Совершенствование технологии концевого фрезерования с учётом упругих отжатий высокочастотного электрошпинделя станка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Башаров, Рашит Рамилович

• Башаров, Рашит Рамилович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Башаров, Рашит Рамилович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Современные тенденции повышения скоростей резания.

1.2. Анализ современных САМ-систем для реализации обработки на высоких частотах вращения.

1.3. Анализ технических характеристик применяемых систем ЧПУ.

1.4. Анализ режущего инструмента и инструментальной оснастки, применяемых при ВСО.

1.5. Анализ технических характеристик применяемого станочного оборудования.

1.6. Шпиндельные узлы и опоры.

1.7. Анализ исследований в области точности ШУ.

1.8. Анализ исследований в области моделирования динамики шпиндельных узлов.

1.9. Исследования в области динамики механической обработки.

1.10. Выводы, цели и задачи работы.

2. РАСЧЁТ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ОСИ ШПИНДЕЛЯ.

2.1. Анализ основных источников возмущающих воздействий, возникающих при обработке на высоких частотах вращения.

2.1.1. Действие центробежной силы.

2.1.2. Действие силы резания.

2.1.3. Взаимодействие центробежной силы и силы резания.

2.2. Разработка расчётной схемы.

2.3. Определение передаточных функции, структурная схема расчёта

2.4. Результаты моделирования траектории движения оси электрошпинделя LC 100.

Выводы.

3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ.

3.1. Особенности математического моделирования.

3.2. Определение баланса сил, действующих на элементы упругой системы электрошпинделя.

3.3. Структурная схема расчёта.

3.4. Моделирование силы резания при фрезеровании.

3.4.1. Особенности процесса фрезерования на высоких частотах вращения.

3.4.2.Схемы фрезерования и их применимость при обработке на высоких частотах вращения.

3.4.3. Механизм процесса фрезерования. Закономерность изменения толщины срезаемого слоя.

3.4.4. Динамика силы резания.

3.4.5. Исследование влияния радиальных колебаний фрезы на параметры срезаемого слоя.

3.4.6. Моделирование силы резания при фрезеровании в среде МАТЬАВ / 8тш1шк.

3.5. Блок схема моделирования траектории движения инструмента в среде МАТЬАВ / БштИпк.

Выводы.

4. РАСЧЁТ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ.

4.1. Расчётное определение параметров исследуемой системы.

4.2. Экспериментальное исследование жёсткости системы.

4.3. Экспериментальное определение силы резания по потребляемой мощности электрошпинделя во время фрезерования.

4.4. Экспериментальное определение коэффициента усадки стружки

4.5. Экспериментальное измерение колебаний инструмента.

4.6. Расчётные данные и их анализ.

4.7. Методика назначения режимов резания.

Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА СТАНКЕ 500V/5.

5.1. Условия проведения эксперимента.

5.2. Анализ расчётных и экспериментальных данных.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии концевого фрезерования с учётом упругих отжатий высокочастотного электрошпинделя станка»

Конкурентоспособность металлообрабатывающих станков в значительной степени определяется критериями их работоспособности, к которым относятся: точность, жесткость, виброустойчивость и др. Производительность обработки и качество изготавливаемых деталей зависят от ряда факторов, в частности, от динамических процессов в технологическом оборудовании.

Особенностью современного технического прогресса в машиностроении является рост скоростей резания, увеличение частот вращения шпинделей станочного оборудования, сокращение времени холостых ходов и вспомогательных перемещений. Всё это направлено на увеличение производительности при обработке деталей. Высокие скорости резания сопровождаются изменением физико-механических процессов в зоне резания и динамических процессов в упругой системе оборудования. В связи с малой изученностью данных процессов, является актуальным исследование работы шпиндельных узлов оборудования на высоких частотах вращения.

В теории динамики станков в замкнутой динамической системе в качестве основных сил, действующих на упругую станочную систему, рассматриваются силы резания и трения, вызывающие колебания в этой системе. Естественно, что при повышенных частотах вращения, помимо вышеуказанных сил, на упругую систему шпинделя будет действовать значительная центробежная сила инерции, обусловленная неуравновешенной массой. Например, при работе шпинделя массой 15 кг с эксцентриситетом 10 мкм на скорости 12000 мин"1 возникает центробежная сила инерции, равная 236 Н.

В замкнутой динамической системе станка будет наблюдаться взаимосвязь изменений величин силы резания и центробежной силы инерции из-за упругих смещений в станочной системе. Сила резания, воздействуя на упругую систему оборудования, приводит к изменению величины начального дисбаланса шпинделя. Изменение дисбаланса приводит к изменению величины центробежной силы инерции, которая в свою очередь влияет на изменение толщины срезаемого слоя и силы резания. В результате происходит сложный процесс изменения действующих сил и упругих деформаций станочной системы, отражающийся на размерной точности обрабатываемой поверхности, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.

Данная диссертационная работа посвящена изучению динамических процессов, возникающих при работе шпинделя станка на высоких частотах вращения, которые характерны для технологии высокоскоростной обработки. В качестве показателя, существенно влияющего на точность обработки, рассматривается траектория движения фиксированной точки, расположенной на оси вращения и торце шпинделя.

Математическое моделирование является важным этапом при изучении динамических процессов, позволяющим выявить и численно оценить наиболее важные факторы, влияющие на функционирование станков.

Математическому описанию и изучению динамики шпиндельных узлов посвящено значительное количество исследований, однако, недостаточно исследовано взаимное влияние центробежных сил и сил резания при обработке деталей на высоких частотах вращения.

Таким образом, математическое моделирование динамических процессов, протекающих в шпиндельных узлах при работе на высоких частотах вращения (характерных для технологии высокоскоростной обработки), и разработка на этой основе методов повышения точности и производительности обработки являются актуальными задачами в области машиностроения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Башаров, Рашит Рамилович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан расчётно-экспериментальный метод определения траектории фиксированной точки шпинделя на высоких частотах вращения, позволяющий с учетом выявленных упругих деформаций шпиндельного узла обеспечить требуемую точность обработки с максимальной производительностью.

2. Разработана структурная схема и математическая модель шпиндельного узла, реализующие принцип замкнутости динамической системы (взаимное влияние действующих сил и параметров упругой системы). Модель реализована в среде МаНаЬ / 8шшНпк с возможностью автоматизированного расчёта и вывода на график траектории движения точки оси инструмента в процессе концевого фрезерования.

3. Выявлены закономерности изменения толщины срезаемого слоя припуска и силы резания в зависимости от угла поворота концевой фрезы и её смещений, вызванных податливостью элементов шпиндельного узла. На этой основе разработаны программа расчёта толщины срезаемого слоя припуска при движении зуба фрезы в процессе обработки и математическая модель силового воздействия на упругую систему электрошпинделя, которая учитывает изменение силы резания из-за переменности сечения срезаемого слоя и деформации упругой системы в процессе фрезерования.

4. Выявлены закономерности образования размерной погрешности обработки при концевом фрезеровании под влиянием упругих деформаций, обусловленных конструктивными параметрами шпиндельного узла и режимами резания на высоких частотах вращения шпинделя.

Установлено, что на размерную точность деталей существенно влияет разница скорости изменения силы резания во время обработки и скорости упругого восстановления начального положения инструмента относительно детали при выходе зуба фрезы из обрабатываемого материала. Эта разница возрастает с повышением частоты вращения шпинделя и приводит к увеличению погрешностей обработки от 3 - 7 мкм при п - 2000 мин 1 до 14-38 мкм при п = 12000 мин"1.

5. Разработана методика назначения режимов резания при фрезеровании, которая может быть также использована для определения технологических возможностей шпиндельного узла. Использование указанной методики на производстве позволило повысить производительность обработки при фрезеровании деталей из алюминиевых сплавов на 10 - 15% с обеспечением требуемой точности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Башаров, Рашит Рамилович, 2011 год

1. Аврутин, C.B. Фрезерное дело : учебник для проф.-техн.училищ / C.B. Аврутин. 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1964. -542с.

2. Адаптивное управление станками / под ред.Б. С. Балакшина. М. : Машиностроение, 1973 . - 688 с.

3. Азовцев, Ю.А. Приборы и системы вибрационного контроля, мониторинг и диагностики / Ю.А. Азовцев, H.A. Баракаова, В.В. Федорищев. -СЕВЗАПУЧЦЕНТР, 2007. 52 с.

4. Альбрехт, П. Динамика процесса резания металла // Конструирование и технология машиностроения / П. Альбрехт // Труды американского общества инженеров-механиков ASME. M. : Изд. Мир, 1965. С. 40-54.

5. Амосов, И.С. Осциллографические исследования автоколебаний при резании металлов : сб. науч. тр. «Точность механической обработки и пути ее повышения» / И.С. Амосов. М. : Машгиз, 1951. - С. 45-50.

6. Амосов, И. С. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке / И.С. Амосов, В.А. Скраган. M : Машгиз, 1953. - 67 с.

7. Армаего, И.Дж. Обработка металлов резанием : пер. с англ. / И. Дж. Армаего, Р.Х. Браун. М. : Машиностроение, 1977. - 325 с.

8. Бальмонт, В. Б. Упругие свойства быстровращающегося шарикоподшипника / В.Б. Бальмонт, В.Ф. Журавлев. -М. : Машиноведение. -1985. №4. - С. 7-16.

9. Бальмонт, В.Б. Влияние частоты вращения на упругодеформационные свойства шпиндельных шарикоподшипников / В.Б. Бальмонт, И.Г. Горелик, A.M. Левин // Станки и инструмент. 1986. - № 7. - С. 15-17.

10. Башаров, P.P. Оценка работоспособности инструментальных оправок при высокоскоростной обработке деталей на многоцелевых станках / P.P. Башаров, O.K. Акмаев, Р.Г. Кудояров // Вестник УГАТУ. 2009. - Т. 13. -№ 1 (34).-С. 138-140.

11. Блюмберг, В.А. Справочник фрезеровщика / В.А. Блюмберг, Е.И. Зазер-ский. JI. : Машиностроение, 1984. - 288 с.

12. Бушуев, В.В. Направления конструирования станков / В.В. Бушуев // Вестник МГТУ «Станкин». 2008. - № 1(1). - С. 8-13.

13. Вульф, А.М. Резание металлов / A.M. Вульф. 2-е изд., перераб. и доп. - JI. : Машиностроение. Ленингр. отделение, 1973. - 496 с.

14. Высокоскоростная обработка. High Speed Machining (HSM) : справочное издание. 2-е изд., исправленное. М., Издательство «НТО», 2002. - 32 с.

15. Гудков, В.В. Пути развития высокоскоростной обработки резанием / В.В. Гудков, H.A. Петров. М. : НИИмаш, 1984. - 40 с.

16. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2 т. Т. 2. Шпиндели и их опоры. Механизмы и детали приводов / Д.Н. Решетов и др. ; под ред. Д.Н. Решетова. -М. : Машиностроение, 1972. 520 с.

17. Динамика станков : учебное пособие / Е.М. Дурко, С.И. Фецак. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1996. - 92 с.

18. Дроздов, H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент, 1973. -№ 12.-С. 9-13.

19. Интерактивный Каталог подшипников INA/FAG. 2008. URL : http://dwg.ru/dnl/3796 (дата обращения : 15.09.2011).

20. Интерактивный онлайн каталог фирмы SKF. URL : www.skf.com/portal/skfru (дата обращения : 15.09.2011).

21. Каширин, А.И. Исследование вибраций при резании металлов /

22. A.И. Каширин М. Л. : АН СССР, 1944. - 282 с.

23. Кельзон, A.C. Динамика роторов в упругих опорах / A.C. Кельзон, Ю.П. Циманский, В.И. Яковлев. М. : Наука, 1982. - 272 с.

24. Ковалев, М. П. Расчет высокоточных шариподшипников / М.П. Ковалев, М.З. Народецкий . М. : Машиностроение, 1975. - 279 с.

25. Виттингтон, К. Высокоскоростная механообработка / К. Виттингктон,

26. B. Власов // САПР и графика. 2003. - № 11. - С. 7-12.

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

28. Левина, З.М. Расчёт жесткости современных шпиндельных подшипников / З.М. Левина // Станки и инструмент. 1982. - № 10. - С. 1-3.

29. Левит, М.Е. Балансировка деталей и узлов / М.Е. Левит, В.М. Рыженков -М. : Машиностроение, 1986. -248 с.

30. Металлорежущие системы машиностроительных производств : учебное пособие для вузов / под ред. О.В. Таратынова 2-е изд., доп. и перераб. -М. : МГИУ, 2006. 448 с.

31. Металлорежущие станки : учебник для машиностроительных вузов / под ред. В.Э. Пуша. М. : Машиностроение, 1985. - 256 с.

32. Орликов, М.Л. Динамика станков : учеб. пособие для вузов по спец. «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» / М.Л. Орликов. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев : Выща школа, 1989. - 268 с.

33. Перель, Л.Я. Подшипники качения : Расчет, проектирование и обслуживание опор : Справочник / Л.Я. Перель, A.A. Филатов. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1992. - 606 с.

34. Подураев, В.И. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания / В.И. Подураев. М. : Высшая школа, 1977. - 294 с.

35. Позняк, Э.Л. О расчёте вибраций, обусловленных несовершенством подшипников качения / Э.Л. Позняк, Б.И. Зубренко // Машиноведение. -1976,-№5.-С. 6-14

36. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем : Справочник-учебник. В 3-х т. Т. 1. Проектирование станков / A.C. Проников, О.И. Аверьянов, Ю.С. Аполлонов и др.; под общ. ред. A.C. Проникова. -М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 444 с.

37. Проников, A.C. Программный метод испытания металлорежущих станков / A.C. Проников. М. : Машиностроение, 1985. - 228 с.

38. Пуш, A.B. Шпиндельные узлы : качество и надежность / A.B. Пуш. М.: Машиностроение, 1992. -228 с.

39. Пуш, В.Э. Конструирование металлорежущих станков / В.Э. Пуш. М. : Машиностроение, 1977.- 392с.

40. Резание материалов. Режущий инструмент : учеб. пособие / В.М. Кишу-ров, Н.К. Криони, В.В. Постнов, П.П. Черников. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2009. - 492 с.

41. Ремесло станочника : сайт о работе на металлорежущих станках. URL: http://www.workcraft.ru/index.php?option=comcontent&task=view&id=76&1.emid=40 (дата обращения : 10.05.2011).

42. Селезнева, В.В. Связь параметров траектории оси шпинделя с показателями качества детали. / В.В. Селезнева // Станки и инструмент 1985. -№1. С. 8-10.

43. Соколовский, А.П. Точность механической обработки и пути её повышения / А.П. Соколовский. М. : Машгиз, 1951. - 457 с.

44. Соколовский, А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках / А.П. Соколовский. М. : Машгиз, 1952. - 288 с.

45. Левит, М.Е. Справочник по балансировке / М.Е. Левит и др. ; под ред. М.Е. Левита. М. : Машиностроение, 1992. - 461с.

46. Справочник технолога-машиностроителя : в 2 т. / под ред. A.M. Дальско-го, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. 5-е изд., перераб и доп. - М. : Машиностроение , 2001. - 2 т. - 944 с.

47. Станочное оборудование автоматизированного производства : в 2 т. / под ред. В.В. Бушуева. М. : Изд-во «Станкин», 1993. - 1 т. - 584 с.

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

49. Фельдштейн, Е.Э. Обработка деталей на станках с ЧПУ : учеб. пособие / Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. 2-е изд., испр. — Мн : Новое знание, 2006.- 287 с.

50. Фигатнер, A.M. Исследование точности вращения шпинделя с радиальными роликоподшипниками / A.M. Фигатнер, Р. Пиотрашке, Е.А. Фискин // Станки и инструмент. 1974. - № 10, С. 19-22.

51. Фролов, A.B. Расчёт жесткости шпиндельного узла на двух радиально-упорных подшипниках /A.B. Фролов // СТИН, 2006. № 8. С. 17-22.

52. Чернянский, П.М. Основы проектирования точных станков. Теория и расчёт : учебное пособие / П.М. Чернянский. М.: КНОРУС, 2010. - 240 с.

53. Чихладзе, Т.Е. Контактная жесткость и стыковое сближение деталей станков / Т.Е. Чихладзе ; под ред. Д.С. Тавхелидзе. Тбилиси : Изд. Тбил. ун-та, 1986.-231с.

54. Шипачев, B.C. Высшая математика : учеб. для студ. вузов / B.C. Шипа-чев. 5-е изд. - М. : Высш.школа, 2001. - 479с.

55. Штейнберг, И.С. Устранение вибраций, возникающих при резании на токарном станке / И.С. Штейнберг. М.: Машгиз, 1947. 164 с.

56. Юркевич, В.В. Уточнение места подвода смазки в шатунный подшипник двигателя СМД-14 : труды Оренбургского сельскохозяйственного института. Том 27 / В.В. Юркевич. Саратов, 1971. - С. 52

57. Юркевич, В.В., Схиртладзе А.Г., Борискин В.П. Испытания, контроль и диагностика металлообрабатывающих станков / В.В. Юркевич, А.Г. Схиртладзе, В.П. Борискин. Старый Оскол : ООО «ТНТ», 2006. - 552 с.

58. Яблонский, A.A. Курс теоретической механики : учебник для вузов / A.A. Яблонский, В.М. Никифорова. Изд. 12-е, исправленное. - М. : Интеграл-Пресс, 2006. - 603 с.

59. Ящерицын, П.И. Теория резания : учеб. / П.И. Ящерицын, Е.Э. Фельд-штейн, М.А. Корниевич. М. : Новое знание, 2005. - 512 с.

60. Cutting Tool Technology Industrial Handbook Smith, Graham Т., Springer 2008. 599 p.

61. Deutsche Patenschrift Nr. 523594 : „Verfahren zur Bearbeitung von Metallen oder bei einer Bearbeitung durch schneidende Werkzeuge sich ahnlich verhaltende Werkstoffe"

62. Greffioz A. Die Hochgeschwindigkeitzbearbeitung hat eine Zukunft. Industrie-Anzeiger, 1982, N72.

63. High Speed Cutting. Научно-техническая информация фирмы MECOF S.p.A. Italy, 1999. 41 с.

64. Icks G. Abschätzung der Wintschaftlichkelt des Hoshgesch-Windigkeitsdrehens. Industrie-Anzeiger. 1982, N72.

65. Machining metals at ultrahigh speeds. Material Engineering, 1981, vol. 94, N2.

66. National Instruments Lab VIEW : сайт компании National Instruments. URL: http://www.labview.ru/labview/whatislabview/index.php (дата обращения : 10.05.2011).

67. Zelinski, P Maximum Aluminum / Peter Zelinski // Modern Machine Shop. -2001.-January. C. 70-83.

68. Schulz H. High Speed Machining / H. Schultz, Т. Moriwaki // Annals of CRIP. 1992. V.41.N2. P. 637-643.