Реферат: Вибір оптимальних режимів як метод підвищення стійкості і жорсткості технологічної системи при чорновому обробленні на верстатах з числовим програмним керуванням

Фізична складова визначає силову взаємодію леза зі стружкою при прямокутному вільному різанні за В.А. Кудиновим.

Відомо, що величина сили різання суттєво залежить від товщина зрізу та швидкості різання. Проведені автором експериментальні дослідження показали значний вплив товщини зрізу та швидкості різання на сталу часу стружкоутворення. Тому нелінійні залежності у моделі запропоновано врахувати шляхом їх опису емпіричними залежностями

, ,(5 )

де A – проекція сили різання A(z,y)≥0; B– показник степені B(z,y)≥0; ZV – показник степені ZV(z,y)≥0; XTp – показник степені XTp≥0; ZTp – показник степені ZTp≥0.

Виходячи з виразу для лінійної системи, передавальна функція ТС може бути подана у вигляді:

, , ( 6 )

де δ(w)– функція переміщення ТС вздовж осі верстата ; Р(w) – проекція сили різання на ось верстата. Припустивши також, що взаємовплив осей незначний, отримаємо Gxy=Gyx=0.

Оскільки запропонована модель є нелінійною щодо швидкості різання та товщини зрізу, то неможливо застосувати алгоритм, розроблений Y. Altintas. Тому для аналізу динамічної стійкості процесу кінцевого фрезерування в умовах частоти обертання шпинделя та деякого параметра, що входить у модель (наприклад, ширина або глибина фрезерування), розроблений власний ітераційний алгоритм, що реалізовує метод D-розбиття для наперед лінеаризованого стосовно часу характеристичного рівняння. Він полягає в послідовній перевірці кожної точки області режимів різання з деяким кроком на наявність автоколивань та за отриманими даними побудови межі динамічної стійкості.

Запропоновано для визначення питомої сили різання і сталої часу стружкоутворення скористатися імітаційним моделюванням процесу прямокутного вільного різання в 2-D постановці на основі методу скінченних елементів. Застосовувалася програма OCFEM, розроблена на кафедрі «Технологія машинобудування, верстати та інструменти», СумДУ. Визначення зазначених параметрів відбувається за діаграмою зміни проекцій сили різання при врізанні із заданою товщиною зрізу та апроксимації цієї залежності аналітичним виразом методом найменших квадратів. При цьому вихідними даними є режими різання, геометрія інструменту, властивості інструментального та оброблюваного матеріалів, модель тертя, модель матеріалу, що визначалася з діаграми розтягнення за ГОСТом 1497.

Проведене дослідження впливу товщини зрізу, фаски зносу по задній поверхні, швидкості різання, коефіцієнта тертя, переднього та заднього кутів інструменту на сталу часу стружкоутворення показало, що лише швидкість різання, коефіцієнт тертя, товщина зрізу та співвідношення a/r значно впливають на величину цього показника. Це підтверджує доцільність врахування нелінійних залежностей цього показника від товщини зрізу та швидкості різання при моделюванні динамічної стійкості ТС до автоколивань.

Для практичної реалізації динамічної моделі фрезерування необхідно визначити податливість тієї ТС, для якої виконується моделювання процесу. На сьогодні існують спроби врахувати тільки шпиндель ТС, однак оскільки на даний час стан верстата невідомий, то функція динамічної податливості підлягає експериментальному визначенню.

Для визначення функції динамічної податливості запропоновано використати метод ударного збурення, загальна методика реалізації якого регламентується ГОСТом 7626-5-99. Згідно з цією методикою в заданій точці системи прикладається збурююча сила амплітудою Р протягом часу та реєструється переміщення системи , яке було викликане цією силою. Тоді функція динамічної податливості визначається за формулою , де δ(w) –амплітудний спектр переміщення ТС; P(w) – амплітудний спектр модуля сили різання.

Ударне збурення запропоновано реалізовувати за допомогою зрізання каліброваного штифта зубцем фрези. Вимірювання зміни відстані (зазора) між заготовкою (пристроєм, столом верстата) та інструментом запропоновано здійснювати індуктивним датчиком відстані, який закріплюється на заготовці.

Отриманий спектр динамічної податливості апроксимується виразом

, (7 )

де s – оператор Лапласа; n – кількість гармонік G, що апроксимуються; α – прискореність вздовж осі X [м/(Н∙с2)]; β – рухливість вздовж осі X [м/(Н∙с)]; ζ – коефіцієнт демпфування ТС; ωс – частота власних коливань ТС [с-1].

Аналіз функції динамічної податливості, отриманої для 9 різних умов та зіставлення з власними частотами отриманими за допомогою CosmosWorks показали приблизну рівність динамічної податливості інструменту, шпинделя, шпиндельної бабки, пристосування та деталі. Таким чином, для достовірної оцінки динамічної стійкості процесу в заданих умовах потрібно враховувати функцію динамічної податливості, яка містить всі елементи ТС.

3 Досл ідження динамічної стійкості ТС на основі аналізу сигналу акустичного випромінювання

Критерій динамічної стійкості процесу фрезерування кінцевими фрезами до автоколивань доцільно сформулювати таким чином: процес кінцевого фрезерування динамічно стійкий до автоколивань у тому разі, якщо амплітуда коливань в діапазоні частот від 150 до 3000 Гц на частотах, не кратних частоті зустрічі зубців фрези із заготовкою, не більше амплітуди коливань на частотах, кратних частоті зустрічі зубців фрези із заготовкою. Тоді, якщо критерій виконується, будемо говорити про динамічно стійкий режим автоколивань, у протилежному разі – про динамічно нестійкий режим автоколивань.

Для перевірки запропонованого критерію були отримані спектри сигналів АВ для різних умов оброблення шляхом запису сигналу за допомогою мікрофона. Для зазначених умов також отримані поверхні різання шляхом миттєвого зупинення процесу .

Аналіз отриманих спектрів за різних умов фрезерування показав, що інтенсивність АВ суттєво зростає або на низьких частотах близько 20-130 Гц , що пов’язане з суттєвим рівнем вимушених коливань в результаті удару зубців фрези по заготовці, або на частотах близько 1,5-5 кГц . Згідно з критерієм у першому випадку ТС є динамічно стійкою до автоколивань, при цьому поверхня різання не має вібраційного сліду від коливань . У другому випадку згідно з критерієм ТС є динамічно нестійкою до автоколивань, це також підтверджує і поверхня різання, яка має добре помітний вібраційний слід. За допомогою даного сліду шляхом підрахунку кількості западин, було визначено, що частота коливань становила 1723 Гц, а амплітуда коливань визначена, шляхом вимірювання глибини западин, становила 0,13 мм .

4 Порівняння аналітичних залежностей

Наведена адекватність запропонованої математичної моделі аналізу динамічної стійкості ТС шляхом порівняння діаграм динамічної стійкості, які були розраховані для випадку оброблення сталі 45 на верстаті 6Р13Ф3 з системою ЧПУ 2С42-65 кінцевою фрезою зі змінними непереточуваними пластинами МС137 з результатами експерименту в діапазоні частот обертання шпинделя від 630 до 2000 об/хв, глибин фрезерування від 5 до 40 мм, ширини фрезерування від 10 до 40 мм при подачі 0,12 мм/об.

Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними, подане на, показує, що спрогнозована межа динамічної стійкості процесу кінцевого фрезерування для вибраних умов оброблення цілком адекватна експерименту. Дійсно, вона проходить або між експериментальними точками діаграми, в одній з яких спостерігається динамічно стійке фрезерування, в іншій – динамічно нестійке. В експерименті, як і було спрогнозовано, область динамічної стійкості розміщується під межею динамічної стійкості – в області малого значення глибини і ширини фрезерування. При цьому лише 15% експериментально перевірених точок не збігаються з прогнозованою межею динамічної стійкості.

Дослідження впливу сталої часу стружкоутворення показали, що з її підвищенням до величини сумірної з періодом автоколивань відбувається розширення області режимів різання динамічно стійкого фрезерування . Окрім цього, на менших частотах обертання шпинделя відбувається збільшення динамічної стійкості ТС, що пов’язано з урахуванням нелінійної залежності сталої часу стружкоутворення від швидкості різання.

1 – Tp=0 мс; 2 – Tp=0,02 мс; 3 – Tp=0,1 мс; 4 – Tp=0,5 мс; 5 – Tp=1; 6 – Tp=2 мс

Як показали дослідження , з підвищенням величини обертової подачі відбувається розширення області режимів різання динамічно стійкого фрезерування до автоколивань, що пов’язано з урахуванням нелінійної залежності Р(а).

Розроблена методика вибору режимів різання для чорнового кінцевого фрезерування сталей з метою забезпечення максимальної продуктивності на основі прогнозування динамічної стійкості процесу до автоколивань.Виходячи з неї, ширина та глибина фрезерування визначаються за діаграмами динамічної стійкості конкретної ТС для деяких частот обертання шпинделя. Подача розраховується для кожної частоти обертання з урахуванням вибраної ширини та глибини фрезерування, при цьому вона обмежується ресурсом інструменту, його міцністю та можливостями верстата. Остаточно із отриманого ряду беруться режими різання, які забезпечують мінімальний основний час при заданому ресурсі інструменту

Особливості застосування методики показані на прикладі чорнового оброблення деталі типу «Лопатка». Режим різання, який був визначений за допомогою розробленої методики, дав можливість скоротити основний час оброблення.

Висновки

1. Для підвищення ефективності процесу чорнового кінцевого фрезерування виконане теоретичне дослідження, яке дозволило спрогнозувати динамічну стійкість технологічної системи з урахуванням податливості всіх її елементів, конструкції кінцевої фрези, нелінійної залежності сили різання та постійної часу стружкоутворення від товщини зрізу та швидкості різання. Зазначені параметри силової взаємодії зубця фрези із заготовкою і сталу часу стружкоутворення запропоновано визначати за допомогою імітаційного моделювання процесу різання за діаграмою зростання сили різання. Для визначення динамічної податливості технологічної системи розроблена спеціальна експериментальна установка, яка дає можливість урахувати всі елементи технологічної системи. При цьому експериментальна оцінка динамічної стійкості технологічної системи проводиться за результатами аналізу сигналу акустичного випромінювання процесу кінцевого фрезерування.

2. У результаті аналізу вітчизняних і зарубіжних публікацій, присвячених сучасному стану питання про підвищення динамічної стійкості процесу кінцевого фрезерування, встановлено, що одним з найбільш істотних чинників, які впливають на коливання технологічної системи, є режими різання. Встановлено, що найбільш простим і поширеним методом забезпечення динамічної стійкості технологічної системи є прогнозування областей режимів різання динамічно стійкого кінцевого фрезерування за допомогою аналізу діаграм динамічної стійкості технологічної системи.

3. Розроблені узагальнена математична модель і алгоритм розрахунку для побудови діаграми динамічної стійкості кінцевого фрезерування для фрез із прямими зубцями, з гвинтовими зубцями, з плоским та сферичним торцями, у тому числі і із змінними непереточуваними пластинами. На відміну від відомих рішень розроблений алгоритм може бути використаний для прогнозування межі динамічної стійкості при фрезеруванні в умовах, коли відбувається різання одночасно декількома зубцями фрези. У моделі також враховано вплив швидкості різання на силу різання і постійну часу стружкоутворення, нелінійна залежність сили різання від товщини зрізу, запізнювання сили різання стосовно зміни товщини зрізу.

Література

1. Залога В.А., Криворучко Д.В., Емельяненко С.С., Голдун Д.Г. Анализ экономической эффективности высокоскоростного фрезерования // Вісник Сумського державного університету. Серія Технічні науки (Машинобудування). – Сумы: Изд-во СумГУ, 2005. – № 11 (83). – С. 72–78.

2. Криворучко Д.В., Залога В.А., Емельяненко С.С. Методика прогнозирования устойчивости процесса фрезерования концевыми фрезами // Сучасні технології у машинобудуванні: Збірник наукових праць. – Харків: НТУ «ХПІ», 2007. – С. 39-48.

Y. Altintas.

3. Залога В.А., Криворучко Д.В., Емельяненко С.С., Голдун Д.Г. К вопросу определения передаточной функции процесса резания при фрезеровании // Вісник Сумського державного університету. Серія Технічні науки. – Сумы: Изд-во СумГУ, 2007. – № 1. – С. 80–92.