Навігація
Посилання


Збірник наукових праць

31. В.М. Пестунов, М.В. Ткаченко, В.Ю. Шапошник Підвищення точності обробки на металорізальних верстатах


В.М. Пестунов, проф., канд. техн. наук, М.В. Ткаченко, ст. викл., В.Ю. Шапошник, студ. Кіровоградський національний технічний університет Підвищення точності обробки на металорізальних верстатах

У статті пропонується підвищити точність обробки на металорізальних верстатах за рахунок застосування приводів з можливістю перерозподілу або управління навантаженням робочих органів.

металорізальний верстат, привід, точність, перерозподіл навантаження, управління навантаженням

Способи підвищення точності на металорізальних верстатах спрощено можна розділити на конструкторські, технологічні, експлуатаційні та комплексні системи управління точністю. Всі способи мають цільову направленість на усунення одної чи декількох причин створення похибок обробки. Ці причини, переломлюючись через процес обробки, викликають похибку як інтегральний показник відхилення, по якому важко встановити степінь впливу кожної із цих причин на якість обробки. Тому рішення проблеми точності зводиться до рішення одиничних конкретних задач.

Розглянемо задачу підвищення точності обробки шляхом зміни потоків потужності та навантаження в приводі. Відомо, що розподіл потужності та навантаження в приводі верстатів визначається режимами, геометрією інструмента і іншими параметрами процесу обробки. Розподіл навантаження не завжди відповідає оптимальному по точності навантаженню виконавчих органів і кінематичних ланцюгів визначаючих вихідні характеристики верстата.

Це викликає необхідність при заданих режимах і умовах обробки змінювати потоки потужності та навантаження таким чином, щоб створити оптимальні по точності умови навантаження виконавчих органів верстата.

Задача полягає в тому, щоб на етапі розробки структурної схеми верстата оцінити умови навантаження виконавчих органів привода верстата, що визначають його вихідні характеристики.

Рисунок 1 - Граф структурної схеми привода

Структурну схему привода, що охоплює верстатний привід, можна представити в вигляді графа (рис. 1). Вершини графа 1,2,…n позначають виконавчі органи привода верстата. Ребра графа показують напрямок взаємодії і зв’язку виконавчих органів привода з процесом обробки і між собою. Виконавчі ограни привода верстата виконують технологічний процес обробки від джерел потужності, а умови їх навантаження при заданих параметрах процесу можуть бути зміненні шляхом управління потоками потужності і навантаження в приводі.

Структурна схема привода верстата з ЧПК приведена на рис.2.

Рисунок 2 – Структурна схема привода верстату з ЧПУ

Привод містить електродвигуни М1,М2,….Мn по числу створених рухів формоутворення, виконавчі органи 1,2,3,… n, МП - механізм зміни потоків потужності. Електродвигун М1 через ланку настроювання і кінематично зв’язаний з механізмом зміни потоків потужності, який в свою чергу зв’язаний з виконавчими органами 1, 2, 3,… n, що здійснюють процес обробки. Із схеми видно, що виконавчі органи привода подачі діючих сил (Р1 і Р2): одна від кінематичного ланцюга подачі з електродвигуном М2 , а другою – від механізму зміни потоків потужності. Таке з’єднування механізму розподілення потужності дозволяє управляти навантаженням кінематичного ланцюга подачі в

функції сили різання, автоматично розподілити потужність необхідну для процесу обробки, і передавати основну її частину по кінематичному ланцюгу головного руху, звичайно менш чутливого до перевантаження.

Така структура дозволяє змінити схему навантаження виконавчого органа привода з тим, щоб максимально розвантажити напрямні без порушення визначення базування виконавчого органа привода на напрямних. Розглянувши схему навантаження виконавчого органа показану на рис.3 можна відмітити, що задане технологічне навантаження Рх можна забезпечити при різних значеннях сил Рх1 і Рх2. Оскільки сила Рх навантажує циліндричні напрямні пінолі, то необхідно намагатись до її відносного зменшення. Однак при цьому система, що розглядається може втратити визначеність базування, що веде до втрати точності обробки. Розв’язання даного протиріччя необхідно шукати в динамічній рівновазі, при якій піноль не втрачає визначеності базування, а її напрямні максимально розвантажуються при любому переборі параметрів технологічного навантаження. Це можливо тоді коли виконується наступна умова:

де l – величина ексцентричності прикладання рухомої сили і технологічного

навантаження відносно осі шпинделя;

- кутова швидкість обертання шпинделя;

t – час.

Рисунок 3 – Схема навантаження виконавчого органа

В загальному випадку вибір необхідного співвідношення рухомих сил Рх і Рх2 здійснюється по типовим монограмам відповідно з обмежувальними параметрами. В якості таких параметрів можуть виступати максимально допустимий питомий тиск в напрямних, величина деформації напрямних, величина допустимого зношування напрямних і точність обробки. Якщо відомий один із перелічених параметрів, можна по монограмі (рис.4) визначити необхідне співвідношення сил Рх і Рх2. На приведеній монограмі послідовність вибору показаний стрілками. По заданим продуктивності Q і степені первинної концентрації технологічних операцій (числу інструментів) К визначається величина технологічного навантаження Рх. Одночасно по допустимій величині деформації напрямних А з урахуванням діаметра пінолі d визначається допустиме навантаження механізму подачі Рх2. По шкалі зусиль сила Рх1 визначається як різниця Рх і Рх2. Визначення таким чином відношення сил Рх1 і Рх2 є основою для вибору параметрів механізму розподілення навантаження. Стосовно до приведеної на рис.3 розрахункової схеми, де в якості механізму розподілення навантаження прийнята несамогальмівна гвинтова передача, параметром, який визначає відношення сил Рх1 і Рх2 є кут нахилу гвинтової лінії різьби. Без врахування сил тертя можна записати:

де М – обертальний момент на шпинделі;

dср – середній діаметр несамогальмівної гвинтової передачі;

- приведений кут нахилу гвинтової лінії передачі.

Із рівняння (1.3) кут нахилу гвинтової передачі дорівнює:

Формула (1.4) є основою для побудови монограм вибору приведеного кута нахилу гвинтової передачі. В якості механізму розподілення навантаження можуть бути використанні механізми, які складають рухи або диференціальні передачі.

Запропонований підхід перерозподілу навантаження дозволяє розробити методику проектування привода технологічних машин по вихідним характеристикам експлуатації і представити її у вигляді алгоритму (рис.5) накладеного на традиційну схему проектування привода.

Рисунок 4 – Номограма рухомих сил привода

Ця методика додатково передбачає:

1) пошук приводів, які мають граничні вихідні характеристики відповідні з службовим призначенням верстата, визначення параметрів обмеженого і умовного функціонування приводів, лімітуючи вихідні характеристики верстата;

2) визначення необхідної степені розвантаження приводів за рахунок зміни потоків потужності і визначати приведенні порівняльні оцінки можливих варіантів по вихідним характеристикам;

3) розробку нової структури привода;

4) прогнозування параметричної надійності верстата і його ефективності;

5) порівняння досяжних характеристик з потребою промисловості і проробку різних варіантів до отримання потрібного;

6) вибір типів і визначення параметрів механізмів кінематичного з’єднання приводів, які забезпечують задані зміни потоків потужності;

7) розробку кінематичної схеми верстата;

8) складання рівнянь, які описують перехідні процеси в приводі верстата: математичне моделювання і вибір конструкторських параметрів;

9) вибір компоновки і розробку конструкції верстата;

10) виготовлення і дослідження опитного зразка; перевірку вихідної характеристики і умов функціонування приводів.

Рисунок 5 – Алгоритм проектування привода

Рисунок 6 – Типова конструкція механізму подач пінольного типу

Для порівняння експериментальних досліджень традиційних механізмів з механізмами, які змінюють потоки потужності (рис. 6) прийнята типова конструкція силової головки з механізмом подачі пінольного типу, яка широко використовується в силових головках агрегатних верстатів. В корпусі 10 на підшипниках 3 установлена піноль 9, яка через шліцьову передачу з’єднана з шпинделем 4, а кінематичним ланцюгом подач з ланкою настроювання іs з приводом обертання. В шпинделі 4 кріпиться інструмент 5, який обробляє заготовку 6. Шпиндель містить в своїй порожнині шліцьовий гвинтовий механізм 2 встановлений на підшипниках і разом з ним здійснює повний цикл зворотно-поступального руху, який надається йому механізмом подачі. Механізм подачі отримує рух від шпинделя через ланку настроювання іs, черв’ячну передачу 7 обертання передається кулачку, який переміщує роликовий штовхач 8 установлений на пінолі 9. В якості механізму зміни потоку потужності і навантаження між приводом головного руху і подачі прийнята шліцьова гвинтова передача 2, кутом нахилу якої змінюється коефіцієнт К зміни потоків потужності і навантаження в приводі.

З метою визначення впливу зміни потоку потужності і навантаження на вихідні характеристики головки були приведені порівнювальні дослідження силових головок нової та традиційної структур. Статистична оцінка умов експлуатації силових головок визначена вибором настроювання. Дослідження проводились при суцільному свердлуванні в сталі 45 свердлами із швидкоріжучої сталі діаметром від 11 до 16 мм при частоті обертання шпинделя n = 466-714 хв-1, подачі S = 0,218-0,245 мм/об.

В якості порівнювальних вихідних характеристик силових головок була прийнята точність переміщення пінолі в процесі свердлування, яка визначалась степеню розвантаження привода подачі. Зміною режимів і діаметрів свердлування в указаних діапазонах при незмінних параметрах шліцьової гвинтової передачі викликають зміну степені розвантаження механізму подачі в діапазоні від 0,4 до 0,5.

Результати порівняльних досліджень дозволяють зробити висновок, що сумарні переміщення пінолі в поперечному напрямку з новою структурною основою в 1,7 рази менша, чим у традиційної серійної силової головки. Це співвідношення збільшується при збільшенні степені розвантаження механізму подачі. Змінення степені розвантаження в зазначеному діапазоні дозволяє збільшити на 40-50 % навантажувальну здатність силової головки на осьовому зусиллю, що розширює технологічні можливості силових головок і створених на їх основі агрегатних верстатів. Процес обробки різанням забезпечується не тільки приводами рухів формоутворення . В процесі обробки, як правило, одночасно приймають участь приводи підвода ЗОР, змащування гідростатичних напрямних верстатів викликають необхідність їх функціонального об’єднання. Об’єднання приводів не тільки рухів формоутворення може також здійснюватись через диференціальний механізм відповідно з типовою схемою функціональних зв’язків приводів. Дослідження шпиндельного вузла показано, що його використання дозволяє підвищити продуктивність процесу свердлування в порівнянні з звичайним традиційним методом в 2 – 3 рази.

По результатам експериментальних досліджень зміни точності обробки в часі для різних схем навантаження виконавчого органа після їх математичної обробки побудовані графічні залежності, приведені на рис. 7, 8, 9.

В результаті аналізу графіків (рис. 7,8,9) установлено, що змінюється точність обробки в часі по лінійній залежності і відповідає моделі формування поступового відказу з урахуванням розсіювання початкових параметрів. Схема навантаження виконавчого органа привода подачі визначає швидкість втрати силовою головкою точності обробки. Так по даним побудованих графіків (рис. 7, 8, 9) розрахункові швидкісні втрати точності обробки для трьох схем навантаження виконавчого органа привода подачі тим вище, чим більше посилення подачі Рх2, тобто чим менше значення коефіцієнта розподілення навантаження Кр (див. таблицю 1). На основі аналізу графічних залежностей і швидкості втрати точності обробки, установлено, що пониження точності обробки в часі визначається схемою навантаження виконавчого органу привода подачі, так як збільшення зусилля подачі привода приводе до збільшення контактних деформацій напрямних виконавчого органа, інтенсифікуючи їх зношення, що в кінцевому результаті негативно впливає на точність обробки.

Рисунок 7 – Зміна точності обробки в часі з традиційною схемою навантаження пінолі

Рисунок 8 - Зміна точності обробки в часі з навантаженням виконавчого органу двома силовими потоками та

Рисунок 9 – Зміна точності обробки в часі з співвісним розташуванням осьового зусилля та осьової складової при

Таблиця 1 – Розрахункові швидкості втрати точності обробки

В процесі проведення експериментів оцінювався напрямок уводу осі отвору, що розточувався. Це дозволяє визначити напрямок переміщення виконавчого органа подачі в просторі. Напрямок уводу осі розточувального отвору визначався напрямком вектора зміщення центрів колограм, по яким оцінювалась не перпендикулярність осі отвору з ø26А1 базовому торцю втулки. В результаті обробки експериментальних даних по напрямку уводу осі розточувального отвору установлено, що для традиційної схеми навантаження виконавчого органа привода подачі і схеми навантаження з характеристикою Кр=0,5 напрямок дії зусиль Рх2 , при чому область розсіювання напрямків вектора зміщення осі отвору на виході і вході отвору ø 26 мм менше для схеми навантаження виконавчого органа з Кр=0,5, чим для традиційної схеми.

Найменшою стабільністю положення осі розточувального отвору має схема навантаження виконавчого органа з Кр=1. Це підтверджує припущення про планетарний рух виконавчого органа відносно своїх напрямних. На рис.10 в полярних координатах показані області уводів осей розточувальних отворів для розглянутих схем навантаження виконавчих органів приводів подачі, де кути - відповідно для схем навантаження виконавчих органів з Кр=0, Кр=0,5, Кр=1,0, 1 - площина дії зусилля подачі Рх2, 2 - базовий торець деталі. По експериментальним даним установлено, що Це дає можливість вважати, що найменший вплив на змінення положення осі отвору здійснює привід силової головки з загальною схемою навантаження виконавчого органа привода подачі, для якої Кр=0,5.

Рисунок 10– Області напрямку векторів відводу осі розточених отворів

На основі приведених досліджень можна зробити висновки про те, що:

швидкість втрати точності обробки визначається схемою навантаження виконавчого органа привода подачі;

найменша швидкість втрати точності обробки (по не перпендикулярному осі отвору базовому торцю) буде при схемі з осьовим прикладанням зусилля подачі в такий же час при такій схемі навантаження спостерігається найбільша нестабільність направлення уводу осі отвору;

увід осі обробленого отвору відбувається в площині дії рухомого зусилля кулачкового механізму подачі для традиційної схеми навантаження його виконавчого органу;

характер формування втрати точності обробки не визначається схемою виконавчого органа привода подачі силових головок.

Список літератури

1) Кузнецов Ю.Н., Крыжановський В.А. Агрегатно-модульное технологическое оборудование нового поколения. К. – Кировоград. ООО «ЗМОК» - ПП «Гнозис», 2001. – 258 с.

2) Металлорежущие системы машиностроительных производств / под. ред. Г.Г. Земскова и О.В. Татаринова – М. : Высшая школа. 1988. – 454 с.

3) Пестунов В.М. Основы теории привода с перераспределенной нагрузкой металлорежущих станков: Автореферат дис. д-ра техн. наук: 05.03.01 / МВТУ им. Н.Э. Баумана.– М., 1983.– 32 с.

4) Пестунов В.М., Кариков Е.А. Повышение точности и производительности металлорежущих станков.– К.: Техника, 1979.– 96 с.

5) Петраков Ю.В. Теорія автоматичного управління в металообробці: Навч. посібник.– К.: ІЗМН, 1999.– 212 с.

В.Пестунов, М.Ткаченко, В.Шапошник

Повышение точности обработки на металлорежущих станках

В статье предлагается повысить точность обработки на металлообрабатывающем оборудовании за счет применения приводов с возможностью перераспределения или управления нагрузкой рабочих органов.

V.Pestunov, M.Tkachenko, V.Shaposhnik

Increase of exactness of treatment on metal-cutting machine-tools

In the article it is suggested to promote exactness of treatment on a metal-working equipment due to application of drives with possibility of redistribution or management loading of workings organs.

Одержано 27.03.12

УДК 621.9.077:621.865.85


загрузка...