Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1 Особенности и проблемы модельного производства на предприятиях судостроительной отрасли 8
1.2 Особенности высокоскоростного фрезерования древесины, как анизотропного материала 18
1.3 Динамика процесса высокоскоростного фрезерования древесины 26
1.4 Анализ факторов, влияющих на уровень вибрации при высокоскоростном фрезеровании древесины 30
1.5 Анализ уровня шума при высокоскоростном фрезеровании древесины 37
1.6 Выводы. Цель и задачи исследования. 40
Глава 2. Разработка математической модели процесса высокоскоростного фрезерования древесины
2.1 Математическая модель сил, действующих на фрезу при высокоскоростном фрезеровании древесины 42
2.2 Динамическая модель высокоскоростного фрезерования древесины 49
2.3 Выводы 50
Глава 3. Разработка методики экспериментальных исследований
3.1 Описание экспериментальной установки и средств измерения 51
3.2 Методика проведения измерений 59
3.3 Разработка плана многофакторного эксперимента 68
3.4 Выводы 73
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1 Результаты исследования собственных резонансных частот фрез 74
4.2 Результаты исследования уровня вибраций при высокоскоростном фрезеровании древесины 74
4.3 Результаты исследования влияния различных факторов на шероховатость поверхности при высокоскоростном фрезеровании древесины 82
4.4 Результаты исследования уровня и спектра шума при высокоскоростном фрезеровании древесины 84
4.5 Выводы 92
Заключение 94
Список литературы .
- Динамика процесса высокоскоростного фрезерования древесины
- Динамическая модель высокоскоростного фрезерования древесины
- Методика проведения измерений
- Результаты исследования влияния различных факторов на шероховатость поверхности при высокоскоростном фрезеровании древесины
Динамика процесса высокоскоростного фрезерования древесины
Предприятия судостроения характеризуются наличием развитого заготовительного производства. В числе заготовительных производств особое место занимает литейное. Это связано с широкой номенклатурой, высокой трудоемкостью и продолжительным циклом изготовления отливок. Для судостроения характерен единичный и мелкосерийный тип производства отливок при широком диапазоне размеров изготавливаемых изделий. Так, номенклатура отливок, выпускаемых ОАО «ПО «Севмаш» насчитывает несколько тысяч наименований массой от 0,1 до 15000 кг.
В связи с единичным и мелкосерийным характером производства наибольшее распространение получило литье в разовые песчано-глинистые литейные формы. Для изготовления таких форм используется специальная формообразующая оснастка, называемая модельным комплектом.
Модельный комплект – совокупность специальной оснастки, предназначенной для получения конкретной литой заготовки. Как правило, модельный комплект включает в себя модели, стержневые ящики, моделей прибылей, элементы литниковой системы, подмодельные плиты, холодильники, комплект шаблонов и др. Все части модельного комплекта должны иметь маркировку и специальную окраску. Пример модельного комплекта представлен на рисунке 1.1. По способу изготовления литейной формы модельные комплекты делятся на комплекты для машинной и ручной формовки. Модельные комплекты для машинной формовки, как правило, имеют более простую конфигурацию, и имеют не более одного разъема. По конструктивным признакам, модели делятся на сплошные и пустотелые. По наружным размерам модели подразделяют в зависимости от характера формовки. Для ручной формовки модели подразделяют на мелкие (до 500 мм), средние (от 500 до 5000 мм) и большие (свыше 5000 мм). Для машинной формовки модели подразделяются на мелкие (до 150 мм), малые (от 150 до 500 мм), средние (от 500 до 1500 мм) и большие (свыше 1500 мм).
По роду материалов, из которых изготовлен модельный комплект, существует подразделение на деревянные, металлические и неметаллические (например, пластмассовые) модельные комплекты. Для единичного и мелкосерийного производства, характерного для судостроения, основным материалом является древесина. Характеристика и область применения основных пород древесины и древесных материалов, используемых при изготовлении модельных комплектов, приведена в таблице 1.1. По точности изготовления модельные комплекты подразделяются на 9 классов, в зависимости требуемой точности изготовления отливок, характера производства, состава модельного комплекта. По прочности, в соответствии с ГОСТ 13354-91 модельные комплекты делятся на три класса. От класса прочности напрямую зависит количество съемов литейных форм с модели. Для модельных комплектов первого и второго классов прочности используют твердые лиственные породы древесины первого и второго сортов по ГОСТ 2695-83, а также сосну и ель первого и второго сортов по ГОСТ 8486-86.
Сосна ГОСТ 8486-86 Хорошая обрабатываемость, малая деформируемость, возможно скалывание и отслаивание по годичным кольцам Для средних и крупных моделей, а также для мелких моделей при отсутствии древесины лиственных пород
ЕльГОСТ 8486-86 Обрабатываемость значительно хуже сосны, наличие твердых выпадающих сучков, сильная склонность к короблению Для средних и крупных моделей 3 класса точности и прочности, неответственных элементов модельных комплектов
ДубГОСТ 2695-83 Трудная обрабатываемость, шероховатая поверхность, склонность к скалыванию Для облицовки поверхностей, подверженным ударам, изготовления дюбелей и нагелей, упрочненных вспомогательных элементов
Береза ГОСТ 2695-83 Хорошая обрабатываемость, однородность строения, деформируемость, склонность к загниванию Для мелких моделей с чистой поверхностью, мелких элементов сложной конфигурации средних и крупных моделей, и их облицовки
Фанера березовая ГОСТ 3916.1-96 Трудная обрабатываемость, малая деформируемость, гладкая поверхность, при обработке возможно отслаивание Для вычерчивания рабочих щитков, изготовления шаблонов и тонкостенных элементов моделей Для модельных комплектов третьего класса прочности используют те же породы древесины, что и для первого и второго классов, но третьего сорта.
Трудоемкость изготовления моделей рассчитывается по нормативам [70] в зависимости от объема модели и категории сложности изготовления моделей. Характеристика категорий сложности моделей приведена в таблице 1.2. В модельном производстве ОАО «ПО «Севмаш» изготавливаются модели от II до VI категорий сложности, основная доля приходится на модели III и IV категории сложности, т.е. весьма сложные. При единичном типе производства, трудоемкость изготовления модельного комплекта для крупной отливки сложной конфигурации может превышать трудоемкость изготовления самой отливки, а доля стоимости модельной оснастки в стоимости готового изделия может достигать 50%. Так, при изготовлении изделия «Кокиль лопасти гребного винта», состоящего из 4 чугунных отливок общей массой 6,8 т, доля модельных работ в общей трудоемкости изготовления составила 75 %. Стоимость самого модельного комплекта составила около 50 % от стоимости готового изделия.
Динамическая модель высокоскоростного фрезерования древесины
По данным работы [50] увеличение скорости подачи и глубины резания приводит к повышению уровня вибраций, причем глубина резания в большей степени влияет на уровень вибраций. Так, при фрезеровании концевой фрезой (d = 16 мм, у =250, а =100, = 1000 мм/мин, « = 2500 мин1) увеличение глубины резания с 2 до 15 мм повысило уровень вибраций для заготовок из сосны в 2,4 раза, из дуба в 1,7 раза, из бакаута в 1,4 раза. Увеличение скорости подачи с 200 до 1000 мм/мин (при глубине резания 15 мм) повысило уровень вибраций для заготовок из сосны в 1,4 раза, из дуба в 1,1 раза, из бакаута также в 1,1 раза.
Можно предположить, что различие в экспериментальных данных объясняется тем, что в работе [50] использовалась концевая фреза малого диаметра, а в работах [6], [22] массивные цилиндрические фрезы, поэтому в общей сумме факторов, определяющих уровень вибрации, влияние глубины резания и скорости подачи для этих случаев оказалось незначительным.
Еще одним важным фактором, определяющим уровень вибраций при фрезеровании древесины, является частота вращения шпинделя. Как отмечалось выше, для обеспечения высокого качества обработанной поверхности в деревообработке используются высокие скорости резания. Типичными значениями скорости резания в деревообработке являются 40 - 60 м/с. Для обеспечения таких скоростей требуются высокие частоты вращения шпинделя станка. Если для обеспечения скорости резания 40 м/с для фрезы d = 125 мм необходима частота вращения 6100 мин1, то для фрезы d = 30 мм необходима уже частота вращения 25500 мин1. Поэтому частота вращения шпинделя является одной из главных характеристик фрезерного станка. Вследствие наличия неизбежных погрешностей изготовления шпиндельных узлов станков и инструмента они всегда имеют некоторую остаточную неуравновешенность. Вследствие этого, при вращении шпинделя с инструментом возникает центробежная сила. F =m-e-w2 (1.3) где m - масса вращающегося шпинделя с инструментом; e - эксцентриситет; w - угловая скорость. Как видно из формулы, эта сила пропорциональна квадрату частоты вращения шпинделя. По данным работы [14] при увеличении частоты вращения с 3000 до 6000 мин1 амплитуда виброперемещения возросла с 16 мкм до 31 мкм при дисбалансе 80 г см, т.е. практически прямо пропорционально увеличению частоты вращения. В работе [40] сборную четырехножевую фрезу прифуговывали на рабочей частоте вращения 5000 мин1 и затем обрабатывали заготовки из сосны с подачей S =1,3 мм/зуб. При этом выявлено неравномерное участие режущих элементов фрезы в формировании обработанной поверхности, которое автор работы объясняет наличием колебаний шпинделя с амплитудой 2А = 40… 75 мкм.
По данным работы [97] ось вращения шпинделя с инструментом при наличии дисбаланса перемещается по эллиптической траектории в плоскости перпендикулярной оси шпинделя в его статическом положении. При этом положение осей эллипса и их величина зависит от внешних силовых воздействий. При этом величина упругих перемещений под действием центробежной силы при n=6100 мин1 и дисбалансе 100 г см составила: в направлении малой оси эллипса 0,06 мм, в направлении большой оси 0,12 мм.
В работе [22] проводился замер компонентов вибрации на шпинделе станка при фрезеровании древесины сосны вдоль волокон двузубой сборной фрезой диаметром 145 мм с режущими элементами из стали HSS 18 (аналог стали Р18). При увеличении частоты вращения шпинделя с 1000 до 1600 мин-1 наблюдалось увеличение виброскорости с 0,934 мм/с до 0,993 мм/с , а виброускорения 6,983 м/с2 до 7,887 м/с2, т.е. на 6,3% и на 12,9% соответственно.
Таким образом, увеличение частоты вращения шпинделя существенно повышает уровень вибраций при фрезеровании древесины. Снижения уровня вибраций при увеличении частоты вращения шпинделя добиваются за счет повышения точности изготовления шпиндельного узла станка и инструмента, применения динамической балансировки, уменьшения массы вращающихся частей.
Деревообрабатывающее производство относится к числу наиболее шумных производств. Основными источниками в нем являются деревообрабатывающие станки и системы вентиляции. Для деревообрабатывающего оборудования характерны высокие частоты вращения инструмента, что вызывает перемещение больших масс воздуха со значительными скоростями при нестационарном потоке и является источником интенсивного аэродинамического шума. Кроме того, при высоких скоростях вращения, даже после проведения тщательной статической и динамической балансировки инструмента, возникают колебания, вызванные дисбалансом инструмента, что также увеличивает уровень шума. Колебания станков могут передаваться через фундамент на несущие конструкции здания и способствовать увеличению шума не только в месте установки, но и в соседних помещениях. При резании древесины дополнительно возникает шум от интенсивных ударов режущей кромки инструмента по заготовке. Также, по мере износа оборудования, происходит повышение уровня шума, вследствие увеличения люфтов и зазоров в соединениях станка, ухудшения балансировки.
В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 [32] шум по характеру спектра подразделяется на широкополосный и тональный. Широкополосный шум характеризуется непрерывным спектром шириной более одной октавы. При наличии в спектре выраженных дискретных тонов шум считается тональным. Тональный характер шума устанавливают измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее, чем на 10 дБ. По временным характеристикам шум подразделяется на постоянный и непостоянный. В свою очередь, непостоянный шум подразделяется на колеблющийся во времени, прерывистый и импульсный шум. В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 уровень шума в производственных помещениях не должен превышать 80 дБА.
По происхождению шум, создаваемый станками, можно разделить на две основных категории: - шум механического происхождения, или структурный шум, вызванный вибрацией твердых тел; - шум аэродинамического происхождения, или воздушный шум, возникающий от пульсации давления в воздухе. Для фрезерных станков характерен непродолжительный по времени, но резкий высокочастотный шум. По данным работы [96] уровень шума фрезерных станков на холостом ходу составляет 86-90 дБА, а на рабочем ходу 96 – 106 дБА. В работе [89] производился анализ уровня шума на рабочих местах группы деревообрабатывающих станков, в которую входили фуговальные, рейсмусовые, фрезерные, шипорезные, сверлильно-фрезерные станки. Измеренный уровень шума на рабочих местах составил 82 – 110 дБА, фрезерные станки имели шумность, соответствующую нижней части указанного диапазона. По данным этой же работы, уровень шума при фрезеровании твердых пород древесины увеличивался на величину до 6 дБ по сравнению с фрезерованием сосны. Также уровень шума возрастал при увеличении глубины резания. Следует отметить, что практически отсутствуют данные по уровню шума при высокоскоростном фрезеровании с частотами вращения шпинделя более 10000-12000 об/мин, в то время как, современные станки могут иметь частоты вращения шпинделя до 24000 об/мин. Обычно, данные по уровню шума указываются производителем оборудования только для одного из режимов работы станка. Так, для обрабатывающего центра BIESSE ROVER 20 производителем заявлен уровень шума на рабочем месте оператора 84 дБА [109]. Указанное значение получено при следующих параметрах: обработка ЛДСП толщиной 18 мм двузубой фрезой диаметром 25 мм, частота вращения шпинделя 18000 об/мин, глубина резания 5 мм, скорость подачи 6 м/мин.
Как видно из выше приведенных данных, уровень шума во всех случаях превышает допустимое санитарными нормами значение. Основной источник шума фрезерных станков – рабочий инструмент. На холостом ходу, как правило, имеет место аэродинамический шум инструмента, к которому подмешивается структурный шум от колебаний инструмента, механизмов станка, ограждений. В зависимости от применяемого оборудования и инструмента, структурный шум на холостом ходу может маскироваться аэродинамическим шумом.
Методика проведения измерений
Схема измерительного тракта для определения собственных резонансных частот фрез представлена на рисунке 3.6. Измерительный тракт состоит из ударного молотка мод.8202 и датчика мод.8309 подключенных через предусилители мод. 2647А к анализатору мод. 3560-С. Ударный молоток предназначен для возбуждения и измерения силы удара. Характеристики молотка приведены в таблице 3.6. Датчик мод.8309 имеет чувствительный элемент типа PZ45 и специально предназначен измерения вибраций с большой амплитудой и механических ударов. Чувствительность датчика составляет 0,0047 пКл/м с-2, рабочий частотный диапазон 1 … 39000 Гц, масса 5,1 г.
Схема измерительного тракта для анализа акустических характеристик процесса фрезерования представлена на рисунке 3.7. Измерение уровня шума проводилось с использованием измерительного микрофона мод. 4134 со встроенным предусилителем мод. 2619, подключенного к анализатору мод. 3560-С. Характеристики микрофона приведены в таблице 3.7.
Схема измерительного тракта для анализа акустических характеристик высокоскоростного фрезерования Таблица 3.7 Характеристики измерительного микрофона мод. 41 Наименование параметра Значение
Для получения адекватных результатов при проведении экспериментов необходимо, чтобы условия эксперимента по возможности были максимально приближены к реальной обработке на станке, а методика измерений обеспечивать наименьшую погрешность измерений выходных параметров процесса. Поэтому в качестве схемы обработки для экспериментов была выбрана одна из типовых операций выполняемых концевыми фрезами – фрезерование уступа. Схема обработки приведена на рисунке 3.8.
Для обработки использовались заготовки из типичных для модельного производства пород древесины. В качестве мягкой породы использовались заготовки из сосны, в качестве твердой – заготовки из дуба. Необходимость исследования влияния анизотропии свойств древесины на параметры фрезерования, влечет за собой необходимость исследования влияния направления подачи относительно волокон. Поэтому, для обеспечения равных условий при исследовании влияния направления подачи на процесс фрезерования было решено изготовить заготовки с одинаковой длиной и шириной.
Для максимального приближения к реальным условиям обработки, для изготовления заготовок брались доски из той же партии, что идут на изготовление модельных комплектов. Доски предварительно прошли централизованную сушку в сушильной камере. Влажность заготовок составила 6 … 8 %. Как было отмечено ранее, механические свойств досок даже одной партии могут весьма существенно отличаться, поэтому комплект заготовок изготовлялся из одной, предварительно простроганной, доски. Размеры заготовок определялись используемой для их изготовления доской, и составляли 120х120х40 мм. В связи с отсутствием досок достаточной ширины (порядка 200 мм) для изготовления заготовок для исследования влияния подачи по углом 450, было решено использовать клееные заготовки. Склейка производилась казеиновым клеем с выдержкой под прессом. С целью исключения возможного влияния наличия стыка в заготовке на параметры резания, при установке на станок заготовка была ориентирована таким образом, что фреза касалась стыка только в конце траектории, на выходе из заготовки.
Для оценки влияния собственных резонансных частот инструмента на уровень вибраций при высокоскоростном фрезеровании древесины, необходимо предварительно экспериментально определить эти частоты у опытных фрез. Измерение собственных частот инструмента проводилось с помощью измерительного тракта, представленного на рисунке 3.6 [95]. Датчик мод.8309 с помощью специального пластилина крепился на зуб фрезы, затем по фрезе наносился удар измерительным ударным молотком мод.8202. Затем производилась запись временного сигнала отклика. По каждой фрезе наносилось по несколько ударов с интервалом в 20-30 с, после чего выбирался результат, в котором резонансная частота была видна наиболее явно. Схема
Результаты исследования влияния различных факторов на шероховатость поверхности при высокоскоростном фрезеровании древесины
Измерение уровня шума проводилось в дБ, а затем пересчитывалось с учетом коррекции по шкале А. Перед проведением основной серии опытов были выполнены замеры фонового уровня шума от работающего оборудования в цехе [94]. Его величина составила 74,62 дБ (72,74 дБА). Спектр фонового шума представлен на рисунке 4.6. Как видно из рисунка спектр фонового шума является широкополосным. Далее был произведен замер уровня шума компрессора, обслуживающего вакуумный стол обрабатывающего центра. Согласно замерам уровень шума компрессора более чем на 10 дБ превышает фоновый уровень шума работающего оборудования в цехе и составляет 87,46 дБ (85,87 дБА). Спектр шума компрессора представлен на рисунке 4.7. В спектре отчетливо виден подъем уровня в полосах частот 40 … 50 Гц, а также в области средних частот. Результаты измерений основной серии опытов представлены в таблицах 4.5 и 4.6.
Как следует из таблиц 4.5 и 4.6, уровень шума при фрезеровании превышает фоновый уровень шума в цехе на величину от 2 до 17 дБ в зависимости от режимов резания, при этом при обработке дуба уровень шума в среднем выше, чем при обработке сосны. Представляет интерес тот факт, что при наиболее производительных режимах резания (шестизубая фреза, n=15000 об/мин, S=0,18 мм/об) уровень шума превышал фоновый всего на 3 … 6 дБ (с учетом коррекции по шкале А).
Необходимо отметить, что уровень шума в большинстве из режимов ниже уровня шума, создаваемого работой компрессора станка.
Анализ спектров шума по результатам основной серии опытов показывает следующее [94]. При частоте вращения шпинделя 5000 об/мин, при фрезеровании как двузубой, так и шестизубой фрезой, в спектре присутствует подъем уровня на частоте врезания зубьев (см. рисунок 4.8). При фрезеровании двузубой фрезой с частотой вращения 15000 об/мин видны два подъема уровня: первый, более сильный, на частоте врезания зубьев, и второй на частоте вращения шпинделя (см. рисунок 4.9). При фрезеровании шестизубой фрезой с частотой вращения 15000 об/мин присутствует некоторый подъем уровня на частоте вращения шпинделя, на частоте врезания зубьев подъем уровня отсутствует (см. рисунок 4.10). Подъем уровня на частотах 20 … 25 Гц на рисунке обусловлен, по всей видимости, работой цеховой системы вентиляции.
При фрезеровании четырехзубой фрезой с частотой 10000 об/мин отмечен некоторый подъем уровня звукового давления в полосе частот 315 Гц, т.е. на частоте второй гармоники частоты вращения шпинделя (333 Гц). Кроме того, на всех режимах присутствует некоторый подъем уровня на частоте 500 Гц, соответствующей одной из резонансных частот шпиндельного узла.
По результатам измерений 1/3 октавных уровней звукового давления производилось установление характера спектра шума [93]. Для этого, в каждом опыте устанавливалась полоса частот, имеющая наибольшее превышение уровня звукового давления над соседними и определялась величина превышения. Доминирующие частоты и величины превышений уровня звукового давления для опытов по фрезерованию сосны приведены в таблице 4.7, для опытов по фрезерованию дуба в таблице 4.8.
Анализ данных таблиц 4.7 и 4.8 показывает, что тональный характер спектра шума отмечен в 68,75 % от общего числа опытов. При этом, характер шума зависит от обрабатываемой породы древесины, частоты вращения шпинделя и числа зубьев фрезы. Так при фрезеровании сосны тональный характер шума отмечен в 56,25 % опытов, а при фрезеровании дуба в 81,25 %. При частоте вращения шпинделя 5000 об/мин в 56,25 % опытов, а при частоте 15000 об/мин в 81,25 % опытов. При фрезеровании двузубой фрезой в 87,5% случаев, при фрезеровании шестизубой в 50%. Таким образом, спектр шума приобретает выраженный тональный характер с повышением частоты вращения шпинделя, повышением твердости обрабатываемой древесины и снижением числа зубьев фрезы. Поскольку, в настоящее время высокоскоростное фрезерование древесины осуществляется в основном с использованием двузубых фрез при частотах вращения 10000 об/мин и более, то, на основании результатов исследования, можно говорить о тональном характере спектра шума при высокоскоростном фрезеровании древесины.
По результатам проведенных экспериментов установлено: - собственные резонансные частоты экспериментальных фрез находятся в диапазоне 801 … 823 Гц и оказывают незначительное влияние на уровень вибрации при фрезеровании древесины; - при фрезеровании как сосны, так и дуба уровень вибраций возрастает с увеличением частоты вращения шпинделя и глубины резания; - при фрезеровании дуба уровень вибрации снижается с увеличением числа зубьев фрезы, по-видимому, это связано с тем, что в резании участвуют одновременно несколько зубьев; - анализ спектров колебаний показывает, что в спектрах доминируют гармоники частоты вращения шпинделя и частоты врезания зубьев; - при фрезеровании дуба шероховатость поверхности ухудшается с увеличением числа зубьев фрезы и подачи на зуб, и улучшается при переходе от подачи вдоль волокон к подаче поперек волокон; - уровень шума при высокоскоростном фрезеровании на 2 … 17 дБ превышает фоновый уровень шума в цехе, при этом, в большинстве случаев уровень шума при резании ниже уровня шума, создаваемого компрессором станка; - при частоте вращения 5000 об/мин в спектре шума доминирует частота врезания зубьев; при 15000 об/мин и фрезеровании двузубой фрезой – частота врезания зубьев и в меньшей степени частота вращения шпинделя; при 15000 об/мин и фрезеровании шестизубой фрезой присутствует только частота вращения шпинделя, частота врезания зубьев практически неразличима; - спектр шума приобретает выраженный тональный характер с увеличением частоты вращения шпинделя, твердости древесины и снижением числа зубьев фрезы. - уровень шума при фрезеровании дуба в среднем выше, чем при фрезеровании сосны; - при наиболее производительных режимах резания с использованием шестизубой фрезы уровень шума превышает фоновый всего на 3 … 6 дБ, что позволяет говорить о перспективности использования таких фрез при высокоскоростном фрезеровании.