На правах рукописи

РЫБАЛКО АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПРЕРЫВИСТЫХ ОТВЕРСТИЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОГО ВИБРАЦИОННОГО СВЕРЛЕНИЯ Специальность 05.13.06 Ч Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 г.

Работа выполнена в ГОУВПО Московский государственный технологический университет Станкин

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кокарев Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Древаль Алексей Евгеньевич кандидат технических наук Терехов Виктор Владимирович

Ведущая организация: ФГУП ГН - РФ ЦНИИТМАШ

Защита диссертации состоится л_ _ 2006 г. в _ часов на заседании диссертационного совета К 212.142.01 при ГОУ Московский государственный технологический университет Станкин по адресу: 127055, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ Московский государственный технологический университет Станкин.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направить в диссертационный совет по адресу: 127055, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а.

Автореферат разослан л_ _ 2006 г.

Ученый секретарь Тарарин И.М.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обработка прерывистых отверстий является одним из самых трудоемких процессов в металлобработке. Особую проблему представляет обработка прерывистых отверстий диаметром 312 мм, которые часто относят к отверстиям малого диаметра. Процесс получения точных отверстий в указанном диапазоне при достаточно жестких требованиях к точности, шероховатости, геометрической форме (прямолинейность, увод оси, некруглость и т.д.) связан с рядом затруднений, обусловленных спецификой внутренней обработки цилиндрических поверхностей небольшого диаметра. Наиболее известный цикл обработки таких отверстий включает в себя следующую последовательность: сверление, зенкерование, развертывание (одно- или двукратное) или растачивание. Иногда такого сочетания недостаточно и тогда цикл дополняется внутренним шлифованием и (или) хонингованием. Для отверстий малого диаметра применение методов чистовой обработки связано со значительной сложностью в реализации.

В типовых технологических циклах для сверления отверстий в указанном диапазоне как правило применяются винтовые сверла, а для развертывания Ч многолезвийные развертки.

При обработке прерывистых отверстий, особенно в условиях косого входа и выхода возникают переменные поперечные силы, которые приводят к увеличению увода оси инструмента, разбивке отверстий, и увеличивают вероятность поломки инструмента. Больше всего этому подвержены инструменты с неопределенностью базирования в отверстии (винтовые сверла, перовые сверла, многолезвийные зенкеры и развертки).

В работах В.Н. Подураева, С.Б. Лакирева, В.В. Сергеева, С.В. Кирсанова, В.И. Денисенко показано, что для предотвращения поломок инструмента и снижения погрешностей часто необходимо уменьшать подачу в момент прерывания отверстия или скачка нагрузки, но в большинстве традиционно используемых станков нет соответствующей системы управления и диагностики, поэтому для получения отверстий с затрудненными условиями обработки стандартным инструментом чаще всего применяют специальные технологические приемы и приспособления (пробки, дополнительные опоры), применяемые в основном в условиях единичного производства на универсальном оборудовании и при ручном управлении процессом.

Большинство известных решений применимы только для одного из известных случаев затрудненной обработки отверстий. В то же время существуют детали массового производства, имеющие комплексное соче - 3 - тание возможных случаев прерывистой обработки. Для таких деталей мало подходят малопроизводительные решения, относящиеся к единичному производству, в этом случае необходимы более прогрессивные решения, которые могли бы обеспечить производительную обработку без применения громоздкой технологической оснастки и предварительной технологической подготовки отверстий (установки в них пробок, подкладок и др.). Актуален поиск решений, позволяющих получать окончательные точные отверстия на одном переходе, станке и инструменте, исключая сложную и трудоемкую технологическую цепочку (сверление Ч зенкерование Ч развертывание), что особо важно при больших программах выпуска, так как при этом открываются возможности сокращения числа инструментов и автоматизации цикла.

Исследовательские работы для такого класса деталей и условий массового производства практически не проводились. Поэтому исследования рассмотренных проблем являются актуальными и для их решения в данной работе поставлены следующие основные задачи, направленные на повышение эффективности обработки прерывистых отверстий с комплексным сочетанием затрудненных условий: выбор и научное обоснование прогрессивных технологий инструмента и оборудования для обработки прерывистых отверстий, особенно для деталей массового производства; создание системы управления и диагностики обработки применительно к условиям прерывистого резания.

Целью работы является повышение качества и точности обработки прерывистых отверстий в деталях массового производства с комплексным сочетанием конструктивных сложностей.

Методы исследований. В работе применялось моделирование силового нагружения инструмента в процессе нестационарного резания; теоретический анализ оптимального расположения рабочих элементов режущей части сверл для глубокого сверления; графоаналитический анализ траекторий перемещения режущих кромок сверла при нестационарной обработке с импульсным законом осевых колебаний инструмента;

компьютерная диагностика силового нагружения инструмента в режиме реального времени; статистические методы планирования экстремального эксперимента при поиске оптимальных режимов нестационарной обработки.

Научная новизна работы заключается:

Х в моделировании процесса глубокого вибрационного сверления прерывистых отверстий;

Х в методическом обеспечении процесса диагностики силового нагружения при нестационарном сверлении в режиме реального времени;

- 4 - Х в разработке автоматизированной системы управления процессом глубокого сверления.

Практическая ценность работы заключается в рекомендациях по выбору расположения направляющих элементов сверл для глубокого сверления при обработке прерывистых отверстий в сверлильных патронов модели ПС; программном обеспечении системы, управления и диагностики станков для нестационарного сверления глубоких отверстий; в рекомендациях по проектированию и комплексе рабочей документации для изготовления вибросуппортов импульсного типа с вращающимся шпинделем созданных с использованием принципов функионально-пространственного моделирования (ФПМ) в системе SolidWorks.

Степень обоснованности научных результатов. Основные научные положения и выводы работы базируются на корректном использовании элементов теории колебаний, математической статистики и планировании эксперимента. Примененные в работе современные средства компьютерной обработки результатов исследований, примененные для графического отображения процесса диагностики силового нагружения и перемещения инструмента в режиме реального времени подвергают выдвинутые гипотезы и теоретические закономерности и хорошо согласуются с известными результатами исследований отечественных и зарубежных ученых в области нестационарного резания.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских программ в МГТУ Станкин, переданы для внедрения на Новосибирский инструментальный завод, Савеловское машиностроительное объединение САВМА, а также внедрены в учебный процесс в МГТУ Станкин и МВТУ им. Н.Э. Баумана. Система управления и диагностики, созданная на основе данной, работы демонстрировалась в составе станка для виброэжекторного сверления, разработанного и созданного с участием автора, на 10-ой международной выставке Машиностроение-2003 в г. Москве.

Доклады. Основные результаты работы докладывались: на научнотехнической конференции КТИ-2003, КТИ-2004 в МГТУ Станкин, г. Москва, на научно-техническом семинаре в рамках 10-ой международной юбилейной выставке Машиностроение-2003, г. Москва; на научно-технической конференции в г. Туле; 2005 г., на научно-технической конференции в г. Одессе в 2005 году.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложения. Работа выполнена на 135 стр., содержит 13 таблиц, 60 рисунков, список литературы включает 95 наименований.

- 5 - СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены основные проблемы и выбраны направления исследований в области сверления прерывистых отверстий.

Выполнен общий анализ процессов сверления в затрудненных условиях и работ, посвященных рассматриваемой проблеме обработки прерывистых отверстий (рис. 1).

а) б) в) г) д) е) ж) з) Рис. 1. Типовые схемы сверления отверстий сложной формы Показано, что несмотря на исследования, выполненные В.И. Подураевым, С.Г. Лакиревым, К.В. Сергеевым, С.В. Кирсановым и рядом других авторов недостаточно изучены вопросы обработки прерывистых отверстий с комплексым сочетанием характерных конструктивных сложностей (косой вход, косой выход, пересекающиеся отверстия, персечение отверстия с кольцевыми канавками), особенно для деталей массового производства.

На основе анализа ряда производстве в качестве объекта исследований выбрана типовая деталь Ч корпус сверлильного патрона модели ПС, в котором имеются три наклонных отверстия, пересекающих центровое отверстие и две кольцевые канавки с различными условиями пересечения по углам входа и выхода и окружному охвату рабочей части сверла (рис. 2). В результате анализа сделан вывод об актуальности проведения исследований направленных на применение технологии инструмента и оборудования глубокого вибрационного сверления для обработки прерывистых отверстий и создания специальной системы управления и диагностики процесса нестационарной обработки в режиме реального времени.

- 6 - Требуемый материал: сталь 50 по ГОСТ 1050-Используемый материал: АС14 по ГОСТ 1414-Рис. 2. Сверлильный патрон модели ПС Во второй главе излагаются вопросы теоретического обоснования возможности повышения точности сверления прерывистых отверстий за счет наложения вибраций.

- 7 - На основе теоретического анализа и решения дифференциального уравнения d2 y E J = -T yS H l-x, (1) d xописывающего положение оси инструмента (рис. 3) при силовом нагружении переменой силой в процессе нестационарного сверления, выполненного с учетом исследований В.Н. Подураева и Д. Кумабэ, показана возможность повышения динамической жесткости инструмента, на основе чего поставлена задача экспериментального сравнения точности и качества обработки при обычном и вибрационном глубоком сверлении прерывистых отверстий.

Рис. 3. Схема определения прогиба стебля инструмента и отклонение режущей части от теоретической оси Построение графической модели траектории перемещения режущих кромок сверла в обрабатываемом материале при импульсных законах перемещения инструмента с разными сочетаниями режимов резания и параметров вибраций позволяет графически определить предполагаемую форму стружки и в продольном сечении, что может служить основой комплексной кинематической диагностики стружкообразования и стабильности отвода стружки. Анализ графических моделей позволяет заранее определить требуемые условия нестационарного резания с обеспечением:

1) сверления с полным выводом режущих кромок из зоны резания, 2) сверления без вывода режущих кромок.

Кинематическая диагностика процесса нестационарного сверления произведена для пилообразной формы колебаний при сверлении прерывистых отверстий по двум схемам, обеспечивающих быстрое врезание.

Произведен теоретический анализ влияние на процесс формообразования при вибрационном сверлении изменения номинальных значений параметров режимов и вибраций. Показано, что для обеспечения стабильности дробления и постоянной формы стружки необходимо обеспеS0/ Ax x /n чить постоянное значение отношения и с точностью до 0,050,1%, что можно реализовать только с помощью быстродействующих систем ЧПУ.

- 8 - На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований определены оптимальные геометрические и конструктивные параметры сверла при обработке. Теоретический анализ показал, что для прерывистых отверстий целесообразно применять сверла одностороннего резания с предварительным определением оптимального углового расположения направляющих элементов.

Основными параметрами для оценки схемы расположения направляющих, были выстроена точность и шероховатость поверхности. Для исследования были изготовлены сверла с пятью профилями (рис. 4).

а) б) в) г) д) Рис. 4. Схема расположения направляющих элементов у сверл одностороннего резания Выявлено, что диаметральная направляющая должна составлять с =180 режущей кромкой угол, для опорной направляющей /6/ (рис. 5), причем величина угла для опорной направляющей не должна превышать величину угла сектора, образованного радиусами, проведенными из центра оси сверла к точкам врезания и выхода сверла на торце заготовки. Наилучшие результаты показали сверла с расположением направляющих по схеме б и в, поэтому дальнейшие эксперимент проводился с прямо с цельной твердосплавной режущей частью, что обеспечивает реализацию схемы б (рис. 4).

Выявлено, что устойчивое базирование режущей части по стенкам отверстия начинается при угле охвата направляющей части сверла свыше 180 (рис. 5), в связи с чем минимальная длина направляющей части сверла должна быть в пределах 12-18 мм, соответственно для диаметров сверл в диапазоне 7-16 мм (патроны ПС-6, ПС-9, ПС-10, ПС-15). Общая длина сверла должна составлять 135 мм при сверлении без эжекторного отвода стружки и 180-200 мм при сверлении с эжекторным отводом.

В третьей главе рассмотрены вопросы создания оснастки и оборудования для сверления прерывистых отверстий по технологии глубокого вибрационного сверления.

Для проведения исследований были модернизированы два станка: