CC BY
89
УДК 621.914
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ВОГНУТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ПРИ ЧИСТОВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ
НА СТАНКАХ С ЧПУ
А.М. Козлов, Г.Е. Малютин
Рассматривается проблема повышения производительности чистового фрезерования на станках с ЧПУ. При обработке на фрезерных станках с ЧПУ при изменении траектории движения инструмента, постоянно меняются геометрические параметры зоны резания, что приводит к изменениям сил резания. С целью компенсации этих изменений и приведения сил резания к оптимальным значениям, необходимо корректировать подачу, в зависимости от изменения траектории движения инструмента.
Ключевые слова: объемное фрезерование, необработанные зоны, производительность.
Современные фрезерные станки с ЧПУ позволяют обрабатывать детали как с прямолинейными, так и с фасонными поверхностями, сечения которых состоят из набора кривых второго или третьего порядка (круг, эллипс, парабола, гипербола). Процесс механической обработки на фрезерных станках включает в себя послойное 2,5-0 обдирочное, получистовое и объемное чистовое фрезерование.
Черновая объемная обработка, как правило, производится цилиндрическими фрезами, после чего на обработанных поверхностях остается припуск на дальнейшую обработку. При этом на боковых сторонах поверхности («стенка») припуск может иметь форму ступеней, а на вогнутой поверхности («дно») - в виде необработанной зоны (рис. 1) профиля.
Рис. 1. Расчетная схема определения нарастающего припуска
Припуск определяется по выражению [1]
120
КфрЩ
Г R \
лфр.
arcsrn
и __V_^пов. у Т ПЛ
м1окр. =-2-+1 , (1)
где T - заданный припуск, мм. Яфр, - радиус фрезы, мм.; ^пов. - радиус произвольного участка обрабатываемой поверхности, мм., который рассчитывается по выражению:
Rпов. _ Rтр + ^фр., (2)
где ^фр. - радиус траектории инструмента, мм.
Чистовая обработка подобных поверхностей производится концевыми фрезами со сферическим торцом, по нормали к обрабатываемой поверхности.
В процессе фрезерования сложных поверхностей направление траектории инструмента постоянно меняется, что приводит к изменению геометрических параметров зоны резания (глубина резания, угол контакта обрабатываемой поверхности с инструментом) и, как следствие, к изменению погрешности механической обработки на участках обрабатываемой поверхности.
Таким образом, возникает необходимость регулирования режимов резания, чтобы минимизировать погрешность обработки и сделать ее постоянной на разных участках обработанной поверхности.
Регулирование режимов обработки может осуществляться автоматическими системами с обратной связью, принцип работы которых основан на отслеживании изменений в зоне резания (изменение частотных колебаний, температуры, сил резания) и корректировке значений подачи. Применение адаптивных устройств на станках UNOVA (США), YAMA-ZAKI MAZAK (Япония) позволило осуществить управление режимами обработки, но стоимость данной опции составляет 20—30 % от стоимости оборудования и их применение при объемном фрезеровании ограничено, так как данные устройства реагируют на изменение в зоне резания с некоторым запаздыванием.
Поэтому вопрос по назначению оптимальных режимов резания на любом участке обрабатываемой поверхности должен быть решен на стадии разработки управляющей программы.
Разработать процесс обработки для контура, не имеющего сложный профиль, с покадровам изменением режимов резания «вручную» не составляет особого труда, но для объемного фрезерования, где объем управляющих программ в некоторых случаях превышает десятки мегабайт, требует применение САМ - систем (Computer-aided manufacturing — автоматизированная система, предназначенная для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ).
Вопрос по регулированию силовых параметров процесса резания в САМ - системах в настоящее время не решен, только в новых версиях таких систем как UNIGRAPHICS, CATIA, PRO/ENGINEER разработчиками
121
предлагается производить оптимизацию подачи по наличию «дна» обрабатываемой поверхности, при этом совершенно не учитывается геометрия зоны обработки.
Изменение сил резания приводит к изменению упругих перемещений инструмента [2]:
(
АД/" = -
Ру 8Ш\|/ - Ру С0811/}т~—- + [ру С08\|/ + Ру БИН!/)^-]--—-
фр.
дГ дХ
+
(дг
Э7
(3)
+1
где ДХ, А7, А7 - величины упругих перемещений по соответствующим
осям; , - частные производные функции 1=Ф(Х, Т) по аргументам дХ ЭГ
X и У (тангенсы углов наклона касательных к обрабатываемой поверхности).
Расчет составляющей сил резания Р2 для различных участков обрабатываемой поверхности производится по выражению [5]:
(
=0,252о7-%,Ау
15,875
г
з\о.л
ж
+
фр.
( ■ 1 + 80 + ф-2агс51П-
V
(4)
V
где, а, - интенсивность напряжений при резании; Лфр. — радиус сферы инструмента; ф - угол профиля фрезы; Яфр- радиус фрезы; 13- степень износа зуба; 5зуб. — подача; ¿-глубина резания (для первого прохода, для последующих Ь- расстояние между проходами); Ау— угол контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью [7]; К- коэффициент усадки стружки [4, 6];
К = 8шИб5,79-1) +1, (5)
где V— скорость резания.
Для обеспечения постоянства точности на всей обрабатываемой поверхности необходимо выполнить условие:
щ+1
ДЛ^ = ДЛ^2 = А]У3 = Щ = сотГ:
1.
(6)
Щ+2
Осуществить управление эквивалентной силой резания РЭя, при изменении геометрии зоны обработки возможно изменением кинематических параметров — скорости и подачи.
В работе [8] были представлены выражения для расчета подачи на произвольных участках обрабатываемой поверхности, в которых учитывались изменения как глубины резания, при обработке наклонных участков
поверхности (стенка), так и обработке участков с нарастающим припуском (дно), где сферическая фреза одновременно работает в режиме сверление-фрезерование:
4,7 6ЕЯ
фр
ЛЛ^л/2
соза +1
$зуб. -
о, • Ау-1' собос
15,87
2 Я
фр.
+ 30/3 81П
V
2,23
I3■tg(S0 + X) + 9I3
(7)
15,87
2 Кфр.
+ 3013 8Н1
V
V 2,23 у
В приведенном выражении изменение геометрии зоны резания зависит от изменения радиуса (Ятр.) траектории движения инструмента [2] и степени деформации материала при стружкообразовании [4, 6] в зависимости от скорости резания.
В зависимости от обрабатываемого участка, подача приводов станка может изменять свои значения в сотни раз [5], но пользоваться выражениями (7) при разработке управляющих программ в САМ системах нельзя из-за их громоздкости.
Современные системы ЧПУ позволяют не только управлять движениями приводов, но и производить математические вычисления, и если в управляющую программу вставить расчетно-исполнительный блок, позволяющий корректировать подачу в зависимости от меняющегося контура, то можно будет производить обработку на режимах резания, близких к оптимальным без применения дополнительных дорогостоящих устройств.
При разработке управляющей программы программист устанавливает значение подачи в соответствующем блоке, значение которой должно соответствовать наиболее загруженному участку. На остальных участках значение подачи система управления станком может определять по коэффициенту отношения подачи на произвольном участке к подаче в наиболее загруженном:
Ь = 83К, (8)
где 5/ - подача на произвольном участке; £з - заданная подача; К - параметр коррекции.
Параметр коррекции при обработке участка «стенка»:
К
$зубл+\
'зуо.1
0,18 • /7 • Кфр'* ' + Яфр).
Параметр коррекции при обработке участка «дно»:
К = ^^ »(0,006 • п + 4) яфр31п( Ятр, + Яфр), (10)
^ зуб л
где п - частота вращения шпинделя, мин-1; Ятр. - радиус участка обрабатываемой поверхности.
Выражения (9, 10) позволяют определять величину коррекции подачи на произвольном участке обрабатываемой поверхности в зависимости от величины подачи, рассчитанной по наиболее загруженному участку, их упрощенная форма ввода информации приемлема для автоматического применения на станках с ЧПУ, и дает ошибку при расчетах погрешности обработки не более 15 %.
С целью проверки выражений (9, 10) были проведены эксперименты по определению влияния меняющихся параметров зоны обработки на силы резания. Применяемый инструмент - сферическая фреза фирмы ИЛ-КИЛ диаметром В = 10мм, радиус сферы торца Я = 5 мм, длина режущей части Ь1 = 30мм, вылет Ь2 = 50 мм.
Образец - блок 62х40х35 (рис. 2), материал - нержавеющая сталь 40Х13, твердостью ИЯС 40.. .45.
Рис. 2. Траектория обработки образца
Радиус обрабатываемой поверхности Япов. = 20 мм. Предварительный припуск на обработку ? = 0,2 мм. Оборудование — трехкоординатный фрезерный станок с ЧПУ 6Б52Ф3, динамометр УДМ-600 (рис. 3).
Рис. 3. Приборы для определения сил резания
Эксперименты проводились как на постоянных, так и на переменных режимах резания.
В первом случае минутная подача была установлена по наиболее загруженному участку (ранее необработанная зона) по рекомендации производителя режущего инструмента - S = 10 мм/мин., n = 4700 мин-1, время обработки одного прохода составило 7 мин.
По показаниям динамометра, в программе Microsoft Excel строились графики сил резания в зависимости от времени обработки.
На участке графика (рис. 4) от 0 до 4 мин 30 с (участок «стенка»), максимальные значения сил:
PZ - находились в промежутке 22-24Н;
Рх - находились в промежутке 19-21Н;
PZ - не замерялись.
При врезании инструмента в ранее необработанную зону (рис. 5) -4 мин 31 с, параметры сил резания резко увеличились, максимальные параметры:
PZ - находились в промежутке 145-150Н;
Рх - находились в промежутке 135-140Н;
PZ- не замерялись.
Рис. 4. График изменения сил резания при обработке «стенки»
На рис. 5 показаны изменения сил резания при обработке ранее необработанной зоны. В точке 1 фреза находится на участке «стенка», в точке 2 инструмент врезается в ранее необработанную зону, в точках 3 и 4 инструмент продолжает врезание, приближаясь к максимальной глубине, по этой причине значения параметров сил резания в точках 2 -3- 4 увеличивается.
Рис. 5. График изменения сил резания при обработке «дна»
126
Во втором случае обработка производилась на переменных режимах, где подача менялась от 5'=10...1126 мм/мин, частота вращения шпинделя от п = 4700...6000 мин-1.
Применение покадрового управления режимами резания позволило сократить время первого прохода в 7 раз. При этом анализ графика изменения сил резания в зависимости от времени обработки показал, что в промежутке времени от 2 до 3 секунд (время врезания в ранее необработанную зону) (рис. 6) и в промежутке от 50 до 51 секунд (время выхода фрезы из ранее необработанной зоны) (рис. 7), существенных изменений сил резания не наблюдалось. Максимальные значения сил резания находились в пределах от 140...145 Н.
Рис .6. График изменения сил резания при врезании в ранее необработанную зону
Расчетные параметры
Экспериментальные параметры сил резания
——г—, >
[ И 1 1 ч \ 11 1 /
I и 1 1 [I 1
1 11 II \]
I
{=55,5с. Выход .инструмента из ранее необработанной зоны.
Рис. 7. График изменения сил резания на выходе из ранее необработанной зоны
Сравнение графиков изменения сил резания при традиционном методе с методом покадрового регулирования показывает, что предлагаемый метод:
обеспечивает более стабильные силовые параметры процесса резания;
повышает производительность объемного фрезерования цилиндрическими фрезами со сферическим торцом вогнутых поверхностей сложной формы.
По сравниваемым методам были обработаны два одинаковых образца (рис. 8, поверхность 2), точность исполнения обрабатываемой поверхности - 7 квалитет.
Рис. 8. Обрабатываемая поверхность
Заготовка — инструментальная нержавеющая сталь 40Х13, твердостью НЯС 40...45.
Окончательная обработка производилась фрезой фирмы НАШТА 010мм. со сферическим торцом Я5мм.
В первом случае, сопрягаемая поверхность обрабатывалась без коррекции траектории инструмента, при постоянной подаче £ =10 мм/мин, частоте вращения шпинделя п = 4700 мин-1, расстояние между проходами Ь = 0,1 мм, время обработки составило 576 мин.
Во втором случае параметры инструмента, при разработке управляющей программы, были установлены с учетом погрешности вызванной изгибом инструмента - В = 9,87 мм, радиус сферы Я = 4,935 мм. Применение покадрового управления режимами резания сократило время обработки до 48 мин, то есть более чем в 10 раз.
Контроль точности обработанных поверхностей производился на координатно-измерительной машине по схеме, представленной на рис. 9.
Результаты замеров представлены в табл. 1, 2.
Сравнение заданных и фактических размеров показывает, что применение способа обработки по номинальной поверхности 3Б модели без регулирования режимов резания не позволяет достичь требований, заданных в конструкторской документации, а выбор подачи по наиболее загруженному участку (ранее необработанная зона) существенно повышает время обработки.
Применение объемной фрезерной обработки с искажением траектории инструмента, с учетом возникающих геометрических погрешностей, позволяет уменьшить число чистовых проходов и повысить точность механической обработки, что подтверждается проведенными измерениями.
Рис. 9. Схема замера поверхности на КИМ
Таблица 1
Результаты замеров поверхности по первому варианту
Участок Номер точки Координаты Параметр по чертежу, мм Фактический параметр, мм
X У Ъ тах тт
2 4 18,5272 -25 -7,745 12,088 12,07 11,953
5 19,6725 -25 -10,834 Размер не
6 22,1038 -25 -13,8053 выдержан
3 7 24,7566 -25 -15,5894 50,318 50,3 51,058
8 28,5 -25 -17,5856 Размер не
9 32,4061 -25 -19,26 выдержан
4 10 36,904 -25 -20,5993 27,678 27,66 27,65 Размер выдержан
11 42,2344 -25 -21,1421
12 47,5648 -25 -20,5993
5 13 52,0626 -25 -19,26 50,318 50,3 51,111
14 55,9688 -25 -17,5856 Размер не
15 59,7122 -25 -15,589 выдержан
6 16 62,365 -25 -13,8053 12,088 12,07 11,934
17 64,7953 -25 -10,834 Размер не
18 65,9416 -25 -7,7464 выдержан
Таблица 2
Результаты замеров поверхности по второму варианту
Участок Номер точки Координаты Параметр по чертежу, мм Фактический параметр, мм
X У Ъ тах тт
2 4 -66,075 -25 -7,745 12,088 12,07 12,087
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2
Окончание таблицы 2
Участок Номер точки Координаты Параметр по чертежу, мм Фактический параметр, мм
X У Ъ тах тт
2 5 -64,943 -25 -10,834 12,088 12,07 Размер выдержан
6 -62,563 -25 -13,8053
3 7 -59,966 -25 -15,5894 50,318 50,3 50,309 Размер выдержан
8 -56,275 -25 -17,5856
9 -52,427 -25 -19,26
4 10 -48,176 -25 -20,5993 27,678 27,66 27,678 Размер выдержан
11 -42,234 -25 -21,272
12 -36,292 -25 -20,5993
5 13 -32,041 -25 -19,26 50,318 50,3 50,269 Размер не выдержан
14 -28,193 -25 -17,5856
15 -24,502 -25 -15,589
6 16 -21,905 -25 -13,8053 12,088 12,07 12,081 Размер выдержан
17 -19,525 -25 -10,834
18 -18,394 -25 -7,7464
Покадровое управление подачей с учетом меняющейся геометрии зоны резания без применения дополнительных адаптивных устройств не только стабилизируют геометрическую погрешность обработки, приводя ее к постоянному значению, но и существенно повышают производительность механической обработки.
Список литературы
1. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Повышение производительности объемного фрезерования необработанных зон // Сб. науч. статей V Меж-дунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение - основа технологического развития России». Курск, 2013. С. 307-310.
2. Гузеев В.И., Батуев В.В., Сурков И.В. Подача для чистовой обработки. Фрезерование пространственно-сложных поверхностей // Режимы резания для токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков с числовым программным управлением: справочник / под ред. В.И. Гузеева. М.: Машиностроение, 2005. С. 237-240.
3. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Повышение производительности чистового объемного фрезерования на станках с ЧПУ // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2013. №11. С. 14-18.
4. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Расчет коэффициента усадки стружки при чистовой обработке сферическими фрезами // Материалы III Международной научно-практической конференции «21 век: фундаментальная наука и технологии. Москва. 23-24 января 2014. С. 89-94.
130
5. Малютин Г.Е. Определение усилий резания при чистовой объемной обработке вогнутых поверхностей сложной формы сферическими фрезами на станках с ЧПУ // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. №4(306). С. 74-81.
6. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Повышение эффективности чистового объемного 3Б-фрезерования на станках с ЧПУ // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 6. С. 39-43.
7. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Повышение производительности фрезерования вогнутых поверхностей сложной формы на станках с ЧПУ // Вестник машиностроения. 2014. №12. С. 71-75.
8. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Расчет подачи при чистовом фрезеровании вогнутых поверхностей на станках с ЧПУ // Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. Севастополь 2015: материалы международной научно-технической конференции 14-15 сентября 2015 г. Севастополь: ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», 2015. С. 40-45.
Козлов Александр Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав.кафедрой, kam-48@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Малютин Геннадий Евгеньевич, асп., malgenaaramhler.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
IMPROVING THE ACCURACY OF CONCA VE SHAPED SURFACES IN FINISH MILLING ON CNC MACHINES
A.M. Kozlov, E.G. Malyutin
Considers the problem of improving the performance of fine milling on CNC machines. When machining on milling machines with CNC when you change the tool path, constantly changing geometric parameters of the cutting zone, which leads to changes of cutting forces. To compensate for these changes and bring the forces to optimal values, it is necessary to adjust the flow depending on change of a trajectory of movement of the tool.
Key words: three-dimensional milling, zone, raw, performance.
Kozlov Alexander Mikhailovich, doctor of technical science, professor, head of department, kam-48@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Malyutin Gennady Evgenievich, postgraduate, malgenaaramhler. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
