Введение к работе
Актуальность работы. Современное машиностроительное производство предъявляет высокие требования к обработке на металлорежущем оборудовании. Это весьма актуально применительно к прецизионным координатно-расточным станкам (КРС), т.к. на них выполняется значительная часть высокоточной механической обработки заготовок.
Погрешности, возникающие при обработке, имеют различные причины и зависят от силовых и тепловых деформаций несущих систем оборудования, погрешностей базирования, износа инструмента и т.д. Однако доминирующей в вопросе точности обработки является точность самого технологического оборудования.
Силовые деформации, воспринимаемые несущей системой станка, приводят к существенному снижению его точности, вследствие чего возникает необходимость разработки специальных методов, направленных на компенсацию или стабилизацию в диапазоне малых величин подобных деформаций.
Классические методы повышения точности обработки на металлорежущем оборудовании основываются на увеличении жесткости несущих систем станков, выборе рациональной конструкции станины и схемы ее установки, повышении качества изготовления и сборки, подбору оптимальных режимов резания и т.д. Подобные методы практически исчерпали свои возможности и становятся экономически невыгодными.
Наиболее перспективным направлением повышения точности и производительности металлорежущего оборудования является оснащение его системами автоматического управления и регулирования. Они открывают новые возможности и позволяют существенно снизить влияние ряда возмущающих воздействий на точностные характеристики станков.
Настоящая работа посвящена повышению точности обработки отверстий, выполняемых на прецизионных горизонтальных КРС с использованием системы регулирования. Положительный результат при этом достигается путем стабилизации взаимного расположений осей растачиваемого отверстия заготовки и инструмента в процессе резания на станке.
Это направление является перспективным в вопросе повышения точности обработки отверстий, особенно актуально для глубоких отверстий. Поэтому дальнейшие работы, направленные на совершенствование этого метода, позволяют существенно повысить точность обработки отверстий.
Исследования выполнялись по заказу ФГУП НКТБ «ПАРСЕК»
(г. Тольятти) в различные годы с 2010 по 2012 гг.
Цель работы: повышение точности обработки отверстий на прецизионных горизонтальных КРС путем стабилизации взаимного расположения осей растачиваемого отверстия и инструмента.
Для достижения поставленной цели потребовалось провести анализ и исследование факторов, влияющих на точность КРС в целом, так и особенно с горизонтальным расположением шпиндельного узла. В результате возникла необходимость в решении следующих задач:
-
Провести описание технологической системы горизонтального КРС с помощью метода конечных элементов с установлением закономерностей влияния силовых деформаций несущей системы станка на его точность.
-
Осуществить разработку динамической модели на примере корпусной заготовки с комплексом гидродомкратов для синтеза автоматической системы стабилизации.
-
Провести экспериментальные исследования повышения точности обработки отверстий на горизонтальных КРС путем стабилизации взаимного расположения осей обрабатываемого отверстия и инструмента.
-
Разработать вариант реализации технической системы стабилизации взаимного расположения осей обрабатываемого отверстия заготовки и режущего инструмента.
-
Усовершенствовать измерительно-регистрирующую базу на основе оптоэлектронных преобразователей.
-
Осуществить внедрение результатов исследований в виде методики расчета точности обработки отверстий на горизонтальных КРС.
Объект исследования. Объектом исследования является точность обработки на горизонтальных координатно-расточных станках. В качестве объекта управления исследуется положение оси растачиваемого отверстия обрабатываемой заготовки по двум координатам и оси инструмента.
Методы и средства исследования. В основу теоретических исследований положены: основы теории резания, метод конечных элементов, линейная алгебра, классическая механика, теория вероятности и математическая статистика. Исследования несущей системы станка, обрабатываемой заготовки с комплексом гидродомкратов и других элементов системы стабилизации взаимного расположения оси обрабатываемого отверстия и инструмента проводились экспериментальными методами в условиях максимально приближенных к промышленной эксплуатации станков.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современной методики расчета и исследования точности технологических систем, согласованностью расчетных данных с экспериментальными данными, полученными ранее другими авторами, адекватностью результатов измерений, производимых с помощью метрологически аттестованного оборудования, соответственной выборкой экспериментальных данных, а так же применением современного лицензионного программного обеспечения.
Научная новизна состоит в следующем:
– установленных закономерностях и связях изменения точности обработки отверстий под воздействием подвижных элементов технологической системы на основе твердотельного моделирования;
– разработанной динамической модели поведения и передаточных функциях объекта управления – заготовки с набором исполнительных гидродомкратов;
– разработанных алгоритмах функционирования системы автоматической стабилизации положения заготовки по двум координатам и вертикальной корректировки инструмента.
Практическая ценность работы включает:
– доказательство положительного эффекта от использования системы автоматической стабилизации при ее работе только в режиме непрерывной стабилизации взаимного расположения осей заготовки и инструмента по двум координатам;
– методику инженерных расчетов точности обработки отверстий выполняемых на прецизионных горизонтальных КРС;
– методику разработки динамической модели заготовки с комплексом гидродомкратов для синтеза автоматической системы стабилизации взаимного расположения осей обрабатываемого отверстия и инструмента;
– практическую реализацию системы стабилизации осей обрабатываемого отверстия и инструмента (патент на полезную модель РФ № 105606; опубл. 10.10.11. Бюл. № 28.– 4 с.);
– разработку перспективной измерительной базы для контроля деформаций станин прецизионных КРС (патент на полезную модель РФ № 109035; опубл. 10.10.11. Бюл. № 28. – 6 с.).
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:
– в виде комплекса инженерных методик расчета точности обработки отверстий на прецизионных горизонтальных КРС (ФГУП НКТБ «ПАРСЕК», г. Тольятти);
– в виде рекомендаций к выполнению серии лабораторно-исследовательских работ по курсам «Технология» и «Технология производства БМП» (ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса»);
– в виде системы автоматической стабилизации осей обрабатываемых отверстий в заготовке и инструмента на прецизионном горизонтальном КРС модели 2А459СФ4, позволяющей снизить увод оси обработанного отверстий вследствие упругих силовых деформаций станины станка в 3,5 раза (Опытное производство ФГУП НКТБ «ПАРСЕК», г. Тольятти);
– при чтении лекций по дисциплине «Управление станками и станочными комплексами» (Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.);
– при выполнении Саратовским государственным техническим университетом имени Гагарина Ю.А. проекта в рамках государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) в 2013-2014 гг.
О внедрении результатов диссертационной работы свидетельствуют соответствующие акты.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на 6 Международных научно-технической конференциях: «Наука – промышленности и сервису» (Тольятти, 2010, 2011), «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2011), «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2011), «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (Тольятти, 2011), «Наука и творчество: взгляд молодых профессионалов» (Тольятти, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 публикаций в трудах и материалах международных научно-технических конференций, 3 патента РФ на полезную модель.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Твердотельная модель прецизионного горизонтального КРС, разработанная на основе метода конечных элементов.
-
Динамическая модель заготовки с комплексом гидродомкратов, необходимая для синтеза регулятора автоматической системы стабилизации взаимного расположения осей обрабатываемого отверстия и инструмента.
-
Экспериментальная опытно-промышленная установка для исследования точности горизонтальных КРС.
-
Автоматическая система стабилизации взаимного расположения осей растачиваемого отверстия обрабатываемой заготовки и инструмента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка используемых источников из 170 наименований. Работа изложена на 201 странице, содержит 87 рисунков, 4 таблицы.
Работа выполнена на кафедре «Сервис технических и технологических систем» Поволжского государственной университета в период обучения в аспирантуре с 2010 по 2013 гг.
