Научная статья на тему 'Определение погрешности формы от действующих сил при фрезеровании торцовыми фрезами'

Определение погрешности формы от действующих сил при фрезеровании торцовыми фрезами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
267
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Цымбаленко А. П., Браилов И. Г.

В работе рассматривается расчет и влияние сил резания при торцовом фрезеровании на возникающие погрешности при обработке плоскостей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Цымбаленко А. П., Браилов И. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Evaluation of shape error due to forces applied at frontal cutter milling

In this article the methodology of calculation of the force applied to each cutter tooth is considered during the frontal cutter milling process. The total force depending on the angle of milling is presented by the parameters of the cutting tool system.

Текст научной работы на тему «Определение погрешности формы от действующих сил при фрезеровании торцовыми фрезами»

повышение производительности за счет увеличения количества материала, подаваемого на измельчение, но затем она снижается.

В рассмотренном случае величина расхода энергоносителя никаким образом не влияла на значения входных параметров. Гораздо больший интерес задача о получении продукта с заданной удельной поверхностью для заданной производительности при минимальном расходе энергоносителя. Решить такую задачу можно путем минимизации функции (1) при следующих значениях весовых коэффициентов: а, = 10"', а2 = 1, а = 102 Величины Оп = 10кг/ч и Б,, = 3700см^/гбыли выбраны исходя из средних расчетных значений технологических параметров при использовании данной мельницы в опытной линии для производства пигментов и красок на их основе.

Результаты выполненных расчетов представлены в графическом виде на рис. 5-8. Характер изменения зависимостей несколько отличается от предыдущих. Так минимальное значение расхода энерго-

носителя С;) = 39,86кг/ч при значениях, близких к заданным, 6„ = 9,97кг/чи5„ = 3699см2/г достигается при следующих значениях входных факторов: dl. - 3,47мм, с?.,. = 12,7мм, Ри = 0,21 МПа, Ст = Пкг/ч. Как видно из приведенных данных, в этом случае не весь подаваемый материал измельчается в мельнице, но при этом для двух заданных выходных параметров минимизируется третий.

Таким образом, полученный нами критерий оптимальности имеет чисто практический интерес. В дальнейшем он использовал-гя при исследованиях и наладке струйные противогочных мельниц в промышленных условия* применительно к конкретным технологическим задачам.

УВАРОВ Валерий Анатольевич, канд. техн. наук, доцент кафедры механического оборудования.

Дата поступления статьи в редакцию: 29.03.06 г. © Уваров В.А.

УДК 621.9.06-52:621.91 А. П. ЦЫМБАЛЕНКО

И. Г. БРАИЛОВ

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ФОРМЫ ОТ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ ТОРЦОВЫМИ ФРЕЗАМИ

В работе рассматривается расчет и влияние сил резания при торцовом фрезеровании на возникающие погрешности при обработке плоскостей.

Фрезерование относится к сложным технологическим процессам и его следует рассматривать как многопараметрическую и многокритериальную задачу. В зависимости от жесткости системы шпиндель-инструмент на погрешности влияет большое количество факторов, к которым, в первую очередь, относятся возникающие при фрезеровании силы резания.

К особенностям фрезерования следует отнести то, что в процессе обработки необходимо определять силы резания на каждом зубе от следующих параметров: изменения толщины срезаемого слоя материала заготовки, а также то, что фреза является многозубым инструментом и на каждый зуб сила действует в различных направлениях. Поэтому при расчете погрешностей, возникающих при обработке, необходимо учитывать силу на каждом зубе фрезы, величина и направление которой зависит от положения зуба в процессе фрезерования. Существенный вклад в расчет сил при фрезеровании был внесенВ.С.Кушнером [1].

Однако в приведенной работе методика не связывалась с расчетом технологических характеристик

и, в частности, с влиянием сил резания на возникающие при этом погрешности формы. Поэтому в настоящей работе рассматривается расчет погрешностей формы при торцовом фрезеровании в зависимости от составляющих сил резания. Кроме того, в предлагаемой работе, расчет погрешности и сил резания рассматривается в органической связи описания движения при фрезеровании векторными функциями в параметрах станочных систем [3] с обязательным параметром — углом вращения фрезы относительно оси.

Учитывая постановку задачи, в работе приводится векторное описание функции движения при фрезеровании в зависимости от угла поворота зубьев, что позволяет учитывать силы, возникающие при обработке, на каждом зубе фрезы. Векторная функция фрезерования дает возможность отслеживания положения зуба фрезы в принятой системе координат и при этом учитывать изменение толщины срезаемого слоя.

Задача определения погрешности при фрезеровании торцовыми фрезами в зависимости от действия сил резания на каждом зубе фрезы сводит-

ся к следующей постановке. Поскольку торцовые фрезы имеют прямолинейные режущие кромки, то вычисление силы резания в зависимости от технологических составляющих (скорости, подачи, глубины резания, прочностных характеристик обрабатываемого материала и д.р.) может быть произведено по методике несвободного стационарного резания при точении.

Вычисление сил на каждом зубе позволяет учитывать суммарное значение сил, действующих на фрезу, в зависимости от угла поворота, а с учетом жесткости шпиндельного узла, дает возможность рассчитывать угол отклонения торцового сечения фрезы, который влияет на погрешность формы. Угол отклонения шпинделя и торцового сечения фрезы при использование его в матрицах аффинного преобразования позволяет определить отклонения формы, как его максимальное значение, так и в каждом положении зуба фрезы.

В процессе расчета технологических сил при фрезеровании необходимо учитывать: изменение направления вектора силы в зависимости от положения зубьев в процессе снятия припуска, участие количества зубьев в процессе обработки, положение детали относительно инструмента, а также углы поворотов зубьев фрезы, как параметры векторной функции движения при фрезеровании. Векторная функция, описывающая движение при фрезеровании по оси Н, имеет вид

К = — 4 S.

Cos(arctg(n -у)

г =

R • CosF,

R ■ SinF; + а • F О

(1)

где К — радиус фрезы, Я, — текущий угол поворота, а ■ ^ — перемещение по оси при текущем угле поворота. Значение текущего угла поворота И, позволяет отслеживать положение каждого зуба в процессе фрезерования, что дает возможность путем суммирования проекций подсчитать суммарные силы.

Согласно постановке задачи сначала рассчи-тывают-ся силы на прямолинейном режущем лезвии, которое расположено в системе координат ХОУ, (рис. 1).

Силы Рг, Рх и Ру для прямоугольного несвободного резания рассчитываются по формулам (1):

Р =Кг8в-8-г + (Ц1ав-Ь3+0,78в-Н„) ■ •О/втф + К^),

^ Соз(фу + агс^ - у) • 8тфу ' 5 - подача на оборот при точении, которая соответствует при фрезеровании подаче на 1 зуб (5г); I - глубина резания;

цг коэффициенттрения на задней поверхности [2]: »ст =0.4;

<тв -предел прочности при растяжении; Д - относительное удлинение при растяжении; Л- величина фаски износа по задней поверхности; Н0 - величина нароста на передней грани; (р - главный угол в плане;

Кх - коэффициент участия задней режущей кромки в процессе стружкообразования;

К - удельная сила при стружкообразовании [ 1 ]:

БтСаг^ц - у) 8В Соб(фу + агОДц - у) ■ 8тсру ' у- угол схода стружки в плоскости ХОУ, который вычисляется из выражения:

К. = — • -

ctgv = ctg<p + -

(3)

который при большой глубине резания t и малых значениях подачи S, можно принять равным углу в плане <р.

Технологические силы резания при фрезеровании следует рассматривать как сумму проекций сил Pz, Рх, PY (рис.1) на каждом зубе, участвующем в процессе обработки, вычисленных как мгновенные силы в текущий момент времени или при текущем значении угла F параметра векторной функции.

Из рисунка 1 следует, что сила PY проектируется на станочную ось W в независимости от текущего параметра F, и не оказывает влияния на другие составляющие силы. Силы Pz и Рх, в зависимости от текущего угла F¡, проецируется на оси V, Н фрезерного станка. При этом проекции сил Р, и Рх на координатные оси станка, определяются по формулам: P,(V)= Рх ■ cos F., Р, (Н) = Py-sin F, Р, (V) = Ру • sin F, Р, (Н) = Р, • cos F; .

Расположение фрезы относительно обрабатываемой плоскости представлено на рис. 2.

Число одновременно работающих зубьев фрезы вычисляется по формуле [ 1 ]

(4)

Рх = К,.-Бв-Б^-этчл-Ов-Ь, ^ , (2)

где 5В- действительный предел прочности при растяжении [1]:

5В = ов (1 + Д) ; К;- удельная сила при стружкообразовании (1 ]:

W Н —у/F¡ Wi

( 0 Хл~ V

гЪЛ/ 1 Р* L_J

, V

ч

Рис. 1. Схема разложения сил резания при фрезеровании

В,

А , ' -

vi \ ;' 3 .........^ .

z,

Н !

/ S

Рис. 2. Расположение фрезы относительно обрабатываемой детали: Р, - текущее значение параметра функции фрезерования, которое относится к одному из зубьев фрезы;

- угол между соседними зубьями фрезы; Р, и Р, - углы, определяющие угол контакта фрезы с деталью; г, - число зубьев; В - ширина обрабатываемой детали; В,- смещение фрезы относительно ширины детали.

Таблица 1

Силы резания на каждом участвующем в обработке зубьев при торцовом фрезеровании

№ зуба

0 0,5 1,0 1,25

F, ,рад.

1 2 3 4 5 6

1 зуб Р„ 50,2 50,2 50,2 50,2

Pv 50 В 1,8 115,8 123

Рн 44,1 93,4 99 83

2 зуб Рл. 50,2 50,2 50.2 50,2

Pv 57,4 68,5 50,0 27

Рн 61,2 34.6 -28 -61.5

3 зуб P.V 50,2 90,2

Pv -14,4 -39

Рн 65,5 75,6

Рис. 3. Силы резания на каждом зубе при торцовом фрезеровании при глубине резания 1 = 1мм.

Z„ =INT

F2-F,

+ 1

(5)

где INT - целое число зубьев; F, и F , - углы контакта зубьев фрезы с деталью; Z - число зубьев фрезы. Из анализа зависимостей (1) и (5) определяется какие зубья и сколько участвуют в процессе обработки при текущем значении параметра F функции фрезерования.

Значение текущего угла F для перзого зуба в процессе вычисления проекций сил на координатные оси фрезерного станка изменяется, при принятой координации (рис. 2), начиная с Fimjn до F......, которые вычисляются по формулам

Fimi. =F, +Л/4, (6)

F =F. + 2tc/Z,

(7)

где Ъ - число зубьев фрезы.

Текущее значение углов ^ для других последующих зубьев, начиная с первого, вычисляется по формуле

Р =Р +п-Р (8)

где л — порядковый номер зубьев фрезы; Р/ — угол между соседними зубьями фрезы. Расчет угла Р1(я1| ведется только для зубьев, участвующих в обработке.

Суммарное приращение (от Р11П1П до Р11ШЧ)

не должно превышать Р,

ЕАР,<Р2 (9)

Суммарные технологические силы, действующие на узлы фрезерного станка и разложенные по координатным осям станка, рассчитываются по формулам:

и

(Yj)

(10)

Таблица 2

Суммарные силы резания при торцовом фрезеровании

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

п/п 1, мм IPi, Н/ ./f. рад 0 0,5 1,0 1,25

1 1 IP.v 150.6 150,6 100,4 100,4

2 1 IP. 93 110,1 80.9 44.0

3 1 IPs 170,9 200,36 149 98

Pv=£{P,Cos[F+(j-l)Fj +

И

+ P> Sin-[F+(j-l) Fj },

PH=£{P,-Sin-[F, +(j-l)Fj-

j=i

+ Р Cos-^+O-O-Fj }.

(11)

(12)

В таблицах 1 и 2 представлены расчетные данные сил резания на каждом зубе при торцовом фрезеровании и суммарные силы, действующие на фрезу в целом при глубине резания I = 1мм.

Отсугствие численных значений сил на третьем зубе (см. таблицу 1 и графики) при Р = 1 и 1,25 свидетельствуют о том, что при этих значениях текущего угла Е, в работе находятся только два зуба, в других случаях — три зуба.

Сила имеет постоянное значение. Сила Р№ при углах Р > 0.75 принимает отрицательное значение по отношению к принятой координации.

Суммарные силы вызывают деформацию (изгиб) фрезы и перекос оси шпинделя станка из-за наличия зазора в подшипниках, что приводит к повороту торцовой плоскости фрезы, в результате чего нарушается плоскостность обрабатываемых поверхностей.

Под действием суммарной силы резания в направлении оси Н координат станочной системы, торцовое сечения фрезы и ось шпинделя поворачиваются на угол а , расчетные данные которого приведены в таблице 3.

Р,, -Г-а (За + 2) И= 6^1 + /

Р,, -О* 2Е_, • I,,

(13)

Уравнение движения инструмента по оси Н в векторной форме с учетом угла поворота запишется

н 200

V0

so -

О

—ip;J _IP„.I

1.25б 1.5

F,

ра?

Рис. 4. Суммарные силы резания при торцовом фрезеровании

Таблица 3

Суммарный угол поворота торцового сечения фрезы при глубине резания I =1мм

— -0.098 ____1^=-0,049

= -0.084

Сила резания Z Pi. Н Угол поворота сечения фрезы

РН о°

170,9 0,118

200,36 0,1387

149 0,103

98 0,068

г,=М г, (14)

где М- матрица поворота вокруг оси V.

После преобразований функция движения инструмента в векторной форме примет вид

(15)

R • CosF, г, = Cosa ■ (R ■ CosF + а ■ F) -Sina (R CosF +а F)

Погрешности, возникающие при этом движении с учетом поворота торцового сечения по осям, определятся по зависимостям:

AV = R • CosF,, ДН = Cosa • (R • CosF, + а2 • F,)

ДW = -Sina • (R • CosF, + г3 ■ F,) ■

На плоскостность обрабатываемой поверхности влияет отклонение AW.

В зависимости от режимов резания, прочностных свойств обрабатываемого материала, радиуса фрезы, жесткости шпиндельного узла и фрезы, возникающие силы вызывают перекос торцового сечения инструмента на угол а, который вызывает погреш-

(16)

(17)

(18)

Рис. 5. Погрешности формы от действия сил резания при фрезеровании при а, = 0,07°; сц = 0,12°; а, = 0,14"

ности формы при обработке плоскостей торцовыми фрезами. На рис. 5 представлен график погрешностей формы по оси W в зависимости от поворота торцового сечения фрезы на угол а.

Таким образом, в работе рассмотрена задача расчета погрешностей формы при фрезеровании плоскостей торцовыми фрезами в зависимости от сил, возникающих на каждом зубе, и с учетом жесткости шпиндельного узла станка.

Библиографический список

1. Кушнер B.C. Основы теории стружкообразования. — Кн. 1 // Механика резания: В 2-х кн. — Омск: ОмГТУ, 1996

2. ЗоревН.Н. Вопросы механики процесса резания металлов/ Н.Н Зорев. - М.: Машгиэ, 1956. - 368 с.

3. Браилов И.Г. Декомпозиция движений на фрезерных станках с ЧПУ/ И.Г. Браилов, А.П. Цымбаленко // Анализ, синтез механических систем: Сб. наун.тр. / Под ред. В.В. Евсти-феева. - Омск: ОмГТУ, 2001, - С. 40-44.

ЦЫМБАЛЕНКО Александр Петрович, заведующий лабораториями, инженер первой категории кафедры метрологии и приборостроения. БРАИЛОВ Иван Григорьевич, д.т.н., профессор кафедры информационной технологии.

Дата поступления статьи в редакцию: 24.05.06 г. © Цымбаленко А.П., Браилов И.Г.

Новые научно-технические разработки

Способ расчета векторов максимального смещения горных масс

в очагах землетрясений

В Институте экологических проблем Севера УрО РАН (г. Архангельск) разработан Способ расчета векторов максимального смещения горных масс в очагах землетрясений. Предлагаемый способ позволяет рассчитывать результирующий вектор максимального смещения горных масс в очаге землетрясения по двум нодальным плоскостям одновременно. Применение способа расчета позволяет получить однозначный ответ по какой плоскости произошел разрыв, что повышает возможность прогнозирования природных катастроф на крупных инженерных сооружениях в сейсмоактивных районах, в конечном счете позволит снизить риск катастроф, влияющих на состояние окружающей среды. Отечественные и зарубежные аналоги отсутствуют.

Возможные потребители: МПР, МЧС, Геофизическая служба РАН, проектно-строительные институты.

Институт экологических проблем Севера УрО РАН (г.Архангельск), (3182) 61 -91 -28, факс (8182I 61 -91 -36, e-mail: felix@dvina.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.