Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение изготовления деталей, удовлетворяющих требуемому качеству, является одной из основных задач машиностроительного производства. Поэтому обеспечение требуемых по точности траекторий формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки характеризует одну из актуальных проблем при проектировании станков и технологических процессов. Среди необходимых условий обеспечения заданного качества изготовления деталей необходимо отметить: устойчивость траекторий формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки; обеспечение требуемой точности этих траекторий. В свою очередь траектории формообразующих движений в реальном станке всегда являются возмущенными кинематическими факторами, зависящими от точности станка. Подчеркнем, что кинематические возмущения влияют на точность не только непосредственно, но через факторы изменения параметров динамической связи, формируемой процессом обработки, то есть они связаны с различными параметрическими эффектами. Диссертационное исследование связано с раскрытием этих эффектов с целью повышения качества изготовления деталей. Этот тезис определяет актуальность темы диссертационного исследования.
Степень разработанности проблемы. Анализу устойчивости процесса резания посвящены работы И.С. Амосова, Б.М. Бржозовского, В.Л. Вейца, С.А. Васина, С.А. Воронова, Ю.И. Городецкого, A.M. Гуськова, В.Л. Заковоротного, И.А. Жаркова, И.А. Каширина, В.А. Кудинова, Л.С. Мурашкина, В.А. Остафьева, А.П. Соколовского, И. Тлустого, М.Э. Эльясберга и других. В этих работах рассматривается динамическая система процесса резания, состоящая из двух взаимодействующих через процесс обработки подсистем со стороны инструмента и заготовки. Рассматривается проблема устойчивости заданной точки равновесия, рассматриваемой в подвижной системе координат, движение которой определяется траекториями движения исполнительных элементов станка. Причем рассматриваемые модели представляются линейными или нелинейными с постоянными параметрами. Во-первых, реальный станок имеет периодически изменяющиеся параметры. Они обусловлены многими факторами, например, пространственной анизотропией свойств шпиндельной группы и обрабатываемой детали, которая за счет вращения шпинделя вызывает формирование периодически изменяющихся параметров и.т.д. Во-вторых, кинематические возмущения или вариации припуска также через механизм изменения площади срезаемого слоя вызывают изменения параметров системы. Поэтому для уточнения условий потери устойчивости необходимо известные представления по динамике станков дополнить анализом условий параметрического самовозбуждения системы, что и является одним из главных предметов исследования диссертации.
Вопросу точности станков также посвящены известные исследования Б.М. Бржозовского, В.Л. Заковоротного, В.В. Каминской, В.А. Проникова, В.Э. Пуша, А.А. Пуша и др. Однако вариации траекторий движения исполнительных элементов станка влияют на параметры формообразующих движений не только непосредственно, но и через механизм изменения параметров динамической свя-
зи. Поэтому необходимо выяснить особенности преобразования кинематических возмущений, связанных с точностью непосредственно станка, в параметры точности детали, что также является предметом исследований в диссертации.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов обработки на станках токарной группы на основе устранения параметрических явлений в динамической системе резания и учета кинематических возмущений.
Для достижения этой цели в работе рассматриваются следующие задачи.
-
Проанализировать факторы, приводящие к параметрическим явлениям в динамических системах резания, включающие, как свойства упругости взаимодействующих через процесс резания подсистем инструмента и заготовки, так и кинематические возмущения в приводах исполнительных элементов.
-
Предложить обобщенную модель, учитывающую образование периодически изменяющихся параметров в динамической системе процесса резания, и одновременно принимающую во внимание известные факторы, влияющие на устойчивость.
-
Выполнить системное исследование на цифровых моделях влияния периодически изменяющихся параметров на устойчивость равновесия динамической системы резания.
-
Разработать требования к параметрам технологической системы, режимам и конструктивным элементам станка, при которых отсутствуют параметрические явления при обработке материалов резанием.
-
Обосновать адекватность моделей и методов на основе выполнения экспериментальных исследований.
-
Разработать методику прогнозирования геометрических параметров обрабатываемой детали при заданных кинематических возмущениях и законе изменения параметров жесткости вдоль траектории движения инструмента относительно заготовки.
7. Выполнить анализ влияния различных кинематических возмущений, вариации припуска и изменения жесткости на геометрию обрабатываемой детали.
Объектом исследования является динамическая система резания, представляющая совокупность взаимодействующих через процесс обработки подсистем металлорежущего станка со стороны инструмента и заготовки, которая учитывает периодически изменяющиеся параметры.
Предметом исследования являются факторы, вызывающих периодические изменения параметров в динамической системе резания, анализ параметрического самовозбуждения системы и алгоритмы прогнозирования геометрии обрабатываемой детали на стадии проектирования с учетом кинематических возмущений и вариаций жесткости.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории колебаний, теории резания металлов, нелинейной динамике систем с конечным числом степеней свободы, теории систем с периодически изменяющимися параметрами, теории дифференциальных уравнений, а также на математическом моделировании на ЭВМ.
Экспериментальные исследования, выполненные на специализированном, управляемом от ЭВМ, станке, снабженном необходимыми измерительными преобразователями, связанными с ЭВМ, основаны на методах экспериментальной динамики.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем.
1.Главные отличительные особенности диссертационной работы от существующих заключается в том, что предложена и исследована математическая модель процесса резания с переменными параметрами. Раскрыты условия параметрического самовозбуждения системы, имеющей периодически изменяющиеся параметры.
2. Раскрыты факторы, приводящие к периодическим изменениям параметров, и предложены математические модели, позволяющие изучать влияние периодического изменения параметров на устойчивость и траектории формообразующих движений.
3.Разработанная методика и выполненные экспериментальные исследования по идентификации параметров динамической модели подсистем режущего инструмента и заготовки, как системы с переменными параметрами, позволили предложить и исследовать обобщенную динамическую модель процесса. Показано, что существует принципиально три фактора, вызывающего периодические изменения параметров. Первый фактор связан с пространственной анизотропией свойств упругости подсистемы заготовки. Второй - с кинематическими возмущениями. Третий - с особенностями стружкообразования.
-
Предложены математические модели и выполнено на основе их цифровое моделирование преобразования кинематических возмущений и изменения параметров во времени в геометрические характеристики детали. Предложены программы для вычисления топологии геометрии детали, из которой можно вычислить все известные оценки точности.
-
Выявлены не известные ранее особенности преобразования вариаций траекторий в характеристики качества детали. В частности, для вариаций скорости подачи обнаружено, что ее изменение с частотой вращения заготовки и кратными частотами не оставляет следа на обработанной детали. Показано, что вариации скорости подачи не приводит к образованию погрешности детали в поперечном направлении и др.
Практическая значимость диссертационного исследования.
-
Установлена связь параметров динамической системы резания как системы с переменными параметрами с технологическими параметрами: скоростью резания, глубиной и величиной подачи на оборот. Это позволило определить пути выбора режимов, на которых отсутствуют условия параметрического самовозбуждения.
-
Предложены математические алгоритмы и программы для оценивания параметров геометрии формируемой при резании детали, что открывает направление оценивания качества на стадии проектирования с учетом конкретных характеристик состояния станка.
Достоверность результатов исследований основывается на теоретических положениях теории устойчивости, теории колебаний и станковедения. Адекватность предложенных математических моделей динамики процесса резания обосновывается использованием основанных на методах экспериментальной динамики алгоритмах и методиках идентификации параметров математических моделей, а также на сравнении результатов расчетов с имеющимися данными по потере устойчивости системы резания и собственном сравнении теоретических исследований с экспериментами. Достоверность идентификации параметров обосновывается также использованием статистически значимых массивов данных.
Все исследования выполнены на кафедре «Автоматизация производственных процессов ДГТУ». Кроме этого работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-09-90000 по номинации российско - вьетнамских исследований совместно с институтом механики академии наук и технологий Вьетнама. Руководителю проекта с вьетнамской стороны проф., доктору ф.м. наук Нгуен Донг Ань автор выражает глубокую благодарность.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей (из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК), включая тезисы докладов, опубликованных в рамках международных и региональных научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Результаты исследований представлены на 173 страницах основного текста, включающего 68 рисунок библиографию из ПО наименований.
