CC BY
20
УДК 620.1.05:531.24
€. Ю. Сахно, В. С. Волик
МЕХАН1ЧНА ОБРОБКА НЕЗР1ВНОВАЖЕНИХ ДЕТАЛЕЙ НА ТОКАРНОМУ ВЕРСТАТ1 З Г1ДРОСТАТИЧНИМИ
ОПОРАМИ
Викладен1 результати експериментального досл1дження шорсткост1 та в1дхилення вд круглост\ поверхн1 деталей з дисбалансом при обробц точ1нням на прециз1йному вер-стат1 з г1дростатичними п1дшипниками. Наведен1 шляхи зменшення в1дцентрово!' сили та коливань незр1вноважено!' заготовки за рахунок установлення на шпиндель коригу-вальних дискв, як! повертаються гальм1вними силами.
Вступ
В машинобудуванн застосовують цтий ряд деталей типу тт обертання, як мають конструктивно обумовлену незрiвноваженiсть (дисбаланс) -несиметричн деталi [1]. Обробка Тх на верстатах токарнот групи супроводжуеться вщомими трудно-щами.
При обробцi несиметричних деталей на токарному верстат для Тх установки використовують центрозмщувач, а для балансування системи "деталь-планшайба" - противагу [2]. Змщення осi обертання заготовки вiдносно ос шпинделя пiд дiею вiдцентрових сил визначають за радiальним бит-тям за допомогою iндикатора. Зазвичай технологи для того, щоб забезпечити яксть продукци змен-шують частоту обертання шпинделя, знижуючи цим продуктивнiсть прац до 20 %. Коефiцiент знижен-ня продуктивностi обробки на верстат визначаеть-пз
ся за формулою к = —, де пз та пн - вщповщно
пн
частоти обертання шпинделя при обробц зрiвнова-женот та незрiвноваженоТ деталей з однаковим параметром круглост (спввюност).
На рис. 1, а показан два положення оброблю-ванот незрiвноваженоТ деталi; суцiльними лУями положення в якому вiсь заготовки зб^аеться з гео-метричною вюсю центрiв передньот i задньот бабки верстата (е = 0), штриховими лiнiями положення, яке вщповщае максимальному зсувовi заготовки (е = ешах). Шар металу, що зрiзаеться, у першому положеннi обмежений точками 2-3-4-5. Ширина шару, що зрiзаеться, однакова для обох положень детали а товщина Ь залежить вiд глибини рiзання i
визначаеться за формулою Ь =
t + е 8т ф
ваннi шпиндельного вузла методом спрямованот дм. Унаслiдок спрямованого перемщення коригуваль-них мас вiдбуваеться постшне монотонне зменшення величини дисбалансу, що вщображаеться кривою а-б. При цьому дтянка умовно неопрацьованот поверхнi шириною 1-ндч (до балансування) змен-шуеться до ширини 1-ост (пюля балансування).
■, де ф - го-
ловний кут рiзання в планi.
При збудженнi в технолопчнм системi коливань шпиндельного вузла внаслщок обертання незрiвно-важенот заготовки виникае змЦення осi на величину ексцентриситету, при цьому здмснюеться пря-мий синхронний прецесзiйний рух. Технологiчна схема (рис. 1, б) тюструе дефект обробки при балансу-
б
Рис. 1. Остаточний перер1з шару, що зр1заеться (заштрихована область) при обробц незр1вноваженот детал1 (а) та розгорнення поверхн заготовки з1 сл1дами обробки по методу випадкового пошуку балансування (б)
© е. Ю. Сахно, В. С. Волик 2006 г.
а
При обертанн шпинделя в опорах з частотою п заготовка вщцентровими силами вщхиляеться вщ вершини рiзця. При цьому геометричний слiд вер-шини рiзця формуеться як алгебраТчна сума пере-мiщень унаслiдок поперечних коливань незрiвно-важеноТ заготовки i подовжньоТ подачi рiзця.
У результатi дiТ вщцентрових сил деталь "на-бiгае" на рiзець, що збiльшуе площу контакту ржу-чоТ кромки з оброблюваною поверхнею, глибину i силу рiзання. При зворотному русi шпинделя - вщ рiзця (через один оберт) площа контакту, глибина i зусилля рiзання зменшуеться, далi описаний про-цес перiодично повторюеться. Такi умови рiзання збiльшують навантаження на рiжучу частину, що приводить до ТТ передчасного зносу i руйнуванню.
Метою дослщження е визначення впливу дисбалансу при токарнм обробцi на верстат з гдрос-татичними опорами незрiвноважених деталей на шорсткiсть поверхн та вiдхилення вiд круглостi обробленоТ поверхнi, а також оцiнка ефективност застосування пристрою автоматичного балансуван-ня (ПАБ) з гiдростатичною опорою як засобу для зниження рiвня коливань технолоМчноТ системи.
Методика
З метою оцнки впливу дисбалансу заготовки на шорсткють та вiдхилення вщ круглостi обробленоТ поверхнi на виробничм базi Чернiгiвського державного технологчного унiверситету виконанi експе-рименти на токарно-гвит^зному верстатi, шпиндель якого встановлений у Идростатичн пдшип-ники. Здмснювалась обробка точiнням цилЫдрич-них поверхонь заготовок при ступнчас™ змн дисбалансу. Заготовку встановлювали з натягом в отвiр цилЫ-дричноТ оправки; для створення дисбалансу в оправку вгвинчували вантаж, дисбаланс якого варювався в межах вщ 0 до 104 гмм.
Результати
Вплив дисбалансу заготовки на яксть обробленоТ поверхн деталi зi сталi 45 при режимi рiзання п = 2000 хв-1, Б = 0,029 мм/об, t = 0,5 мм видно на рис. 2, а: значення параметра шорсткост Яа та вщхилення вiд круглостi Д обробленоТ поверхн з ростом дисбалансу заготовок збтьшуеться. Слiд вiдмiтити, що у дiапазонi варiювання дисбалансу параметр шорсткост не перевищуе 0,62 мкм, що задовольняе вимогам тонкого точЫня та вщповн дае восьмому ступеню точностi. [3]. Разом з тим, вщхилення вiд круглостi збiльшуеться значно i при В = 104 гмм досягае значення А» 40 мкм.
Щоб отримати потрiбну якють поверхнi на токар-но-гвинторiзному верстат з гiдростатичними опорами, особливо при обробц кольорових сплавiв на фУшнм обробцi слiд значно збтьшити частоту обертання шпинделя. Вплив частоти обертання шпинделя на шорсткють деталi видно на рис. 2, б; з пщвищенням частоти п обертання зрiвноважено-
го шпинделя (без дисбалансу) параметри шорст-костi Яа обробленоТ поверхн знижуються (крива 1). Проте при обробц незрiвноваженоТ деталi (О = 4,3103 гмм) шорсткють обробленоТ поверхнi при пiдвищеннi кутовоТ швидкостi обертання шпинделя збтьшуеться (крива 2) внаслщок збiльшення
вщцентровоТ сили деталi р = ю' швидксть.
В , де ю - кутова
й,м<м
.?[1,Г№1
Ф
ш.
Щ
У I )
1 1 'П
1 !
45 у
1 Л
у
■-о-- "--С г
г
а 9 №л1
RQ ,мкм
И
Он 5 д\ ^Ст 40 X
т
1 -Ст 45
1
2 /
\
< L
1.
Я 1Ш0 2000 2500 п,мин
б
Рис. 2. Вплив дисбалансу О заготовки (а) та частоти обертання шпинделя п (б) на шорсткють Яа та вщхилення вщ круглост А поверхн детал1
Крiм того при зростанн вiдцентровоТ сили до пев-ноТ величини глибина рiзання буде зменшуватися з боку, протилежного напрямку цеТ сили. Змiщення обробленоТ поверхнi вщносно неякiсно обробленоТ видно на заготовц (рис. 3, а).
а
Аналiз круглограми (рис. 3, б) показав, що по-верхня поперечного профтю деталi мае огранку, наявнють якоТ пояснюеться збудженням в техно-логiчнiй системi низькочастотних вiбрацiй при обер-танн незрiвноваженоí заготовки.
Розрахунок середнього арифметичного вщхилен-ня профiлограми Ra виконали за формулою [4]:
Яа
1 "
4 м,
г=1
де п - кiлькiсть вистутв i впадин вiдносно серед-ньоТ лiнií на довжинi базовоТ дтянки L;
У1 - висота вистутв i впадин (рис. 3, в).
Проблему якосл i точностi обробки точЫням не-зрiвноважених деталей можна розв'язати шляхом оснащення шпиндельних вузлiв пристроями балан-
сування, якi знижують рiвень коливань верстата. Якщо в якосл балансира використати пару коригу-вальних (незрiвноважених) мас, то розмютивши Тх на шпинделi з можпивютю повороту, наприклад, силами тертя, вщносно один одного i вщносно шпинделя, то з'являеться можпивiсть регулювати величину дисбалансу (в певних межах) вручну, як це зроблено на круглошлiфувальному напiвавтоматi моделi 3Е184А. Виконавши коригувальнi маси у виглядi легких дисш з отворами, рiвномiрно роз-ташованими по торцю, частина iз яких залита свин-цем [5] (рис. 4), з'являеться можливють автоматичного регулювання процесу балансування пщ час роботи верстату.
в
Рис. 3. Оброблена деталь, сталь 40Х, п = 2000 хв-1, 5 = 0,024 мм/об, t = 0,5 мм (а), профтограма поперечного профтю (б), висотн вщхилення профтю (в); е - ексцентриситет вщхилення розташування ос1 виробу
Коригувальн диски обертаються разом зi шпинделем, при виникненн радiальних коливань вхо-дять в дотик з гальмiвними пристроями: гдроста-тичною, гiдродинамiчною або аеростатичною опорами [6], що змЫюе напрямки векторiв дисбалансiв й1 i й2.
Коли сумарний вектор й^ коригувальних дискiв урiвноважуeться з вектором технологчного дисбалансу й, вiбрацil' зменшуються настiльки, що ко-ригувальнi диски, обертаючись, не будуть торка-тись гальмiвних пристро'в.
На рис. 5 наведен типовi осцилограми коливань ротора машини iз застосуванням пристрою автоматичного балансування (ПАБ) [7] з приводом з гдростатичною опорою. При застосуванн ПАБ з рис. 5 а, видно, що у певний момент часу пюля запуску верстата спрацьовуе привод гальмування коригувальних дискв (точка А) з гдростатичною опорою, в результат чого диски змшюють свое кутове положення вщносно ротора ^ вiдповiдно, змшюеться результуючий вектор дисбалансу. Вiдбуваеться пошук приводом зрiвноваженого стану коригувальних дискв, в результатi чого спосте-рiгаються декiлька промiжних максимумiв i
мiнiмумiв амплiтуди коливань ротора (точки В, С). В точц Д переходного процесу сумарний вектор дисбалансв коригувальних дискiв збiгаеться з вектором дисбалансу незрiвноваженого вантажу, i таким чином, викликае найбтьший пiк амплiтуди на осцилограмi. Потм, внаслiдок подальшого гальмування коригувальних дискв, вiдбуваеться посту-пове зменшення амплiтуди коливань перехiдного процесу, яка в точц Е досягае свого мУмального залишкового значення, при якому гальмiвнi зусил-ля на коригувальних дисках не перевищують зу-силь ф^саци. Диски фiксуються в зрiвноваженому станi, а амплiтуда залишаеться на послйному рiвнi Азал, яка обумовлена залишковим дисбалансом. Залишкова амплiтуда виникае внаслщок похибок датчика вiбрацiй (Адат), нечутливостi приводу для перемiщення коригувальних дискв (Апр), а також залишково''' амплiтуди коливань верстата (Аст). Отже, для визначення залишково''' амплiтуди коливань випробуваного зразка необхщно з отримано''' амплiтуди Азал вiдняти Адат i Аст, тобто
А = А - А - А
пр зал дат ст .
2 А
М№
1
А 1 1 ь Лл) ИД У
щ 1—— г**
н /п /п £
а
2 А. мкм
и
2А, мкм
50 40
30 20 10
1
2 I
■ / .
2 3 5 6 Д *10 ,г-мм
Рис. 5. Осцилограми коливань незр1вноваженого ротора з приводом з гщростатичною опорою: а - коливання ротора машини ¡з застосуванням ПАБ; б - процес самоустановлення коригувальних дискв без зовншнього дисбалансу; в - графики коливань верстата: 1 - без застосування ПАБ; 2 - пюля балансування ¡з застосуванням ПАБ
б
в
Значення амплггуди Адат + Аст визначаються експериментально при знятих коригувальних дисках i без незрiвноваженого вантажу.
У роботу приводу була закладена технчна iдея (гiпотеза) про те, що без зовншнього дисбалансу коригувальнi диски балансуються самодо-втьно, тобто мае мюце самоустановлення Тх в зрiвноваже-не положення. Це пщтверджено експериментально (див. рис. 5, б). На осцилограмi видно, що пере-хiдний процес зрiвноважування iдентичний проце-су балансування з зовншнм дисбалансом. Це пщтвердження дае пiдставу використовувати роторнi машини з ПАБ у випадках вщсутносл зовнiшнього дисбалансу.
На основi обробки отриманих осцилограм побу-дованi залежностi розмаху амплiтуди коливань 2А вiд дисбалансу незрiвноваженого вантажу Дст для виконавчих механiзмiв приводiв з гiдростатичними опорами (рис. 5, в).
З графка бачимо, що зi збтьшенням дисбалансу заготовки розмах коливань 2А шпинделя збтьшуеться (крива 1); при балансуванн шпинделя коригувальними дисками рiвень коливань зали-шаеться постiйним (крива 2).
Обговорення
Обробка незрiвноважених деталей супровод-жуеться виникненням вщцентрових сил, якi, як показали дослщи, негативно впливають на шорсткють та вiдхилення вщ круглостi обробленоТ поверхнi, причому бтьш суттево наявнiсть дисбалансу впли-вае на вщхилення вiд круглостi. ТочЫня виконува-лось при використаннi рiзних матерiалiв; вiдмiннiсть полягае в тому, що при обробц деталей без дисбалансу шорсткють обробленоТ поверхн знижуеться, а при обробцi деталей з дисбалансом - пдвищуеть-ся.
Використання ПАБ значно знижуе вплив дисбалансу оброблюваноТ деталi на параметр шорст-костi та вщхилення вiд круглостi, забезпечуючи розмах коливань не бтьше 5 мкм.
Дослщження показали, що привод для пере-мiщення коригувальних мас з пдростатичною опорою мае меншi похибки коректування зовнiшнього дисбалансу i високу чутливють до його змiни, про-те, спрацьовування приводу з пдростатичною опорою залежить вщ температури робочоТ рiдини.
Висновки
1. Експериментально встановлено, що Пдви-щення дисбалансу при обробц точiнням незрiвно-важених деталей приводить до збтьшення пара-метрiв шорсткостi та вiдхилення вщ круглостi оброблюваноТ поверхнi, при цьому вiдхилення вiд круглостi зростае бiльш iнтенсивно.
2. Проблему якост i точностi обробки точiнням незрiвноважених деталей можна розв'язати шляхом оснащення шпиндельних вузлiв пристроями ПАБ, як знижують рiвень коливань верстату.
3. Для перемiщення коригувальних дискв ПАБ рекомендуеться використовувати гiдростатичну, гiдродинамiчну або аеростатичну опору, яка взае-модiе з робочою поверхнею диска.
Список лп"ератури
1. Промышленные роботы в машиностроении. Альбом схем и чертежей. Уч. пособие для тех-нич. вузов/ Ю.М. Соломенцев, К.П. Жуков, Ю.А. Павлов. Под общей ред. Ю.М. Соломенцева. -М.: Машиностроение, 1986. - 140 с.
2. Блюмберг В.А. Справочник токаря. Л.: Лениз-дат, 1969.- 448 с.
3. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - Т.1. - 656 с.
4. Методические указания по внедрению ГОСТ 2789-73 - М.: Издательство стандартов, 1975 - 16 с.
5. Горбунов Б.И., Малеева Р.Ф., Товщик А.П. и др. Проектирование управляемых балансирующих устройств шлифовальных станков. М.: ВЗМИ, 1987. - 81 с.
6. Кибальченко А.В., Матюшко В.И., Сахно Ю.А. Устройства автоматической балансировки на прецизионных металлорежущих станках. - М.: ВНИИТЭМР (машиностр. пр-во. Сер. Технология и оборудование обработки металлов резанием), Вып. 7, 1990. - 40 с.
7. Сахно Е.Ю. Новое устройство автоматической балансировки неуравновешенных роторов.: Чернигов, ЦНТЭИ, №30. - 2000. - 3 с.
Поступила в редакцию 18.04.2006 г.
Изложены результаты экспериментального исследования шероховатости и отклонения от круглости поверхности деталей с дисбалансом при обработке точением на прецизионном станке с гидростатическими подшипниками. Приведены пути снижения центробежной силы и колебаний неуравновешенной заготовки за счёт установки на шпиндель корректирующих дисков, поворачивающихся тормозными силами.
The main results of experimental research of roughness and not round surface of detail with unbalance during of grinding processing on the bench with gyrostatic bearings are perform. It shows ways to increase centripetal force and oscillation unbalanced workrpiece by means of installation on the shaft correcting discs, which are rotated by brake forces.
