CC BY
415
Хлыстунов М.С., канд. техн. наук., проф., заведующий отраслевой научноисследовательской лабораторией, SPIN:6539-9617, [email protected], 8-985-769-73-87, Россия, Москва, Москоский государственный строительный университет
THE LA TTICE MAPPINGS CONFORMITY SPECTRAL ANALYSIS OF DYNAMIC LOADS MONITORING DIGITAL DA TA
Z.G. Mogiljuk, S.I. Zavalishin, M.S. Hlystunov
The amplitude distortions occurrence mechanisms in digital systems of the buildings and constructions dynamic monitoring and inspection are investigated. The amplitude distortions influence research results on the true values calculation reliability of the multimode dynamic loads vector fields intensity and the building structures oscillation modes are presented.
Key words: buildings, structures, dynamic inspection, monitoring, digital technology, amplitude distortion, waveform distortion, reliability.
Mogilyuk Zhanna Gennadievna, candidate of technical Sciences, associate professor, head of the research laboratory, [email protected], 8-495-583-47-26, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
Zavalishin Sergei Iosifovich, candidate of technical Sciences, professor, Director of the Institute, [email protected], 8-499-183-52-83, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
Hlystunov Mihail Sergeevich, candidate of technical Sciences, professor, head of the branch research laboratory, SPIN:6539-9617, [email protected], 8-985-769-73-87, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
УДК 621.941
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ
ОТВЕРСТИЙ
А.Ю. Горелова, А. А. Плешаков, М.Г. Кристаль
Рассмотрены основные погрешности, возникающие при обработке глубоких отверстий. Приведен анализ существующих методов повышения точности обработки и предложено их разделение на четыре группы. Выявлены недостатки каждой группы методов и предложен способ обработки с использованием демпфирующего устройства, позволяющего уменьшить увод и непрямолинейность оси обрабатываемого глубокого отверстия относительно оси инструмента.
Ключевые слова: глубокое сверление, демпфирующие устройства, увод оси, отклонение от прямолинейности оси, компенсация увода.
Операции глубокого сверления и растачивания сопровождают характерные дефекты, возникающие в продольном и поперечном сечениях обрабатываемого отверстия. К погрешностям продольного сечения относят
363
увод и непрямолинейность оси отверстия. Уводом считают отклонение действительной оси полученного отверстия от оси вращения детали, а не-прямолинейностью - наибольшее расстояние между действительной и теоретической осями отверстия. Под действительной осью понимают прямую, соединяющую центры отверстий на торцах детали [1].
Наибольшее влияние на образование увода и непрямолинейности оси оказывают: копирование сверлильным (расточным) инструментом погрешности расположения оси отверстия (технологическая наследственность), поперечные колебания заготовки из-за её деформации при установке и обработке, изгиб борштанги под действием её веса, неравномерности снимаемого припуска и разнотвердости материала обрабатываемой детали.
В поперечном сечении основной погрешностью является огранка отверстия - отклонение от круглости, при котором профиль представляет собой многогранную фигуру с числом граней, иногда изменяющимся по длине отверстия, а вершины многогранника при этом часто располагаются по винтовой линии. В иностранных источниках [2, 3] такой вид дефекта называют спиральностью. Она возникает по причине совпадения собственных частот изгибных колебаний инструмента с некоторыми из частот вращения шпинделя. Огранка образуется при поперечных колебаниях инструмента с частотой, близкой к частоте относительного вращения заготовки и инструмента. При этом на образование огранки влияют: частота собственных колебаний инструмента, которая изменяется по мере обработки отверстия, так как изменяется взаимное расположение опор по длине инструмента, конструктивные параметры инструмента, погрешности настройки технологической системы, кинематическая схема обработки.
Из сказанного следует, что основной причиной появления дефектов при обработке глубоких отверстий является несбалансированность системы «станок - приспособление - инструмент - заготовка» (СПИЗ), приводящая к возникновению негативных вибраций. На рис. 1 приведены образцы торцевой поверхности отверстия [4]: без видимых последствий вибраций при стабильном резании (рис.1, а); «солнечный узор» вследствие появления торсиально-аксиального дребезга (рис.1, б); «трехгранка» вследствие действия вихревых вибраций (рис.1, в); поверхность, полученная в результате комбинации торсиально-аксиальных и вихревых вибрационных воздействий (рис.1, г).
Для компенсации описанных дефектов и повышения точности обработки глубоких отверстий разработан ряд методов, которые можно разделить на четыре группы:
- реализация различных методов подачи смазывающе-
охлаждающих технологических сред (СОТС) и отвода стружки;
- управление положением инструмента;
- стабилизация положения инструмента или заготовки;
- виброгашение колебаний (демпфирующие устройства на детали и
виброгасители в расточных головках).
. / /
а б в г
Рис. 1. Торцевые поверхности отверстий при воздействии вибраций: а - без видимых последствий вибраций при стабильном резании; б - «солнечный узор» вследствие появления торсиально-аксиального дребезга; в - «трехгранка» вследствие действия вихревых вибраций; г - поверхность, полученная в результате комбинации торсиально-аксиальных и вихревых вибрационных воздействий
К первому группе относят три типа обработки глубоких отверстий. Пушечное сверление однолезвийным инструментом [3]. Метод характеризуется подводом СОТС через отверстия в инструментальной головке и внутренним отводом отработанной СОТС вместе со стружкой через полость между инструментом и обработанным отверстием. Его эффективно используют для обработки отверстий диаметром 0,8...40 мм. Существуют пушечные сверла одностороннего и двустороннего резания. Сверла двустороннего резания, в отличие от сверл одностороннего резания, применяют для материалов дающих стружку скалывания, таких как серый чугун, алюминиевые отливки и позволяют проводить обработку при более высоких подачах.
Для сверления по этому методу необходимо использовать обрабатывающие центра и токарные станки с ЧПУ, обеспечивающие подачу СОТС под высоким давлением.
Эжекторное сверление (расточка) характеризуется внутренненаружным подводом СОТС. Внутренний подвод осуществляют по каналу в виде кольцевого зазора в инструменте между борштангой и внутренней трубкой, при этом поток СОТС, подаваемый насосом разделяется на два: один направляется в зону резания, а второй поступает во внутреннюю трубку и создает эффект эжекции. Вывод СОТС вместе со стружкой осуществляют через внутреннюю полость в борштанге. Метод подходит для материалов с хорошей обрабатываемостью, используют при обработке отверстий диаметром 18.250 мм. Он наиболее удобен на станках с горизонтальной осью шпинделя, и может быть использован на станках с ЧПУ и
обрабатывающих центрах.
Методы сверления (расточки) «Боринг энд Трепэннинг Ассоши-эйшн (БТЛ)», разработанные в США, основаны на способе подачи СОТС через кольцевой зазор между борштангой и обрабатываемым отверстием. Вывод СОТС вместе со стружкой осуществляется через отверстие в бор-штанге, диаметром не менее 6 мм. Диаметр обрабатываемого отверстия при этом способе равен 6.300 мм [3].
Перечисленные способы повышают точность обработки глубоких отверстий, так как способны обеспечить подачу СОТС под требуемым давлением (до 8 МПа) и необходимую жесткость системы СПИЗ. Однако, для этого необходимо использование дополнительного оборудования и гораздо более дорогих и сложных станков, в сравнении с традиционными методами сверления (расточки).
Производительность обработки при использовании последних двух методов сверления в 5 раз выше, чем при сверлении пушечными сверлами. Предпочтительные области применения: крупносерийное и массовое производство для эффективной обработки нержавеющих и низкоуглеродистых сталей, материалов с неоднородной структурой.
Направление, реализующее управление положением инструмента связано с решением двух задач. С одной стороны это разработка наиболее эффективных методов контроля положения инструмента, а с другой - соответствующие механизмы коррекции положения инструмента. К этой группе относят: управление положением инструмента по лазерному лучу, механизмы коррекции, выполненные в виде гидродинамических опор, управляемых с помощью сервоклапана, использование магнитного поля для осуществления корректирующего воздействия на инструмент и коррекция положения инструмента с использованием пьезоэлектрических элементов.
Известна группа методов, связанных со стабилизацией положения инструмента или заготовки. На сегодняшний день существует ограниченное количество таких методов, которые получили бы широкое распространение в производстве. Одним из них, является гироскопическая стабилизация положения инструмента. Компания «Джиэфэ» (Германия) выпускает ряд инструментов, в которых в качестве чувствительного элемента используют гироскопический блок [5]. Гироскопический элемент реагирует на изменение динамических характеристик и вырабатывает управляющее воздействие, в соответствие с которым происходит стабилизация положения инструмента.
Также задачу стабилизации положения инструмента можно эффективно решить с помощью управления динамическими характеристиками системы СПИЗ, за счет применения дополнительных опор для поддержки борштанги и для стабилизации положения заготовки в процессе обработки.
Принципиально другим направлением повышения точности обра-
ботки глубоких отверстий являются способы виброгашения, которые в зависимости от расположения виброгасителя делятся на две группы:
- виброгаситель установлен внутри инструментальной головки;
- виброгаситель установлен на обрабатываемой детали.
Виброгашение инструмента реализуют двумя способами: виброгашением борштанги [6, 7], или с помощью устройств виброгашения, входящих в состав сверлильной (расточной) головки. Современные производители инструментов предлагают ряд готовых решений для сверления (расточки) глубоких отверстий, например, специально разработанная серия демпфированных расточных головок «Сандвик Коромант» (Швеция).
Известны виброгасители, устанавливаемые на детали и выполняющие роль балансиров [8]. Существенным недостатком такого решения является то, что для компенсации неоднородной твердости материала заготовки и предотвращения увода оси, заданную глубину отверстия разбивают на несколько частей и перед каждым последующим участком обработку сверлением прерывают для осуществления проверки и корректировки правильности установки демпфирующего устройства. Это приводит к резкому снижению скорости и, следовательно, ухудшению качества поверхности.
Для уменьшения увода оси сверла относительно оси отверстия предложено осуществлять непрерывную компенсацию неравномерности твердости детали в процессе сверления с помощью специального демпфирующего устройства. Демпфирующее устройство помещают на деталь на половине расстояния между каждой из соседних пар опор и производят непрерывное сверление на всю глубину обрабатываемого отверстия. Сверление глубокого отверстия в детали вдоль её геометрической оси осуществляют следующим образом. Перед началом сверления заготовку детали 3 (рис. 2), устанавливают в опорах 5, например, в люнетах.
4
Рис. 2. Схема сверления с демпфирующими устройствами
Далее по назначенным режимам обработки определяют угловую скорость ю детали 3. Из равенства угловой скорости детали и частоты собственных колебаний ю0 демпфирующего устройства, состоящего из балан-
367
сиров 1, подвешенных на упругих подвесах 2, рассчитывают жесткость с
упругого подвеса 2 по известной формуле ю2 = Ю = с, где т - масса бат
лансира.
В результате определения параметров демпфирующего устройства получают соответствующий набор 4 балансиров (см. рис. 2, вид А), который устанавливают на деталь 3 на половине расстояния между каждой из соседних пар опор 5 и производят непрерывное сверление на всю глубину обрабатываемого отверстия. Непрерывное сверление с использованием демпфирующего устройства, установленного на детали, обеспечивает воздействие демпфирующего устройства на максимальную амплитуду нежелательных колебаний и сохранение постоянства скорости резания.
Расчет параметров демпфирующего устройства, исходя из равенства угловой скорости детали и частоты собственных колебаний демпфирующего устройства, закрепленного на упругом подвесе, обеспечивает гашение нежелательных колебаний детали, вызванных ее дисбалансом из-за неравномерности сил резания, возникающей вследствие неравномерности твердости материала заготовки по сечениям, что обеспечивает уменьшение увода оси сверла относительно оси отверстия детали.
При послеоперационном контроле отверстий рассчитывают компенсацию увода оси сверла относительно оси отверстия Аа = ау , где
/ аб
аб -увод оси сверла относительно оси отверстия при сверлении по предлагаемому способу; а0 - увод оси сверла относительно оси отверстия при сверлении без применения предлагаемого способа.
В табл. 1 приведены значения твердостей заготовки из стали 20Х13 размером 070^5100 мм с неравномерным распределением твердости установленным в двух опорах, так чтобы расстояние между ними составляло 2500 мм. Твердость измерялась в четырех точках сечения.
Таблица 1
Значения твердостей заготовки, измеренные в четырех точках сечения
Расстояние до сечений, в которых производится измерение твердости, мм
300 900 1500 2100 2700 3300 3900 4500 5100
Значение твердости в четырех точках д] сечений, Н зух взаимно перпендикулярных [Б
210 220 220 230 232 230 225 229 225
210 218 215 218 211 210 212 211 210
215 200 195 195 191 192 191 189 189
210 215 211 214 209 210 211 211 215
В табл. 2 приведены значения уводов осей и компенсаций уводов при различных параметрах демпфирующих устройств.
Таблица 2
Значения уводов осей и компенсаций уводов при различных параметрах
демпфирующих устройств
Угловая скорость вращения детали со, рад/ с
55,56
Масса демпфирующего устройства m, кг
1,5 0,91 0,75 0,76 0,7 0,6 0,6 0,48 0,5 1,5 1,2
Жесткость упругого подвеса демпфирующего устройства с, Н/м
3314 4511 2652 2302 2357 2062 1767 1842 1473 1473 4511 3683
Увод оси отверстия при сверлении без применения предлагаемого способа
___________________________________а0, мкм___________________________________
________________________________________300__________________________________
Увод оси отверстия при сверлении по предлагаемому способу аб, мкм
264 272 271 271 267 269 267 275 292 264 284 292
Компенсация увода Ра
1,20 1,20 1,23 1,24 1,24 1,25 1,26 1,26 1,28 1,30 1,50 1,20
1
Как видно из полученных результатов, приведенных в табл. 2, для всех приведенных значений параметров с и m демпфирующего устройства значение компенсации увода Ра > 1,2, т.е. достигнуто уменьшение увода оси сверла относительно оси отверстия не менее чем на 20 %.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает уменьшение увода оси сверла относительно оси отверстия, уменьшение отклонения от прямолинейности за счет непрерывной компенсации неравномерности твердости детали в процессе сверления, что позволяет повысить точность изготовления отверстия на один квалитет.
Список литературы
1. Уткин Н.Ф., Кижняев Ю.Н., Плужников С.К. Обработка глубоких отверстий. Л.: Машиностроение, 1988. 269 с.
2. Dirk Biermann, Alexei Sacharow, Klaus Wohlgemuth. Simulation of the BTA deep-hole drilling process // Production Engineering Res. Devel. 2009. Р. 339-346.
3. Klaus Weinert, Claus Weihs, Oliver Webber, Nils Raabe. Varying bending eigenfrequencies in BTA deep hole drilling: mechanical modeling using statistical parameter estimation // Production Engineering Res. Devel. 2007. Р. 127-134.
4. Tamara Novakov, Mark James Jackson. Chatter problems in micro-and macrocutting operations, existing models, and influential parameters - a review // Manuf. Technol. 2010. Р. 597-620.
5. Пат. DE 102004024170. МПК B23B29/12, B23C5/00, B23C9/00. Die folgenden Andaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen ent-nommen / Bernd Aschenbach. 01.12.2005.
6. Пат. СССР 1778388 на изобретение. МПК F16F15/03. Устройство виброгашения расточной борштанги / А.Л. Егоров [и др.]. Опубл. 30.11.1992. Бюл. № 44.
7. Пат. РФ 2365471 на изобретение. МПК B23B29/00. Резцедержатель, демпфирующий вибрации / П. Михик. Опубл. 27.08.2009. Бюл. №24
8. Пат. РФ 2421302 на изобретение. МПК B23B35/00 Способ сверления глубокого отверстия в детали / С.Г. Комаишко [и др.]. Опубл. 20.06.2011. Бюл. № 17.
Горелова Ася Юрьевна, аспирант каф. АПП, forasyoo@,gmail. com, Россия, Волгоград, Волгоградский государственный технический университет,
Плешаков Алексей Андреевич, аспирант каф. АПП, [email protected], Россия, Волгоград, Волгоградский государственный технический университет,
Кристаль Марк Григорьевич, д-р техн. наук, проф. каф. АПП, [email protected], Россия, Волгоград, Волгоградский государственный технический университет,
WAYS TO INCREASE THE ACCURACY OF DEEP HOLES’ MANUFACTURING A.Y. Gorelova, A.A. Pleshakov, M.G. Kristal
General deviations that appear during the deep holes ’ manufacturing are described. The analysis of existing methods of increasing the accuracy is carried out and Existing methods of increasing accuracy are analyzed and divided into four groups. Disadvantages of each group are revealed. And the method of manufacturing with the usage of damping mechanism, which is aimed to reduce spiraling and deviation of deep hole’s axis in relation to tool’s axis, is developed.
Key words: boring, damping mechanism, spiraling, axis deviation, deviation compensation
Gorelova Asia Yorievna, post graduate student, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Pleshakov Alexey Andreevich, post graduate student, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Kristal Mark Grigorievich, doctor of technical science, professor, crysmar@mail. ru, Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University.
