Повышение точности при сверлении отверстий путем динамической настройки технологической системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Салабаев, Денис Евгеньевич

• Салабаев, Денис Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Салабаев, Денис Евгеньевич

ПРИНЯТЫЕ В ТЕКСТЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор существующих методов и средств повышения точности при сверлении отверстий

1.1. Анализ конструктивных требований, предъявляемых к отверстиям

1.2. Погрешности при сверлении отверстий, причины их возникновения и способы устранения

1.3. Колебания элементов технологической системы в процессе сверления и их влияние на точность и другие качественные параметры обработки

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Построение и анализ математических моделей технологической системы процесса сверления

2.1. Обоснование и построение математических моделей процесса сверления

2.2. Исследование математической модели процесса сверления

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Теоретическое обоснование выбора параметров технологической системы для сверления отверстий

3.1. Алгоритм настройки динамических параметров технологической системы для обработки отверстий

3.2. Анализ влияния параметров колебаний формообразующей системы на эффективность обработки

3.3. Анализ высокочастотных смещений режущей части инструмента

3.4. Анализ технологической системы как нестационарной системы

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Описание элементов технологической системы сверления отверстий с применением волноводного преобразователя

4.1. Описание конструкции и принципа работы сверлильной головки с переменной жесткостью

4.2. Описание конструкции подсистемы заготовки

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование влияния параметров наладки на точность обработки

5.1. Методика экспериментального исследования

5.2. Анализ результатов экспериментов

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности при сверлении отверстий путем динамической настройки технологической системы»

Вопрос повышения точности деталей машин всегда остается актуальным для машиностроения наряду с вопросами повышения производительности операций механической обработки деталей и сборки узлов и машин. В частности, это относится и к операциям обработки отверстий, в том числе глубоких, в осесимметричных деталях.

По мере всестороннего развития машиностроения, организации новых отраслей по производству машин и оборудования различного технологического назначения номенклатура деталей с глубокими отверстиями быстро расширяется. Трудности обработки отверстий возникают с увеличением их глубины. Глубокие точные отверстия в сплошном материале обрабатываются за несколько операций, которые можно разделить на две группы [51] . К первой относятся такие методы как сверление и черновое растачивание. Их основным назначением является обеспечение требований по расположению оси отверстия и ее прямолинейности. Ко второй группе относятся чистовые и отделочные операции - чистовое растачивание, хонингование и др. Их задачей является обеспечение требуемой точности диаметральных размеров, формы и шероховатости.

Наиболее сложными с технологической точки зрения являются операции первой группы, т.е. черновые операции. Их основными особенностями, порождающими технологические трудности, являются следующие [51]: 1) принудительный отвод стружки из отверстия;

2) базирование рабочей части инструмента во время работы на поверхность обработанной части отверстия;

3) малая жесткость технологической системы СПИЗ, что является препятствием для повышения производительности.

Рост номенклатуры деталей, имеющих в своей конструкции глубокие отверстия, требует непрерывного совершенствования технологии их обработки с целью повышения точности и производительности.

В современной технологии машиностроения существуют методы обработки, позволяющие существенно повысить точность черновой обработки отверстий. К ним относится в частности метод вибрационного резания [42, 54], который заключается в наложении на систему инструмент-заготовка относительных колебаний малой амплитуды в осевом и крутильном направлении.

Одной из актуальных проблем, стоящих перед производством, является повышение внимания к вопросам влияния режимов резания на параметры процесса резания, определяющие точность и качество обработанной поверхности. В настоящее время недостаточно рассмотрены вопросы регулирования динамических характеристик процесса резания изменением параметров технологической системы, в частности, жесткости подсистем инструмента и заготовки.

В данной работе уделено внимание проблеме повышения точности черновой обработки глубоких отверстий, а именно:

- исследовано влияние жесткостных параметров системы СПИЗ и параметров вибрационного резания (амплитуда, частота колебаний) на точность обработанного отверстия; исследованы динамические процессы, влияющие на точность получаемого отверстия;

- разработан способ настройки динамических параметров подсистемы инструмента для обеспечения высокой точности формы и размеров обработанного отверстия.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Салабаев, Денис Евгеньевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. При использовании волноводного преобразователя в процессе резания возникают комплексные (крутильно-продольные) относительные колебания инструмента и заготовки. Это подтверждается тем, что на амплитудно-частотных характеристиках продольных и крутильных колебаний инструмента в процессе резания присутствуют резонансные пики на одних и тех же частотах (1580, 2000, 28 8 0 Гц) ; при этом на АЧХ изгибных колебаний резонансных пиков не отмечается.

2. Амплитуда поперечных колебаний снижается при наличии устойчивых крутильно-продольных колебаний вследствие обеспечения прерывистости процесса резания, снижения сил резания и демпфирования поперечных смещений.

3. Крутильно-продольные колебания обусловлены рядом факторов. Первый резонансный пик комплексных колебаний соответствует частоте вращения заготовки (4. 10 Гц). Амплитуда колебаний на этой частоте зависит от несимметричности заточки инструмента, неуравновешенности заготовки и относительного смещения оси вращения заготовки и оси инструмента. Второй пик соответствует частоте стружкообразования (колеблется в зависимости от скорости резания и коэффициента усадки стружки в пределах 400 - 500 Гц). При определенных условиях возможно возникновение устойчивых комплексных крутильно-продольных автоколебаний (частота при разной жесткости волноводного преобразователя 1100, 1580, 2080, 2880 Гц) . Их частота определяется характеристиками динамической системы процесса сверления и не зависит от частоты вращения заготовки. Амплитуда автоколебаний зависит как от жесткости инструментальной подсистемы, так и в значительной степени от скорости резания.

4. Выявлены общие закономерности зависимостей спектра частот относительных крутильно-продольных и поперечных колебаний заготовки и инструмента в процессе резания от частоты вращения и вылета волноводного преобразователя. На автоколебания в крутильно-продольном направлении с частотой 1 -2,8 кГц скорость резания влияния не оказывает. Изменение вылета волноводного преобразователя через изменение жесткости влияет на собственные частоты подсистемы «инструмент-волновод» и на частоту автоколебаний: при увеличении вылета жесткость уменьшается, соответствующие частоты относительных колебаний уменьшаются, и наоборот.

5. Существует технологический режим обработки сверлением, обеспечивающий максимальную точность обработанного отверстия (радиальное биение 12 мкм, точность размера - 7-8 квалитет, непрямолинейность оси 0,01/100 мм) и шероховатость обработанного отверстия в пределах Ra 5 мкм. Этот режим характеризуется наличием продольно-крутильных автоколебаний (1100, 1580, 2000 Гц) с амплитудой, близкой к размеру зерна материала заготовки (3.5 мкм). При этом обработка по базовому варианту без применения волноводного преобразователя характеризовалась точностью 9-10 квалитет, радиальным биением отверстия 0,08-0,1 мм, шероховатостью поверхности Ra 12,5 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана расчетная схема и математическая модель технологической системы процесса сверления с учетом резания «по следу», регулируемой жесткости инструментальной подсистемы, координатных связей продольных и крутильных смещений инструмента с волноводным преобразователем. Исследование модели выявило возможность возникновения настраиваемых высокочастотных крутильно-продольных колебаний в данной системе при определенной настройке параметров технологической системы.

Разработана структурная схема технологической системы процесса сверления.

Теоретически определена и экспериментально найдена область неустойчивости технологической системы в продольно-крутильном направлении в координатах «вылет-скорость» на базе упрощенной одномассовой математической модели.

Разработан и теоретически обоснован метод настройки технологической системы, обеспечивающей повышение точности обработанного отверстия за счет регулировки величины вылета инструмента и скорости резания.

Установка с волноводным преобразователем для вибрационного сверления отверстий внедрена в производство на предприятии ОАО «Азотреммаш», г. Тольятти.

Применение разработанных технических средств и способа настройки технологической системы позволило добиться комплексных крутильно-продольных колебаний инструмента в процессе резания (частота f = 1580, 2050 Гц; амплитуда продольной составляющей Ах = 3.4 мкм, крутильной - Др = 0,012.О,014 град), что обеспечило снижение погрешности формы отверстия с 0,100 до 0,012 мм; шероховатости с Ra 12,5 мкм до Ra 5 мкм; повышение точности диаметрального размера на 1.2 квалитета.

Полученные результаты показывают, что поставленные в работе задачи решены, и цель исследования достигнута .

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Салабаев, Денис Евгеньевич, 2005 год

1. A.c. №1054015, 1054015А СССР, МКИ3 В23В05/15. Устройство для обработки нежестких деталей.// О.И. Драчев, М.Г. Дорошенко (СССР)

2. А.с. №1065092, 1065092А СССР, МКИ В23В25/06. Способ поднастройки системы СПИД.// О.И. Драчев, В. А. Тараненко (СССР)

3. А.с. №1110604, 1110604А СССР, МКИ3 В23В15/12. Устройство для обработки деталей.// О. И. Драчев, М.Г. Дорошенко (СССР)

4. А.с. №281117 СССР, МКИ3 В23В35/00 от 03.09.70. Вибросверлильное устройство.// М.Е. Бараб-Тарле, Е.Г. Молчановский, Б.А. Тростановский (СССР)

5. А.с. №457547 СССР, МКИ В23В35/00. Вибросверлильное устройство.// А.И. Дубов (СССР).

6. А.с. №457548 СССР, МКИ В23В35/00. Вибросверлильное устройство.// А.И. Дубов (СССР).

7. А.с. №900992 СССР, МКИ В23В25/06. Способ поднастройки системы СПИД.// В. А. Тараненко, О. И. Драчев (СССР)

8. А.с. №921683 СССР, МКИ3 В23В01/00. Устройство для обработки нежестких деталей.// О. И. Драчев, М.Г. Дорошенко (СССР)

9. А.с. №948541 СССР, МКИ3 В23В01/00. Устройство для обработки нежестких деталей.// О. И. Драчев, М.Г. Дорошенко (СССР)

10. А. с. №973296 СССР, МКИ3 В23В05/22. Устройство для обработки нежестких деталей.// О.И. Драчев, М.Г. Дорошенко (СССР)

11. А. с. №975233 СССР, МКИ3 В23В32/40. Устройство для зажима деталей.// О.И. Драчев, М.Г. Дорошенко, В.А. Тараненко (СССР)

12. Абрамов О.В., Хорбенко М.Г., Швегла Л.И. Ультразвуковая обработка материалов./ Под ред. О.В. Абрамова. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

13. Адаптивное управление станками./ Под ред. B.C. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973. - 668 с.

14. Базров Б.М. Повышение точности геометрической формы детали в продольном сечении при токарной обработке.// Самоподнастраивающиеся станки, 2-е изд. М.: Машиностроение, 1967. - с. 188-218.

15. Бараб-Тарле М.Е., Гиндин М.И. Расчет параметров установившихся автоколебаний устройств для вибрационного резания.// Машиноведение, 1974. -№15, с. 10-15.

16. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М.: Машиностроение, 1977. - 326 с.

17. Бобровский А.В., Воронов Д.Ю. Самоцентрирующий люнет для токарной обработки маложестких деталей.// Межвузовский сборник научных трудов. Тольятти, 1998. - с. 178-179.

18. Веремейчук И.С. Сплошное сверление глубоких отверстий. М.: Оборонгиз, 1940.

19. Вибрационное резание металлов. Серия 1. Технология, организация производства и экономика машиностроения. М.: ЦИНТИМАШ, 1962. - 68 с.

20. Вибросверление глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах. Технологические рекомендации ТР-310. НИАТ, 1977. - 9 с.

21. Виноградов А. А. Физические основы процесса сверления труднообрабатываемых материалов твердосплавными сверлами. Киев: Наукова думка, 1985. - 263 с.

22. Воронов С.А. Оптимизация процессов вибрационного сверления. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М.: МВТУ им. Баумана. - 1986.

23. Гавриш А.П., Никитенко М.Ф. Определение устойчивости вибросверления.// Технология и автоматизация машиностроения. Киев: Техника, 1984. - вып. 33, с. 19-21.

24. Гуськов A.M. Анализ возможных причин возникновения автоколебаний при глубоком сверлении./Известия вузов Машиностроение, 1974, №10, с. 145-149.

25. Гуськов A.M. Исследование динамической устойчивости инструмента при глубоком сверлении. -Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1977. - 265 с.

26. Дечко Э.М. Колебания при работе шнекового сверла./ В кн.: Машиностроение и приборостроение. Вып. 9. Минск: Выш. шк., 1977, с. 51-54.

27. Дечко Э.М. Сверление глубоких отверстий в сталях. Минск: Выш. шк., 1979. - 232 с.

28. Дорожкин Н.Н., Карпушин В. А. Прогрессивные методы повышения точности обработки нежесткихдеталей. Минск: БелНИИТИ и технико-экономические исследования, 1977. - 16 с.

29. Еськов А.А., Мещеряков Р.К., Ушаков А.И. Кинематика и точность обработки глубоких отверстий.// Известия вузов. М. : Машиностроение. - 1979, №1, с. 24-28.

30. Заковоротный В. А. Исследование динамической характеристики резания при автоколебаниях инструмента.// Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки, 1978, №2, с. 37-41.

31. Иноземцев Г.Г., Царенко М.А. Проблемы жесткости и устойчивости глубокого сверлильного инструмента малого диаметра.// Известия вузов. М.: Машиностроение. - 1967, №4, с. 11-14.

32. Като М. О причинах регенеративных вибраций, связанных с прогибами обрабатываемой детали.// Конструирование и технология машиностроения. -1974. Т.96, №1, с. 81-88.

33. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. M.-JI.: Издательство АН СССР, 194 4 . -237 с.

34. Кедров С. С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. 199 с.

35. Козарь И. И. Исследование устройств и процесса сверления с осевыми колебаниями негармонической формы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. JI., 1980. - 232 с.

36. Колев К.С., Горчаков Н.М. Точность обработки и режимы резания. М. : Машиностроение, 1976. - 145 с.

37. Кораблев П. А. Точность обработки на металлорежущих станках в приборостроении. М.: Машгиз, 1962. - 214 с.

38. Корсаков B.C. Точность механической обработки.- М.: Машгиз, 1961.

39. Косилова А. Г. Точность обработки деталей на автоматических линиях. М. : Машиностроение, 1976.- 223 с.

40. Костюкович С.С., Дечко Э.М., Долгов В. И. Точность обработки глубоких отверстий. Минск: Выш. шк., 1978. - 144 с.

41. Кудинов В.А. Динамика станков. М. : Машиностроение, 1967. - 399 с.

42. Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. С.Л. Масленникова/ Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова.- М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

43. Лакирев С.Г. и др. Система асимптотических моделей формообразования отверстий мерным инструментом./ В сб.: Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей. Челябинск: ЧПИ, 198 6, с. 53-102.

44. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. -М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

45. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968. - 367 с.

46. Меррит А. Теория автоколебаний металлорежущих станков.// Конструирование и технология машиностроения. 1965. - Т.87, №4, с. 62-72.

47. Минков М.А. Технология изготовления глубоких точных отверстий. M.-J1.: Машиностроение, 1970. -768 с.

48. Мурашкин J1.C., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. J1. : Машиностроение, 1977. - 192 с.

49. Мурашкин С.Л. Исследование динамики вибрационного сверления.// Ученые записки аспирантов и соискателей ЛПИ им. Калинина, 19 63, с. 101-107.

50. Никитенко М.Ф., Бондаренко С. Г. Качество поверхности при вибросверлении отверстий.// В кн.: Вопросы технологии механообработки в машиностроении. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1980. - с. 58-59.

51. Обработка глубоких отверстий/ Н.Ф. Уткин, Ю.И. Княжев, С. К. Плужников и др.; Под общ. ред. Н.Ф. Уткина. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. - 269 с.

52. Орликов B.C. Динамика станков. М. : Машиностроение, 1988. - 276 с.

53. Патент на изобретение РФ №2169058 от 20.06.01. Устройство для обработки глубоких отверстий.// О.И. Драчев, О.В. Бойченко, Д.А. Расторгуев (РФ).

54. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. - 350 с.

55. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974. - 445 с.

56. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. М.: Машиностроение, 1985. 264 с.

57. Подураев В.Н., Горелов В.А., Барзов А.А. Влияние геометрических параметров сверла на точность изготовления глубоких отверстий.// Известия вузов. Машиностроение, 197 6, №9, с. 180183.

58. Прохоров Ю.Я., Гуревич Я.Л., Земина Н.Л. Сверление отверстий в труднообрабатываемых материалах с наложением осевых колебаний низкой частоты. М.: ГОСИНТИ, 1967. - 13 с.

59. Расторгуев Д. А., Салабаев Д. Е. Экспериментальное исследование стабилизации оси маложесткой детали при использовании самоцентрирующих люнетов.// Межвузовский сборник научных трудов. Тольятти, 2001. - с. 40-42.

60. Расторгуев Д. А. Повышение эффективности обработки глубоких отверстий путем автоматического управления динамикой растачивания. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Тольятти, 2000. - 220 с.

61. Родзянко Е.Д. Обоснование и исследование эффективности ультразвуковой обработки прецизионных отверстий с применением крутильных колебаний. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ростов-на-Дону, 1983. - 204 с.

62. Сергеев С. В. Повышение точности при сверлении отверстий спиральными сверлами путем управления динамическими составляющими процесса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Челябинск: ЧГТУ, 1995.

63. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М.-Л.: Машгиз, 1955. - 515 с.

64. Стрельцов В.А. Повышение эффективности обработки точных отверстий в машиностроении. -Фрунзе: Кыргызстан, 1970. 98 с.

65. Стрельцов В.А., Орозбеков Э.Т. Исследование погрешностей расположения координатных осей отверстия при зенкеровании./ В кн.: Технологические методы повышения эффективности обработки резанием. Фрунзе: ФПИ, 1980, с. 50-72.

66. Таран А.П., Сдобников П.В. Явление неравенства усилий на рабочих элементах бурового наконечника и возможности его использования./ Под общ. ред. В.Г. Кожевникова. Уч. пособие. Кемерово: КПИ, 1975. -52 с.

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

68. Тверский М.Н. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. М. : Машиностроение, 1982. - 208 с.

69. Тиллес С.А. Точность обработки на сверлильных и токарных станках. М.: Машгиз, 1959.

70. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. Пер. с чешского. М.: Машгиз, 1956. - 359 с.

71. Троицкий Н.Д. Глубокое сверление. J1.: Машиностроение, 1971. - 176 с.

72. Троицкий Н.Д. О причинах уводов при глубоком сверлении. J1., 1957.

73. Улитин М.Н., Курицын М.Г. Вибрационное сверление отверстий малого диаметра.// Автомобильная и тракторная промышленность. М., 1956. - №1, с. 36-38.

74. Ушаков А.И. Динамические процессы при обработке глубоких отверстий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М., 1975. - 278 с.

75. Халилов Дж. Влияние неравенства углов в плане на условия работы режущих кромок сверла./ Труды КПИ, т. 36. Киев, 1962.

76. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки отверстий. М. : Машиностроение, 1984. -184 с.

77. Чернянский П.М., Распопова Н.П. Силовые смещения и жесткость технологической системы.// СТИН, 1998. №12, с. 13-17.

78. Эльясберг М.Е. Об устойчивости процесса резания.// Известия АН СССР. Отделение технических наук. 1958, №9, с. 37-52.

79. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов.// СТИН. 1962, №10. - с. 3-8; №11. - с. 3-6.

80. Юмштык М.Г., Кедров С.С. Колебания ружейного сверла при глубоком сверлении.// СТИН, 1968. №12, с. 26-27.

81. Hasegava Y., Horinchi and Takenaka N. On the Motion of Drill Tip and the Accuracy of Hole in Gun Drilling. Annals of CIRP, 1975. 24. p. 53-58

82. Katz R., Lee C.W., Uslou A.G. Turning of slender workpieces: modeling and experiments// Mech. Syst. and Signal Process. 1989. - №2. -p.195 - 205

83. Osman M., Challt G. Die Auswirkung der Form des Oldurchgangsquerschnitts beim Tiefbohren. Technische Zeitblatt praktische Metallbearbeitung BRD. 1982. 16. N6. p. 36-39

84. Pierc D., McManus B.P. Dynamic Chip Formation and its Significance to Machining Stability// "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers'', 1973, №21, p. 187

85. Sakuma K., Taguchi, Katsumi A. Study on Deep Hole Boring by BTA System Solid Boring Tool.

86. Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering, 1980. 14. N3. p. 143-148

87. Simonet I. Jes vibrations forcees de l'ontil et son comportement, "An Coll Internat etude scient techn. prod mee", 1962, 10, N3

88. Shelton R.C., Tobias S.A. A Survey of Research on cutting with oscillation tools. "Advanced Mach. Tool Design Rev" Oxford London - New York -Paris, Pergaun Press, 1963, p. 5-16

89. Stuckey N. Vibrated Cutting Tools. "Industr. Diamond Rev.", 1963, 23, N270