Повышение виброустойчивости технологической системы токарного станка путем использования резцов с переменной жесткостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Кошелева, Алла Александровна

• Кошелева, Алла Александровна
• кандидат технических наук
• 1995

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кошелева, Алла Александровна

Принятые обозначения

Введение.

Глава I Возможности повышения точности процессов токарной обработки. Состояние вопроса

1.1. Пути повышения точности при токарной обработке

1.2. Способы изменения жесткости технологической системы

1.3. Использование режущего инструмента с регулируемыми динамическими характеристиками как метод управления интенсивностью колебаний

1.4. Цель и задачи исследования

Глава II Исследование процесса резания с применением вероятностного подхода , схема резания и анализ действующих сил

2.1. Обоснование необходимости применения теории случайных процессов при исследовании точности механической обработки.:.

2.2. Разработка резца с переменной жесткостью

2.3. Схема резания

2.4. Анализ действующих сил.

Выводы по главе II.

Глава III Исследование вибраций при точении резцом с переменной жесткостью. Определение зоны виброустойчивости

3.1. Постановка эксперимента. Точение резцом с переменной жесткостью.

3.2. Исследование условий возникновения и протекания вибраций.

3.3. Спектральный анализ процесса возникновения и протекания вибраций

3.4. Разработка регрессионной модели зависимости амплитуды колебаний инструмента от режимов резания

3.4.1. Планирование эксперимента

3.4.2. Выбор интервала варьирования факторов

3.4.3. Получение математической модели объекта

3.4.4. Проверка значимости коэффициентов модели

3.4.5. Проверка адекватности модели

3.4.6. Интерпретация результатов

3.5. Влияние неточности изготовления прокладки на точность обработки деталей

В ы в о д ы по главе III.

Глава IV Разработка теоретико-вероятностных схем процесса резания.

4.1. Динамическая модель системы

4.1.1. Исследование характеристик УС

4.1.2. Исследование характеристик процесса резания

4.1.3. Расчет виброустойчивости

4.2. Использование вероятностного подхода для исследования процесса резания

4.3. Реализация метода повышения виброустойчивости инструмента при нестабильных режимах резания путем введения в конструкцию звена с переменной жесткостью.

Выводы по главе IV.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение виброустойчивости технологической системы токарного станка путем использования резцов с переменной жесткостью»

Для успешного решения множества экономических и социальных задач, стоящих перед страной, необходимо обеспечить быстрый рост производительности труда, повышение технического уровня, эффективность и улучшение качественных показателей всех отраслей общественного производства.

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

Интенсификация производства невозможна без реконструкции народного хозяйства на базе новейших достижений науки и техники, перехода к ресурсосберегающим и безотходным технологиям.

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

В современном машиностроении, в условиях автоматизации, создания новых материалов и технологий проблема обеспечения высокого качества продукции, стабильности технологических процессов занимает особое место и привлекает все большее внимание ученых и производственников. Разрабатываются новые высокопроизводительные и высоконадежные конструкции инструмента, обладающего высокой точностью размеров и профиля, возможностью применения в режущей v части высокопрочных материалов и износостойких покрытий. Но его применение зачастую ограничено себестоимостью процесса изготовления и возможностью использования серийного универсального оборудования. Помимо этого, при проектировании инструмента практически не учитывается случайный характер процесса резания, в то время, как детерминированный подход к описанию процессов резания не может в полной мере описать все возможное 'разнообразие условий обработки и параметров технологического оборудования.

Применение вероятностного метода позволяет проводить анализ хода процесса, правильно оценивать его точность и степень влияния на него различных факторов, заранее устанавливать теоретическую схемо-точностную диаграмму процесса, а также является необходимым условием для создания обоснованных методов проектирования надежных и оптимальных конструкций. Исследованию процесса резания с учетом случайного характера его протекания и сазданю инструмента с переменными параметрами (жесткостью), являющимися одним из определяющих факторов достижения точности, и посвящена данная работа.

В первом разделе дан анализ работ по исследованию влияния различных факторов на вибрации, возникающие в процессе резания, приводятся наиболее распространенные методы снижения уровня колебаний в технологической системе путем изменения жесткости и повышения демпфирующей способности инструмента как звена упругой системы станка, наиболее легко поддающегося адаптации под определенный технологический процесс. Формулируются цель и задачи исследования.

Во втором разделе рассматривается конструкция резца переменной жесткости, разработана модель изгибных колебаний резца. Приводится схема резания, анализ действующих сил. Вибрации резца рассматриваются с учетом случайного характера изменения сил.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований резцов переменной жесткости. Приведена методика проведения экспериментов, на основе обработки экспериментальных данных проведен спектральный анализ процесса протекания вибраций, определена зона виброустойчивости. Приводится сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными.

В четвертом разделе исследуется точность токарной обработки с использованием теории случайных величин. Определена область применения и особенности эксплуатации резцов с переменной жесткостью.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Г.В. Шадскому за руководство работой, доктору технических наук, профессору Л.А. Васину за консультации, помощь и внимание к работе; благодарит коллектив кафедры Автоматизированные станочные системы, зам. начальника отделения 8 КБ приборостроения Б.П. Мокринского за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Кошелева, Алла Александровна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV

1. С целью определения области виброустойчивости проведен расчет динамической системы станка, включающей взаимодействие УС СПИД мс рабочими процессами. Для анализа систем использован математический аппарат современной теории автоматического управления, что позволило раскрыть физический смысл динамических явлений, протекающих во время точения. УС рассмотрена на основе классического положения теории упругости и колебаний как система со многими степенями свободы и координатными, скоростными и инерционными связями. Анализ устойчивости линеаризованной динамической системы при резании на основе разработанных представлений об элементах системы и их связях позволил дать совокупную оценку влияния параметров УС, процессов резания, трения на ззапас устойчивости.

2. Получены значения оптимальных параметров конструкции и режимов резания, позволяющих расширить область виброустойчивости. Запас устойчивости оценивался по ширине срезаемого слоя.

3. Разработана методика анализа динамической системы станка с учетом случайного характера ее параметров.

4. Получены уравнени, описывающие основные параметры колебаний резца. Определена область возможных применений уравнений.

5. Проведены эксперименты , подтвердившие совпадение с расчетными характеристиками.

6. Теоретический и экспериментальный анализ позволил выявить " слабые " звенья , влияющие на устойчивость системы. Выявлено, что улучшение динамического качества системы может быть достигнуто путем усиления тех или иных звеньев системы, а именно:

- Увеличением жесткости закрепления детали, жесткости стыков в станке;

- увеличением демпфирования в конструкции;

- изменением связей в системе: подбор оптимальных форм сечений, изменении направления сил трения и резания.

7. Предложены несколько вариантов конструкций державок, позволяющих повысить динамическое кочество УС.

Общие выв о д ы по работе

1. Проведенный анализ условий обработки металлов и параметров оборудования выявил их многообразие и случайный закон изменения, показал необходимость адаптивного конструкционного управления интенсивностью вибраций. Теоретически обоснована возможность применения инструмента с регулируемой жесткостью, позволяющего значительно уменьшить вероятность возникновения резонансных явлений при регенеративных колебаниях.

2. Разработана конструкция режущего инструмента, реализующая изменение жесткостных характеристик державки при нестабильных режимах резания, обеспечивая тем самым уменьшение вероятности возникновения резонанса в системе. Снижается влияние случайных изменений условий обработки, так как это "плавающая" схема, с уменьшением чувствительности к изменениям режимов резания.

3. Проведена экспериментальная проверка разработанной конструкции . Установлено , что применение исследуемого резца в 1.5 - 2.5 раза уменьшает вибрационное врезание в тело заготовки, что положительно сказывается на качестве обработки. Определен оптимальный диапазон режимов резания, обеспечиваемый оптимальным выбором державки. Установлено, что применение разработанного инструмента наиболее целесообразно для черновой обработки деталей с ярко выраженной не-круглостью, сложных фасонных поверхностей, деталей, предусматривающих большой вылет резца. Применение смазки в конструкции инструмента уменьшает амплитуду вибраций в 3 - 6 раз.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания широкополосной частотной зоны, обеспечивающей устойчивую работу предложенного инструмента при регенеративных колебаниях с отсутствием ярко выраженного резонансного пика.

5. Получены уравнения, определяющие зависимость амплитуды колебаний от режимов резания. Экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность уравнений и проведенных расчетов реальному процессу. Значения погрешностей, полученных по разработанной методике, совпадают с экспериментальными в 90 % доверительном интервале.

6. Разработана математическая модель технологической системы и процесса резания, позволяющая: оценивать точность токарной обработки при нестабильных режимах резания; выбирать и оптимизировать режимы резания для решения задач обеспечения точности обработки на токарных станках; расширять интервалы варьирования режимов резания и осуществлять выбор оптимального инструмента в зависимости от материала заготовки, требуемой точности и производительности; рассчитывать прочностные характеристики инструмента.

7. Исследования динамической системы станка позволили определить зону устойивой работы инструмента. Установлено, что при использовании инструмента с переменной жесткостью граница виброустойчивости смещается в зону повышенного припуска,что позволяет увеличивать производительность токарной операции в 1.1 - 1.4 раза без ухудшения качественных показателей обработанной поверхности. Сравнительный анализ точения разработанным и обычным резцом показал значительное преимущество первых, что позволяет рекомендовать их для широкого применения в машиностроении.

8. Установлено, что изменение динамических характеристик инструмента позволяет осуществлять точение деталей в устойчивом диапазоне частот в любых сочетаниях режимов рёзания, что открывает перспективу создания новых инструментов, позволяющих проводить точение деталей с высокой степенью точности при нестабильных условиях обработки. Предложены новые конструкции режущего инструмента с переменными динамическими характеристиками.

Предложенная конструкция резца внедрена в Брянском локомотив ном депо. Результаты проведенных исследований приняты к промышленному применению.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кошелева, Алла Александровна, 1995 год

1. Амосов И.С. Осциллографические исследования вибраций при резании металлов. Сб. " Точность механической обработки и пути ее повышения". М. : Машгиз, 1951.

2. Амосов И.С. Скраган В.А. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке. М.: Машгиз, 1958.

3. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. -- М.: Физматгиз, 1959.

4. А. с. 90284 СССР, В23В21/00

5. А. с. 190759 СССР, В23В21/00

6. А. с. 247728 СССР, F16F13/00

7. А. с. 462662 СССР, В23В21/00

8. А. с. 1057242 СССР, B23Q15/00

9. А. С. 1074660 СССР, В23В21/00

10. А. С. 1113604 СССР, F16F1/08

11. А. с. 1116242 СССР, F16F15/00

12. А. с. 1262152 СССР, F16F1/40

13. А. с. 1283457 СССР, F16F15/04

14. А. с. 1295078 СССР, F16F9/04

15. А. с. 1303770 СССР, F16F9/04

16. А. с. 1308789 СССР, F16F13/00

17. А. с. 1357619 СССР, F16F9/02

18. А. с. 1408135 СССР, F16F1/30

19. А. с. 1455086 СССР, F16F9/04

20. А. с. 1441105 СССР, F16F15/02

21. А. с. 1465653 СССР, F16F1/42

22. А. с. 1468886 СССР, В23В27/00

23. А. с. 1499001 СССР, F16F7/08

24. А. с. 1504414 СССР, F16F15/04

25. А. с. 1593896 СССР, B23Q5./06

26. А. с. 1673320 СССР, В23С5/24

27. А. с. 1691087 СССР, B24D13/20

28. А. с. 1696155 СССР, В2ЙВ29/02

29. А. с. 1696784 СССР, F16F7/00

30. А. с. 1704942 СССР, В2?В29/02

31. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984.

32. Балакшин Б.С. и др. Разработка и использование систем автоматического управления упругими перемещениями для повышения точности и производительности обработки на Токарных станках. Обзор.- М., 1969.

33. Барановский М.А., Молочков А.В. Справочник токаря. -Минск: Госиздат БССР, 1962. 492.

34. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение, 1972. - 72 с.

35. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1966. - 922 с.

36. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. - 335 с.

37. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Введение в теорию нелинейных колебаний: Учеб. пособий для втузов: 2-е изд., испр.- М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит. - 1987. - 384 с.

38. Васин JI.A. Исследование влияния переменных режимов резания на силу резания и возбуждение автоколебаний // Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. тр./ ТулГТУ. Тула, 1993. - С. 64-75.

39. Васин Л.А. Повышение стабильности процесса резания при токарной обработке нежестких деталей / ТулПИ. Тула, 1987.- 8 с. Деп. в ВНИИТЭМП 18. 01. 88.- N 14

40. Васин Л.А., Шадский Г.В., Кошелева А.А. Виброустойчивость резцов переменной жесткости при нестабильных режимах обработки// Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. тр./ ТулГУ. Тула, 1994. - С. 77-88.41.

41. Ьопрвсы вибр@с§ст0яния,мзтоды формирования и анализа случайных вибраций: Материалы семинара (5-6 мая 1984 г. )

42. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.- 576 с.

43. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./ Ред. совет: В.Н.Челомей ( пред. ) . М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова. 1981. - 456 с.

44. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985.- 304 с.

45. Дж. Бендат, А. Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1971,- 408 с.

46. Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. М. : $!ир, 1983. - 312 с.

47. Диментберг Ф.М., Шаталов К.Т., Гусаров А.А. Колебания машин. М.: Машиностроение, 1964. - 308 с.

48. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом.- Л. : Машиностроение, 1986'.

49. Жарков И.Г., Попов И.Г. Влияние автоколебаний на стойкость // Станки и инструмент,- 1971. N 5.

50. Житомирский В.К. Механические колебания и практика их устранения. М.: Машиностроение, 1966. - 176 с.

51. Ильинский И.И. Колебания в металлорежущих станках й пути их устранения. М.: Машгиз, 1958.

52. Иржи Тлустый. Автоколебания в металлорежущих станках. -М.: Машгиз, 1956.

53. Кабалдин Ю.Г., Медведева О.И. Повышение качества обработанной поверхности.// Вестник машиностроения.- 1989.- N 5. С. 42-45.

54. Каминская В.В., Кушнир В.Ф. Динамическая характеристика процесса резания// Станки и инструмент. 1979. - N 5. - С. 27-29. Машгиз, 1946.

55. Каширин В.А. Анализ стабильности технологических процессов и выбор критериев его оптимальности. Ростов н/Д, 1973.

56. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978.

57. Кочинев Н.А., Хачатрян А.Х. Измерение относительных колебаний заготовки и инструмента датчиками абсолютных колебаний // Станки и инструмент. 1991. - N 4. - С. 14 - 16.

58. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 с.

59. Кудинов В.А. Влияние деформируемости системы станок деталь - инструмент на производительности, точность и чистоту поверхности деталей. - М.: НТО Машпром, 1963. - 64 с.

60. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 360 с.

61. Кудинов В.А. Динамическая характеристика резания // Станки и инструмент. 1963.- N 10.

62. Кудинов В.А. Теория вибраций при резании. Передовая технология машиностроения. М.: АН СССР, 1955.

63. Кутай А.К., Кордонский Х.Б. Анализ точности и контроль качества в машиностроении. М.: Машгиз, 1958.

64. Кучма Л.К. Устранение вибраций при обработке металлов резанием. Сб. Исследование колебаний МРС при резании металлов.- М. : Машгиз, 1958.

65. Лазарев Г.С. Устойчивость процесса резания металла. М.: Высшая школа, 1973.

66. Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 360 с.

67. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. -М.: Машиностроение, 1971. 264 с.

68. Локтев В.И. Устойчивость динамической системы металлорежущего станка со слкучайно подобранными параметрами упругой системы // Известия вузов. Машиностроение.- 1973. N5.

69. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. М.: Наука, 1972. - 472 с.

70. Методика испытания токарных станков средних размеров общег< назначения на виброустойчивость при резании. М.: ОНТИ ЭНИМС, 1961.- 44 С.

71. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М.: Государственное издательство физико-математической литератуоы, 1960. - 432 с.

72. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания на токарно-автоматные работы. Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1979.

73. Орликов М.Л. Динамика станков. М.: Наука, 1989.

74. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1991. - 256 с.

75. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара:-4-е изд., перераб. и доп. Л.: Политехника, 1990. - 272 с.88. Пат. 80961 СРР, В23В29/1489. Пат. 4962916 США

76. Пат. 1568044 Великобритания, B23d

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

78. Попов В.И., Локтев В.И. Динамика станков. Киев: Техника, 1975. - 136 с.

79. Пуш В.Э., Кочинев Н.А., Хачатрян А.Х. Формообразование поверхности при точении с учетом относительных колебаний заготовки и инструмента// Станки и инструмент. 1991. - N 7. - С. 28-30.I

80. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Построение моделей процессов производства. М.: Энергия, 1975.

81. Решетов Д.Н. Портман В.Т. Точность металлорежущих станков.- М.: Машиностроение, 1986. 336 с.

82. Розо М. Нелинейные колебания и теория устойчивости. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1971.- 288 с.

83. Рыжков Д.И. Вибрации при резании металлов и методы их устранения. М.: Машгиз, 1961.-172 с.

84. Рыжков Д.И. Опыт устранения вибраций при скоростном точении металлов. М.: Машгиз, 1954.

85. Рыжков Д.И. Влияние материала заготовки на вибрации при точении. М.: ВИНИТИ, АН СССР, 1958.

86. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1991. - 320 с.

87. Смирнов Н.В., Дудин-Барковский И.В. Курс теории вероятное тей и математической статистики для технических приложений. Издание третье, стереотипное. М.: Наука, 1969. - 512 с.

88. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. -М. Л.: ГНТИМЛ, 1946. - 208 с.

89. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения.- М.: Машгиз, 1955. •

90. Соколовский А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1952.

91. Солод В.И. Автоматическое управление режимами резания ме таллов. М.: Машиностроение, 1979.

92. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения . М.: Машиностроение, 1972. - 216 с.

93. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г.,Корн Т. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 832 с.

94. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т. Т.2./ Ю.А.Абрамов, В.Н.Андреев, Б.И.Горбунов и др.; Под ред. А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 496 с.

95. Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. 3-е изд. - М.: Наука, 1965.

96. Тимошенко С.П; Колебания в инженерном деле. М.: Физмат-гиз, 1959.

97. Тихомиров Ю.Ф. Промышленные вибрации и борьба с ними. -Киев: Техника, 1975.

98. Тондл А. Автоколебания механических систем: Пер. с англ.- М. : Мир, 1979. 432 с.

99. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред. А.Н.Гаврилова. М.: Машиностроение, 1973. - 567 с.

100. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1967. - 544 с.

101. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по соротивленню материалов / Для втузов / Изд. 4-е, испр. и доп. -М.: Наука, 1973.

102. Фикс-Марголин Г. Оценка качества станков по характеристик.жесткости. Ташкент: Фан, 1978.

103. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование эксперимента в исследованиях технологических процессов. М.: Мир, 1977.

104. Хасьминский Р.З. Устойчивость систем дифференциальных ураЕ нений при случайных возмущениях их параметров. М.: Наука, 1969.- 368 с.

105. Химмельблау Д. Анализ процессов статическими методами.- М.: Мир, 1973.

106. Шакалис В.В. Моделирование технологических процессов.- М.: Машиностроение, 1973. 136 с.

107. Шадский Г.В., Кошелева А.А. Исследование зависимости интенсивности колебаний резца с переменной жесткостью от режимов резания // Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. тр. / ТулГУ. Тула, 1995.

108. Шадский Г.В., Кошелева А.А. Статические методы анализа и регулирования технологических процессов// Проблемы теории проектирования и производства инструмента: Тезисы докладов совещания 15-17 ноября 1995 г. Тула, 1995. - С. 88-89.

109. Эльясберг М.Е. Демченко В.А., Сидачев Т.А. Повышение устойчивости процесса резания при наличии дополнительного касательного контура и действии импульсов на задней поверхности резца// Станки и инструмент.- 1986. N 3. - С. 30-34.