CC BY
4
УДК 621.314.58
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-400-406
АНАЛИЗ КОНСТРУКТОРСКОГО РЕШЕНИЯ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО» РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С УПРАВЛЯЕМЫМ ПЕРЕДНИМ УГЛОМ
В.С. Сальников, Г.В. Шадский, О.А. Ерзин
Рассмотрены результаты моделирования условий равновесия сил, действующих на поворотный сектор резца с изменяемым передним углом. Подтверждена техническая реализуемость предлагаемого устройства. Для расширения диапазона используемых режимов резания предложено в устройстве ввести дополнительные опоры по цилиндрической поверхности сектора.
Ключевые слова: моделирование, условие равновесия сил, поворотный сектор, реакции опор, сила управления.
Современное направление развития практически всех методов обработки связано с возрастанием роли оперативного управления параметрами, определяющими режимы и условия их реализации. В лезвийной обработке с точки зрения управления такими режимными параметрами, как скорость, подача и глубина резания достигнут практически предел. Созданы быстродействующие приводы, разработаны алгоритмы адаптивного управления по температуре и силе резания, различным составляющим колебаний элементов механической системы и т.п.
Известны подходы, объясняющие динамическую картину процесса резания устойчивой периодической последовательностью поэлементного разрушения удаляемого с заготовки слоя металла [1-5]. В частности предложено описание динамики стружкообразования в виде последовательности из трех фаз образования элементов стружки [3].
Процесс стружкообразования, а, следовательно, и основные технологические показатели обработки в значительной степени определяются силами взаимодействия режущего клина и обрабатываемого материала. Они в свою очередь зависят не только от характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, но и от геометрии режущего клина, качества его поверхностей, режимов резания, динамических и статических характеристик системы СПИД. Причем равнодействующая сил, действующих на резец R , определяется нормальными и касательными составляющими сил, возникающих на передней и задней поверхностях режущего клина при его взаимодействии с обрабатываемым материалом. Для исследования усилий сопровождающих процесс резания в технологическом оборудовании она, как правило, раскладывается на составляющие: касательную (окружную) Pz в направлении главного движения;
осевую Px в направлении подачи; радиальная Py по нормали к обрабатываемой поверхности [6-9].
Проведенные исследования образования элементной стружки показали, что тангенциальная и осевая составляющие сил резания изменяются в противофазе, а равнодействующая имеет ярко выраженный минимум [3]. Это создает дополнительный момент поворота режущего клина вокруг режущей кромки, способствуя изменению его кинематических углов.
Передний угол режущего клина определяет направление схода стружки. Известно, что его увеличение уменьшает коэффициент усадки стружки и работу стружкообразования. Это приводит к уменьшению всех составляющих силы резания. Его влияние на составляющие силы Pz, Px и Py неодинаково.
Оно наиболее сильно сказывается на осевой составляющей, радиальная и окружная силы изменяются в меньшей степени [8-9].
Линеаризация функциональных зависимостей составляющих сил от параметров, определяющих условия резания, показала, что с точки зрения технической реализуемости процесса управления большинство из них могут рассматриваться как возмущающие воздействия, поскольку их изменение приводит к изменению технологических показателей обработки: качества поверхности и точности [10]. Другие требуют дополнительного внешнего воздействия на зону резания различными видами энергии с целью их изменения [11, 12]. Только изменение переднего угла режущего клина Ду является наиболее эффективным управляющим воздействием на вектор равнодействующей внешних сил на зону резания [10, 13, 14].
С увеличением переднего угла режущего клина уменьшается угол между векторами скорости резания и скорости стружки, возрастает угол сдвига и соответственно уменьшается деформация обрабатываемого материала в зоне стружкообразования. В результате исследований [16], проведенных с использованием температурно-силовой модели Силина С.С. [15] установлено, что в рассмотренных условиях при увеличении переднего угла:
- нормальные составляющие сил резания к передней поверхности уменьшается на 40 ... 50%, на задней поверхности изменяется по существенно нелинейной зависимости, при изменении угла у = —5°. ..10° увеличивается не значительно на 8 ... 15%;
- зависимость момента поворота режущего клина относительно его режущей кромки носит экстремальный характер, достигая максимального значения Mynmax = 0.02...0.2H ■ M в окрестности
у = 0°..5°, причем на краях рассматриваемого диапазона может принимать отрицательные значения. Это указывает на потенциальные возможности управления процессом стружкообразования путем варьирования передним углом.
Известное устройство управления передним углом основано на создании упругих связей державки с конструктивно выделенным элементом инструмента - режущим клином, работающее на принципах силового саморегулирования его положения [17]. Отсутствие возможности оперативного изменения настроек этих систем, их зависимость от условий резания существенно ограничивают технологические возможности этого устройства.
Интерес к этому направлению развития лезвийной обработки не ослабевает до настоящего времени. В частности, известны интеллектуальные инструменты, обеспечивающие оптимизацию процесса резания по заданному критерию [18].
Перспективным направлением повышения эффективности процессов резания является применение интеллектуального инструмента, обеспечивающего управление по заданному критерию передним кинематическим углом режущего клина [18]. Поворотная режущая головка резца, в дальнейшем сектор, с закрепленной на ней режущей пластиной, соединена через рычаг с кареткой линейного электрического микропривода, установленного в державке [19].
Проведенные исследования влияния условий резания на момент поворота режущего клина вокруг режущей кромки, показали невозможность построения СУ традиционными средствами, поскольку зависимость момента от угла носит экстремальный характер [20]. Попытка построения робастного регулятора [21] показала, что он может быть построен только при определенных строго ограниченных значениях параметров системы.
Исследования чувствительности этой системы к изменению ее параметров позволила определить области допустимых их изменений, обеспечивающие техническую реализуемость системы управления [22] и построить эффективный алгоритм управления процессом стружкообразования. Однако рассмотренные подходы исследовали модели устройств без их тщательной конструкторской проработки, в частности определения характеристик и расположения опор подвижного режущего клина и т.п.
Для конструкторской проработки технического решения интеллектуального инструмента [19] с управляемым передним углом рассмотрено условие равновесия системы сил в плоскости нормальной к режущей кромке рис.1.
Рис. 1. Система сил в плоскости нормальной к режущей кромке
Конструктивно выделенный элемент режущего клина - сектор характеризуется: радиусом ^, центральным углом или углом заострения р и весом , приложенным к центру масс СБ. Его угловое положение относительно оси 0 задается углами у, а передним и задним соответственно. На сектор действуют силы: нормальные составляющие и силы трения Nп, Рптр на передней поверхности режущего
клина и N3, F2mp на задней его поверхности; сила веса сектора Р8 , усилие управления передним углом
Рутр; реакции опор Яд, . Точка приложения усилия управления определяется расстоянием
Ну = + Ну. Составляющие сил резания Nn, Рптр, N3, Р3тр и координаты точек их приложения
Хп, Xз определялись по температурно-силовой модели Силина [15,16]. Радиус центра масс сектора определялся по известной из теоретической механики зависимости
401
Res — s.n(|)• О
Учитывая переменность переднего угла для исключения возникновения критических условий
принято:
Pmax — 7 - (Утах + «mm) ; Р — 08^max' (2)
где Pmax, ymax, «min - максимально возможные значения угла заострения, переднего угла и минимально
допустимое значение заднего угла соотвественно.
Для учета взаимного влияния режимных параметров скорости резания оборотной подачи и глубины резания (Vx, Sx, tx ) в процессе стружкообразование, а, следовательно, и их влияния на технологические показатели обработки предложено использовать обобщенный параметр z [23].
2 2 2 Vx — av + kv(z - cv) ; tx — at + kt (z - ct) ; sx — as + ks(z - cs) (3)
где at, k, ct - коэффициенты аппроксимации, определяются через оптимальную скорость резания [8, 24] и характеристики технологической системы i — v, s, t
Система уравнений, описывающих условие равновесия сектора в процессе резания в плоскости перпендикулярной режущей кромке:
N3 ■ cos а - Nn ■ sin у + Fnmp ■ cos y + F3mp ■ sin а - RA ■ cosy- RB ■ sin а — 0; (4)
Nn ■ cos y - N3 ■ sin « + F3mp ■ COs а + Fnmp ■ sin У + Ps - RB ■ COs « - RA ■ sin У - Fynp — 0;
Nn ■ Xn -N3 ■ X3 + Ps ■ hst -Fynp ■ Hy — 0. Из последнего уравнения следует, что
F — (Nn ■ Xn - N3 ■ X3 + p ■ Rcs ■ cos(y + Р/2). (5)
ynp h
y
Моделирование точения заготовок проведено для стали 40Х (аь — 6.15 -108Н/м2, тр — 5.63 ■Ю8 Н/м2, a — 6.75 ■Ю -6м2/с, Л — 33.9Дж/м*с*град.)
Параметры инструмент: проходной резец с пластиной Т15К6 (Л — 27.2Дж/м*с*град) с углами у — -10°.. + 15°, ф — 60o, ф— 10o, r1 — 0.2 ■Ю-3 м, r — 0.5 ■Ю-3м; державка Bd х hd — 20 х 20мм;
сектор: Rs — 20 ■ 10-3M ; р — 65°.
Режимы резания задавались обобщенным z-параметром по зависимостям (3). Числовые коэффициенты определяются через оптимальную скорость резания [8, 24] и характеристики технологической системы [23]:
av — 0.79;kv — 0.3■Ю-3;cv —106.7; at —-0.3■Ю-3; kt — 0.6■Ю-7; ct — 87.5; as — 0.57■Ю-4; ks —1.32■Ю-7; cs — 4.5.
Зависимости режимных параметров резания от обобщенного z -параметра приведены на рис.2а. Они показывают их взаимосвязь при переходе от чистовых режимов к черновым, в частности z=1...30 соответствует чистовым режимам
Для этих условий на основании методики [15] определены коэффициенты аппроксимации силовых характеристик процесса резания: m — 0.11, n — 0.28, k — 0.12, p — 0.03, q — 1.35, ^ — 0.125.
Результаты моделировании их зависимости от переднего угла режущего клина при обобщенном параметре z=30 приведены на рис.2 б,в,г.
Зависимость, приведенная на рис. 2 б, подтверждает ее экстремальный характер [16]. Установлено смещение экстремума к у — 5°. Это объясняется комплексным влиянием режимных параметров V , S при изменении z-параметра. Наличие экстремума связано с тем, что нормальная составляющая к
задней поверхности режущего клина имеет при этом значении переднего угла минимум (см. рис. 2в). В то же время проекции на координатные оси инструмента равнодействующей сил, действующих на режущий клин, при варьировании передним углом уменьшаются от 16% для P до 30% для p . Проведен-
z y
ные исследования подтверждают целесообразность использования переднего угла режущего клина для управления процессом резания.
Для конкретизации конструкции опор поворотного режущего клина (сектора) проведено моделирование силовых характеристик процесса резания при переднем угле у — 5° и изменении от z-параметра z=1...60 с целью оценки их реакции, а, следовательно, определения требуемой нагрузочной способности направляющих (см. рис. 3).
0.00100.0009-о.оооа-
0.00070.0006-О.ОООэ-0.0004-'
о.оооз-
о.оооа-0.0001-
г
/ /
у
/
у / /
У /
у у
✓
/
*
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (¡0
0.0300 ■ 01)275 ■ /
•
/ 1 ■ / *
\
- / ■ - ■ \
/
10 .5 - 5 -2.5 2.5 7.5 1 0 12 .5 1
■ 0.0001'Ур ■
' 5о ■
■ Мп — * 1 ЫЗ ■
■ ¿м|
Чф
ч \
щ Ф *
на (
2Ы)-
—
— -
-10 -7.5 -2.5 0 2.5
7.5 10 12.5 15
-10 -7.5 -5 -2.5 0 2.5
7.5 10 12.5 15
ш
в г
Рис. 2. Зависимости: а- от г-параметра режимных параметров; от переднего угла: б -моментов, создаваемых нормальными составляющими сил резания к передней М , задней М3 поверхностям
и их разности йМ = Мп — М3; в- нормальных составляющих сил резания Nи N3; г - проекций равнодействующей сил резания на координатные оси инструмента
Из проведенных исследования видно, что проекции равнодействующей сил резания на координатные оси инструмента монотонно возрастают с увеличением z-параметра, причем наиболее интенсивно увеличивается тангенциальная составляющая р' на границе получистовых и черновых режимов она
достигает 950Н (см. рис. 3 а).
Зависимости реакции верхней опоры РА от z-параметра указывает на незначительную ее величину во всем диапазоне изменения z. Максимальное значение достигается при z=40 и не превышает 100Н (см. рис. 3б). В тоже время Реакция нижней опоры возрастает и на границе рассматриваемого диапазона достигает 850Н (см. рис. 3б), что всего на 10% меньше тангенциальной составляющей р' сил резания. Значение необходимая силы управления р также возрастает и достигает на границе диапазона
всего 17Н, что подтверждает техническую реализуемость рассмотренного способа управления.
Анализ реакций в опорах и силы, действующей вдоль режущей кромки, N к (см. рис. 3в) указывает на то, что выбранные круговые направляющие удовлетворяют по нагрузке лишь на чистовых режимах z<25. Для использования предлагаемого способа управления передним углом в более широком диапазоне режимов необходимо, что бы выполнялось условие допустимого нагружения верхней опоры. Для этого целесообразно установить игольчатые подшипники по цилиндрической поверхности АВ режущего клина, выдерживающие радиальную нагрузку более 850Н. Для сравнительного анализа проекций равнодействующей сил резания на координатные оси инструмента и реакций опор на рис. 3г приведены их зависимости от z-параметра. Тенденция их изменения носит закономерный характер. Следует заметить, что при переходе к черновым режимам точения можно ожидать изменение знака реакции верхней опоры.
б
а
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 |-Рг — • 1 Рх. — - Ру!
700
500 400
100-
-100
}—М-
■Урк
ь — /
! /
/
/
У Г /
/
и — / ✓ / /
— *
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 КА — - 1 КВ — ■ 20*Рупр | б
1
/ /
/
/ 1
/ / /
/ /
/ /
/ *
_ /
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
1ЁЭ
Рис. 3. Зависимости от г-параметра: а - проекций равнодействующей сил резания на координатные оси инструмента; б - реакций верхней , нижней опор и необходимой силы р
для стабилизации переднего угла; в - реакции опор и силы, действующей вдоль режущей кромки N к ; г - реакции опор и проекции равнодействующей сил резания
На основании проведенных исследований установлено, что предложенное устройство управления процессом резания по переднему углу режущего клина технически реализуемо, что подтвердили и предыдущие исследования динами процесса управления. Показано, что для расширения области допустимых режимов обработки для этого устройства, необходимо усилить нагрузочную способность опор поворотного режущего клина, напрмер, путем установки дополнительных игольчатых подшипников на его цилиндрической поверхности.
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ №19-48-710010 р_а «Развитие теории интенсификации лезвийной обработки на основе робастного управления кинематическими углами режущего клина» и при со финансировании Правительством Тульской области договор № ДС/304.
Список литературы
1. Волков Д.И., Проскуряков С.Л. Разработка модели процесса резания с учетом цикличности формирования стружки // Вестник УГАТУ. Машиностроение. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2011. Т15, №3(43). С. 72-78.
2. Евсеев Л.Л. Расчет оптимальной скорости резания по коэффициенту динамичности процесса стружкообразования // СТИН. 1994. № 4. С. 41- 43.
3. Евсеев Л.Л. Исходные положения и зависимости для расчета характеристик динамики процесса резания металлов//Вестник машиностроения 1995 №12. С. 1-7.
4. Бобров В.Ф., Сидельников А.И. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высоких скоростях // Вестник машиностроения, 1976. № 7. С. 61-66.. [
5. Шадский Г.В., Ерзин О.А., Сальников С.В. Дискретная модель движения стружки по передней поверхности режущего клина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. Вып. 11. Ч.2. С. 553 -560.
а
в
г
6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
7. Вульф А.М. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973. 496 с.
8. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
9. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.
10. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Направления вектора внешнего воздействия на реакцию зоны предразрушения при лезвийной обработке материала // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 10. С. 608-611.
11. Шадский В.Г., Ерзин О. А., Сальников С.В. Один из аспектов разрушения материала в зоне резания при действии электрического тока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 3. С. 305-309.
12. Сальников С.В. Исследования влияния параметров импульсного электрического воздействия на модуль упругости материала // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 6. С. 349-357.
13. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Принципы регулирования направления вектора внешнего воздействия при лезвийном разрушении материала в режиме реального времени // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 10. С. 585-590.
14. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Перспективы управления кинематическими углами режущего клина на операциях точения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С.342-349.
15. Силин С.С. Методы подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. 162 с.
16. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Анализ технических возможностей кинематическими углами режущего клина при точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С.360-367.
17. Пат. 61618 Российская Федерация, МПК8 В 23 В 27 / 04. Резец / Васин Л.А., Сальников В.С., Долматов Д.И.; заявитель и патентообладатель Тульский государственный университет. № 2006136744/22; заявл. 18.10.06; опубл. 10.03.07. Бюл. № 7. 1 с.
18. Sellmer D. High-performance processing by means of the "intellektualnyq" cutting tools. Werkstatt und Betrieb, 2001, № 3. P. 38 - 40.
19. Патент на изобретение RU2741397C1 Резец с изменяемым передним углом / Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин / опубликован 25.01.2021, Приоритет RU2020129113A 02.09.2020.
20. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Синтез системы управления передним углом режущего клина при точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. С. 313-322.
21. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Робастное управления передним углом режущего клина при точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. С. 297-302.
22. Шадский Г.В., Сальников В.С., Ерзин О.А. Параметризация системы управления передним углом режущего клина для операций точения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 620-629.
23. Сальников В.С. Технологические основы эффективного энергопотребления производственных систем. Тула: Тульский полиграфист, 2003. 187 с.
24. Справочник технолога-машиностроения. Под. ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1990. Т. 1, 2. 495 с.
Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, vsalnikov.prof@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, профессор, chief.gennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерзин Олег Александрович, кан. техн. наук, доцент, erzin79@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE DESIGN SOLUTION OF AN INTELLIGENT" CUTTING TOOL WITH A CONTROLLED
FRONTANGLE
V.S. Salnikov, G.V. Shadsky, O.A. Erzin
The results of modeling the equilibrium conditions of forces acting on the rotary sector of the cutter with a variable anterior angle are considered. The technical feasibility of the proposed device has been confirmed. To expand the range of cutting modes used, it is proposed to introduce additional supports along the cylindrical surface of the sector in the device.
Key words: modeling, balance offorces condition, rotary sector, support reactions, control force.
Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical sciences, professor. vsalnikov.prof@yandex.ru , Russia Tula, Tula State University,
Shadsky Gennady Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, chief.gennadiischadscky@yandex.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, erzin79@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.06
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-406-410
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ В ЗАГОТОВКАХ ПОНИЖЕННОЙ
ЖЕСТКОСТИ НА СТАНКАХ С ЧПУ
Е.А. Даниленко
В статье описана технология повышения точности обработки отверстий в корпусных тонкостенных заготовках. Установлено, в специальном машиностроении широкое применение получили корпусные тонкостенные детали. Отмечается, что под действием сил зажима на заготовку пониженной жесткости происходят упругие деформации, без учёта которых достижение требований конструкторской документации становится трудно достижимой задачей. Авторами экспериментальным путем установлены значения упругих деформаций из которых следовало, что после снятия прижимных усилий с тонкостенной заготовки, она возвращается в свою первоначальную форму. Данные измерения производились на многофункциональном обрабатывающем центре с ЧПУ при помощи датчика ЯМР40. В статье разработана схема крепления тонкостенных корпусных деталей пониженной жесткости при помощи специального приспособления-спутника. Предложен метод закрепления и способ повышение точности механической обработки отверстий в тонкостенных деталей, в результате которого происходит измерение базовой стороны заготовки, при помощи датчика КМР40, до приложения сил зажатия и после, с последующим внесением компенсаций для обработки на фрезерном станке с ЧПУ. В результате проделанной работы создана специальная управляющая программа, учитывающая упругие деформации.
Ключевые слова: тонкостенные детали, упругие деформации, станок с ЧПУ.
При проектировании в специальном машиностроении широкое применение получили корпусные тонкостенные детали. В машиностроении для повышения коэффициента использования материала применяют детали, заготовки которых получают из листового проката с последующими прессовыми операциями, приближающими форму и размеры заготовки к форме и размерам готовой детали. Данные детали получают методом штамповки и гибки [1, 2]. Это позволяет получать протяженные цельные тонкостенные детали с высокими механическими характеристиками. Однако в силу малого отношения толщины стенки к длине детали такие изделия следует относить к числу тонкостенных, которым свойственна невысокая жесткость в поперечном направлении [3], приводящая к появлению погрешностей формы, связанной с проявлениями технологической наследственности [4-7].
Опыт работы советских и российских технологов-производственников и ученых обобщен в стандарте [8], который формализует понятие «нежесткая деталь»: «Деталь, которая деформируется до такой степени, что в свободном состоянии выходит за пределы допусков размеров и/или формы и расположения, относящихся к детали в закрепленном состоянии». У большинства металлов обнаружено удивительное свойство: помнить свою форму. Материал во всех этих случаях восстанавливает свои первоначальные размеры и форму. Но так происходит только в пределах упругой деформации. То же самое происходит при зажиме тонкостенной детали перед обработкой. Деталь деформируется, а после снятия прижимных усилий с заготовки, она возвращает свою первоначальную форму. В связи с указанным свойством детали появляются погрешности изготовления, а вследствие этого и брак на производстве.
Ввиду сложностей изготовления и контроля на предприятиях машиностроения тонкостенных деталей встает немаловажный вопрос повышение точности и качества выпускаемой продукции, а без применения современного оборудования эта задача практически не возможна.
Целью работы является экспериментальное устранение погрешностей выполнения координат отверстий в корпусных тонкостенных деталей при обработке на фрезерных станках с ЧПУ.
