Исследование влияния динамики многоцелевых станков на точность обработки тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

/

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДЕХНИЧ АЛЕКСАНДР АБАТОЛЬЕВШ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИКИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ

спще-гальностъ 01.02.06 - Динамика и прочность машин.

приборов и аппаратуры

Научные руководатезш: Заслуженный деятель шш

доктор технических внук, профессор Белый В Д.

№ правах рукописи

Кандидат технических нщк, доцент Гавршгов В. А

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических тук

Смск- 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА,

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8

1.1. Проблема и научная задача Црль исследования 8

1.2. Анализ исследований точности многоцелевых станков 11

1.3. Задачи исследования 28

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКАХ С ЧПУ. 30

2.1. Анализ факторов оказывающих влияние на точность

обработки на многоцелевых станках 30

2.2. Методика используемая при разработке

математической модели 33

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА МНОГОЦЕЛЕВОМ СТАНКЕ МС12-250М1. 51

3.1. Построение графа связей и определение п\ти

расчета для станка МС12-250М1 51

3.2. Определение собственных частот шпиндельной

головки 62

3.3. Определение амплитуд вынужденных колебаний

шпиндельной головки под действием сил резания. 69

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА СТАНКЕ МС12-250М1 81

4.1. Определение жесткости подвижного стыка;

станина - шгощдалшая головка 81

4.2. Нагрузочное устройство для моделирования

процесса растачивания 93

V 3

4.3. Стенд для определения д£<шамгаеских хфактфисппс шшшделшой головки 97

4.4. Обработка результатов эксперимента и построение

траектории движения вершины инструмента 102

5. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОЧНОСТИ

СТАНКА МС12-250М1. РЕОМЕНДАЦИИ. 114

ЛИТЕРАТУРА 121

ПРИЛОЖЕНИЯ 128

ВВЕДЕНИЕ

ГЬвышшие качества и надежности машин и оборудования является одной из основных проблем современного машиностроения. Это относится, в первую очередь, к теэдологаческому оборудованию, т. е. к той сфере производства, где создаются все изделия и обеспечиваются показатели качества и надежности выпускаемых машин.

Металлорежущие станки занимают особое место среди изделий машиностроения. Именно станки в основном формируют те показатели качества, которые определяют достоинства выпускаемых изделий. Сам станок превратился в сложный шугоматазировшльш агрегат с широкими возможностями для осуществления различных технологических опфаций, с применением большого числа разнообразных инструментов и управлением от ЭВМ

№обходимыи уровень качества станка определяется в первую очередь, требованиями к точности обрабатываемых деталей, включая точность размеров, формы, взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, а также их шероховатость и волнистость. Анализ процесса формообразования при обработке изделий на станках различного технологического назначения позволяет сделать вывод, что основными выходными параметрами станка как элемента технологической системы должны быль характеристики точности осуществления заданных движений узлов, несущих инструмент и заготовку; т. е. формообразующих узлов станка Главным является обеспечение условий, необходимых для получения деталей с минимальными погрешностями размеров и формы, т.е. отсутствия отклонений от заданных устойчивых положений инстоумента и заготовки. Такие отклонения возникают

х

как результат разтгчных внешних воздействий на дефорш-фуемую систему станка

и

О важной роли динамических явлений в станках свидетельствует то внимание, которое уделяется исследованию этих явлений.

Точность обработки определяется ошосжгельными смещениями инструмента и заготовки по нормали к обработанной поверхности, соз-дешщими нарушения заданных размеров, формы из относительного положения поверхностей обрабатываемой детали. Это смещение как результат деформации системы и является параметром, по которому определяются показатели дишштческого качества при оценке влияния динамического процесса на точность обработки при заданных внешних воздействиях (включая отклонения от геометрической формы и размеров несущих деталей станка, обрабатываемой детали, инструмента и т.п.; кинематические погрешности в связанных цепях и т.д.).

Точность станка непосредственно связана и с другим его показателем - производительностью. Чем выше запас по точности, тем более высокие режимы обработки можно применять на станке, т.е. может быть достигнут более высокий уровень производительности.

Особое место в гамме металхюрежущего оборудования занимают мтюгоопфащюнные станки с ЧПУ, к которым предъявляются особенно высокие требования. Это связано, в первую очередь с тем, что на данном виде оборудования обрабатываются в основном корпусные детали, которые служат базой для других деталей и узлов машин и механизмов. Работа в автоматическом режиме не всегда позволяет оператору корректировать процесс обработки в зависимости от возникающих погрешностей. Раашгрение технологических возможностей станка (увеличение степеней подвижности тшструмента и заготовки) осуществляется за счет увеличения количества звеньев в кинематических цепях инструмента и заготовки. Следовательно увеличивается и число подвижных и неподвижных стыков в станке, каждый из которых вносит свой вклад в погрешность обработки.

Учитывая многофакторность процесса образования погрешности, особенно на сложных многооперащ-юнных станках с ЧПУ и высокие требования к точности обработки деталей на них, проблема управления точностью становиться весьма актуальной.

Анализ литературы, посвященной вопросам точности обработки, показал различие не только в методах, но и в подходах к установлению связей между действутшщми факторами и выходными показателями технологического процесса. Существующие аналитические и зкспе-рхжентальные методы установления зависимостей между действующими факторами, харш^жстиками технологичесзкой системы, точностью и производительностью обработки недостаточно сов^эшенны и эффективны. Аналитические методы отличаются невысокой точностью и большой трзэдоемкостью. Экспериментальные методы также достаточно трудоемки; требуют сложной оснастки, аппаратуры, высо-коквалифшдфованных шещхалистов, что делает эти методы малоэффективными.

№ изложенного очевидна необходимость в разработке таких методов установления зависимостей между действующими факторами и выходными показателями процесса, применение которых обеспечивало бы высокую степень соответствия установленных зависимостей фактическим при невысокой трудоемкости.

Этим требованиям удовлетворяет метод математического моделирования. Математическая модель строится на базе имеющихся представлений о механизме образования погрешностей обработки, результатов аналитических и эктерименгшъных исследований и обобщения частных выводов и фактов о природе возникновения погрешностей,

В данной работе предлагается методика экшериментально- аналитической оценки точности обработки на многоопфащюнных

станках с ЧПУ. При разработке математической модели станка используется метод координатных систем с деформирующимися связями Б.МБазрова [4], который позволяет описывать ошосительное положение базовых поверхностей деталей и узлов станка В качестве объекта исследования рассматривается многооперационный станок модели МС12-250М1Г предназначенный для выполнения сверлилъно-фрезфно-разточных операций для корпусных деталей повышенной точности.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Проблема и научная задача. Цель исследования.

С точки зрения динамики реальная упругая система стажа - это сложная колебательная система с распределенными инерционными и упругими параметрами, имеющая бесконечное число степеней свободы и соответственно бесконечное множество собственных частот колебаний.

При расчете динамических хараетфистик реальную упругую систему станка заменяют расчетной схемой, т. е. системой с конечным числом степеней свобода в виде некоторого количества сосредоточенных масс, соединенных невесомыми угфугими и диссипативными фассершающимр! энергию колебаний) элементами, обычно с линейными хфжтерисгикевуш. Такое представление системы станка основано на'том, что большинство корпусных деталей - тяжелые и отно-штельно жесткие тела, а деформации сосредоточены в основном в стыках

Разумеется там, где нельзя пренебречь расгфеделенностъю параметров, это учитывают с помощью заменяющих моделей в виде упругих элементов (стержней, пластин) с сосредоточенными инерционными параметрами.

Расчетная схема должна быть с достаточной для практики точностью эквивалентна реальной системе станка в заданном частотном диапазоне по жесткости в точках приведения масс, значениям низших собственных частот (жжащих в заданном диапазоне) и соответствующих им формам колебаний.

Построенная таким образом расчетная схема позволяет описать динамику упругой системы станка системой линейных дифффенци-альных уравнений второго порядка. Допустимость линейного представления может быть обоснована натягом упругой системы силами резания и весом ее элементов, а также относительной малостью амплитуд их колебаний.

Разработку расчетной схемы упругой системы станка можно проводить на основе чертежей. Однако наличие экспериментальньк данных (частотных характеристик; форм колебаний упругой системы на собственных частотах), полученных для базового варианта станка позволяет при разработке расчетной схемы сделать ряд обоснованных >тгрощший и существенно сократить в дальнейшем объем расчетных работ.

ЬЬюгоцелевые станки с ЧПУ являются одним ш наиболее производительных видов оборудования для условий межосфийного и индивидуального производства Особенностью многоцелевых станков сверлютьно-фрезерно-расгочной группы является широкий диапазон возможных видов и методов обработки. Однако при эксгауатшщи данного вида оборудования, в результате совместного влияния геометрических, юшематяческих и данамических параметров на процесс обработки возникают проблемы по обеспечению требуемой точности обработки.

В данной работе в качестве объекта и<хледований рассматривается серийный многоцелевой стенок модели МС12-250М1 для выполнения сверлильно-фрезерно-расточных опфаций. Эксплуатация в условиях производства показала, что данный станок не обеспечивает требуемую точность обработки отверстий при растачивании по параметрам: точность диаметра и точность формы Предвфитеяьными исследованиями выявлено , что основными причинами погрешности

Рис. 1.1

Компоновка сшнка МС12-250М1: 1 - инструмент; 2 - шпиндель; 3 - шшшдельшя головка; 4 - станина; 5 - вфтикапьньш суппорт; 6 - стол, 7 - деталь.

обработки являются упругие перемещения в подвижных соединениях отдельных деталей и узлов станка и что более 70 % этих перемещений происходит в ветви инструмент Также определено, что наиболее слабым звеном в ветви инструмента является подвижный стык станины и шпжщельной головки станка, перемещающейся по горизонтальным направляющим (ось Ъ рис. 1.1.).

Поэтому целью исследований является повышение точности обработки на многоцелевых станках за счет совершенствования конструкции и оптимизации режимов обработки. Достижение поставленной цели обеспечивается при радении научной задачи, состоящей в экспери-мдатально-даалитйческом исследовании точности обработки на многоцелевых станках на основе оценки влияния различных параметров настройки станка, режимов обработки и дгшамических характеристик отдельных узлов.

1,2 Анализ исследований точности многоцелевых станков.

Постоянное повышение требований к точности размеров и формы деталей, обрабатываемых на металлорежущих станках, появление новых трущообрабатываемых материалов, а также широкое внедрение автоматизации технологических процессов и создание автоматических станков с системами управления и регулирования обуславливает то внимание, которое уделяется проблемам точности обработки на металлорежущих станках. Актуальность проблемы определяется большим количеством работ в этой области [4,10,12,19,22,24,27,3135,48,52,55-58,60-62,66, 69,71,74-78].

Процесс обработки в первом приближении можно представить следующим образом. Энергия, поступающая от источника энергии, с помощью соответствующих механизмов обеспечивает требуемое от-

носительное движение режущего инструмента и обрабатываемой детали с заданными режимами резания. В результате относительного движения инструмента и детали осуществляется непофедственно процесс резания. Процесс резания сопровождается действием разш-гчных сил, их моментов, выделением тепла и рядом других явлений.

Возшжшие в процессе резания силы, их моменты, тепло, а также действие факторов окружающей среды вызывают такие нежелательные явления, как упругие перемещения, температурные деформации, износ, вибрации и др., которые нарушают заданный ход технологического процесса В результате появляются отклонения качества обработанных деталей в виде отклонения размеров, геометрической формы деталей, качества ее поверхностного слоя и др. А поскольку между качеством, прошводительностыо и себестоимостью обработки существуют определенные связи, поскольку изменение одного из них сказывается на двух других показателях Процесс обработки детали ка станке характеризуется сложными взаимосвязями между действутошими факторами, свойствами станка, его динамическими хнрактерисликеми, режимами обработки и выходными показателями технологического процесса

Действующие во время обработки факторы, преодолевая сопротивление элементов системы станка, вызывают их упругие перемещения звеньев, вибрации, износ. В итоге нарушается заданная траектория относительного движения обрабатываемой детали и режущего инструмента и на детали появляется погрешность.

Для сьема слоя материала с детали в системе станка необходимо создать натяг, с помощью которого обеспечивается равновесие сил резания, сопротивления их моментов. Как только режущий инструмент начинает врезаться в деталь, возникают силы резания, внутренние силы сопротивления материала, препятствующие удалению с него снимав-

мого слоя, и силы трения. Под действием этих сил и их моментов происходят относительные перемещения деталей стана за счет выбора зазоров между ними, контактных деформации в стыках и собственных деформаций деталей, поскольку последние не являются абсолютно твердыми телами.

Перемещения звеньев происходят до тех пор, пока натяг в системе станка не обеспечит равенство возмущаютщгх сил и сил сопротивления. Иными словами, система станка представляется как бы в виде пружины, которая при врезании инструмента в деталь под действием внешних сил сжимается. И когда сила сжатия пружины станет равной силе сопротивления, начинается съем материала с заготовит. Величина сжатия пружины и есть натяг или упругое перемещение. Чем больше силы сопротивления, препятсгоующие сьему материала с детали; тем больше должна, быть сила, резания при прочих равных условиях

Поскольку не существует технологических систем с абсолютной жесткостью, то в процессе резания всегда будет натяг, и следовательно, глубина резания всегда будет отличаться от припуска на величину натяга

Величина упругого перемещения есть функция действующих сил, их моментов и жесткости. Таким образом, отаогаггельное упругое перемещение обрабатываемой детали и режущих кромок инструмента является результатом пространственных перемещений и поворотов .детали, являющихся звеньями размерной цепи, замыкающим звеном которой является расстояние между деталью и инструментом.

Механизм упругих перемещений системы сложен и многообразен. В общем виде упругое перемещение определяется по формуле;

X = Рэ / ]

(1.1)

где: Рэ - эквивалентная сила,, момент которой равен сумме моментов всех действующих сил; ] - жесткость системы.

Станок во время обработки находится под действием различных сил и моментов. Из всех сил, действующих в системе станка, наибольшее влияние на упругие перемещения оказывают силы резания, силы инерции, силы тяжести заготовит и др. Причем влияние любой из действующих сил на упругие перемещения зависит не только от ее ветчины, но и от направления ее действия и положения точки ее приложения. В соответствующих условиях каждая из перечисленных сил может оказывать доминирующее влияние на упругие перемещения.

Основы оценки контактных деформаций станочных деталей заложены в работах В.КВотинова [12] и А П Соколовского [66]. Наиболее подробно вопросы жесткости применительно к металло-режущим станкам и их конструктивным элементам (станинам, стойкам, ползунам, коробкам, направляющим скольжения и качения и т.п.), а так же неподвижн�