Исследование динамических характеристик суппортной группы токарных станков с использованием стандартных пакетов программ тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

дБ ОЛ . в (р. 1««

На правах рукописи

ЛАЗАРИДИ НИКОЛАЙ МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУППОРТНОЙ ГРУППЫ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАНДАРТНЫХ ПАКЕТОВ ПРОГРАММ

Специальность 01.02.06 - Динамика и прочность машин,

приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 1998

Работа выполнена на кафедре "Сопротивление материалов" Омского государственного технического университета.;

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Белый В.Д.

кандидат технических наук, доцент Гаврилов В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бурьян Ю.А.

кандидат технических наук Ванцович К.А.

Ведущее предприятие: Машиностроительное конструкторское бюро

Защита диссертации состоится 11 декабря 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета в Омском государственном техническом университете по адресу: пр. Мира 11, корпус 6, ауд.6-340

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета

Автореферат разослан » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Е.А.Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Важнейшим и обязательным требованием современного машиностроительного производства является систематическое повышение качества изделий.

Качество изготовления продукции определяется совокупностью свойств процесса ее изготовления, соответствием этого процесса и его результатов установленным требованиям. Из всей совокупности погрешностей, возникающих в процессе изготовления продукции, можно выделить две большие группы, оказывающие наибольшее влияние на точность деталей: технологические погрешности и погрешности, возникающие вследствие неточности оборудования.

На современном этапе развития машиностроения, наибольшие трудности возникают при уменьшении погрешностей связанных с точностью оборудования. Это связано с тем, что:

во-первых, большая часть этих погрешностей носит случайный характер, что затрудняет поиск способов их устранения;

во-вторых, металлорежущий станок, в процессе обработки детали, является сложной замкнутой системой, в которой все элементы оказывают воздействие друг на друга. При этом затруднен процесс выделения узла-первоисточника той или иной погрешности;

в-третьих, спектр обрабатываемых на каждом станке деталей, выполняемых операций, а следовательно, происходящих при этом процессов, чрезвычайно широк. Поэтому практически невозможно спроектировать и изготовить металлорежущий станок, способный удовлетворить требования по качеству обработки всей предполагаемой номенклатуры деталей на различных операциях;

в-четвертых, повышение точности металлорежущих станков, как правило, связано с изменением конструкции, что влечет за собой большие материальные затраты. Важность перечисленных проблем, связанных с точностью оборудования, подтверждается тем, что уже на протяжении длительного периода времени многие ученые занимаются вопросами повышения точности металлорежущих станков.

Так как металлорежущие станки являются дорогим металлоемким оборудованием, а динамические процессы, протекающие при обработке деталей являются быстротекущими и чрезвычайно разнообразными, то применение обычных методов исследований при помощи натурного макетного моделирования, изготовление специальных стендов, натурных, образцов является весьма затруднительным. Поэтому в последние годы наиболее широко распространены методы математического моделирования процессов, протекающих при обработке деталей, а так же самих

3

металлорежущих станков. В настоящее время достигнуты хорошие результаты в разработке программного обеспечения ПЭВМ для математического моделирования различных гамм станков. Разработаны пакеты программ для проектирования станков с заданными динамическими характеристиками.

Особенную актуальность вопросы математического моделирования при исследовании динамических процессов, протекающих в процессе обработки деталей, а так же при исследованиях самих станков, имеют в последнее время в связи трудностями, переживаемыми машиностроением в целом и станкостроением в частности.

По оценкам различных авторов, современный парк станков на 40-60 % состоит из станков токарной группы, поэтому в данной работе рассматриваются вопросы повышения точности обработки на токарных станках за счет улучшения их динамических характеристик.

На основе вышеизложенного в качестве цели работы была принята следующая:

Повышение эффективности токарного станка за счет увеличения одного из основных показателей качества - точности , достигаемой путем улучшения динамических характеристик суппортной группы.

Научная новизна состоит в:

- разработке методики математического моделирования суппортной группы токарного станка, позволяющей решать задачи одного из основных показателей качества станков - виброустойчивости путем гибкого управления процессом моделирования, используя уточненные по результатам эксперимента исходные данные;

- разработке алгоритма проведения экспериментов и математического моделирования;

- формулировке выводов и рекомендаций по усовершенствованию системы настройки параметров суппортной группы токарного станка с целью повышения точности обработки.

Практическая значимость определяется тем, что разработанная методика математического моделирования динамических процессов позволяет:

1. Выявить звенья динамической системы, оказывающие наибольшее влияние на амплитуды колебаний вершины резца.

2. Определить способы снижения амплитуд вынужденных колебаний вершины резца.

Данная методика может быть применена для повышения точности уже находящегося в эксплуатации оборудования, при решении локальных задач повышения точности обработки на конкретных операциях.

Методика является гибкой т.к. позволяет без особых затруднений из-

менять уже созданную математическую модель исключением или введением новых элементов, параметров и т.д.

Используя основные положения данной методики возможно создание банка математических моделей конкретных узлов станочного парка цеха, предприятия для последующего использования при решении возникающих проблем обеспечения точности обработки на различных операциях и станках.

При дальнейшем исследовании, на основе данной методики возможно создание адаптивной самонастраивающейся системы управления виброустойчивостью станков.

Общая методика исследований. В работе использовались положения прикладной теории упругих колебаний, технологии машиностроения, науки о резании металлов. Обработка полученных результатов производилась с использованием методов математической статистики.

Экспериментальные исследования производились на токарно-винто-резном станке 1К62 с использованием измерительного стенда собранного из стандартной аппаратуры.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях проходивших в г. Омске в 1997, 1998 гг.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы три статьи в ВИНИТИ и четыре тезиса докладов на международных конференциях 1997, 1998гг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 85 наименований, приложений содержащих листинги разработанных программ. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы.

В первой главе проводится литературный обзор по выявлению степени влияния различных характеристик токарных станков на точность обработки, экспериментальным методам исследования станков, методам математического моделирования.

Вопросам повышения точности токарных станков за счет улучшения их динамических характеристик посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых: Акинфиева И.О., Амосов И.С.,

Бармин Б.П., Дроздов H.A., Григорьян Г.Д., Зелинский С.А., Заре В.В., Зорев H.H. , Ильницкий И.И. , Каминская В.В. , Кедров С.С., Коваль М.И, Колев К.С., Кудинов В.А. , Левина З.М., Проников А. С., Пуш А. В. , Решетов Д.Н., Тлустый И. И и других.

На основе анализа состояния вопроса сделаны выводы:

1. На современном этапе развития машиностроения основной причиной неудовлетворительного качества продукции является недостаточная точность металлорежущих станков, которая в значительной степени определяется их виброустойчивостью.

2. Доля токарных станков среди станочного парка страны составляет около 50% на которых выполняется 60-70% операций металлообработки. Поэтому повышение точности токарных станков позволит улучшить качество продукции машиностроения в целом.

3. Узлом токарного станка, динамические характеристики которого оказывают наибольшее влияние на точность обработки, является суппортная группа.

4. При испытаниях станков по большинству методик, не учитываются особенности конкретного станка: степени износа, особенности выполняемых на нем операций, происходящих при этом динамических процессов. Это приводит к тому, что заключение по точности станка могут быть оправданы при выполнении одних операций (чистовых) и неоправданны при выполнении других (черновых)

5. Существующие методики математического моделирования в основном предназначены для моделирования металлорежущих станков на стадии проектирования. Они позволяют добиться хороших результатов при проектировании нового оборудования с заданными динамическими характеристиками, но применение таких методик для поиска путей повышения точности обработки на конкретных операциях эксплуатирующегося оборудования малоэффективно. Это связано с тем, что в таких методиках и реализованных на их основе пакетах программ для ПЭВМ невозможно учесть все многообразие операций выполняемых на данном станке, а также специфические особенности конкретного станка и динамические процессы, протекающие в нем .

На основе перечисленных выводов, определена цель работы :

Повышение эффективности токарного станка за счет увеличения одного из основных показателей качества - точности, достигаемой путем улучшения динамических характеристик суппортной группы.

Для осуществления поставленной цели в данной работе решены следующие задачи:

1. Разработан алгоритм проведения эксперимента, позволяющего исследовать подсистему суппортной группы при различных режимах обработки в цеховых условиях .

2. Спроектирована и изготовлена вспомогательная оснастка и опытные образцы.

3. Подобраны и изготовлены измерительные средства и аппаратура.

4. Проведен эксперимент, по исследованию статических и динамических параметров суппортной группы.

5. Разработан алгоритм статистической обработки экспериментальных данных.

6. Проведен анализ существующих методов математического моделирования суппортной группы токарного станка.

7. Разработана математическая модель суппортной группы токарного станка.

8. Разработан алгоритм математического моделирования на основе созданной модели с использованием стандартных пакетов программ для ПЭВМ.

9. Сформулированы практические рекомендации по повышению точности обработки .

10. Обобщены результаты исследования и разработана методика повышения точности токарной обработки на основе решенных задач.

Во второй главе изложена методика проведения экспериментального исследования .

Целью экспериментального исследования является:

Снятие статических и динамических характеристик выбранной подсистемы для использования их в качестве исходных данных при математическом моделировании.

Процессы, протекающие при резании металлов в значительной степени зависят от динамических параметров подсистем станка. Так как каждая из подсистем состоит из множества деталей соединенных между собой связями различного характера, то при исследовании динамических характеристик каждой из подсистем , необходимо качественно и количественно определить статические характеристики основных элементов подсистем, а также характер связей между ними.

Подготовка и проведение эксперимента осуществлялись по разработанному алгоритму, представленному на рис.1 блок - схемой.

Так как конечной целью эксперимента является подготовка исходных данных для математического моделирования, то в качестве исследуемых параметров выбраны следующие:

1. массовые характеристики элементов суппортной группы,

2. жесткостные характеристики соединений типа "ласточкин хвост",

3. динамические характеристики суппортной группы.

Для моделирования статических нагрузок использовалась специальная рамка и образцовый динамометр ДОС-1. Статические перемещения

измерялись 0.001 мм.

при помощи индикаторов часового типа с ценой деления

1. Выбор режима проведения эксперимента

1

2.Выбор исследуемых параметров

и рабочих режимов

3 Подготовка эксперимента 1

у

4 Проведение эксперимента 1

*

5. Разработка алгоритма оценки статистических параметров

I

I 6. Обработка результатов эксперимента! I формирование массивов результатов, I | формулировка выводов и рекомендаций

Рис. 1 Алгоритм проведения экспериментального исследования

Первая серия опытов проводилась при нормальном зазоре в клине соединения типа "ласточкин хвост. Нормальными считаются зазоры, если щуп толщиной 0,04 мм заходит между клином и направляющей не более чем на 20 мм.

Вторая серия опытов проводилась при затянутых клиньях. Степень затяжки клина контролировалась щупом толщиной 0.03 мм так, чтобы он не проходил в зазор , а лишь "закусывал". После этого производились опыты .

По результатам опытов были определены деформации в направляющих соединения типа "ласточкин хвост" и построены зависимости перемещений в наклонных направляющих соединения "ласточкин хвост".

По данным опытов построены графики зависимости податливости соединений от величины приложенного усилия. В результате статистической обработки полученных результатов была определена жесткость соединения типа "ласточкин хвост". 8

Для исследования динамических характеристик суппортной группы был создан измерительный стенд (рис.2)

Рис. 2 Схема измерительного стенда электрическая

1 - датчик тензорезистивный , 2 - тензоусилитель, 3 - калибратор пределов К-12! , 4 - осциллограф светолучевой.

Задачей динамических испытаний является определение амплитуд вынужденных колебаний суппортной группы. Моделирование вынужденных колебаний осуществляется проточкой отрезным или прорезным резцом специально спроектированного и изготовленного шлицевого валика. При проведении экспериментов валик закреплялся в патроне и поджимался задним центром.

Измерения проводились при проточке канавок у патрона, посередине валика и у заднего центра. Частота возмущающей силы устанавливалась изменением числа оборотов шпинделя. Амплитуда возмущающей силы устанавливалась изменением подачи резца.

В третьей главе изложены анализ расчетных схем суппортной группы применяемых в работах различных авторов, а также разработанная математическая модель суппортной группы в видедвухмассовой системы имеющей четыре степени свободы. В качестве обобщенных координат выбраны перемещения масс вдоль вертикальной оси ОУ и повороты относительно собственных центров масс, расчетная схема представлена на рис.3.

Для расчетной схемы приняты допущения

1. Жесткости пружин, заменяющих верхние и нижние соединения считаются равными соответственно С2 и С,.

2. Изгибными деформациями резца , вследствие их малости по сравнению с амплитудами исследуемых колебаний пренебрегаем.

3. Для расширения диапазона применения модели, считается, что положения центров масс могут быть изменены. Эти изменения учитываются заданием расстояний от осей пружин до центров масс 11 ... 1 4 ■

4.Силы тяжести масс в математическую модель не включаются, за счет учета статических деформаций пружин .

и^Т^-вертикальное перемещение соответствующих центров масс; ер,, ф2-поворот соответствующих масс относительно осей, проходящей через их центры.

В результате объединения уравнений движения масс , составленные на основе второго закона Ньютона, по обобщенным координатам получена система неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка (1), описывающая вынужденные колебания элементов динамической модели, изображенной на рис. 3.

- (2cj + 2с2)и, + 2c2u2 +(■£,- + с2)фх -

- (с2£ з - c2i4)<p2 = -Р, sin cot т2й2 + 2с2щ - 1с2и2 - (c2ix - c2l2)(рх +

+ (с2£3 - c2i4)<р2 = -Р2 sin cot 1,фх + - £2)(с, + с2)и, - (cj, - cj2)u2 -(t,2+ t2)

(с, + c2)tp} + {c2lxl ъ + c2í 2l4)q>2 = Ptbsin mt ¡2(p2- {c2lb-c2lA)ux + (c2t3 - c2£4)u2 +

+ (cJJJ + cJJJcp, - (c2t* + c2¿4)<p2 = P2bsin cot (i)

Решение системы неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка (1) ищется в виде:

X = X + X (2)

о.н о.о ч.н ' х J

где: Хо н - общее решение системы неоднородных дифференциальных уравнений, Хо о - общее решение системы однородных дифференциальных уравнений, Хч н - частное решение системы неоднородных дифференциальных уравнений.

Общее решение системы однородных дифференциальных уравнений Х0 0 описывает свободные колебания системы и представляет интерес при исследовании резонансных явлений в системе. С помощью данной системы уравнений исследована зависимость собственных частот системы от различных ее параметров.

Решение системы частных неоднородных дифференциальных уравнений позволяет определить амплитуды вынужденных колебаний элементов расчетной схемы по обобщенным координатам . Решение данной :истемы представляет интерес при исследовании колебаний элементов расчетной схемы в результате действия вынуждающей силы (силы реза-дия).

В основу исследований положено решение названных систем числен-1Ыми методами при помощи пакета MathCad 5.0 Plus .

Во второй главе далее изложена методика исследования систем уравнений свободных и вынужденных колебаний элементов суппортной группы с помощью пакета MathCad 5.0 Plus .

В качестве исходных данный при математическом моделировании использовались результаты эксперимента. Так как в математической модели элементы суппортной группы представлены в виде параллелепипедов , а в реальной модели имеют более сложные формы, для приведения в соответствие массовых характеристик модели и реальных образцов, используются следующие способы:

1. Массы элементов в математической модели представлены в виде функций габаритных размеров элементов.

2. Введен коэффициент заполнения объемов параллелепипедов Kz Применение данного коэффициента в диапазоне 0,7..0,85 позволяет принять допущение, что параллелепипеды являются равномерно заполненными объемами.

Так для исследуемого в первой главе токарного станка получены зависимости собственных частот, амплитуд вынужденных колебаний суппортной группы от различных ее параметров. Результаты исследований представлены в виде графиков на основе анализа которых предложены практические рекомендации по увеличению виброустойчивости суппортной группы на данной операции, что приведет к улучшению качества обработки.

В четвертой главе изложены общие выводы по результатам работы и практические рекомендации.

Основные выводы заключаются в следующем:

1. Решение проблем обеспечения точности токарной обработки на конкретной операции на основе использования результатов оценки виброустойчивости станка по существующим методикам не дает ощутимых положительных результатов. Это связано с тем, что в существующих методиках оценки качества станка не учитывается все многообразие выполняемых на токарном станке операциях, а значит и происходящих при их выполнении динамических процессов.

2. Токарный станок имеет конкретные статические и динамические параметры. При его эксплуатации на различных технологических операциях возникают вибрации с различными динамическими характеристиками. При этом они могут усиливаться (резонансные явления) или ослабляться вследствие демпфирования . Поэтому, целесообразно рассматривать виброустойчивость станка на каждой операции дифференцированно.

12

3. Применение разработанной в работе методики позволяет существенно повысить виброустойчивость токарного станка за счет изменения фактических характеристик суппортной группы (масс, жесткостей) в математической модели.

Основные рекомендации можно сформулировать в следующем виде:

1. Суппортная группа данного станка имеет четыре собственные частоты 92,035; 112,59; 290;9б; 352; 18 Гц. Поэтому при работе на данном станке снизить амплитуды можно подбором скорости резания с тем, чтобы избежать попадания фактической скорости резания в околорезонансные зоны .

2. Повышение собственных частот позволяет уменьшить опасность возникновения резонанса. На частотах внешней нагрузки ниже первого резонанса (92 Гц) повышение жесткостей соединений типа "ласточкин хвост" С! , С2 повышает собственные частоты суппортной группы. На других режимах обработки также есть возможность изменения собственных частот, но в таких случаях нужно согласно соответствующих графиков подбирать конкретные параметры.

3. Амплитуды вынужденных колебаний суппортной группы снижаются при подборе параметров по графикам.

4. Из анализа результатов исследования можно сделать следующее заключение: повышение виброустойчивости суппортной группы возможно при подборе ее параметров( жесткостей соединений типа "ласточкин хвост", масс элементов).

5. Применение на операциях разного рода оснастки необходимо учитывать ее вес и габариты, т.к. ее применение изменяет массовые и инерционные характеристики суппортной группы а следовательно ее виброустойчивость. Так увеличение массы ш2 с 34кг до 40кг при частоте возмущающей силы 80 Гц приводит к увеличению амплитуд вынужденных колебаний с 26 мкм до 50 мкм т, е. почти в два раза. Это связано с тем, что данная частота находится вблизи резонанса (92 Гц).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена решению задач направленных на увеличение качества токарных станков на основе методики повышения точности токарной обработки за счет улучшения динамических характеристик суппортной группы методом эксперимента и математического моделирования на основе стандартных пакетов на ПЭВМ.

В ходе исследования и работы над диссертацией автором решены задачи сочетания экспериментальных и математических методов анализа и совершенствования станка, выбран режим эксперимента, подготовлено и отлажено оборудование,изготовлены оригинальные опытные образцы, проведен эксперимент.

Результаты эксперимента использованы для разработки математической модели суппортной группы токарного станка.

Реализация математической модели и само моделирование осуществлены с помощью стандартных пакетов MsOffice и MathCad 5.0 Plus.

По результатам экспериментального исследования разработана методика повышения точности токарной обработки за счет улучшения динамических характеристик суппортной группы с возможностью ее реализации на любом производственном процессе, любой токарной операции в цеховых условиях.

Перспективы использования результатов работы:

1. При дальнейшем исследовании имеется возможность создания адаптивной самонастраивающейся системы управления виброустойчивостью станка.

2. Расширение возможностей повышения точности обработки может быть достигнуто за счет создания математических моделей задней бабки, шпиндельного узла, т.е. комплексном решении вопроса.

3. Целесообразно создание банка данных цеха, участка и т.д. в котором могут храниться готовые математические модели узлов и их статические и динамические параметры. При этом резко снижается время на эксперимент.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Белый В.Д., Гаврилов В.А., Лазариди Н.М. Разработка элементов математической модели суппортной группы токарного станка./Ом-ский техн. ун-т. -Омск, 1997.-7с. - Деп. в ВИНИТИ 04.06.97. № 1804-В97.

2. Белый В.Д., Гаврилов В.А., Лазариди Н.М. , Шамутдинов А.Х. Математическое моделирование динамических процессов суппортной группы токарного станка./Омский техн. ун-т. -Омск, 1998.-17с. - Деп. в ВИНИТИ 20.07.98. № 2267-В98.

3. Белый В.Д., Гаврилов В.А., Лазариди Н.М. Исследование математической модели суппортной группы токарного станка с использованием пакета MathCad 5.0 Plus. /Омский техн. ун-т. -Омск, 1998.-17с. - Деп. в ВИНИТИ 20.07.98. N2268-B98.

4. Лазариди Н.М., Гаврилов В.А. Исследование динамики суппортной группы токарного станка. : Тезисы докладов, 21-24 ноября. - Омск, 1995. - С.23

5. Лазариди Н.М. , Гаврилов В.А. Исследование влияния конструктивных параметров станка на его динамические характеристики.: Тезисы докладов, 21-24 ноября. - Омск, 1995. - с.ЗЗ

6. Гаврилов В.А., Лазариди Н.М. Аналитические исследования динамических процессов суппортной группы токарного станка.: Тезисы докладов, ноябрь. - Омск. 1997, - кн. 1. с 43

7. Лазариди Н.М. Стенд для исследования динамических характеристик суппортной группы токарного станка.: Тезисы докладов, ноябрь.

-Омск. 1997.-кн. 1.с46

ш .

'г

ЛР№ 020321 от 28 Л 1.96

Подписано в печать 2. 11.98. Формат 60x84 1 /16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 45.

Изд-во ОмГТУ, 0мск-50, пр. Мира, 11 Типография ОмГТУ



ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛАЗАРИДИ НИКОЛАЙ МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУППОРТНОЙ ГРУППЫ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАНДАРТНЫХ ПАКЕТОВ ПРОГРАММ

Специальность 01.02.06 - Динамика и прочность машин,

приборов и аппаратуры

Научные руководители: Заслуженный деятель науки

доктор технических наук, профессор Белый В.Д.

На правах рукописи

Кандидат технических наук, доцент Гаврилов В. А

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 7

1.1. Методы исследования динамических характеристик станков 11

1.2. Математическое моделирование 28

1.3. Использование баз данных при проектировании

и испытании станков 38

1.4. Определение цели и постановка задач исследования 42

1.5. Актуальность 44

1.6. Научная новизна 45

1.7. Практическая значимость 46 ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 47

2.1 Выбор типа эксперимента 48

2.2 Выбор исследуемых параметров 51

2.3 Подготовка эксперимента 51

2.4 Проведение эксперимента 59

2.5 Разработка алгоритма оценки статистических параметров 68

2.6 Обработка результатов эксперимента 70 ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 79

3.1 Анализ существующих вариантов расчетных

схем суппортной группы 79

3.2 Разработка математической модели 96

3.3 Исследования свободных колебаний 109

3.4 Исследования вынужденных колебаний 118

3.5 Исследование зависимости амплитуд вынужденных колебаний системы с использованием пакета МаЛСас! 121

ГЛАВА 4. ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ 137

ЛИТЕРАТУРА 141

ПРИЛОЖЕНИЯ 148

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим и обязательным требованием современного машиностроительного производства является систематическое повышение качества изделий.

Качество изготовления продукции определяется совокупностью свойств процесса ее изготовления, соответствием этого процесса и его результатов установленным требованиям. Основными факторами, определяющими качество продукции, являются: качество оборудования и инструмента, физико-механические, механические и другие свойства исходных материалов , совершенство разработанного технологического процесса, качество обработки и контроля.

Оценка качества изделия производится путем сравнения совокупности его реальных свойств заложенным в чертеже. Результаты сравнения (качество изделия) зависят от наличия погрешностей.

Из всей совокупности погрешностей, возникающих в процессе изготовления продукции (деталей - далее) можно выделить две большие группы, оказывающие наибольшее влияние на точность деталей .

На современном этапе развития машиностроения, наибольшие трудности возникают при уменьшении погрешностей связанных с точностью оборудования. Это связано с тем, что

во-первых: большая часть этих погрешностей носит случайный характер, что затрудняет поиск способов их устранения;

во-вторых: металлорежущий станок, в процессе обработки детали, является сложной замкнутой системой, в которой все элементы оказывают воздействие друг на друга. При этом затруднен процесс выделения узла-первоисточника той или иной погрешности;

в-третьих : спектр обрабатываемых на каждом станке деталей, выполняемых операций, а следовательно происходящих при этом процессов, чрезвычайно широк. Поэтому практически невозможно спроектировать и изготовить металлорежущий станок, способный удовлетворить требования по качеству обработки всей предполагаемой номенклатуры деталей на различных операциях;

в-четвертых: повышение точности металлорежущих станков , как правило, связано с изменением конструкции, что влечет за собой большие материальные затраты. Данные меры оправдывают себя при проектировании нового оборудования, но неприемлемы при решении вопросов повышения точности уже эксплуатирующегося на производстве станочного парка.

Важность перечисленных проблем, связанных с точностью оборудования, подтверждается тем, что уже на протяжении длительного периода времени многие ученые занимаются вопросами повышения точности металлорежущих станков.

Так как металлорежущие станки являются дорогим металлоемким оборудованием, а динамические процессы протекающие при обработке деталей являются быстротекущими и чрезвычайно разнообразными, то применение обычных методов исследований при помощи натурного макетного моделирования, изготовление специальных стендов, натурных образцов является весьма затруднительным. Поэтому в последние 10-15 лет наиболее широко распространены методы математического моделирования процессов , протекающих при обработке

деталей , а так же самих металлорежущих станков еще на этапе проектирования. В настоящее время достигнуты хорошие результаты в разработке программного обеспечения ПЭВМ для математического моделирования различных гамм станков еще на этапе их проектирования. Разработаны пакеты программ для проектирования станков с заданными динамическими характеристиками.

Особенную актуальность вопросы математического моделирования при исследовании динамических процессов, протекающих в процессе обработки деталей, а так же при исследованиях самих станков, имеют в последнее время в связи трудностями переживаемыми машиностроением в целом и станкостроением в частности.

По оценкам различных авторов, современный парк станков на 4060% состоит из станков токарной группы , поэтому в данной работе рассматриваются вопросы повышения точности обработки на токарных станках за счет улучшения их динамических характеристик .

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

Общие положения Если рассматривать вопросы возможности повышения конструкторской и технологической точности деталей, то можно отметить , что в настоящее время для конструктора и технолога практически единственным фактором, ограничивающим возможности повышения точности деталей , является точность металлорежущего оборудования.

Точность металлорежущего станка характеризует в какой мере те или иные погрешности влияют на точность обрабатываемых деталей. Все виды погрешностей станка можно условно разделить на несколько основных групп.

1. Геометрические погрешности характеризуют ошибки взаимного расположения узлов станка и зависят от точности обработки деталей и сборки узлов станка. Геометрические погрешности станка следует оценивать по их влиянию на точность взаимного расположения инструмента и обрабатываемой детали в процессе формообразования ее поверхности.

2. Кинематические погрешности влияют на скорость движения исполнительных органов станка. Важны в тех случаях, когда скорость движения инструмента относительно детали влияет на формообразование.

3. Упругие погрешности возникают из-за деформаций несущей системы станка и нарушают правильность взаимного расположения инструмента и обрабатываемой детали при действии силовых факторов.

4. Температурные погрешности в современных прецизионных станках, существенно влияют на точность обработанного изделия. Из-за

неравномерного нагрева различных мест станка в процессе работы изменяется начальная геометрическая точность.

5. Динамические погрешности связаны с относительными колебаниями инструмента и обрабатываемой детали .

Все эти погрешности в совокупности с остальными определяют точность металлорежущего станка, являющуюся основным показателем, характеризующим качество и технический уровень металлорежущего оборудования.

ГОСТ 8—82 установлены следующие классы точности металлообрабатывающих станков: Н — нормальный, П — повышенный, В — высокий, А — особо высокий; С — особо точный.

Соотношение численных значений каждого показателя точности данного вида станков при переходе от класса к классу определяется знаменателем ряда, как правило равным 1,6; конкретные значения показателей зависят от типоразмера станка.

Одним из проблемных вопросов обеспечения точности является назначение показателей, характеризующих точность станка. В первую очередь — это точность обработанных на станке деталей, которая определяется следующим [13]: точностью размеров(ТР), точностью формы (ТЗз) обработанных поверхностей; точностью взаимного расположения (ТВР) поверхностей; точностью микрогеометрии (ТМ) обработанных поверхностей.

Если рассматривать степень влияния различных видов погрешностей на перечисленные показатели точности станка, можно разделить их на две группы: первая - случайные погрешности и вторая - систематические.

К систематическим погрешностям можно отнести такие как : геометрические, тепловые , упругие. Включение данных погрешностей в

указанную группу объясняется тем, что в настоящее время имеется множество способов устранения либо сведения к минимуму их влияния на точность обработки . К таким методам можно отнести : применение различных методов настройки станков, использование специальных приспособлений, подбор оптимальных режимов резания , инструмента, применение дополнительной оснастки.

К случайным погрешностям можно отнести динамические погрешности, так как спектр динамических процессов протекающих в процессе обработки настолько широк и разнообразен , что учесть их заранее и оказать сколько-нибудь существенное влияние на их протекание представляет собой очень сложную задачу.

Поэтому наиболее сложным вопросом является задача повышения динамического качества станков.

Показатели динамического качества составляют часть общих показателей [36] и определяются служебным назначением станка: обеспечение обработки деталей заданной точности с заданным качеством поверхности при высокой производительности.

Согласно В.А.Кудинову [36] , динамическое качество станка определяется устойчивостью системы и характеристикой ее реакции на внешние воздействия.

Основными показателями динамического качества станка являются: 1) запас и степень устойчивости ; 2) отклонения параметров динамической системы при внешних воздействиях; 3) быстродействие.

Запас устойчивости определяет возможность изменения того или иного параметра системы без потери ею устойчивости. Потеря системой устойчивости выражается в появлении вибраций. Запас устойчивости является отношением заданного параметра к его предельному значению.

Степень устойчивости определяет способность системы рассеивать энергию, вносимую внешним воздействием. Чем больше степень устойчивости по данной частотной составляющей, тем быстрее затухает переходный процесс.

Отклонения параметров динамической системы различаются по виду внешних воздействий на : 1) статические, вызванные постоянным во времени воздействием; 2) стационарные динамические, вызванные установившемся во времени воздействием ; 3) переходные динамические , возникающие при переходных процессах; 4) случайные динамические, вызванные случайными внешними воздействиями.

Точность обработки определяется относительными смещениями инструмента и заготовки по нормали к обработанной поверхности. Это смещение как результат деформации системы является параметром, по которому определяются показатели динамического качества станка.

Вопрос улучшения динамических характеристик станков, а следовательно, повышения точности обработки деталей в основном решается следующими способами:

1. Исследование динамических характеристик металлорежущего станка в целом и отдельных его частей с целью выявления узлов, имеющих наименьший запас устойчивости;

2. Конструктивная доработка узлов выпускающегося оборудования, использование дополнительной оснастки и приспособлений для снижения вибраций при обработке деталей на уже эксплуатирующемся оборудовании;

3. Проектирование нового оборудования с учетом результатов исследования динамических характеристик станков - прототипов.

1.1 Методы исследования станков

1.1. Шсследования статических характеристик металлорежущих станков.

Все многообразие методов исследования характеристик металлорежущих станков и их узлов можно разделить на несколько групп (Табл. 1.1). Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки .Выбор того или иного метода определяется рядом условий стоящих перед исследователем. К таковым можно отнести: сложность объекта исследования и процессов протекающих в нем, цели и задачи, возможности исследования.

Экспериментальные методы Таблица 1.1

Суть метода Достоинства недостатки

Исследование динамических параметров узлов станка с использованием виброизмерительной аппаратуры Непосредственное измерение параметров колебательного процесса и характеристик узлов станка в реальных условиях. Трудности при решении задач варьирования параметрами дина-мич. системы станка. Сложен процесс подбора, тарировки виброиз-мерит. аппаратуры.

Исследование динамических процессов и характеристик узлов оборудования на специальных стендах. Расширенные возможности моделирования параметров . облегчен процесс снятия динамических параметров Дороговизна изготовления стендов. Узкий диапазон применения каждого стенда.

Аналитические методы

Математич. моделирование УС станка, его узлов и динамических процессов на основе реального образца.

Применение в мат. модели исход ных данных образца. Определение и устранение причин возникновения вибраций

Сложность составления математической модели. Использование в качестве исх. данных усредненной справочной информации.

Таблица 1.1. Продолжение

Суть метода Достоинства недостатки

Суперэлементный подход при математическом моделировании УС станка Автоматизация процесса проектирования за счет применения программных пакетов для ПЭВМ Недостаточная степень соответствия модели реальному объекту из-за большого количества допущений и упрощений

С точки зрения соответствия результатов реальным процессам, происходящим в токарном станке, наибольший интерес представляют экспериментальные методы исследования . Кроме того при поисках причин возникновения колебаний и путей их устранения на конкретных операциях в производстве, экспериментальные методы исследования представляются единственно возможными, так как позволяют учесть особенности конкретного станка и операции.

Данным методам исследований посвящен ряд работ известных ученых. Так в работе [30 ] А.И.Каширин рассматривает вопросы исследования вибраций. Автором рассмотрены как теоретические методы так и экспериментальные . Большое значение уделено исследованию статических характеристик узлов станков, методам их измерения и расчета. Рассмотрены вопросы влияния различных элементов режима резания на различные параметры колебательного процесса. В работе описаны оборудование, приспособления и аппаратура, применявшаяся при проведении экспериментов.

Определенный интерес вызывают результаты экспериментов по исследованию упругих деформаций различных узлов токарного станка. Так экспериментами установлено, что жесткость системы резца (суппортная группа, резец) в направлении составляющей силы резания Ру приближается к жесткости опоры изделия в передней бабке станка :

1 2 3 4 5

и Передняя бабка ---о—'Суппорт

• Задняя бабка

>у Кн

Рис. 1.1 Упругие деформации узлов станка под действием радиальной силы Ру

В работе [72] рассмотрены вопросы влияния на точность механической обработки различных факторов. Большой интерес вызывает подробное описание различных методик определения деформаций упругой системы станок - приспособление - инструмент - деталь . Приводятся результаты многочисленных экспериментов с указанием параметров их проведения. Интерес вызывают так же выводы по результатам проведения исследований отжатий суппортной группы и задней бабки токарного станка. Так одним из выводов является установление факта численной зависимости податливости указанных элементов станка от соотношения величин составляющих силы резания Рг : Ру : Рх .

Для оценки способности узла сопротивляться появлению упругих отжатий под нагрузкой, введено понятие жесткости, которая определяется отношением составляющей усилия резания Ру к смещению лезвия инструмента относительно детали в том же направлении у , т.е.:

У ■ — н/мм

7

(1.1)

Как известно, определение деформации узлов станка путем приложения одной горизонтальной составляющей Ру не отражают действительного характера поведения узла, так как на деформации узлов оказывают влияние как вертикальная составляющая Рг, так и осевая Рх. Многочисленные опыты , поставленные в этом направлении в лаборатории Л ПИ имени М.И.Калинина полностью подтвердили вышесказанное.

При применении твердосплавных резцов различной геометрии, соотношения между составляющими усилия резания Рг, Ру и Рх могут меняться в довольно широких пределах. Так п