CC BY
58
УДК 621.941
М.В. Матрохин, асп., (910)554-58-76, nixortam@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.И. Федин, канд. техн. наук, проф., (4872) 33-23-10, tms@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.С. Ямников, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-23-10, tm s @tsu. tula. ru, yamnikovas@mnail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ УЗЛОВ СТАНКОВ
Описан применяемый на практике способ определения жесткости узлов станка по сравнению с эталонным образцом. Приведены формулы для определения жесткости по промерам обработанных заготовок. Констатируется факт, что точность способа ниже, чем экспериментального, а преимуществом является возможность использования измерительных устройств, широко распространенных на производстве.
Ключевые слова: станок, жесткость, измерение, производственные
условия.
Производственный способ используется для практической оценки технического состояния металлорежущих станков [1]. Известно, что основное влияние на точность диаметральных размеров обработанных поверхностей оказывает радиальная составляющая силы резания PY. Именно радиальная составляющая жесткости и представляет основной практический интерес в реальном машиностроительном производстве (поэтому данный способ получил название "производственный"). В основе способа лежит экспериментальное определение суммарных относительных перемещений технологической системы в виде погрешности диаметрального размера обработанной эталонной заготовки под действием известной по величине радиальной составляющей силы резания. При этом величина радиальной составляющей Ру определяется:
1) расчетным путем;
2) измерением с помощью различной контрольной (исследовательской) аппаратуры, например, универсального тензометрического динамометра, например УДМ-600 или УДМ-1200.
В первом случае процесс экспериментальной обработки на исследуемом оборудовании производится строго по выбранным условиям, оговариваемым в нормативах режимов резания. Для токарных станков типа 16К20 рекомендуется производить обработку эталонной (по обрабатываемости) стали 45 твердосплавным инструментом Т15К6 на режимах резания V=60...100 м/мин, »So=0,25...0,4 мм, t=3...5 мм. Геометрия инструмента обеспечивается специальной заточкой по указанным в используемых нормативах параметрам с контролем их точности. Для устранения влияния случайных факторов на точность обработки заготовка (прокат) контролируется по химическому составу, физико-механическим свойствам (твердо-
сти). Колебание припуска устраняется предварительной обработкой заготовки в заданный размер.
В теории резания [2] широко используется степенная математическая модель силы резания и ее составляющих вида
X ■ У ■ т ■ п ■
Pj = с^ ■ г3 ■ 5 3 ■ V 3 ■ НВ 3 ..., (1)
где 3 - соответствующая координата технологической системы X, У или Z; Ср - коэффициент обрабатываемости конструкционного материала данным инструментом; НВ - твердость конструкционного материала; I, 5, V - параметры режима резания: глубина, подача и скорость; Х3, У3-, т3, п3- -показатели степени.
Многоточие в формуле (1) означает, что в различных математических моделях присутствуют и другие параметры, обусловливающие процесс резания (износ инструмента по задней поверхности, геометрические параметры режущего клина и т.п.).
Как известно, на точность диаметральных размеров при токарной обработке доминирующее влияние оказывает радиальная составляющая силы резания РУ [2]. Тангенциальная Р2 и осевая РХ составляющие оказывают незначительное влияние на точность диаметральных размеров обрабатываемых поверхностей (не превышающее 5%), и их, как правило, не учитывают при оценке жесткости производственным способом.
Естественно, что производственный способ определения жесткости с расчетом радиальной составляющей силы резания требует достаточно тщательной предварительной подготовки процессов экспериментальной обработки и менее точен (вследствие погрешностей математических моделей расчета составляющих силы резания). Его практическое применение допустимо только при отсутствии средств экспериментального контроля сил резания.
Способ производственного контроля жесткости с измерением фактического уровня составляющих силы резания (всех или одной - радиальной) менее трудоемок в предварительной подготовке и может теоретически проводиться при любых допустимых режимах резания.
На рис. 1 показана схема определения радиальной жесткости шпиндельного узла относительно суппортной группы токарного станка (инструмента) производственным способом с фактическим контролем составляющей силы резания РУ .
Заготовка должна быть максимального диаметра для установленного на станке патрона с тем, чтобы предельно исключить влияние на определяемую составляющую жесткости подсистемы "заготовка-инструмент-приспособление-станок" собственно жесткости заготовки. К тому же заготовка устанавливается с минимальным вылетом в патроне (3.. .5 мм), учитывающим только перебег инструмента при резании, и должна иметь минимальную длину обрабатываемой ступени (10.15 мм).
Рис. 1. Схема производственного способа определения радиальной
жесткости шпиндельного узла токарного станка с экспериментальным контролем составляющей силы резания Ру: 1 - динамометр типа УДМ-600; 2 - заготовка; 3 - индикаторная оправка; 4 - пиноль задней бабки
Определение жесткости производится по следующему алгоритму:
1. Установленная заготовка предварительно протачивается тем же инструментом с минимальным припуском с целью исключения биения и неравномерности припуска в размер DЗ. Перед проходом лимб поперечной подачи устанавливается на нулевое деление.
2. После точения ступени инструмент перемещается в исходное положение без изменения положения лимба поперечной подачи.
3. Производится измерение диаметра обработанной ступени DЗ , которая является условной поверхностью заготовки, с точностью не хуже 0,01 мм (используется микрометр).
4. Инструмент настраивается для съема определенного припуска (для станка 16К20 принимается припуск 1=4 мм) с отсчетом по лимбу, если его точность предварительно проверена и гарантирована. В противном случае используется индикаторная стойка или оправка в задней бабке (см. рис. 1) для установки инструмента с точностью 0,01 мм на номинальный размер DН.
5. Производится точение ступени заготовки с контролем фактического значения радиальной составляющей РУ силы резания (как уже отмечалось выше, остальные составляющие влияют на точность диаметральных размеров незначимо).
6. Производится измерение фактического диаметра D обточенной ступени с точность не хуже 0,01 мм (микрометром). Несложно установить, что суммарная величина перемещений в технологической системе "заготовка-инструмент-приспособление-станок" под действием РУ составляет
\сп = Л = f DЗ - D (2) Л Ушб = Л£ = 7--2-, (2)
а радиальная составляющая жесткости
1Ушб = 27-^7-^) ■ (3)
Для установления величины радиальной жесткости задней бабки (с вращающимся центром) относительно суппортной группы токарного станка (инструмента) используется схема, показанная на рис. 2.
Применение центровой схемы базирования, удлиненной заготовки и относительно небольшого диаметра ступени перед обрабатываемым участком позволяют практически полностью устранить влияние жесткости шпиндельного узла на результат измерений. Расчетная радиальная составляющая жесткости задней бабки относительно инструмента определяется по той же зависимости (3).
Описанный выше способ применяется в машиностроительном производстве только для определения жесткости станка-представителя, то есть одного станка определенной модели или группы однотипных моделей. Этот станок-представитель в дальнейшем используется как своеобразный "эталон" для сравнительной оценки параметров жесткости других станков. Для этого достаточно повторить опытную обработку заготовок по схемам на рис. 1 и 2 с теми же исходными условиями, включая режимы резания, геометрию инструмента и конструкционный материал заготовки. При этом контроль радиальной составляющей силы резания уже не проводится.
Тогда с достаточно высокой степенью вероятности можно утверждать об идентичности значений сил резания и, в частности, радиальных составляющих РУ. Следовательно, можно использовать принцип подобия: для станка-представителя (эталона)
2 ■ РУ
для любого станка 3
*1Ушб(Э) = 27 - (DЗ - Г^э)
1т П) = 2 ■ РУ
27 - ^З - Dj)
Тогда жесткость любого станка, аналогичного станку-
представителю, составит
зТшб( з)
]СП - (Dз - Dэ)
21 - ^з - Dj)
(4)
В принципе, анализируя зависимость (4), можно утверждать о возможности сравнительной оценки жесткости любого станка по станку-представителю (эталону) и при условиях, отличных от тех, при которых определялась жесткость самого станка-эталона, но в этом случае требуется произвести опытную обработку в измененных условиях без контроля силы резания на обоих станках: контролируемом и эталонном.
Рис. 2. Схема производственного способа определения радиальной составляющей жесткости задней бабки токарного станка с вращающимся центром: 1 - "жесткий " центр; 2 - поводок;
3 - заготовка; 4 - центр вращающийся
Следует напомнить, что жесткость станка как свойство сложного объекта имеет далеко не идеально линейную зависимость от собственно силы резания (составляющей). Следовательно, достоверность сравнительной оценки жесткости по станку-эталону при условиях, отличающихся от тех, при которых определялась жесткость самого станка-представителя,
будет ниже.
Список литературы
1. Основы технологии машиностроения: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Ямников А.С. и др. под ред. А.С. Ямникова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 269 с.
2. Вульф А.М. Резание металлов. Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1973.
M.V.Matrohin, E.I. Fedin, A.S. Yamnikov
PRODUCTION METHOD FOR DETERMINING THE HARDNESS MACHINE
TOOL
Described is applied in practice, a way to determine the stiffness of the camp sites-ka in comparison with the reference sample. The formulas for determining the stiffness of the treated sounding pieces. It is established fact that the accuracy of the method is lower than the pilot, but the advantage is the ability to use research-measuring devices, widely used in industry.
Key words: machine, hardness, measuring, manufacturing conditions.
Получено 20.11.12
