CC BY
31
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.941.1
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ МАСС
A.A. Маликов, A.B. Сидоркин
Рассмотрены методики расчета ветчины центробежных сил, возникающих при токарной обработке деталей типа тел вращения со смещенным центром масс, оценки погрешностей обработки, возникающих при их воздействии. Уделено существенное внимание аспектам компьютерного моделирования упругой деформации заготовки под действием центробежных сил. Приведены рекомендации по устранению ряда негативных последствий, возникающих в прогрессе токарной обработки заготовок.
Ключевые слова: токарная обработка, станок, точность, центробежная сила, центр масс, моделирование, расчет, погрешность.
Проблематика исследования, результаты которого рассмотрены в настоящей статье, продиктована тем, что служебное назначение целого ряда деталей типа тел вращения, являющихся продукцией общего машиностроения, в частности, детали 077 110 051 «Вал уравновешивающий», входящей в состав дизельного двигателя ТМЗ-450Д, требует ярко выраженного смещения центра масс (в плоскости, перпендикулярном оси детали -радиальной плоскости), которое конструктивно выражено в наличии широкого паза и, противоположено ему массивного сектора. В связи с этими конструктивными особенностями детали ее заготовка также имеет смещение центра масс (рис. 1).
При токарной обработке данной заготовки (при установке ее в центрах или трехкулачковом патроне с поджимом задним центром) с частотой вращения, определенной технологическими режимами, технологическая система начинает испытывать существенное воздействие центробежных сил.
При этом возникают:
а) дополнительные вибрации технологической системы, ухудшающие шероховатость обрабатываемых поверхностей;
б) упругий изгиб - прогиб заготовки от оси центров к периферии (в ту же сторону, куда и направлен вектор действия центробежной силы), ухудшающий точностные и геометрические характеристики обрабатываемых поверхностей;
в) повышенные нагрузки на зажимные элементы приспособления, которые могут вызвать смещение заготовки в процессе обработки и тем самым увеличить погрешность обработки;
г) повышенные нагрузки на шпиндельный узел станка, приводящие к преждевременному его износу и, как следствие, к потере точности при обработке.
Рис. 1. Определение масс-центровых характеристик сечения заготовки
Все перечисленные выше факторы свидетельствуют о необходимости определения:
а) величины центробежной силы;
б) величины силовых факторов, действующих на заготовку;
в) величины прогиба заготовки.
Таким образом, необходимо сравнить расчетную величину прогиба детали с допустимой и центробежной силы с допустимой по паспорту станка, например, как в работе [1], а также выработать (по мере необходимости) рекомендации по корректировке технологических режимов и изменению конструкции технологической оснастки.
Определение масс-центровых характеристик (МЦХ) обрабатываемой детали производится в рассматриваемом случае при помощи САПР «КОМПАС-3D» фирмы «АСКОН». Упрощенно представляем поперечное сечение А-А в виде двух комплексных фигур «Тело» и «Отверстие» (см. рис. 1).
Тогда МЦХ рассматриваемой детали: количество тел N = 1,
количество отверстий N = 1,
площадь S = 46,122671 см2,
центр масс Хс = 0 см,
Yc = 2,734507 см. Принимая во внимание только массу эксцентрического участка детали, ее МЦХ будут:
количество тел N = 2,
количество отверстий N = 0,
3
плотность р = 7,85 г/см ,
масса М = 1076,748148 г,
объем V = 137,1653692 см3,
центр масс Хс = 0 см,
Yc = 2,734507 см, /с = 3,209411 см. Величину центробежной силы можно определить по формуле [2]
2 ОЯи? ____рп Л 2 МЯп 2
¥с = МЯыл = = 0,1020Я &
рп
V 30 ,
91,3
где М - масса эксцентрического участка детали, кг; Я - расстояние от оси вращения детали до центра масс детали, м; ю - угловая скорость, рад/с; G - вес детали, Н; & - ускорение свободного падения &=9,8 м/с ; п - частота вращения детали во время обработки.
Результаты расчетов для рассматриваемой детали сведем в табл. 1.
Согласно [1] могут быть определены предельно допустимые величины дисбаланса заготовки при обработке ее на станке. Пользуясь ранее записанной формулой, можно определить величину предельно допустимой центробежной силы, действующей на шпиндельный узел станка. Результаты оформлены в виде табл. 2.
Таблица 1
Расчет величины центробежной силы
Част. вращ., об/мин Центр. сила Рс, Н Част. вращ., об/мин Центр. сила Рс, Н
1 0,000323 750 181,4456
5 0,008064 900 261,2817
10 0,032257 1000 322,57
25 0,201606 1110 397,4385
50 0,806425 1250 504,0156
75 1,814456 1500 725,7825
100 3,2257 1750 987,8706
150 7,257825 2000 1290,28
300 29,0313 2250 1633,011
500 80,6425 2500 2016,062
Таблица 2
Расчет величины допустимой по паспорту станка центробежной силы
Частота вращения шпинделя, об/мин Допустимый дисбаланс при установке в центрах, МЯ Допустимая центробежная сила F Н 1 c maxi -L-L
кг-см кгм
0...500 150 1,5 4107,338
500...1250 18 0,18 3080,504
1250.2500 4 0,04 2738,226
Величину прогиба заготовки, имеющей сложное поперечное сечение, удобно находить с помощью моделирующих САПР, к которым можно отнести прикладную программу «КОМПАС-Shaft», входящую в состав САПР «КОМПАСА».
Исходными данными для моделирования являются:
а) величина центробежной силы, приложенной к заготовке (вектор силы направлен от центра масс заготовки к ее периферии);
б) чертеж заготовки, обрабатываемой на токарной операции;
в) тип и характер расположения установочных элементов приспособления.
Максимальная величина прогиба вала на токарной операции согласно рекомендациям справочников [3 и 4] при прочих равных условиях принимается не более 20 % одностороннего допуска на исполняемый размер. Для рассматриваемого случая это ТЪ=0,13 мм, 1/2 ТЪ =0,06 мм, тогда допустимый прогиб
с=0,06 0,2=0,012 мм.
6
Из табл. 1 выбирается максимальная расчетная величина центробежной силы, соответствующая частоте вращения заготовки. При этом учитывается, что на заготовку действует только центробежная сила, так как сила резания Ру будет всегда направлена к центру заготовки и в какой-то мере компенсировать действие центробежной силы и уменьшать упругий отжим заготовки, иными словами, восстанавливать «искривленную» ось вращения заготовки.
Исходные данные и результаты моделирования величины прогиба заготовки, полученные в системе «КОМПАС-5Ьай», представлены на рис. 2-5.
РС=2016Н
Рис. 2. Расчетная схема приложения сил
1119.6298 Н
12600
-1119.6298 Н
767954 Им
Рис. 3. Эпюра сил
Рис. 4. Эпюра изгибающих моментов
Рис. 5. Эпюра прогиба вала
7
I 126.00
мм
Результаты, полученные в ходе расчетов и компьютерного моделирования, свидетельствуют, что при токарной обработке вала на станке с ЧПУ возникает ряд ограничений.
Сравнение расчетных показателей величины центробежной силы с максимально допустимой по паспорту станка свидетельствует о том, что рассматриваемая заготовка может обрабатываться во всем диапазоне частот вращения, поддерживаемым станком [1]. Однако при анализе эпюры прогиба вала (см рис. 5), возникающего под действием центробежной силы, установлено, что величина прогиба с=0,012 мм самой точной шейки вала, обработка которой производится на рассматриваемой операции, находится на границе предельно допустимой [с]=0,012 мм. Следовательно, необходимо наложить ограничение на максимальную частоту вращения заготовки при ее обработке. По результатам моделирования в системе «КОМПАС-8ЬаЙ» установлено, что для соблюдения данного условия величина центробежной силы Рс не должна превышать 1641,28 Н. Тогда, воспользовавшись табл. 2, установим граничную частоту вращения детали ПтазГ2250 об/мин. Оба граничных условия можно представить в виде графика (рис. 6).
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
п. об/мин
0 250 500
-Fe вращения звготовки
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 - Ее допустимая по паспорту станка — - Рс допустимая по точности обработки
Рис. 6. Графическая интерпретация граничных условий
Из графика видно, что максимальная частота вращения детали при ее обработке, определяемая режимами резания [4] 710 об/мин, не превышает величину ограничений, задаваемых точностными условиями обработки детали и силовыми, допускаемыми для данного типа станка.
Список литературы
1. Станок токарный патронно-центровой с числовым программным управлением 16А20Ф3. Руководство по эксплуатации 16А20Ф3. РЭ /Московский станкостроительный завод «Красный пролетарий» им. А.И. Ефремова. 2000. 149 с.
2. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Байков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: справочник. М.: Машиностроение, 1990 512 с.
3. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. Т.1 / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1986. 656 с.
4. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением: в 2 ч. Ч. 2. Нормативы режимов резания. М.: Экономика, 1990. 474 с.
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь УНИР, alan-a@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF TECHNOLOGICAL LIMITATIONS WHEN TURNING PARTS LIKE BODIES OF ROTATION WITH THE DISPLACEMENT OF THE CENTER OF MASS
A.A. Malikov, A.V. Sidorkin
The methods of calculating the value of the centrifugal force generated by the turning of parts such as bodies of rotation with a displaced center of mass, estimates of errors arising from the processing of their impact. Paying attention susche-governmental aspects of computer modeling of deformation of the workpiece under the influence of centrifugal forces. The recommendations for the elimination of a number of negative consequences arising in the process of turning workpieces.
Key words: turning, lathe, precision centrifugal si la, center of mass, simulation, calculation error.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, andrej-malikov@yandex.ru, Russia, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of tehnical sciences, research engineer, alan-a@,mail.ru, Russia, Tula State University
