CC BY
102
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Испытание станков для реализации высокоскоростной
обработки
# 06, июнь 2013
Б01: 10.7463/0613.0574620
Утенков В. М., Быков П. А.
УДК 621.914
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected]
Введение
Исследования процесса высокоскоростной обработки (ВСО) начались еще в конце 20-х годов прошлого века. Серьёзное внимание возможности существенного повышения производительности механообработки за счёт ВСО уделено в работах, выполненных в середине [1, 2] и конце [3 - 5] прошлого века. Однако только в 21 веке появились условия для широкого внедрения ВСО в практику промышленной обработки металлов [6 - 11]. При этом используется построенная на осях технологических параметров «глубина фрезерования - частота вращения шпинделя» граница, разделяющая зону стабильного безвибрационного фрезерования и зону, в которой происходят вибрации инструмента.
Появились шпиндельные узлы, позволяющие вести обработку на высоких оборотах и скоростях резания. Новые инструментальные материалы и нанокомпозиционные покрытия позволили получать необходимую стойкость при ВСО. Использование современных инструментальных оправок и балансировочных машин снизило величины дисбаланса и биения. Системы автоматизированной технологической подготовки производства (САМ) последнего поколения дали возможность назначать и рассчитывать сложные траектории для постоянной нагрузки на инструмент, системы ЧПУ приобрели необходимую производительность для непрерывной обработки на высоких скоростях. Стало доступным экспериментальное измерительное оборудование, позволяющее с высокой точностью и дискретностью получать данные о процессе резания в реальном времени.
Постановка задачи
На протяжении последних пяти лет сотрудниками кафедры «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана были выполнены многочисленные испытания современных металлорежущих станков с ЧПУ различных конструкций с использованием многокомпонентной силоизмерительной платформы фирмы Kistler (Швейцария).
Совместные экспериментальные исследования были выполнены в Технологическом Университете г. Цюриха на кафедре «Металлорежущих станков и технологий обработки материалов резанием».
Целью работы является анализ полученных экспериментальных данных, доказательство возможности существенного повышения производительности механообработки на основе выбора режимов резания с учетом индивидуальных возможностей исследуемого станка.
Авторы сознательно не включают в текст данной статью вопросы методического характера, так как считают, что методика испытания станков, обеспечивающая поиск режимов ВСО, во многом индивидуальна для каждой модели станков.
Некоторые результаты исследований, выполненных в Технологическом Университете г. Цюриха показаны на рис.1. При точении алюминиевого сплава AlSn6Cu было выявлено, что при повышении скорости резания в 10 раз (и соответственно производительности) значительно сокращаются силы резания и уровень вибраций.
250
I 100
те
(U
? 150
-Осевая
Радиальная
Главная
0
0 200 400 600 800 1000
Скорость резания, м/мин
Рис. 1. Снижение сил резания при точении
В таблице 1 указаны режимы резания и измеренные значения составляющих сил резания. Глубина резания составляла 1 мм, подача на оборот 0,2 мм.
Таблица 1 - Результаты эксперимента при точении
Скорость Частота Осевая Радиальная Главная
резания, м/мин вращения шпинделя, об/мин составляющая, Н составляющая, Н составляющая, Н
100 320 151 127 238
200 660 68 59 175
400 1300 48 41 157
600 2000 42 37 153
800 2800 39 36 150
1000 3600 36 32 150
При этом значительно снизилась разность между максимальным и минимальным значением составляющих сил резания (рис. 2.).
Рис. 2. Снижение разности между максимальным и минимальным значением составляющей силы резания при точении
Экспериментальные исследования проводились также в лаборатории кафедры МТ-1 «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. В качестве объекта исследования был использован трех координатный фрезерно-гравировальный станок фирмы VHF (Германия) модели САМ 1520 Active Pro. На рис. 3 приведена фотография экспериментальной установки. Диапазон скорости резания составил от 471 до 942 м/мин.
Рис. 3. Вид экспериментальной установки
На рис.4 приведен итоговый результат экспериментальных исследований станка модели САМ 1520 Active Pro.
Рис. 4. Зависимость сил резания F от скорости резания V при различных подачах S
Анализ итогового графика показал, что с повышением скорости резания снижаются силы резания. При этом есть две зоны понижения сил резания - на скорости 613 м/мин и скорости в диапазоне от 707 до 848 м/мин. Дальнейшее повышение скорости приводит к непропорциональному повышению сил резания и чрезмерному износу инструмента.
Также анализ показывает, что, работая при оптимальной скорости резания, возможно повышение производительности почти в два раза при сохранении такой же величины силы резания.
Как правило, производитель инструмента в рекомендациях для выбора режимов резания указывает достаточно широкий диапазон скорости резания, особенно для алюминиевых сплавов. Разработана методика, позволяющая определить, какая частота вращения будет оптимальной для конкретного шпиндельного узла и инструмента.
При определении безвибрационных частот вращения инструмента при высокоскоростном фрезеровании были использованы два основных способа.
Первый способ заключается в проведении пробных проходов на всем диапазоне допустимых частот вращения с минимальной глубиной резания и одинаковой подачей на зуб. После этого глубина резания увеличивается, а частоты, при которых возникли вибрации, исключаются из дальнейшего эксперимента. Таким образом, либо достигается
предельная глубина резания для данного инструмента, либо определяется такая глубина, при которой вибрации возникают на любой частоте. Далее подсчитывается объем снятой стружки и выявляются максимально производительные режимы.
Второй способ отличается порядком действий и заключается в определении предельной глубины резания для каждой частоты вращения шпинделя.
Для реализации первого способа использовалась установка, аналогичная изображенной на рис. 3. На рис. 5 изображен график сил резания при глубине 0,6 мм. Ось абсцисс - время в секундах. В зоне А частота вращения близка с рекомендованной для фрезы, однако сила резания почти в три раза выше, чем в зонах Б и В, и при обработке присутствуют вибрации. При частоте вращения 33000 об/мин скорость резания незначительно превышает рекомендуемую, а в зоне В производительность почти в два раза выше и вибрации отсутствуют. Численные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты эксперимента
Зона Частота вращения, об/мин Максимальная сила, Н Подача, мм/сек Вибрации
А 23000 147,2 23 есть
Б 33000 62,9 33 нет
В 41000 69,2 41 нет
Рис. 5. Силы резания при глубине резания 0,6 мм
Из проделанной работы следует, что рекомендуемые частоты вращения не всегда являются оптимальными для использования, так как производитель инструмента ориентируется только на скорость резания, но не может учесть возможные резонансные частоты вращения шпиндельного узла, которые в данном случае в исследованном диапазоне составили 23000 об/мин, 38000 об/мин и 48000 об/мин.
В заводских условиях на ОАО «ДМЗ им. Н.П. Федорова» исследовались 5-ти координатные многоцелевые обрабатывающие центры фирмы Huron моделей K2X 10Five и K2X 8Five.
Фотография зоны резания и установленного датчика приведена на рис. 6.
Рис. 6. Фотография зоны резания и установленного датчика
Результирующий график при обработке алюминиевого сплава АМг 65 представлен на рис. 7.
Рис. 7. Результирующий график при обработке на станке модели К2Х 10Five
алюминиевого сплава
Проанализировав график, можно прийти к выводу, что при правильно подобранных величинах глубин резания и подачи на зуб увеличение скорости резания не только дает значительный прирост производительности. Снижение сил резания может несколько скомпенсировать износ инструмента, возрастающий из-за увеличения скорости резания.
На рис. 8. представлен один из результирующих графиков при обработке на станке модели К2Х 10Б1уе стали 12Х2НВФА для глубины резания 2,5 мм. Ось абсцисс - время, в секундах.
Рис. 8. Результирующий график при обработке стали 12Х2НВФА
Верхние части графиков приведены с фильтрацией сигнала до 1000 Гц, на нижних частях графиков приведены средние значения сил по 1000 точек.
В таблице 3 представлены режимы обработки для графика рис. 8. и других режимов.
Таблица 3 - Результаты эксперимента при обработке стали 12Х2НВФА
№ прохода Частота вращения, об/мин Скорость резания, м/мин № цикла 1 2 3 4 5 6 7
Рис.8
Глубина резания, мм 0,50 1,00 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Подача, мм/мин Объем снимаемой стружки, см3/мин
1 1600 100,48 448 2,24 4,48 8,96 11,20 13,44 15,68 17,92
2 2000 125,60 560 2,80 5,60 11,20 14,00 16,80 19,60 22,40
3 2400 150,72 672 3,36 6,72 13,44 16,80 Вибр.
4 2800 175,84 784 3,92 7,84 15,68 19,60 23,52 27,44 31,36
5 3200 200,96 896 4,48 8,96 17,92 22,40 26,88 31,36 35,84
6 3600 226,08 1008 5,04 10,08 20,16 25,20 30,24 35,28 40,32
7 4000 251,20 1120 5,60 11,20 22,40 28,00 33,60 39,20 44,80
8 4400 276,32 1232 6,16 12,32 24,64 30,80 36,96 43,12 49,28
9 4800 301,44 1344 6,72 13,44 26,88 33,60 40,32 47,04 53,76
10 5200 326,56 1456 7,28 14,56 29,12 36,40 43,68 50,96 58,24
11 5600 351,68 1568 7,84 15,68 31,36 Вибр.
12 6000 376,80 1680 8,40 16,80 33,60 Вибр.
13 6400 401,92 1792 8,96 17,92 35,84 44,80 53,76 62,72 71,68
14 6800 427,04 1904 9,52 19,04 38,08 47,60 57,12 66,64 Вибр.
15 7200 452,16 2016 10,08 20,16 40,32 50,40 60,48 70,56 80,64
Проанализировав данные эксперимента, стало возможным сделать следующие выводы.
Повышение скорости резания позволяет не только повысить производительность в 4,5 раза, но и снизить силы резания на величину до 10 до 20 %;
Использование высокой скорости резания, равной 450 м/мин, не приводит к катастрофическому износу фрез при обработке алюминиевых сплавов;
При малой глубине резания, равной 0,5 мм, обработка возможна на любых частотах, но при этом производительность низкая. При повышении глубины резания на некоторых частотах начинают возникать вибрации, однако на других частотах возможно дальнейшее повышение глубины резания без вибраций;
Целесообразным является проведение эксперимента на больших глубинах резания, так как на некоторых частотах вращения, возможно, добиться еще большего повышения производительности.
Заключение
При экспериментальных исследования станков различного типоразмера и технологических возможностей показана возможность реализации ВСО. Для всех рассмотренных станков были определены условия наиболее эффективной эксплуатации, обеспечивающей весьма существенное повышение производительности, а в ряде случаев, и качество механообработки.
Результаты приведённых исследований доложены на всероссийской конференции [12, 13]. Выводы не противоречат данным аналогичных исследований [14].
Полученные результаты положены в основу разрабатываемой комплексной методики проведения испытаний металлорежущих станков с ЧПУ, внедрение которой планируется на предприятиях авиа и судостроения.
Список литературы
1. Tobias S., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // Engineer. 1958. Vol. 205. P. 199-203; 238-239.
2. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter, contribution to machine-tool chatter, research-1 // Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Industry. 1965. Vol. 87. P. 447-454.
3. Altintas Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling // Annals of the CIRP. 1995. Vol. 44. P. 357-362.
4. Budak E., Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in milling. Part I: general formulation // Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 1998. Vol. 120. P. 22-30.
5. Budak E., Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in milling. Part II: application of the general formulation to common milling systems // Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 1998. Vol. 120. P. 31-36.
6. Bayly P.V., Halley J.E., Mann B.P., Davies M.A. Stability of interrupted cutting by temporal finite element analysis // Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2003. Vol. 125. P. 220-225.
7. Insperger T., Stepan G. Updated semi-discretization method for periodic delay-differential equations with discrete delay // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2004. Vol. 61. P. 117-141.
8. Merdol S.D., Altintas Y. Multi frequency solution of chatter stability for low immersion milling // Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2004. Vol. 126. P. 459-466.
9. Kishawy H., Dumitrescu M., Ng E.G., Elbestawi M.A. Effect of coolant strategy on tool performance, chip morphology and surface quality during high-speed machining of A356 aluminum alloy // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2005. Vol. 45. P. 219-227.
10. Zatarain M., Munoa J., Peigne G., Insperger T. Analysis of the influence of mill helix angle on chatter stability // Annals of the CIRP. 2006. Vol. 55. P. 365-368.
11. Tsai N.C., Lee R.M. Regulation of spindle position by magnetic actuator array // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. Vol. 53. P. 93-104.
12. Утенков В.М. Результаты испытаний металлорежущих станков // Всероссийская научная школа "Современные средства диагностики металлорежущих станков" (Москва, 6-7 сентября 2011 г.) : Сборник тезисов выступлений. Москва, 2011. С. 73.
13. Быков П.А. Диагностика резонансных частот шпиндельного узла с помощью измерения сил резания // Всероссийская научная школа "Современные средства диагностики металлорежущих станков" (Москва, 6-7 сентября 2011 г.) : Сборник тезисов выступлений. Москва, 2011. С. 14-15.
14. Болсуновский С.А., Вермель В.Д., Гришин В.И., Губанов Г.А., Качарава И.Н. Расчетное и графическое обеспечение уточнения параметров высокоскоростного фрезерования крыльев аэродинамической модели для предотвращения резонансных вибраций // САПР и Графика. 2011. № 10. С. 94-97.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Test of the machine-tools for implementing high-speed cutting
# 06, June 2013
DOI: 10.7463/0613.0574620
Utenkov V.M., Bykov P.A.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
[email protected] [email protected]
This article presents prerequisites for carrying out experiments in order to test machine tools for implementing high-speed processing. The authors propose a method for determining frequency vibration-free tool rotation at high speed milling. Results of experiments of measuring cutting forces with the use of the Kistler dynamometer are presented in this article. They are: turning of aluminum alloy at cutting speeds from 100 to 1000 m/min at Swiss Federal Institute of Technology Zurich; milling of aluminum alloys at cutting speeds from 471 to 942 m/min at Bauman MSTU, Laboratory of Department MT-1 "Machine Tools"; milling of aluminum alloys and steels (cutting speed up to 452 m/min) at Dubna Machine Building Plant.
Publications with keywords: experiment, cutting force, high speed machining, test of the machine tool
Publications with words: experiment, cutting force, high speed machining, test of the machine tool
References
1. Tobias S., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter. Engineer, 1958, vol. 205, pp. 199-203; 238-239.
2. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter, contribution to machine-tool chatter, research-1. Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Industry, 1965, vol. 87, pp. 447-454.
3. Altintas Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling. Annals of the CIRP, 1995, vol. 44, pp. 357-362.
4. Budak E., Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in milling. Part I: general formulation. Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1998, vol. 120, pp. 22-30.
5. Budak E., Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in milling. Part II: application of the general formulation to common milling systems. Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1998, vol. 120, pp. 31-36.
6. Bayly P.V., Halley J.E., Mann B.P., Davies M.A. Stability of interrupted cutting by temporal finite element analysis. Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2003, vol. 125, pp. 220-225.
7. Insperger T., Stepan G. Updated semi-discretization method for periodic delay-differential equations with discrete delay. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004, vol. 61, pp. 117-141.
8. Merdol S.D., Altintas Y. Multi frequency solution of chatter stability for low immersion milling. Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, vol. 126, pp. 459-466.
9. Kishawy H., Dumitrescu M., Ng E.G., Elbestawi M.A. Effect of coolant strategy on tool performance, chip morphology and surface quality during high-speed machining of A356 aluminum alloy. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, vol. 45, pp. 219227.
10. Zatarain M., Munoa J., Peigne G., Insperger T. Analysis of the influence of mill helix angle on chatter stability. Annals of the CIRP, 2006, vol. 55, pp. 365-368.
11. Tsai N.C., Lee R.M. Regulation of spindle position by magnetic actuator array. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 53, pp. 93-104.
12. Utenkov V.M. Rezul'taty ispytanii metallorezhushchikh stankov [Results of tests of cutting machine tools]. Vserossiiskaia nauchnaia shkola "Sovremennye sredstva diagnostiki metallorezhushchikh stankov" (Moskva, 6-7 sentiabria 2011 g.) : Sbornik tezisov vystuplenii [Russian scientific school "Modern means of diagnostics of metal-cutting machine tools" (Moscow, 6-7 September 2011) : collect. theses]. Moscow, 2011, p. 73.
13. Bykov P.A. Diagnostika rezonansnykh chastot shpindel'nogo uzla s pomoshch'iu izmereniia sil rezaniia [Diagnostics of resonance frequencies of the spindle unit by measuring the cutting forces]. Vserossiiskaia nauchnaia shkola "Sovremennye sredstva diagnostiki metallorezhushchikh stankov" (Moskva, 6-7 sentiabria 2011 g.) : Sbornik tezisov vystuplenii [Russian scientific school "Modern means of diagnostics of metal-cutting machine tools" (Moscow, 6-7 September 2011) : collect. theses]. Moscow, 2011, p. 14-15.
14. Bolsunovskii S.A., Vermel' V.D., Grishin V.I., Gubanov G.A., Kacharava I.N. Raschetnoe i graficheskoe obespechenie utochneniia parametrov vysokoskorostnogo frezerovaniia kryl'ev aerodinamicheskoi modeli dlia predotvrashcheniia rezonansnykh vibratsii [The calculated and graphical ensuring refining the parameters of high-speed milling of the wings of aerodynamic model to prevent resonant vibrations]. SAPR i Grafika, 2011, no. 10, pp. 94-97.
