Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | На правах рукописи
Быков Сергей Юрьевич ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЯМИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2006
Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете СТАНКИН.
Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Схиртладзе А.Г.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тимирязев В.А.
кандидат технических наук, доцент Талдыкин В.Ю.
Ведущая организация - Волгоградский государственный технический университет
Защита состоится л_ 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета К 212.142.01 в Московском государственном технологическом университете СТАНКИН по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета СТАНКИН.
Автореферат разослан л_ 2006 г.
Ученый секретарь кандидат технических наук диссертационного совета Тарарин И.М.
2
Общая характеристика работы
Актуальность работы Современное развитие машиностроения идет по пути повышения точности обработки деталей машин. При этом тенденция роста точности остается на протяжении более века постоянной, и обеспечение точности механической обработки является одним из важнейших требований к современному металлообрабатывающему оборудованию.
Сверление спиральными сверлами - один из основных методов обработки отверстий. Этому процессу посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако, большинство из них направлены на исследования стойкости, производительности обработки отверстий, технологии изготовления, конструкции и условиям эксплуатации сверл. Количество работ, посвященных исследованию точности обработки отверстий невелико. Это объясняется сложностью процесса сверления, в частности: отсутствием доступа к режущим кромкам, переменной скоростью резания и, связанной с этим неоднородностью стружкообразования вдоль режущих кромок, относительно малой жесткостью сверла, наличием крутильных колебаний. Для более ясного понимания влияния перечисленных факторов на точность обработки, процесс сверления следует исследовать в динамике, и при этом рассматривать станок, инструмент и деталь как единую технологическую систему.
В связи с этим исследование процесса формообразования при сверлении является актуальной задачей.
Цель работы - повышение точности обработки отверстий на основе управления траекториями формообразования при сверлении.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
1. Выявить факторы, влияющие на форму и размеры траекторий формообразования и определить методы по снижению негативного влияния этих факторов на точность обработки.
2. Разработать методику расчета и построения геометрического образа обрабатываемого отверстия и прогнозирования точности обработки на основе измерения траекторий формообразования.
3. Провести экспериментальные исследования по измерению траекторий оси вращения шпинделя станка и инструмента на реальном станке в ходе процесса резания в реальном масштабе времени.
4. Произвести сравнение траекторий формообразования и геометрического образа обработанного отверстия.
5. Разработать методику повышения точности сверления на основе управления траекториями формообразования.
Научная новизна.
Разработана математическая модель построения геометрического образа обрабатываемого отверстия при сверлении.
Разработана методика прогнозирования точности обработки отверстия на основе измерения траекторий формообразования.
Исследованы траектории перемещения шпинделя станка и сверла как отдельных элементов технологической системы в неподвижной системе координат.
Исследовано влияние режимов обработки на форму и размеры траекторий формообразования. Установлено соответствие изменения траекторий формообразования смене видов контактного взаимодействия при изменении скоростей резания.
Разработана математическая модель системы управления движениями формообразования.
Методы исследования В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились на базе основных положений теории резания, теоретической механики, вычислительной математики.
В экспериментальных исследованиях использовались методы статистической обработки результатов измерений. Экспериментальные исследования проводились с применением аттестованных средств измерения.
Практическая ценность Разработан алгоритм построения геометрического образа обрабатываемого отверстия при сверлении.
Разработана установка для измерения траекторий формообразования.
Разработана методика повышения точности отверстий при сверлении на основе управления движениями формообразования.
Предложены методы по снижению влияния различных факторов на точность обработки отверстий спиральными сверлами.
Реализация работы Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре стандартизации и сертификационных испытаний техники МГТУ СТАНКИН.
Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 42-й научной конференции ВолгГТУ (Волгоград, 2005), на ежегодных научно - технических семинарах кафедры Технология машиностроения Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2005, 2006), на научных семинарах кафедры Стандартизация и сертификационные испытания техники МГТУ СТАНКИН.
Публикации Основные материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 7 таблиц, и состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы (105 наименований).
Содержание работы Во введении обоснована актуальность работы в связи с необходимостью повышения точности обработки отверстий спиральными сверлами, дается общая характеристика работы, направления исследований.
В первой главе проведен тематический обзор теоретических и экспериментальных работ по вопросам исследования процесса сверления, измерения траекторий формообразования. Обоснована цель и сформулированы задачи исследования.
Исследованию процесса обработки отверстий посвящены труды ряда отечественных ученых: В.Ф. Боброва, Г.В. Бечина, В.И. Жилиса, А.Д. Мартынова, Ю.П. Холмогорцева, С.В. Кирсанова, В.А. Гречишникова и др. Изучению движений формообразующих элементов металлорежущих станков посвящены работы А.П. Соколовского, Б. С. Балакшина, Б. М. Базрова, В. В. Юркевича и др.
Количество работ, посвященных исследованию точности обработки отверстий невелико. Тем не менее, в литературе подробно описана кинематика резания при сверлении, а также рассматриваются влияние на точность отверстий погрешностей заточки, способа закрепления, методов изготовления сверл, геометрии инструмента и режимов резания.
Исследования движений формообразующих элементов металлорежущих станков начавшиеся в 50-х годах 20 века с исследований движений отдельных узлов и механизмов станков развились в исследования динамики технологических систем в целом, в прогнозирование точности обработки на основе измерения траекторий формообразования.
Следует отметить малое количество работ посвященных исследованию процесса сверления в динамике. Проведенные исследования раскрывают лишь отдельные вопросы формообразования поверхностей и исключают из рассмотрения важные факторы, влияющие на точность обработки.
Во второй главе рассматриваются теоретические вопросы исследования величин и закономерностей изменения сил резания в зависимости от условий обработки, возникновения погрешностей обработки. Приводится математическая модель построения геометрического образа обрабатываемой поверхности при сверлении, методика расчета и построения геометрического образа обрабатываемого отверстия и прогнозирования точности обработки на основе измерения траекторий формообразования.
При ассиметричной заточке режущих кромок система сил, действующих на сверло, приводится к осевой силе, крутящему моменту и неуравновешенной радиальной силе, при симметричной заточке - к осевой силе и крутящему моменту. Характер изменения сил резания, по мере увеличения скорости резания, определяется сменой видов контактного взаимодействия. Однако, при сверлении, обычно, одновременно существуют несколько видов контактного взаимодействия. Это объясняется тем, что скорость резания на главной режущей кромке у вспомогательных режущих кромок максимальна, а у перемычки - приближается к нулю.
В результате воздействия силовых факторов, происходит возникновение погрешностей обработки. Сверлению присущи два вида погрешностей: разбивка отверстия и увод оси отверстия. Разбивка отверстия происходит в результате контакта вспомогательных режущих кромок с поверхностью обрабатываемого отверстия. Увод сверла происходит вследствие изгибных деформаций инструмента и копирования погрешности обработанной поверхности на вновь образуемую поверхность. Деформация сверла оказывает воздействие на узлы и детали станка, прежде всего на шпиндель.
На рисунке 1 представлена расчетная схема определения геометрического образа обрабатываемого отверстия в поперечном сечении заготовки детали.
Координатными осями технологической системы являются XOY. Система координат инструмента обозначена XТOYТ. Ось вращения сверла движется по некоторой траектории и в момент времени t1, соответствующий углу поворота шпинделя, равному, находится в точке А с координатами Xi, Yi. Вспомогательные режущие кромки в некотором сечении Б - Б находятся в положении, изображенном на рисунке, с периферией в точке Р.
Б - Б а) б) в) Рисунок 1 - Математическая модель определения геометрического образа обрабатываемой поверхности при сверлении Положение каждой точки вспомогательной режущей кромки определяется только углом поворота сверла и высотой сечения Б-Б. В системе координат сверла XТOYТ их положение (координаты точки P в рассматриваемом сечении) можно выразить следующими выражениями:
D D X = cos Y = sin ;
2 где D - диаметр сверла в рассматриваемом сечении.
D На схеме величина соответствует отрезку АР.
С учетом обратной конусности сверла отрезок АР можно выразить как:
l AP = (D - ) + lгде D - диаметр сверла у главных режущих кромок; - обратная конусность, выражаемая разностью диаметров на расстоянии l0 (l0=100 мм), l = l0 - Zi - расстояние, характеризующее расположение рассматриваемого сечения сверла, Zi - расстояние от перемычки до рассматриваемого сечения сверла.
Координаты точек главных режущих кромок определяются следующим образом. На торцовой поверхности сверла радиус произвольной точки х режущей кромки образует с плоскостью, проходящей через ось сверла, угол x, который связан со значением радиуса выражением:
c sin = x 2rx где c - ширина перемычки, rx - радиус точки.
Тогда координаты точки режущей кромки в системе координат XТOYТ определяются следующим образом:
X = rx cos (-R-x); Y = rx sin (-R-x) где rx - радиус точки х главной режущей кромки, x - угол определяющий, положение точки х главной режущей кромки, x - угол определяющий, положение точки, находящейся на периферии главной режущей кромки.
При повороте шпинделя на угол 1, ось сверла переместится в точку А1.
Сверло при этом совершает оборот вокруг своей оси и занимает положение соответствующее углу 1, периферия сверла в рассматриваемом сечении переместится в точку Р1.
В идеальном случае приращение угловых перемещений шпинделя и сверла равны: = Это соответствует работе станка на холостом ходу. При резании же возникают угловые и продольные деформации, которые изменяют угол спирали сверла. Из экспериментальных данных следует, что при резании фактические приращения угла поворота сверла меньше чем приращения угла поворота шпинделя: Следует отметить, что сверло, находясь в отверстии, не имеет возможности свободно перемещаться в материале, т.е. положение главных режущих кромок относительно стабильное, режущие кромки при этом опираются на поверх ность резания. Положение главных режущих кромок не определяет геометрический образ обрабатываемой поверхности в поперечном сечении. В то же время вспомогательные режущие кромки касаются уже обработанной поверхности.
Из рассматриваемой схемы можно определить положение вспомогательных режущих кромок, которое и будет определять геометрический образ обрабатываемой поверхности в поперечном сечении.
Координаты точки Р в идеальной системе координат XOY определяются из выражений: X= AP cos Xi ; Y= AP sin Yi.
В основу математического определения геометрического образа в поперечном сечении заложена формула определения расстояния между двумя точками, лежащими на плоскости:
2 d = (X2 - X1) + (Y2 - Y1) где X1, X2, Y1, Y2 - координаты точек в декартовой системе координат.
Тогда мгновенный радиус Rд обрабатываемой поверхности в идеальной системе координат определяется выражением:
2 R = ( AP cos X ) + ( AP sin Y ) (1) где AP - отрезок равный радиусу сверла в рассматриваемом сечении, - угол поворота сверла, Xi, Yi - координаты оси сверла в идеальной системе координат.
Это выражение является обобщенной функцией геометрического образа при сверлении. Определив экспериментально траекторию оси вращения сверла, то есть текущие координаты Xi и Yi, по углу поворота шпинделя и углу поворота сверла подставив их в формулу (1) можно определить форму обрабатываемой поверхности детали в рассматриваемом сечении.
При вращении шпинделя с одновременным движением подачи, все точки режущих кромок сверла переместятся вдоль оси Z на величину равную:
a = snt = s где s - подача, мм/об, n - частота вращения инструмента, об/мин, t - промежуток времени, за который совершено перемещение, - угловое перемещение инструмента, рад.
Таким образом, точки режущих кромок сверла совершают сложное движение, состоящее из следующих составляющих движений: вращение сверла вокруг своей оси, перемещение оси по некоторой стохастической траектории, перемещение, соответствующее движению подачи.
Т.о. можно определить положение точек режущих кромок сверла в любой момент времени.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам