Украженко Константин Адамович. Разработка и исследование методов повышения жесткости и быстросменности инструментальных систем многоцелевых станков

brief description

Украженко Константин Адамович. Разработка и исследование методов повышения жесткости и быстросменности инструментальных систем многоцелевых станков : диссертация ... доктора технических наук : 05.03.01 / Украженко Константин Адамович; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана].- Москва, 2007.- 435 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/802

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
На правах рукописи УДК 621.9-114
УКРАЖЕНЕСО Константин Адамович
Разработка и исследование методов повышения жесткости и быстросменности инструментальных систем многоцелевых станков
Специальность 05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Президиум ВАК России j!
(решение от" И» Є} М и присудил ученую степень ДО
Те-Х Rr.
Начальник управления ВАК Росс Й

Научный консультант: доктор технических наук, профессор А.Е. Древаль
Оглавление
стр.
Введение 6
Глава 1. Проблемы высокоточной и высокопроизводительной обработки
на многоцелевых станках 11
1.1. Особенности обработки на многоцелевых станках 11
1.2. Аналитический обзор работ, посвященных инструментальной технике для многоцелевых станков с ЧПУ 16
1.3. Тенденции развития механической обработки на многоцелевых станках 52
1.3.1. Повышение точности и производительности обработки на многоцелевых станках с помощью инструментальной техники
и технологии 52
1.3.2. Повышение гибкости и технологических возможностей многоцелевых станков с помощью инструмента 58
1.4. Основные направления повышения точности и производительности обработки на многоцелевых станках 61
1.4.1. Факторы, определяющие точность и производительность обработки на многоцелевых станках 61
1.4.2. Структурно-логическая схема исследований для повышения точности и производительности обработки на многоцелевых станков ..65
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 68
Глава 2. Анализ инструментальных систем для многоцелевых станков
по критериям жесткости и геометрической точности 71
2.1. Систематизация и аттестация инструментальных систем для многоцелевых станков 71
2.1.1. Состав и структура инструментальных систем,
применяемых на МС 71
2.1.2. Анализ конструкций соединений и креплений для инструментальных систем 76
2.1.3. Классификация вспомогательного инструмента и его соединений по различным признакам....... 87
2.1.4. Концепция оценки инструментальных наладок по критериям жесткости и геометрической точности 91
2.2. Определение критерия жесткости инструментальных систем 98
2.2.1. Общие решения рассматриваемой проблемы 98
з
2.2.2. Упругие перемещения в конических соединениях 104
2.2.3. Упругие перемещения в плоских кольцевых стыках 111
2.3. Методика определения жесткости и нагрузочной способности соединений с двумя базирующими поверхностями типа “конус-торец” 115
2.3.1. Определение касательных перемещений в соединениях 118
2.3.2. Оценка нагрузочной способности конусной и торцевой поверхностей 121
2.3.3. Определение затяжных сил и натягов в конусных соединениях 124
2.3.4. Определение и оптимизация затяжных сил в соединениях
типа “конус-торец” 130
2.4. Определение влияния геометрической точности соединений
с двумя базирующими поверхностями на их жесткость 148
2.4.1. Определение влияния погрешностей конуса на жесткость соединений типа “конус-торец” 148
2.4.1.1. Геометрические модели соединений 148
2.4.1.2. Определение зависимости жесткости соединений от погрешности угла конуса 150
2.4.2. Определение влияния торцевого биения соединений типа “конус-торец” на их жесткость .157
2.5. Определение критерия геометрической точности инструментальных соединений с двумя и более базирующими поверхностями 168
2.6. Сравнительный анализ жесткости и виброустойчивости инструментальных соединений 171
2.7. Выводы 175
Глава 3. Разработка и исследование методов повышения жесткости и
точности инструментальных соединений 177
3.1. Способы создания натяга и повышения жесткости в соединениях
с двумя и более базирующими поверхностями 178
3.2. Разработка способа инструментального
соединения с базированием по нескольким поверхностям 187
3.3. Моделирование упруго-деформированного состояния соединительных элементов с избыточным базированием типа «конус - цилиндр - плоскость» 190
3.3.1. Разработка механических моделей для соединений типа
«конус-цилиндр-плоскость» .190 
стр.
3.3.2. Математическое описание жесткости в опорах соединения
типа «конус-цилиндр-плоскость» 195
3.3.3. Оптимизация длины хвостовика соединения типа «конус- цилиндр-плоскость» 204
3.3.4. Оптимизация распределения затяжных сил в соединениях «конус-цилиндр-плоскость» 208
3.4. Экспериментальное исследование инструментальных соединений 217
3.4.1. Определение жесткости соединений и проверка сходимости результатов 217
3.4.2. Определение основных статических и динамических характеристик инструментальных оправок и соединений 232
3.5. Выводы 241
Г лава 4. Анализ механизмов размерной настройки инструмента
и способы повышения их точности и долговечности .242
4.1. Особенности и методы настройки расточного инструмента на размер в условиях гибких технологий .-.242
4.2. Классификация механизмов настройки и требования, предъявляемые к ним 244
4.3. Определение влияния механизмов настройки на точность обработки 248
4.4. Разработка способов повышения точности и долговечности винтовых механизмов настройки инструмента 258
4.5. Определение жесткости в сопряжениях механизмов настройки 263
4.6. Выводы 265
Глава 5. Влияние автоматической смены инструмента на эффективность
работы многоцелевых станков 267
5.1. Особенности процесса автоматической смены инструмента и
его влияние на качество и производительность обработки 267
5.2. Способы повышения эффективности устройств автоматической смены инструмента многоцелевых станков 270
5.2.1. Совмещение отдельных движений устройств АСИ 270
5.2.2. Оптимизация режимов движений устройств АСИ 278
5.2.3. Повышение точности фиксации инструмента в захвате манипулятора АСИ 282
5.3. Выводы 288
стр.
Глава 6. Расчет, проектирование и выбор инструментальных систем
для многоцелевых станков 290
6.1. Разработка методов построения инструментальных систем для МС 290
6.1.1. Совершенствование морфологического метода для
построения модульных инструментальных систем 290
6.1.2. Принцип диверсификации при построении универсального расточного инструмента 297
6.2. Разработка высокоэффективных инструментальных систем для многоцелевых станков 3 02
6.2.1. Разработка модульной инструментальной системы “Модуль Универсал” 302
6.2.2. Разработка быстросменных соединений для модульных инструментальных систем 318
6.2.3. Разработка расточной инструментальной системы “Микробор Универсал” 323
6.3. Методика оценки и выбора типа инструментальной системы для многоцелевых станков 329
6.4. Порядок проектирования модульных инструментальных
систем для МС 339
6.5. Выводы 343
Глава 7. Практическая реализация результатов работы 345
7.1. Организация работ по созданию вспомогательного и расточного инструмента..... 345
7.2. Разработка нормативной конструкторской документации
на соединительные элементы для инструментальных систем 352
7.3. Внедрение созданных инструментальных систем в производство ...359
7.4. Выводы........ 373
Основные выводы......... 374
Список использованных источников 378
Приложение 1 397
Приложение 2 401
Приложение 3 403
Приложение 4 .424
ВВЕДЕНИЕ

Рис. В.1
Экономический потенциал любой страны в значительной степени опре¬деляется техническим уровнем развития машиностроения, основой которого является станкоинструментальная промышленность. Современные рыночные отношения в условиях жёсткой конкуренции требуют от промышленности, в том числе и машиностроительной, высокого качества, низкой себестоимости и быстрой сменяемости выпускаемой продукции в достаточном её количестве. Структурная схема основных технико-экономических показателей:
а) конкурентоспособного производства; б) выпускаемой продукции;
в) современного оборудования и их взаимосвязь представлена на рис. В. 1.
а)
б)
в)
Достичь заметных результатов по каждому из упомянутых показателей невозможно без высокоточных, высокопроизводительных и гибких техноло¬гий в механообработке. Создать такие технологии позволяют гибкие произ¬водственные модули (ГПМ) и гибкие производственные системы (ГПС). С помощью ГПМ и ГПС решаются кардинальные задачи развития машино¬строения - это резкое повышение производительности труда и качества про¬дукции, снижение времени освоения новой продукции и её себестоимости.
Главными компонентами ГПМ и ГПС служат многоцелевые или много-операционные станки (МС), рис.В.2, В.З, которые по известным причинам яв¬ляются в настоящее время самым прогрессивным и перспективным металло¬режущим оборудованием. В этой связи, во всех видах и типах производств происходит техническое перевооружение и широкомасштабное их внедрение.

Рис.В.2. Многоцелевой станок nb-h70 фирмы “Хюллер Хилле” (ФРГ)

Повышение точности и производительности обработки деталей на МС - это одна из основных задач современного станкостроения (как отечественно¬го, так и мирового). Стоимость одного станко-часа, коэффициент загрузки, а также гибкость и производительность МС выше, чем у других станков, и даже незначительное повышение их точности и производительности приносит зна¬чительную технико-экономическую эффективность. Особенно экономически целесообразно повышение точности и производительности МС на трудоёмких операциях, таких как расточка отверстий.
Согласно зависимостей (рис.В.4) “стоимости от точности” обработки на МС наглядно видно, что наиболее экономически целесообразно повышать точность, в диапазоне погрешностей от 0 до 50 мкм, обрабатываемых разме¬ров. При повышении точности на 1 квалитет стоимость обработки в этом диа¬пазоне возрастает в 2 раза и более [124].
Рис.В.4. Зависимость стоимости (С) Рис.В.5. Зависимость стоимости (С)
от точности (А) обработки на МС от числа обрабатываемых деталей (N)
Из зависимости (рис.В.5) “стоимости от числа обрабатываемых дета¬лей” (на универсальных и многоцелевых станках) видно, что стоимость обра¬ботки на МС ниже, чем на универсальных и почти не зависит от числа обра¬батываемых деталей. Это связано с их высокой гибкостью и производительно¬стью, несмотря на то, что стоимость одного станко-часа работы на МС в 1,5¬2,5 раза выше, чем универсальных. Но резервы повышения производительно¬сти МС есть, за счёт снижения вспомогательного времени и, в частности, вре¬мя автоматической смены инструмента (АСИ) [118].

Исходя из графиков (рис.В.6) “зависимости цикловых потерь от числа смен инструмента” потери за 1 рабочую смену могут составить до 20% (/? «400) с манипуляторами последовательного действия. При проведении работ по быстродействию устройств АСИ, а именно по созданию манипулято¬ров параллельного действия, эти потери могут составить 7-8 % , т.е. сократятся примерно в 3 раза, а энергозатраты в 5-^7 раз (см. рис.В.7).
Резюмируя сказанное, можно констатировать, что повышение точности и производительности обработки на МС является своевременной и достаточно актуальной задачей.

Рис.В.6. Зависимость цикловых потерь (ГГ) Рис.В.7. Зависимость энергозатрат (Зэ)
от числа смен (п) инструмента на МС от числа смен (п) инструмента на МС
для манипуляторов: I - параллельного для манипуляторов: I - параллельного
действия; II - последовательного действия действия; II - последовательного действия
Представленная работа посвящена повышению эффективности обработки на МС. В ней: дан анализ состояния вопроса, выбраны направления исследова¬ний, определены критерии по оценке инструментальных систем, используемых в МС, произведена классификация вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ, разработаны теоретические основы соединений с двумя базирующими по-верхностями, в частности, математические модели по оптимизации их геометри-ческих и силовых параметров для достижения максимальной жесткости с учётом погрешностей в сопрягаемых поверхностях, разработаны методы: построения модульных инструментальных систем с заданными параметрами работоспособ¬ности; повышения точности и долговечности механизмов настройки регулируе¬мого инструмента; повышения быстродействия смены инструмента на МС.
Работа выполнена в МГТУ им. Н.Э. Баумана г. Москва.
В данной работе автор защищает:
1. Основные положения теории по определению, оценке и повышению жесткости инструментальных соединений с двумя и более базирующими поверхностями, основанной на математическом моделировании их упруго- деформированного состояния. Целостность разработанной теории представ¬ляют следующие взаимосвязанные её компоненты:
а) методика определения жесткости и оценки нагрузочной способности инструментальных соединений двойного базирования типа “конус—торец”;
б) методика по оптимизации распределения затяжных сил в базирующих поверхностях соединений и определения натягов для его реализации;
в) методика определения влияния геометрических погрешностей соедине¬ний с двумя базирующими поверхностями на их жесткость;
г) способ и математические модели управления жесткостью в соединениях типа “конус-цилиндр-торец”;
д) классификация инструментальных соединений по типу базирующих поверхностей и способу создания в них натяга.
2. Концепцию (систему) аттестации инструментальных наладок для много¬целевых станков по критериям жесткости и геометрической точности, как основным критериям, определяющим качество обработки.
3. Модернизированный морфологический метод построения модульных инструментальных систем по заданным технологическим параметрам.
4. Методику оценки и выбора типа инструментальной системы для много¬целевых станков.
5. Способы повышения точности и долговечности механизмов настройки регулируемого инструмента.
6. Способы повышения быстродействия устройств автоматической смены инструмента многоцелевых станков.
7. Разработки новых конструкций устройств для инструментальных систем.
Все разработки защищены патентами РФ.

bibliography

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
По полученным и представленным в работе результатам исследований, сделаны следующие основные выводы:
1. В результате проведенного анализа балансов точности по параметриче¬ским показателям и структурным элементам технологической системы СПИЗ, обработки на современных многоцелевых станках, установлено, что боль¬шое влияние на точность и производительность обработки оказывает жест¬кость системы СИЗ:
- жесткость системы СИЗ прямым образом связана с точностью обработки и составляет до 70% от общей погрешности обработки, причем доля этих погрешностей, зависящая от жесткости соединений системы составляет около 80%;
- жесткость системы СИЗ косвенно влияет на производительность обра¬ботки, путем создания условий позволяющих увеличить частоту вращения ин¬струмента в дорезонансной зоне, тем самым увеличивая скорость резания.
2. Разработаны расчетно-теоретические модели инструментальных соеди¬нений с одновременным базированием по двум поверхностям: конусной и торцевой. Установлено, что жесткость данных соединений обуславливается определенным соотношением затяжной силы на конусные и торцевые поверх¬ности, работающие в условиях упругого контактного взаимодействия опреде¬ляемого размером (Дк) между торцами, в исходном положении соединяемых модулей, перед их сборкой.
3. Обосновано, что соотношение жесткости торцевого и конусного сопря¬жений должно составлять от 4/1 до 7/1, в зависимости от величины расстояния (Лк) между торцами, которое в свою очередь зависит от точности изготовле¬ния конусных и торцевых элементов сопряжений, а также взаимного располо¬жения торцев при их силовом замыкании.
4. Экспериментально подтверждена возможность использования инстру-ментальных систем с соединениями двойного базирования типа «конус-торец» для МС, позволяющая вести обработку с частотой вращения шпинделя 2СИ-30 тыс. об/мин и точностью обработки 7 и 6 квалитетов.
5. Разработаны расчетные модели зависимости жесткости соединений двойного базирования от погрешностей изготовления сопрягаемых поверхно¬стей: суммарного торцевого биения, угла и диаметра у основной плоскости сопрягаемых конусов, которые позволяют оценить жесткости соединений, выполненных по разным степеням и квалитетам точности.
6. Теоретически обоснована необходимость разработки способа базирова¬ния хвостовика оправки на независимые самоустанавливающие опоры по ко¬ническим и цилиндрическим поверхностям и создание на его основе инстру¬ментальных соединений типа «конус-цилиндр-торец» что позволяет:
- снизить влияние погрешностей угла конусного хвостовика и его диамет¬ра у основной плоскости на жесткость соединения, а также компенсировать влияние параллельного смещения осей соединяемых модулей на точность об¬работки, за счет промежуточного упругого элемента с определенной и направ¬ленной жесткостью;
- управлять жесткостью соединений, путем создания постоянных необхо¬димых и независимых давлений в нужных направлениях и плоскостях контак¬та, а также перераспределение их, при переходных режимах (разгон- торможение) работы станка и на высоких скоростях обработки;
- исключить повреждения конусных базирующих поверхностей от перена- клёпа и разрушение конусного хвостовика от изгибающего момента;
- полную взаимозаменяемость с другими однотипоразмерными соедини-тельными элементами инструментальной системы;
- снизить себестоимость изготовления конусных сопрягаемых элементов в 1,5 раза и более, за счет возможности использования конических поверхностей
более низкой точности без снижения жесткости соединений.
7. Разработаны математические модели позволяющие определить опти¬мальные соотношения основных геометрических и силовых параметров со¬единений типа «конус-цилиндр-торец» для всех типоразмеров стандартного ряда:
- для конических хвостовиков соотношение его длины (/) и диаметра (d ) у основной плоскости составляет / * 1,5d;
- затяжные силы на торце Рзт , а также в передней и задней опорах хвосто¬вика РЗА и Рэя., соответственно, должны распределяться а долевом эквива¬ленте как Рз т : Рзжо. '-Р3.в.о. «(0,70-5-0,75) : (ОД 5-г-0,25): (ОД 4-ОД 5) в пределах общей максимальной затяжной силы Р3,о.—1 •
8. Статистическими исследованиями установлено, что применение в техно-логической системе СИЗ МС соединений типа “конус-торец” по сравнению с соединениями с конусом SK 7/24, при прочих равных условиях, позволило по¬высить точность обработки в 1,5-^2,5 раза, а скорость в 4^5 раз. Разработанные соединения типа “конус-цилиндр-торец” по отношению к соединениям “ко¬нус-торец” имеют жесткость выше на 25-30% , а следовательно и точность об¬работки при прочих их преимуществах.
9. Выполнен структурный анализ влияния механизмов размерной настрой¬ки режущего инструмента на точность обработки. Обоснована необходимость создания независимых (автономных) натягов в сопряжениях этих механизмов и точного центрирования их резьбовых сопряжений. На этой основе разрабо¬таны новые конструкции механизмов размерной настройки инструмента, экспериментальная проверка которых, подтверждена долговечностью и стабильностью настроечных размеров во время обработки.
10. Разработана единая система создания и оценки компоновок инструмен-тальных наладок обеспечивающая жесткость и точность обработки на МС.
Разработана исходная база данных для всех необходимых элементов наладок, что обеспечивает снижение брака и повышения надежности технологического процесса механической обработки по разработанным критериям жесткости и геометрической точности.
11. Из анализа баланса времени обработки на МС составленного на основа-нии статистических исследований, в частности, хронометрирования работы различных устройств АСИ, установлено, что значительная часть (40-60%) вспомогательного времени приходится на смену инструмента. Разработан новый вид высокопроизводительных манипуляторов смены инструмента параллельного действия и самозажимные захваты к ним позволяющие:
- повысить быстродействие смены инструмента в 3-3.5 раза, тем самым увеличивая долю основного времени на 15 %;
- использовать эти манипуляторы в несовмещенном режиме с процессом резания, тем самым повышая качество обработки.
12. В качестве современных средств оснащения для инструментальных систем разработаны и внедрены:
- типоразмерный ряд высокоэффективных и универсальных соединитель¬ных элементов инструментальных модулей между собой и шпинделем станка, применяемых в модульных инструментальных системах;
- принципиально новый расточной инструмент модульного типа для фи¬нишной и другой обработки отверстий, в широком диапазоне обрабатываемых диаметров, с высокой размерной стабильностью и долговечностью, который используется в расточных инструментальных системах.
Использование исследуемых инструментальных систем, позволило существенно повысить точность и производительность обработки на самом современном и перспективном механообрабатывающем оборудовании, каким являются многоцелевые станки.