При выполнении экспериментов фрезеровали закрытые прямоугольные пазы глубиной 10 мм на всей длине объекта обработки, одной фрезой выполняли два прохода, всего на заготовке выполняли 4 прохода. На рисунке 3.7 представлена схема фрезерования заготовок.

Рисунок 3.7 - Схема фрезерования заготовок

Измерения для определения АЧХ экспериментальных фрез проводили по следующей методике.

После сборки измерительного тракта по схеме, изображенной на рисунке 3.6, фрезу устанавливали в шпинделе станка. Поскольку собственные частоты колебаний инструмента находятся в зоне низких и средних частот, жестких ограничений на способ крепления миниатюрного акселерометра на фрезу не накладывали, и был использован метод крепления на специальную мастику, поставляемую в комплекте с датчиком. Такой способ крепления обеспечивает достоверные измерения виброускорения до 5000 Гц. Для калибровки измерительного тракта и подбора оптимальной силы удара по фрезе производили

несколько тестовых ударов, по результатам которых настраивали входные аттенюаторы и триггер анализатора. Затем запускали цифровой магнитофон, и по фрезе наносили не менее десяти ударов для последующего усреднения. Удары должны наноситься с такой силой, чтобы уровень сигнала был достаточно высок для срабатывания триггера анализатора и получения качественной характеристики, но при этом не происходило перегрузки входных каналов анализатора. В случае превышения максимального уровня сигнала вследствие слишком сильного удара молотком по фрезе, измерения с данной фрезой прерывали и начинали заново.

Для корректной работы триггера анализатора каждый следующий удар наносили после паузы 15-20 секунд с визуальным контролем процесса по измерителю уровня входных сигналов анализатора. Акселерометр устанавливали на фрезу диаметрально месту нанесения ударов. Данный алгоритм действий повторяли для каждой экспериментальной фрезы. Для контроля качества полученной характеристики использовали функцию когерентности между сигналами возбуждения и отклика. Эта функция определяется методами взаимного спектрального анализа и должна быть близка к единице.

Для определения качества обработанной поверхности проводили измерения шероховатости с помощью профилометра Surtronic 3. Величина базовой длины для измерения была принята 2,5 мм, измерения проходили в соответствии с ГОСТ 15612-85, однако количество участков, на которых проводили измерения, было увеличено с пяти (количество, регламентируемое ГОСТ) до десяти, в целях увеличения точности измерений.

3.4 Селективный отбор и обработка результатов опытов

Колебательный процесс при фрезеровании древесины можно считать случайным, следовательно, не поддающимся точному математическому описанию, а способы его анализа определяются как свойствами сигнала, так и информацией, которую мы хотим из него получить.

В виброакустике применяют узкополосный спектральный анализ колебаний (анализ с постоянной абсолютной шириной полосы пропускания), а также анализ с постоянной относительной шириной полосы пропускания (1/1 октавный, 1/3 октавный, 1/12 октавный и др.), предназначенные для частотного представления сигнала. С помощью полосовых фильтров получают спектр сигнала, его представление в виде графика в координатах частота-амплитуда. Представления сигнала во временной и частотной областях связаны между собой преобразованием Фурье. В качестве показателя, который характеризует уровень вибрации при фрезеровании в данной работе использовали среднеквадратическое значение (СКЗ) виброускорения, его общий уровень. Общий уровень СКЗ не зависит от ширины полосы фильтра при спектральном анализе, а зависит только от частотного диапазона, в котором производятся измерения. При этом СКЗ виброускорения является энергетической характеристикой процесса, т.к. пропорционален колебательной энергии.

Для проведения обработки результатов измерений создали программу в среде Pulse Lab Shop, которая входит в комплект поставки анализатора. Данная программная среда позволяет создавать собственные программы как для измерения и записи на жесткий диск компьютера различных виброакустических характеристик исследуемого процесса, так и для последующей обработки записанных сигналов, экспортировать полученные данные в виде графического изображения или таблиц. Рабочее окно разработанной программы представлено на рисунке 3.8. Анализ этапов процесса фрезерования удобно провести при рассмотрении зависимости общего уровня СКЗ виброускорения от времени, представленного на рисунке 3.9.

Рисунок 3.8 - Рабочее окно программы обработки сигналов виброускорения

• ы % эыо р и х *е|В а ва| ^[Жмаша ч с >«> м и:!:': див <1 г •• » о е а ■ ■ и ш и ' ас

• Меплспкл*... Г^'ГаПГа"1 !Я 1и'О5р«1™т0а) - ]при1 -

вЕ ь ЖоНогд 9* вЩ^па ; ; 0X1 1®/1.00 УУ«1<| па : !по«с: ЛЬиЯег 1 (Мо^ПйшА^ СРВАв1уг X - 4.М250Ск Мг г- 100.0т 8

1 Ва

\ I N Ауега^тч'гпй: 0.1318в О/айай: 0,00 X

1 0 К] Сгои \ \

5 \

Е)5«ир XI 36- \ \

шВет* а!уге1 "V

ш @ Яке ■ [при! ОприО N