Введение к работе
Актуальность темы. В условиях рыночного хозяйства многие машиностроительные предприятия представляют собой мелкосерийные и единичные производства. При этом стоимость выпускаемой продукции достаточно высока и, для снижения риска выпуска непригодных деталей на металлорежущих станках с ЧПУ, требуется не только высокая культура производства, необходимая точность оборудования, инструмента, оснастки и т.д., но и учёт динамических и статических характеристик металлорежущего оборудования, оказывающих существенное влияние на точность обработанной детали.
Проблемами динамики металлорежущего оборудования занималось и продолжает заниматься большое число ученых. Однако, в большинстве работ рассматривается динамика только отдельных узлов станка, таких как шпиндель, привод главного движения, опоры и т.д. Такой подход не позволяет учесть последовательное влияние непостоянства частоты вращения электродвигателя главного движения, растяжения ремня, закручивания валов коробки скоростей и шпинделя на условия резания. Остаётся малоизученным совместное влияние упругого отжатия шпинделя, его прогиб и деформация винта поперечной подачи на глубину резания. И не учитываются влияние непостоянства частоты вращения электродвигателя подачи, деформация винта продольной подачи, в том числе и при обработке деталей сложной формы на точность перемещения вершины резца. Остаётся мало изученным влияние обратных связей на составляющие динамической системы при переменных составляющих силы резания.
Диссертация посвящена комплексному исследованию динамических и статических характеристик металлорежущего оборудования в виде взаимодействия следующих составляющих технологической системы: привод главного движения с электродвигателем, шпиндельный узел, привод подач с электродвигателем, процесс резания, система обратных связей. Комплексный подход дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик расчета погрешностей обработки и их компенсации. Таким образом, исследования, направленные на разработку научно обоснованных методик расчета динамических погрешностей является актуальной научной задачей.
Цель работы. Повышение точности и качества обработки сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках с ЧПУ за счет совершенствования методов определения погрешностей обработки, учитывающих максимальное число погрешностей, направленное на повышение производительности обработки.
Задачи работы. Получить научно обоснованные методики для управления точностью обработки;
Разработать основные принципы и методы компенсации погрешностей и технологическом препроцессоре САМ;
Разработать методику составления математической модели на основе системного подхода;
Составить математическую модель динамики привода станка на основе метода Эйлера, учитывающую переходные характеристики и процессы, происходящие в ТС в том числе и для обработки сложных поверхностей;
Создать математическую модель шпиндельного узла на упругих опорах, с учётом изгибнои, крутильной, сдвиговой жёсткостей и жёсткости на растяжение/сжатие и с учетом действия силы тяжести;
Составить математическую модель процесса резания с учётом непостоянства составляющих режимов резания;
Создать геометрический образ обработанной детали, по которому можно прогнозировать точность обработки;
Провести испытания для проверки адекватности созданных моделей реальным процессам;
Разработать методику расчета и внесения поправок в управляющие программы (УП) на основе полученного геометрического образа обработанной детали.
Методы исследований. Исследования проводились на базе теории точности станков, теории упругости, сопротивления материалов, метода «больших перемещений», теории автоматизированного управления. Экспериментальные исследования выполнены на серийно выпускаемом токарном станке с ЧПУ. Моделирование проводилось в программном комплексе EULER.
Научная новизна. Разработаны научно обоснованные зависимости, позволяющие управлять точностью обработки путем внесения коррекций в управляющие программы.
Исследованы и получены зависимости влияния характеристик привода на точность обработки.
Разработан метод определения и компенсации погрешностей обработки на основе системного моделирования "технологической системы - процесс резания".
Разработана модель формирования погрешностей обработки на станках с ЧПУ с учетом больших перемещений узлов станка.
Разработана динамическая модель привода главного движения, включающая ремённую передачу с учётом податливости ремня; шпиндельный узел в виде объёмной упругой балки, учитывающей изгибно-крутильную и растягивающе-сдвиговую жесткости, и установленной на упругие опоры, воспринимающей радиальные, осевые и угловые нагрузки; упругие валы; зубчатые колёса; электродвигатель с нелинейной характеристикой. Разработана динамическая модель движения каретки суппорта, с учётом упругости привода подач, нелинейной характеристики двигателя подач, демпфирующей способности стыка направляющие станины — каретка суппорта, непостоянства силы трения в направляющих, влияния положения поперечного суппорта с револьверной головкой на основе метода Эйлера, впервые используемого для этих целей.
Разработана модель процесса резания с обратными связями, учитывающая непостоянство силы резания из-за изменения толщины и глубины срезаемого слоя.
Разработана модель формирования геометрического образа обработанных поверхностей детали, на основе построения траектории движения рабочих органов станка с учетом погрешностей вносимых технологической системой.
Практическая ценность. Предложен специальный модуль (технологический препроцессор), обеспечивающий расчет и компенсацию погрешностей обработки на основе моделирования "технологической системы - процесс резания".
Разработана методика создания динамических системных моделей кинематики металлорежущих станков с учетом «больших перемещений» в EULER.
Разработана методика расчета коррекций для УП на основе построения геометрического образа поверхности обработанной детали.
Создана библиотека моделей типовых элементов для моделирования различных станков с ЧПУ.
Разработаны рекомендации для практического применения результатов работы.
Реализация работы в промышленности. Результаты работы реализованы на ОАО «РАТЭГГ» г. Серпухов для выпуска деталей типа валов и дисков. Материалы диссертации используются в курсе «Математическое моделирование процесса резания», читаемого в МГТУ «МАМИ».
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на Международном научном симпозиуме МГТУ «МАМИ». 1999 г., Международном научном симпозиуме МГТУ "МАМИ". 2000 г., XXXIX Международной научно-технической конференции ААЙ. МГТУ «МАМИ» 2002 г, Международном научном симпозиуме, посвященному 140-летию МГТУ «МАМИ» 2005 г.
Публикации. По материалам работы опубликовано 13 печатных работ.
Объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 98 наименований, приложений, содержит 193 страницы основного текста, 67 рисунков, 28 таблиц.
Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой.
