Повышение виброустойчивости фрезерования на основе использования торцовых фрез переменной жесткости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Фролов, Андрей Николаевич

• Фролов, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фролов, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА ТОРЦОВОГО

ФРЕЗЕРОВАНИЯ.

1.1. Особенности процесса торцового фрезерования.

1.2. Анализ динамических характеристик конструкций торцовых фрез.

1.3. Повышение виброустойчивости процесса фрезерования на основе совершенствования конструкций торцовых фрез.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ

ЗУБЬЕВ.

2.1. Математическая модель процесса изгибных колебаний фрезы с постоянной жесткостью зубьев.:.

2.2. Математическая модель процесса изгибных колебаний фрезы с переменной жесткостью зубьев.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ЗУБЬЕВ

ФРЕЗЫ НА ДИНАМИКУ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ.

3.1. Математическая модель процесса изменения силы резания фрезой, оснащенной зубьями с переменной жесткостью.

3.2. Моделирование процесса изменения силы резания при обработке поверхностей торцовыми фрезами с постоянной и переменной жесткостью зубьев.

3.3. Сравнение вибраций зубьев фрез с постоянной и переменной жесткостью.

Выводы

4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С

ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ЗУБЬЕВ

4.1. Методы получения разной жесткости зубьев торцовой фрезы.

4.2. Обоснование и выбор характера изменения жесткости зубьев торцовой фрезы.

4.3. Технико-экономические особенности торцовых фрез с переменной жесткостью зубьев.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение виброустойчивости фрезерования на основе использования торцовых фрез переменной жесткости»

Процесс торцового фрезерования является весьма распространенным в машиностроении. Он может использоваться не только при обработке плоских, но и, в ряде случаев, фасонных поверхностей вместо борфрез [15], обеспечивая высокую производительность. Вместе с тем, торцовые фрезы используются для обработки кромок листов под последующую сварку [70], торцов валов на фрезерно-центровальных станках [33].

Однако торцовое фрезерование сопровождается нестационарностью срезания металла, которая связана с кинематикой и динамикой этого процесса обработки. В связи с этим, при торцовом фрезеровании возникают как вынужденные колебания, так и автоколебания, связанные с проявлением регенеративного эффекта. Динамика процесса торцового фрезерования усложняется в результате действия случайных факторов, таких как: биение зубьев фрезы, переменная жесткость технологической системы по длине обработки, случайные колебания физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов и т.д. [19]. Известно [26], что при фрезеровании, сопровождающемся вибрациями, стойкость инструмента в четыре раза ниже, чем без них. При этом снижается производительность ввиду увеличения времени простоя оборудования, связанного с заменой и наладкой инструмента.

Вместе с тем, на предприятиях функционирует сегодня большое количество металлорежущих станков с ЧПУ и типа «обрабатывающий центр», которые в будущем станут неотъемлемой составляющей интегрированных автоматизированных систем, использующих, в частности, и торцовые фрезы. Несмотря на существующее многообразие способов предотвращения вибраций при торцовом фрезеровании, задача стабилизации процесса резания требует дополнительных исследований.

В связи с этим, решение задачи повышения виброустойчивости процесса торцового фрезерования, оказывающей непосредственное влияние на достижение требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности, повышение стойкости режущего инструмента и производительности обработки при минимальной себестоимости изготовления деталей, путем использования торцовых фрез переменной жесткости является весьма актуальным при функционировании промышленных предприятий в условиях рынка.

В первом разделе дан анализ работ по исследуемому вопросу. При этом рассмотрены особенности процесса торцового фрезерования, приведен анализ динамических характеристик конструкций торцовых фрез и описаны пути повышения виброустойчивости процесса фрезерования на основе совершенствования конструкций торцовых фрез.

Во втором разделе представлены разработанные математические модели процессов изгибных колебаний фрезы как с постоянной, так и с переменной жесткостью зубьев.

Третий раздел посвящен исследованию влияния переменной жесткости зубьев фрезы на динамику процесса фрезерования. Для этого разработана математическая модель процесса изменения силы резания фрезой, оснащенной зубьями с переменной жесткостью. Приведены результаты моделирования процесса изменения силы резания при обработке поверхностей торцовыми фрезами с постоянной и переменной жесткостью зубьев. Кроме того показана эффективность устранения автоколебаний путем сравнения размахов виброперемещений зубьев торцовых фрез с переменной жесткостью и стандартной, имеющей зубья с одинаковой жесткостью.

В четвертом разделе рассмотрены особенности конструирования торцовых фрез с переменной жесткостью зубьев. Разработаны методы получения разной жесткости зубьев торцовой фрезы, а также обоснован выбор характера изменения жесткости зубьев торцовой фрезы. Приведены технико-экономические особенности торцовых фрез с переменной жесткостью зубьев.

В заключение приведены основные результаты и сформулированы выводы по работе.

Целью работы является повышение виброустойчивости процесса торцового фрезерования на основе его стабилизации путем дискретного изменения жесткости зубьев торцовой фрезы.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи работы:

1. Разработать математические модели процессов изгибных колебаний торцовых фрез с постоянной и переменной жесткостью зубьев.

2. Разработать математическую модель процесса изменения силы резания фрезой, оснащенной зубьями с переменной жесткостью.

3. Провести компьютерное моделирование процесса изменения силы резания при обработке поверхностей торцовыми фрезами с постоянной и переменной жесткостью зубьев.

4. Установить характер изменения жесткости зубьев торцовой фрезы.

5. Разработать методические рекомендации по получению разной жесткости зубьев торцовой фрезы для повышения виброустойчивости процесса фрезерования

Методы исследования.

Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания металлов, динамики станков, классической механики, общей теории колебаний и устойчивости систем, теории математического моделирования. Компьютерное моделирование и реализация проектных расчетов осуществлялись ПЭВМ.

Автор защищает:

1. Математические модели процессов изгибных колебаний торцовых фрез с постоянной и переменной жесткостью зубьев.

2. Математическую модель процесса изменения силы резания фрезой, оснащенной зубьями с переменной жесткостью.

3. Результаты компьютерного моделирования процесса изменения силы резания при обработке поверхностей торцовыми фрезами с постоянной и переменной жесткостью зубьев.

4. Характер изменения жесткости зубьев торцовой фрезы.

5. Методические рекомендации по получению разной жесткости зубьев торцовой фрезы для повышения виброустойчивости процесса фрезерования.

Научная новизна заключается в решении задачи повышения виброустойчивости процесса фрезерования на основе использования торцовых фрез с переменной жесткостью зубьев, изменяющейся в большую (или меньшую) сторону относительно ее первоначального значения в пределах малого диапазона варьирования, образованного из чередующихся треугольников.

Практическая ценность.

На основе проведенных исследований установлен характер изменения жесткости зубьев торцовой фрезы и разработаны методические рекомендации по получению разной жесткости зубьев торцовой фрезы для повышения виброустойчивости процесса фрезерования.

Реализация работы.

Результаты данной работы приняты к внедрению на производстве ООО Щекинский завод «РТО». Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах лекций: «Технология машиностроения», «Металлорежущие инструменты».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на Второй международной научно-технической конференции «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (г.Тула, 2001г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета. Публикации.

Основное содержание работы изложено в 5 публикациях объемом 1,6 п.л., из них авторских 1,25 п.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 78 наименований и приложения. Работа содержит 148 страниц машинописного текста, включая 55 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Фролов, Андрей Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении эффективности процесса фрезерования путем обеспечения его виброустойчивости на основе использования торцовых фрез с зубьями разной жесткости, дискретно-изменяющейся в малом диапазоне, образованном из чередующихся треугольников. Применение разработанной конструкции торцовой фрезы с переменной жесткостью зубьев обеспечивает повышение виброустойчивости процесса фрезерования, а соответственно, более высокое качество обработанной поверхности, увеличение стойкости режущего инструмента и производительности механической обработки.

В процессе теоретического исследования и компьютерного моделирования получены следующие основные результаты и выводы:

1. Разработаны математические модели процесса изгибных колебаний торцовых фрез с постоянной и переменной жесткостью зубьев, которые позволяют установить виброперемещения инструмента в процессе фрезерования.

2. Предложена математическая модель процесса изменения силы резания при фрезеровании торцовыми фрезами с постоянной и переменной жесткостью зубьев, в которой учитывается влияние вибрационного следа, образуемого зубьями фрезы на поверхности резания, на мгновенную площадь срезаемого слоя, а соответственно и мгновенную силу резания. Это позволяет установить динамику изменения силы резания при фрезеровании торцовыми фрезами в условиях проявления «регенеративного эффекта».

3. На основе результатов моделирования процесса фрезерования образцов из стали и чугуна разных марок торцовыми фрезами с переменной жесткостью зубьев установлено, что динамическая компонента силы резания в 1,5.2 раза меньше, чем для стандартных фрез. Одновременно показано, что при использовании фрез с переменной жесткостью зубьев, приводящих к образованию на поверхностях резания вибрационных волн с разным шагом, предотвращается возможность развития «регенеративного эффекта» и автоколебаний в процессе фрезерования, т.е. повышается его виброустойчивость. Анализ результатов моделирования процесса фрезерования стандартными торцовыми фрезами показал, что в тех же условиях наблюдается рост динамической компоненты силы резания, что наглядно свидетельствует о невозможности предотвращения «регенеративного эффекта» и автоколебаний.

4. Установлено, что размахи колебаний зубьев торцовой фрезы с переменной жесткостью в 1,5.3 раза меньше, чем у зубьев фрезы стандартной конструкции.

5. Установлено, что наиболее приемлемый характер изменения жесткости зубьев торцовой фрезы соответствует малому диапазону ее варьирования, образованному из чередующихся треугольников, при односторонних изменениях жесткости зубьев в большую (или меньшую) сторону относительно номинального значения, равного жесткости зубьев стандартной фрезы.

6. Показано, что для получения зубьев разной жесткости в торцовых фрезах рекомендуются три метода: изготовление державок зубьев из материалов с разным модулем упругости; применение державок с разным поперечным сечением; изготовление державок из наборов пластин, склеенных между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности. . Установлена математическая зависимость для определения жесткости державок зубьев торцовых фрез, использование которой позволяет осуществлять расчеты при различных глубинах пазов на державках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фролов, Андрей Николаевич, 2005 год

1. Алтиитас Е., Еллоули И., Тлустый И. Обнаружение поломок режущего инструмента при фрезеровании// Современное машиностроение, сер.Б.-1989.-№4.- с.99-106.

2. Алтинтас Е., Еллоули И. Выявление поломки инструмента в процессе фрезерования с использованием моделей сил резания // Современное машиностроение, серия Б, 1989.-№12.- С.99-108.

3. Ананьев И.В., Колбин Н.М. Основные особенности импульсного демпфирования колебаний // Труды ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, вып. 1197,-М. 1970.-36с.

4. А.С. СССР 1247191, МКИ В23 С 5/06. Режущий инструмент /Л.А.Васин, С.А.Васин, О.Л.Дмитриева №3878899 /25-08, 25.02.85; Опубл. 30.07.86, Бюл.№28.

5. Бертмен Г., Эрдейл А. Таблицы интегральных преобразований. Том 1.-М.: Наука, 1969.-С.312

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М., «Машиностроение», 1975.-343с.

7. Боровский Г.В., Якушева О.Б., Жамолетдинов А.А. Высокоскоростное фрезерование серого чугуна. «Станки и инструмент», 1993, № 2.

8. Бугров Я.С., Никольский С.М. Дифференциальные уравнения. Кратные интегралы. Ряды. ФКП. М.: Наука; 1985.- 245 с.

9. Васин JI.A., Фролов А.Н. Колебания торцовой фрезы с переменной жесткостью зубьев А.С. СССР 87482, МКИ В23сВ23с. Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Том 3. Вып. 3. Управление. Тула 2001. с.146-153.

10. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учебн. для техн. вузов. М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448с.

11. Виккерс Д., Кван Е. Сравнение борфрез и торцовых фрез при обработке фасонных поверхностей // Современное машиностроение, сер. Б, 1989, №9. -с. 98-103.

12. Вольшонок З.С., Винальева Н.П. Применение современных методов фрезерной обработки в тяжелом машиностроении: Обзор. ЦНИИТЭИ тяжмаш., 1987.- 48 с.

13. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. М.: Машиностроение, 1973. -496с.

14. Высокопроизводительная обработка металлов резанием. М. Издательство «Полиграфия», 2003. — 301 с.

15. Гаек М. Повышение эффективности торцового фрезерования конструкционных сталей и чугунов путем стабилизации возмущающих факторов обработки.: Автореф. дисс. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М., 1995.-с. 46.

16. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.-С.303.

17. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z преобразования. -М: Наука, 1971.- С. 112.

18. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление.- М.: Наука, 1974.- С. 198.

19. Дулэн П., Пхадке М.С., By С.М. Виброустойчивые торцовые фрезы, рассчитываемые с помощью ЭВМ/ Э.И. «Режущие инструменты», №3, 1977.-С. 12-17.

20. Зависимость между энергией резания и повреждением режущего инструмента // Э.И. «Режущие инструменты». Пер. с франц. Г.С. Вильнер. М.: 1981.-№11.-с. 1-22.

21. Зорев Н. Н., Вирко Н. П. Стойкость и производительность торцовыых фрез при смещении заготовки относительно фрезы. «Труды ЦНИИТМАШ» кн. 82. Машгиз, 1957.

22. Исследование износа инструмента и спектра вибраций при фрезеровании // Э.И. «Режущие инструменты» Зарубежный опыт. Пер. с англ. Б.А. Мартынов. М., 1984.-№11.- с. 1-11.

23. Кантарович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа.- М.- Л.: Физматлит, 1962.- С. 153.

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

25. Кожевников Д.В., Гречишников В.А., Кирсанов С.В. и др. Режущий инструмент. Учебник.- М.: Машиностроение, 2004, 516 с/

26. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука; 1976.

27. Королева Е.М. Векторно-базовый анализ силового поля при фрезеровании // Вестник машиностроения, 2003, №1. С. 42-49

28. Кудинов В.А. Динамика станков.- М.: Машиностроение, 1967.- 359 с.

29. Кушниров П.В., Бондорев С.Г. Торцовые фрезы для снятия большого припуска. // Станки и инструмент. 1993, №3. с. 29.

30. М.Н. Ларин. Высокопроизводительные конструкции фрез и их рациональная эксплуатация. М.: Машгиз, 1957. 272 с.

31. Лобердо А., Алсой А. Модель динамики процесса фрезерования и ее использование в задачах управления // Современное машиностроение, Сер. Б.-1989.- №6. с.176-185.

32. Лобердо А., Алсой А. Управление силой резания при фрезеровании с помощью адаптивного регулятора с эталонной моделью // Современное машиностроение, Сер. Б.-1989.- №9. с.88-98.

33. Лобозов В.П., Горбач С.П., Боровский Г.В. Применение инструмента, оснащенного СТМ, в производстве деталей тракторных гидроагрегатов.// Станки и инструмент:-№7, 1984. -с. 18-20.

34. Миляев О.Н., Федотов А.И. Роботизированные технологические комплексы для фрезерных работ. Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1988.-80 с.

35. Нагорняк С.Г., Завирохин И.Г. Повышение стойкости торцовых фрез, оснащенных твердосплавными пластинами//Станки и инструмент, № 6, 1978, С. 28-32

36. Орликов М.Л. Динамика станков.- 2-е издание, переработанное и доп.-К.: Высшая школа. Головное издательство, 1989.-272 с.

37. Панкин А.В. Обработка металлов резанием.: М. Машгиз., 1961, с. 520.

38. Парфенов П.Г., Шаламов В.Г. Анализ динамического возмущения системы СПИД при цилиндрическом фрезеровании узких поверхностей // Известия вузов. Машиностроение, 1981, №3.- С. 115-120

39. Перченок Ю.Г., Степанов В.М. Влияние динамических характеристик фрезерных станков на точность автоматической обработки // Динамика станков: Тезисы докладов Научно-техн. конференции Куйбышев, 1980. С. 229-231

40. Рассохин В. Я. Окружная сила при торцовом фрезеровании твердосплавными фрезами. М., ЦБТИ, 1951.

41. Розенберг А. М. Динамика фрезерования. М., «Советская наука», 1945.

42. Романко В.К. Курс дифференциальных уравнений и вариационного исчисления.- М.: Физматлит, 2000.

43. Сборный твердосплавный инструмент /Г.Л.Хает, В.М. Гах, К.Г.Громаков и др.; Под общ. ред. Г.Л. Хаета. М.: Машиностроение, 1989. -256 с.

44. Сверхскоростное фрезерование и его развитие до 2000 г. // Э.И. «Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства». Зарубежный опыт. Пер. с немецк. В.Н. Лейцингер. М.: 1988, вып. 12,-С. 1-8.

45. Сенькин Е.Н. Декомпозиция задачи проектирования режущего инструмента//Вестник машиностроения.- 1985.-№12.-с.39-42.

46. Спивак С., By С.М. Контроль износа и поломки фрез по силе резания/ Пер. с англ. С.М.Палей // Машиностроительное производство. Сер.

47. Технология и оборудование обработки металлов резанием. Зарубежный опыт.-М.: 1989.- Вып. 13.-с. 20-27.

48. Справочник инструментальщика/ И.А.Ординарцев, Г.В.Филиппов,

49. A.Н.Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А.Ординарцева,- Д.: Машиностроение, Ленингр., отд-ние, 1987.- 846 с.

50. Справочник конструктора-инструментальщика: Под общ. ред.

51. B.Н.Баранчикова.-М.: Машиностроение, 1994. 560с.

52. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т-1/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова.- 4-е изд.; перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985.- 656 с.

53. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т-2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова.- 4-е изд.; перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985.- 586 с.

54. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле: пер. с англ./ под ред. Э.И. Григолюка. М.: Машиностроение, 1985.- 472 с.

55. Тихонов А.Н., Васильев А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. М.: Наука; 1979.

56. Тласти, Элбестави. Анализ переходных процессов при адаптивном управлении сервомеханизмом для стабилизации силы резания при фрезеровании.- Конструирование и технология машиностроения, 1977, №3.1. C. 229-232

57. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1956.- 395с.

58. Тлустый И.Влияние колебаний на шероховатость поверхности при фрезеровании / Пер. с англ. Б.А.Мартынова // Средства технологического оснащения металлообрабатывающего производства. 1988. : Вып № 17. - с. 11-13.

59. Устранение вибраций при фрезеровании/ Пер с франц. Г.С.Вильнера // Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительногопроизводства. Сер Режущие инструменты. Зарубежный опыт. М., 1985.-Вып. 14.-е. 1-4.

60. Учет нелинейности при анализе вибрации станков // Э.И. «Автоматические линии и металлорежущие станки». Пер. с англ. JI.H. Цейтлин. М.: 1982. -№18.- с. 1-12.

61. Ушаков М.В. Влияние конструктивной подачи на процесс фрезерования цилиндрическими фрезами. / Тула, ТулГУ, 2003., с. 139.

62. Филиппов Г.В. Режущий инструмент. JL: Машиностроение, 1981. -392с.

63. Фрезерование минералокерамикой // Э.И. «Режущие инструменты». Пер. с нем. СЛ. Петросян. М.: 1981.-№15.- с. 1-19.

64. Фу Н., Девор Р., Капур С. Модель для расчета систем сил, возникающих при торцовым фрезеровании - Конструирование и технология машиностроения, 1984, №1.-С. 148-157

65. Хиршман И.И., Уиддер Д.В. Преобразования типа свертки.-М.: Иностранная литература, 1958.-С.148

66. Хрунев Ю.М., Дыжин В.А. Торцовые фрезы с механическим креплением пластин //Машиностроитель, №3, 1986.- С. 20-21

67. Хуго Ф. Особенности фрезерования с большими подачами // Э.И. «Режущие инструменты», 1981, №41.-с. 1-8.

68. Шаламов В.Г. Динамика цилиндрического фрезерования узких поверхностей // Известия вузов. Машиностроение, 1978, №8.- С.156-160

69. Шаламов В.Г. Влияние разношаговости зубьев фрез на вынужденные колебания технологической системы // Изв. Вузов «Машиностроение», 1990, №6.- С.115-118.

70. Шаламов В.Г. Динамика цилиндрического фрезерования узких поверхностей // Известия вузов. Машиностроение, 1978, №8.- С. 156-160

71. Шишков В. Д. Оптимальное расположение заготовки относительно твердосплавной торцовой фрезы. «Станки и инструмент», 1969, № 6.

72. Шишков В.Д. Неравномерность работы торцовой фрезы, «Станки и инструмент», 1970, № 7.

73. Эльегольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационного исчисления. М.: Наука; 1969.

74. Этин А. О. Методы повышения производительности при скоростном фрезеровании. М., ЦБТИ, 1951.

75. Davis В. Integral Transforms and Their Applications.- New York: Springer Verlag, 1978.-C.68