Штегін Олексій Олександрович Підвищення продуктив­ності процесу фрезерування просторово-складних поверхонь деталей забезпеченням динамічної стійкості технологічної оброблювальної системи

Краткое описание

Штегін Олексій Олександрович, асистент кафедри техно­логій машинобудування Житомирського державного техно­логічного університету МОН України: «Підвищення продуктив­ності процесу фрезерування просторово-складних поверхонь деталей забезпеченням динамічної стійкості технологічної оброблювальної системи» (05.03.01 - процеси механічної об­робки, верстати та інструменти). Спецрада К 14.052.02 у Жи­томирському державному технологічному університеті

Міністерство освіти і науки України
Житомирський державний технологічний університет
На правах рукопису
Штегін Олексій Олександрович
УДК 621.914.1
ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ
ФРЕЗЕРУВАННЯ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ
ДЕТАЛЕЙ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯМ ДИНАМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ
ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ
05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Науковий керівник
Полонський Леонід Григорович,
доктор технічних наук,
професор
Житомир – 2017
2
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ......................................... 5
ВСТУП ......................................................................................................................... 7
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД СУЧАСНОГО СТАНУ ПИТАННЯ ПІДВИЩЕННЯ
ПРОДУКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ ОБРОБКИ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ
ПОВЕРХОНЬ............................................................................................................. 13
1.1. ЗВ'ЯЗОК МІЖ ПРОДУКТИВНІСТЮ ОБРОБКИ ТА ПОКАЗНИКАМИ ТОЧНОСТІ
ФОРМИ ОБРОБЛЕНИХ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ ....................................... 13
1.2. ШЛЯХИ ДОСЯГНЕННЯ ЗАДАНИХ ПОКАЗНИКІВ ТОЧНОСТІ ФОРМИ
ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ ......................................................................... 19
1.3. ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ З ДОСЯГНЕННЯМ ЗАДАНИХ
ПОКАЗНИКІВ ТОЧНОСТІ ФОРМИ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ ПРИ
ОБ’ЄМНОМУ ФРЕЗЕРУВАННІ......................................................................................... 24
1.4. ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 1.................................................................................... 39
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКИ РЕЄСТРАЦІЇ ТА АНАЛІЗУ ПАРАМЕТРІВ
ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ......................................... 43
2.1. МЕТОДИКА ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМИХ СКЛАДОВИХ СИЛИ РІЗАННЯ ПРИ ОБРОБЦІ
КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ........................................................................... 43
2.1.1. Опис факторів, що впливають на питомі складові сили різання ............... 43
2.1.2. Методика проведення аналізу осцилограми та розрахунку питомих
складових сили різання............................................................................................. 47
2.2. МОДАЛЬНИЙ АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ.................... 50
2.2.1. Моди вібрацій технологічної оброблювальної системи ............................. 50
2.2.2. Методика проведення модального аналізу технологічної
оброблювальної системи .......................................................................................... 51
2.3. МЕТОДИКА АНАЛІЗУ ВІБРАЦІЙНОГО СИГНАЛУ ПРИ ОБРОБЦІ РІЗАННЯМ............... 57
2.3.1. Методи аналізу сигналів у частотній області............................................... 59
2.3.2. Методи аналізу сигналів у частотно-часовій області.................................. 61
2.3.3. Методика аналізу низькочастотних складових вібросигналу .................... 64
2.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ АНАЛІЗУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ
ОБРОБЛЕНОЇ ПОВЕРХНІ................................................................................................. 67
3
2.5. ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 2.................................................................................... 68
РОЗДІЛ 3. МОДЕЛЬ ВІБРАЦІЙ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ
СИСТЕМИ ПРИ ОБРОБЦІ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ
КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ........................................................... 71
3.1. ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРЕДАВАЛЬНОЇ ФУНКЦІЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ
СИСТЕМИ...................................................................................................................... 71
3.1.1. Перетворення Лапласа.................................................................................... 71
3.1.2. Передавальна функція технологічної оброблювальної системи................ 74
3.2. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ КОЛИВАНЬ ПРИ ОБРОБЦІ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ
ПОВЕРХОНЬ КІНЦЕВИМИ ФРЕЗАМИ .............................................................................. 79
3.3. ГЕОМЕТРІЯ ШАРУ, ЩО ЗРІЗУЄТЬСЯ, ПРИ ОБРОБЦІ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ
ПОВЕРХОНЬ КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ ....................................................... 82
3.3.1. Зміна миттєвого січення шару, що зрізується, при обробці
просторово-складних поверхонь кінцевими сферичними фрезами..................... 82
3.3.2. Визначення кутів контакту зуба фрези та шару, що зрізується, при
обробці просторово-складних поверхонь кінцевими сферичними фрезами ...... 85
3.4. ПОБУДОВА ДІАГРАМ ДИНАМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ ДЛЯ ВИПАДКУ ОБРОБКИ
ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ .............. 97
3.5. ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 3.................................................................................. 105
РОЗДІЛ 4. ВИЗНАЧЕННЯ УМОВ ВТРАТИ ДИНАМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ
ТА ВИНИКНЕННЯ ВІБРАЦІЙ ПРИ ЗМІНІ ПАРАМЕТРІВ ОБРОБКИ ДЛЯ
ЗБІЛЬШЕННЯ ЇЇ ПРОДУКТИВНОСТІ................................................................ 108
4.1. ОБҐРУНТУВАННЯ ПОЧАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ ДОСЛІДЖУВАНОЇ
ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ........................................................... 108
4.2. СКЛАДОВІ СИЛИ РІЗАННЯ ПРИ ОБРОБЦІ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ
КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ......................................................................... 112
4.3. ДОСЛІДЖЕННЯ ВІБРАЦІЙ ПРИ ОБРОБЦІ ПРОСТОРОВО-СКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ
КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ......................................................................... 118
4.4. ПРОПОЗИЦІЇ ЩОДО ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ОБРОБКИ ПРОСТОРОВОСКЛАДНИХ ПОВЕРХОНЬ КІНЦЕВИМИ СФЕРИЧНИМИ ФРЕЗАМИ................................... 133
4
4.5. ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 4.................................................................................. 138
ВИСНОВКИ............................................................................................................. 140
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ............................................................... 143
ДОДАТКИ................................................................................................................ 154
ДОДАТОК А. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРСТАТНОГО ОБЛАДНАННЯ,
ЗАДІЯНОГО У ПРОВЕДЕНІ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ...... 155
ДОДАТОК Б. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОПОМІЖНОГО ОБЛАДНАННЯ,
ЗАДІЯНОГО У ПРОВЕДЕНІ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ...... 160
ДОДАТОК В. ПРОТОКОЛИ ВИМІРЮВАНЬ ШОРСТКОСТІ
ОБРОБЛЕНИХ ПОВЕРХОНЬ КОНТРОЛЬНИХ ЗРАЗКІВ................................ 164
ДОДАТОК Г. ТЕКСТ ПРОГРАМИ ДЛЯ ПОБУДОВИ ДІАГРАМ
ДИНАМІЧНОЇ СТІЙКОСТІ ЗА ЗАПРОПОНОВАНИМ АЛГОРИТМОМ В
СЕРЕДОВИЩІ MATLAB 2013B........................................................................... 168
ДОДАТОК Д. АКТ І ДОВІДКА ПРО ВПРОВАДЖЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
ДИСЕРТАЦІЙНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ................................................................ 169
ДОДАТОК E. ДОВІДКА ПРО ВИКОНАННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОГО
ДОСЛІДЖЕННЯ В РАМКАХ БЮДЖЕТНОЇ ПРОГРАМИ............................... 171
ДОДАТОК Є. СПЕКТРИ ДЕЯКИХ ВІБРОСИГНАЛІВ В ЧАСТОТНІЙ
ОБЛАСТІ.................................................................................................................. 172
ДОДАТОК Ж. ФОТОЗНІМКИ ПОВЕРХОНЬ, ОБРОБЛЕНИХ З МАЛИМИ
ЗНАЧЕННЯМИ КУТА УПЕРЕДЖЕННЯ (ДО 22˚30ˈ)....................................... 175
ДОДАТОК З. СПЕКТРИ ВІБРАЦІЙНИХ СИГНАЛІВ У ЧАСТОТНОЧАСОВІЙ ОБЛАСТІ............................................................................................... 179
ДОДАТОК І. СКЛАДОВІ СИЛИ РІЗАННЯ ДЛЯ РІЗНИХ УМОВ
ОБРОБКИ................................................................................................................. 190

Список литературы

ВИСНОВКИ
У дисертації представлено нове вирішення актуальної проблеми
підвищення продуктивності процесу обробки просторово-складних
поверхонь деталей кінцевими сферичними фрезами шляхом забезпечення
динамічної стійкості технологічної оброблювальної системи. За
результатами роботи зроблено наступні висновки:
1.Аналіз сучасного стану питання підвищення продуктивності
обробки просторово-складних поверхонь за літературними джерелами
показав, що дана науково-технічна задача не є остаточно вирішеною за
рахунок можливості забезпечення динамічної стійкості ТОС при
використанні в якості оброблювальних інструментів кінцевих сферичних
фрез.
2.Аналіз впливу динамічних параметрів ТОС і режимів різання на
продуктивність обробки при забезпеченні основного технологічного
параметра — точності форми — показав, що найбільшою мірою на це
впливає модальна жорсткість ТОС, насамперед, найбільш піддатливих її
елементів, тому що внаслідок втрати динамічної стійкості ТОС через
виникнення вібрацій на поверхні утворюється вібраційний слід, який
унеможливлює подальшу ефективну обробку кінцевими сферичними
фрезами.
3.Дослідження зони контакту різальної кромки зі зрізуваним шаром
при обробці просторово-складних поверхонь кінцевими сферичними
фрезами та визначення моментів початку та завершення зрізування
частини або всього припуску зубом фрези і кута контакту між зубом фрези
та зрізуваним шаром довели, що внаслідок дії сили різання у ТОС при
вході зуба у заготовку виникають її вимушені коливання, а після виходу
зуба фрези і до моменту врізання наступного зуба мають місце вільні
коливання ТОС. Це означає, що кут контакту є одним із факторів, що
141
призводять до змін у динаміці процесу обробки, і для забезпечення
динамічної стійкості ТОС його необхідно визначати аналітично.
4.Дослідження характеру зміни складових сили різання при зміні
кута упередження під час обробки просторово-складних поверхонь
кінцевими сферичними фрезами довело, що тангенціальна складова сили
різання безпосередньо залежить від швидкості різання, а
опосередковано — від кута упередження; радіальна та осьова складові
сили різання перерозподіляються в залежності від величини кута
упередження. Коливання кінцевої сферичної фрези як найбільш
піддатливого елементу ТОС, що має значно меншу жорсткість в
радіальному напрямку, аніж в осьовому, саме при збільшенні радіальної
складової сили різання матимуть незатухаючий характер при збільшенні
амплітуди, що прямо свідчить про втрату динамічної стійкості ТОС.
5.Розроблена математична модель вібрацій для аналітичного
дослідження динамічної стійкості ТОС, що враховує нелінійну зміну
складових сили різання при різних значеннях кута упередження, та описує
ТОС як систему з декількома ступенями вільності, враховуючи ефект
запізнення сили різання, дає можливість визначати межі динамічно
стійкого стану ТОС шляхом аналізу її передавальної функції.
6.Розроблений алгоритм побудови діаграм динамічної стійкості для
випадку обробки просторово-складних поверхонь кінцевими сферичними
фрезами, враховуючи вплив зміни кута контакту фрези та заготовки при
зміні глибини різання, кута упередження та ширини різання, на відміну від
класичного алгоритму Budak та Altintas, дає змогу визначити зони
динамічно стійкого різання.
7.Експериментально підтверджена адекватність розробленої
математичної моделі коректному визначенню умов динамічно стійкого
різання, у тому числі, для випадку низькочастотних вібрацій, для обробки
заготовок із конструкційних сталей різних марок твердосплавними
фрезами — як монолітними, так і зі змінними пластинами. Розроблені
142
математична модель та алгоритм побудови на її основі діаграм динамічної
стійкості дозволяють інтенсифікувати режими різання (глибину та ширину
різання, частоту обертання фрези) для забезпечення збільшення
продуктивності обробки.
8.Надані рекомендації з послідовності вибору режимів різання на
етапі проектування технологічних процесів обробки просторово-складних
поверхонь кінцевими сферичними фрезами, вказують на доцільність
використання змінного припуску на ділянках оброблювальної поверхні з
різними значеннями кута упередження, що дозволяє підвищити
продуктивність через зменшення кількості проходів, забезпечуючи
динамічну стійкість ТОС при фрезеруванні усіх ділянок просторовоскладної поверхні