Шаповал Юрій Володимирович Підвищення ефек­тивності оброблення деталей на токарних верстатах шля­хом керування динамікою процесу з високими частотами обертання шпинделя

Краткое описание

Шаповал Юрій Володимирович, асистент кафедри «Технологія машинобудування, верстати та інструменти» Сумського державного університету: «Підвищення ефек­тивності оброблення деталей на токарних верстатах шля­хом керування динамікою процесу з високими частотами обертання шпинделя» (05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти). Спецрада К 14.052.02 у Житомирському державному технологічному університеті

Сумський державний університет
Міністерство освіти та науки України
Житомирський державний технологічний університет
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
Шаповал Юрій Володимирович
УДК 621.941.01/.02:621.71(043.5)
ДИСЕРТАЦІЯ
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ
НА ТОКАРНИХ ВЕРСТАТАХ ШЛЯХОМ КЕРУВАННЯ ДИНАМІКОЮ
ПРОЦЕСУ З ВИСОКИМИ ЧАСТОТАМИ ОБЕРТАННЯ ШПИНДЕЛЯ
05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Механічна інженерія
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів
і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело.
___________________________
(підпис, ініціали та прізвище здобувача)
Науковий керівник Залога Вільям Олександрович, доктор технічних наук, професор
Суми – 2017

ЗМІСТ
ВСТУП .................................................................................................................... 20
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНІ ПІДХОДИ ЩОДО ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ
ТОКАРНОГО ОБРОБЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ ДІАМЕТРОМ 5 – 20 ММ.................. 27
1.1 Застосування точіння з високими частотами обертання для деталей
діаметром 5-20 мм................................................................................................... 31
1.2 Аналіз лімітуючих факторів збільшення паспортних частот обертання
шпинделів металообробного обладнання............................................................. 35
1.3 Регламентовані параметри якості обробленої поверхні при
високошвидкісному точінні ................................................................................... 42
1.4 Основні чинники забезпечення високої продуктивності механічної обробки
в умовах сучасного виробництва........................................................................... 48
1.5 Моделювання динамічного стану металообробних технологічних систем
................................................................................................................................... 52
1.6 Висновки, постановка мети та задач дослідження
................................................................................................................................... 58
РОЗДІЛ 2 МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНОГО СТАНУ
СИСТЕМИ В ПРОЦЕСІ РІЗАННЯ ПРИ ТОКАРНІЙ ОБРОБЦІ ..................... 61
2.1 Загальна методика дослідження...................................................................... 61
2.2 Обладнання та устаткування експериментального дослідження............63
2.3 Методика вимірювання віброприскорення...............................................70
2.4 Методика фіксації сигналу датчиків .........................................................71
2.5 Дослідження статичної жорсткості експериментального стенду ................ 72
2.6 Методика дослідження амплітудно-частотних характеристик верстата..... 76
2.7 Методика модуляції сигналу задання .......................................................79
2.8 Методика контролю якості обробленої поверхні .......................................... 81
2.9 Вибір та обґрунтування оброблюваних та інструментальних матеріалів
...........................................................................................................................85
2.10 Обґрунтування режимів різання експериментальних досліджень
................................................................................................................................... 88
18
2.11 Висновки.......................................................................................................... 90
РОЗДІЛ 3 ТЕОРЕТИЧНІ ЗАСАДИ ПРИГНІЧЕННЯ КОЛИВАНЬ ПРИ
ОБРОБЦІ РІЗАННЯМ .................................................................................................. 92
3.1 Дослідження і керування зривом регенерації автоколивань при токарному
обробленні................................................................................................................ 92
3.2 Дослідження впливу власних частот і форм коливань на амплітуду
коливання вершини різця ....................................................................................... 97
3.3 Граничні умови моделі верстату в програмному комплексі ANSYS
................................................................................................................................. 102
3.4 Результати експериментальних та теоретичних досліджень верстату та їх
аналіз....................................................................................................................... 106
3.5 Дослідження впливу власних частот і статичні деформації верстата на
амплітуду коливання вершини різця................................................................... 110
3.6 Дослідження зовнішнього впливу на відхилення траєкторії обертання
шпинделя................................................................................................................ 114
3.7 Дослідження коливань технологічної системи за профілограмою
обробленої поверхні ............................................................................................ 115
3.8 Висновок........................................................................................................... 116
РОЗДІЛ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
ШОРСТКОСТІ ОБРОБЛЕНОЇ ПОВЕРХНІ ПРИ ТОКАРНІЙ ОБРОБЦІ....... 118
4.1 Дослідження і керування зривом регенерації вторинних автоколивань при
точінні..................................................................................................................... 118
4.2 Експериментальне дослідження амплітудно-частотних характеристик
верстату.................................................................................................................. 128
4.3 Дослідження впливу частоти збуджуючої сили на амплітуду коливань
інструменту (Frequency Response)....................................................................... 135
4.4 Експериментальне дослідження положення робочих органів верстату на
амплітуду коливань різця ................................................................................... 136
4.5 Аналіз динамічного стану технологічної системи, шляхом
спектрального аналізу мікрогеометрії обробленої поверхні........................ 137
19
4.6 Висновки........................................................................................................... 141
РОЗДІЛ 5 РОЗРОБКА ПРАКТИЧНИХ РЕКОМЕНДАЦІЙ ПО ПІДВИЩЕННЮ
ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ ДІАМЕТРОМ 5-20 Мм НА
ТОКАРНИХ ВЕРСТАТАХ ШЛЯХОМ КЕРУВАННЯ ДИНАМІКОЮ
ПРОЦЕСУ .................................................................................................................. 143
5.1 Практична реалізація динамічного керування коливанням супорта
токарного верстата ................................................................................................ 143
5.2 Зменшення динамічного навантаження при підвищених частотах обертання
шпинделя................................................................................................................ 145
5.3 Обґрунтування положень технологічної інструкції по динамічній зміні
частоти обертання заготовки на токарно-гвинторізному верстаті ................... 146
5.4 Висновки........................................................................................................... 154
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.............................................................................................. 155
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ.......................................................................... 157
ДОДАТОК А .................................................................................................................. 172
ДОДАТОК Б .................................................................................................................. 178
ДОДАТОК В .................................................................................................................. 179
ДОДАТОК Г .................................................................................................................. 190
ДОДАТОК Д .................................................................................................................. 190

Список литературы

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення
ефективності оброблення деталей на токарних верстатах шляхом керування
динамікою процесу при підвищених частотах обертання шпинделя для забезпечення
рекомендованої виробником інструментального матеріалу швидкості різання та
вимог креслення за точністю та шорсткістю поверхонь оброблюваної деталі.
1. Висунуто аргументоване припущення, що підвищення ефективності
оброблення деталей на токарних верстатах можливе шляхом керування динамікою
процесу за рахунок підвищення продуктивності при збільшених частотах обертання
шпинделя для забезпеченні шорсткості обробленої поверхні вимогам креслення
деталей діаметрами 5-20 мм із використанням рекомендованих виробниками
інструментів швидкостей різання.
2. Розроблені в роботі методика та експериментальний стенд на базі токарного
верстата мод. 1700ВФ30 дозволяють: а) забезпечувати частоту обертання шпинделя
до 10000 об/хв; б) в реальному часі вимірювати миттєве значення віброзміщень і
віброприскорень шпинделя та вершини леза інструменту; в) виконувати
спектральний аналіз профілограми обробленої поверхні; г) встановлювати
взаємозв’язок між профілем обробленої поверхні та коливаннями шпинделя і
інструменту.
3. В роботі розроблена макрометрична скінчено-елементна модель токарного
верстату, яка дозволяє шляхом модального та гармонічного аналізів його
виконавчих органів визначати та прогнозувати значення власних резонансних
частот та форм коливань елементів обробної технологічної системи, а також
визначати їх вплив на шорсткість обробленої поверхні.
4. Експериментально встановлено, що основними джерелами коливань
інструменту є автоколивання та коливання від збуджуючої сили в системі
«шпиндель - пристрій - заготовка», які обмежують максимальну частоту обертання
шпинделя із заготовкою збільшенням шорсткості обробленої поверхні. Доведено,
156
що забезпечення мінімальних шорсткостей оброблених поверхонь досягається за
рахунок зменшення відгуку системи на вимушену силу в зоні різання шляхом:
- відналадки від биття, що передбачає призначення режиму різання відносно
власних резонансних частот;
- модуляції частоти обертання шпинделя з частотою від 1 до 5 Гц, що
дозволило керувати зривом регенерації автоколивань за рахунок відбудови від
різання «по сліду» ;
- суміщення вузла власних форм коливань та зони різання, за рахунок
динамічного керування коливанням супорта токарного верстата збільшенням
інерційних характеристик верстата та зменшенням амплітуди коливань різця, що
дозволяє підвищувати точність оброблення та зменшувати шорсткість обробленої
поверхні деталі на підвищених частотах обертання шпинделя.
5. Доведено, що для малих частот обертання шпинделя, у т.ч. і частот
змушуючої сили, можливість зменшення вібрацій у обробній системі за рахунок
перерозподілу мас важко реалізується, у той час, при відносно високих частотах
обертання шпинделя (більше 6 000 об/хв) можна суттєво впливати на динамічний
стан технологічної системи, тому що навіть невеликі маси призводять до зміни
форми і частоти власних коливань, близьких до частот коливань змушуючої сили.
6. Підвищення ефективності (продуктивності) токарного оброблення деталей
малого діаметра досягається за рахунок підвищення частоти обертання заготовки із
збереженням параметрів шорсткості оброблення в межах вимог креслення за
рахунок:
- суміщення вузла власних форм коливань із зоною оброблення (Пат. 107301 U
Україна, МПК B23Q 15/12);
- зменшення дисбалансу пруткової заготовки із використанням пристрою
завантаження (Пат. 103688U Україна МПК (2015.01) B23B 13/00);
- динамічної зміни частоти обертання заготовки для зриву регенерації
автоколивань (акт впровадження ТОВ “КБ УКРСПЕЦМАШ”);
- зміни частоти обертання деталі для відналадки від «биття».