РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МОБИЛЬНОГО ФРЕЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI 10.25987/VSTU.2019.15.4.022 УДК 621.914.1

РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МОБИЛЬНОГО ФРЕЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

А.М. Козлов1, Е.В. Кирющенко2, А.А. Козлов1

1Липецкий государственный технический университет, г. Липецк, Россия 2 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат», г. Липецк, Россия

Аннотация. Развитие машиностроительного производства привело к созданию мобильного оборудования -станков, которые могут устанавливаться на обрабатываемом изделии. Отличительной особенностью таких станков является отсутствие станины, что делает технологическую систему маложесткой. Это в ряде случаев приводит к возникновению вибраций в технологической системе, что ограничивает производительность процесса, снижает стойкость инструмента и увеличивает износ узлов станка. Возникновение и развитие вибраций при обработке наиболее характерно для фрезерования, когда сама конструкция инструмента определяет прерывистость резания. Наиболее универсальным параметром, характеризующим компоненты вибрации, является виброскорость. При обработке фрезерованием с использованием мобильного оборудования предлагается воздействовать на колебательный процесс с помощью введения в технологическую систему дополнительной колеблющейся массы (демпфера), параметрами колебаний которой можно управлять независимо от режимов резания. Анализ динамической системы при фрезеровании показал, что при равенстве собственной и вынуждающей частот сдвиг фаз может быть равен только -л/2. Это значение сдвига фаз соответствует условиям возникновения резонанса. Если достаточное количество энергии потратится на установление положения равновесия, то на возбуждение колебаний её останется меньше и резонанс не наступит. Эффективно компенсировать влияние регенеративных колебаний можно, создав такие условия работы системы, при которых энергия колебательных процессов будет постоянно расходоваться на такую перенастройку

Ключевые слова: фрезерование, колебания, вибрационный процесс, режимы резания, демпфирование

Введение

Постановка задачи

Фрезерование является одним из самых распространенных методов обработки деталей, поэтому его исследованию с целью повышения качества и производительности обработки уделяется значительное внимание [1, 2]. Применение мобильного или портативного металлорежущего оборудования в ряде случаев не имеет альтернативы, но накладывает ряд ограничений на технологический процесс. Особенностью такого оборудования является отсутствие фундамента и станины, поэтому технологическая система в данном случае будет обладать меньшей жесткостью по сравнению со стационарными станками. Это приводит к возникновению вибраций в технологической системе, что ограничивает производительность процесса, снижает качество обработки и стойкость инструмента. Технологическая система, обладая достаточной собственной устойчивостью, оказывается неустойчивой при установке оборудования на место обработки, что особенно характерно для процесса фрезерования [3].

Важным показателем мобильного металлорежущего оборудования является его виброустойчивость. На основе анализа виброустойчивости можно исследовать динамические процессы технологической системы станка через относительные показатели изменения компонент вибрации и понять процессы стабилизации отдельных видов колебаний его механизмов. Наиболее универсальным параметром компонент вибрации является виброскорость, так как имеет равномерный характер в широком частотном диапазоне. Виброустойчивость, определенная по виброскорости, является комплексным показателем для анализа состояния технологической системы и отдельных её элементов [4].

Система резания (рис. 1) в данном случае представляет собой совокупность входных и выходных параметров, где отдельное внимание уделено среде, в которой проходит процесс резания, т.е. совокупностью внешних условий, которые могут повлиять на устойчивость системы.

© Козлов А.М., Кирющенко Е.В., Козлов А.А., 2019

Рис. 1. Система резания при использовании мобильного оборудования

Методы исследования

В качестве основы для процесса резания технологическую систему металлорежущего оборудования следует рассматривать как замкнутую колебательную систему со многими степенями свободы, в каждой из которых возникают самостоятельные колебательные процессы [5, 6]. В технологической системе фрезерного оборудования есть несколько видов колебательных процессов: собственные колебания - колебания, обусловленные внутренними характеристиками; вынужденные колебания, которые возникают из-за прерывистого характера резания, наличия дисбаланса в конструкции оборудования (в том числе из-за износа движущихся узлов и нарушения правил эксплуатации) и тепловых процессов в зоне резания и кинематических узлах; автоколебания, которые возникают из-за неравномерной толщины срезаемого слоя металла и перераспределения энергии от других источников.

При фрезеровании с использованием мобильного оборудования можно воздействовать на колебательный процесс с помощью введения в технологическую систему дополнительной колеблющейся массы (демпфера), параметрами колебаний которой можно управлять независимо от режимов резания. Возникший колебательный процесс будет оказывать влия-

ние на вибрации во всей системе, колеблясь с ними с определённой разностью фаз (рис. 2), т.е. параметры колебаний демпфера будут определённым образом отличаться от вибрации технологической системы.

Уравнение движения системы запишем как проекций на соответствующую плоскость:

(тхх + Кхх + схх = -Ру 8т(у) - Р2 созО) \туу + куу + суу = -Ру соз(7) -Р2

где шг - масса системы, кг; сг - жесткость системы, И - коэффициент демпфирования; ?! - вынужденная сила, действующая на систему.

Дифференциальные уравнения системы с демпфером имеют вид:

т1х-1 + к.х1 + +(с- + С2)х1 - к1x2 - С2Х2 = ^ , (2)

т2х2 — кх-1 —

-С2Х1 + кх-2 + С2Х2 = 0,

где ш1 - масса системы, кг; ш2 - масса гасителя, кг; сг - жесткость системы, с2 - жёсткость демпфера, И - коэффициент вязкого сопротивления.

Частота ващенкя, об/мин

Рис. 2. Влияние режимов резания на виброскорость с использованием мобильного оборудования при наличии демпфера (вверху) и без него

Система с малым коэффициентом жесткости, но устойчивая при резании по следу, может стать неустойчивой, когда коэффициент жесткости станет больше некоторой величины. При равенстве собственной и вынуждающей частот сдвиг фаз может быть равен только —ят2. Это значение сдвига фаз соответствует условиям возникновения резонанса. Значит, эффективно компенсировать влияние регенеративных колебаний можно, создав условия работы системы, при которых энергия колебательных процессов будет постоянно расходоваться на такую перенастройку. Если достаточное количество энергии потратится на установление положения равновесия, то на возбуждение колебаний её останется меньше. И если период волны на поверхности резания не будет совпадать с периодом собственных колебаний, то уровень колебаний будет намного меньше и резонанс не наступит.

Результаты

Теоретические положения были проверены экспериментально. Форма колебаний (рис. 3), полученных при исследовании технологической системы, состоит из двух частей: переходного процесса, обусловленного врезанием инструмента, и уже установившегося движения.

Рис. 3. Спектральный анализ колебаний шпинделя мобильного станка для одной частоты вращения инструмента

Выбираем часть области уже установившегося движения для данного режима и все экстремумы графика движения из этой области откладываем в виде точек с соответствующими ординатами, где по оси абсцисс откладываем частоту колебаний инструмента. В результате получаем графический расчёт вибрскоро-сти по пиковым значениям амплитуды вибрации при исследовании вынужденных колебаний со значением подачи 70 мкм/зуб. Режим считается неустойчивым и его дальнейшее рассмотрение нецелесообразно, если превысить граничное значение амплитуды колебаний (в данном случае 1 мм).

Резонансный характер увеличения амплитуды колебаний показывает расположение пиков на диаграмме гармоник для определенных частот. Наличие сил резания, связанных с частотами вибрации, кратными частоте прохождения зубьев при обработке, объясняет наличие многочисленных пиков в спектре колебаний рассматриваемого режима (рис. 4). На рис. 5 рассмотрено формирование сил резания и их частотный анализ в окрестности первого и второго пика. Первый пик спектра обусловлен частотой прохождения зубьев, а второй пик -второй гармоникой сил резания. Поэтому ско-

рость вибрации фрезы в 2 раза меньше чем около первого пика.

За счет запаздывания в спектре (рис.4) появляются дополнительные гармоники, одна из которых близко подходит к резонансной частоте системы, что обусловливает высокую амплитуду вибраций. Данный режим является неустойчивым с точки зрения регулярного резания. Но в системе устанавливается другой стационарный режим движения, сопровождающийся существенно более высокими амплитудами колебаний. Использование частоты 0,44 для процесса концевого фрезерования является нежелательным из-за значительного роста амплитуды колебаний системы и резкого изменения сил резания. Таким образом, между частотами 0,4 и 0,44 проходит граница области устойчивости регулярного резания. При дальнейшем увеличении относительной частоты вибрации в системе нарастают. Тогда режим обработки становится все менее применимым. Граничный режим соответствует значению 0,51 относительной скорости вращения фрезы. Тогда граница области нестабильных режимов резания заканчивается при значениях ю > 0,51. При ш > 0,54 начинается новая область неустойчивости процесса резания.

..... 1 . Ох.

1,0 80 9 00 ,ш 20 "" "" 60 "" ""2002,0 220"240 2502602,0280290"""" - -и-

■ . - ..... 1.1. . СМШ

Рис. 4. Спектры вынужденных колебаний виброскорости (вверху) и виброускорения для диапазона 0.3...3.3 мм/с

Резонансные или околорезонансные процессы из-за совпадения собственной частоты системы и частоты вынужденных колебаний способствуют увеличению уровня вибрации при возмущениях по следу. Полученные результаты показали: параметром, влияющим

на уровень колебаний, является сдвиг фаз в начальный момент резания по следу. При начальном сдвиге, равном л/2, наблюдается минимальный уровень колебаний, а максимальный - при -п/2. Колебания достаточно быстро затухают, если начальный сдвиг фаз отличен от -п/2, так как часть энергии колебательного процесса расходуется на сохранение равновесия системы. Если же начальный сдвиг фаз равен -п/2, система сразу же перестраивается на необходимый сдвиг фаз, в результате чего возникают установившиеся колебания. Значит, в существующую конструкцию мобильного металлорежущего оборудования будет добавлено демпфирующее устройство, являющееся дополнительным источником энергии, на преобразование которой будет расходоваться колебательная энергия технологической системы. При этом становится возможным устранить резонансные колебания с большими амплитудами на заданных частотах (рис. 5).

аиАрлскора: п., &м6рос ■дрки». мм/с

Время, мс Время, М£

Рис. 5. Изменение виброскорости на режиме п = 7800 мин-1, Б = 200 мм/мин до (слева) и после установки демпфера

Рис. 6. Обработка стальной пластины на мобильном фрезерном станке БВЛ400, предназначенном для алюминиевых сплавов

Для исследования влияния демпфирующего устройства использовался мобильный фрезерный станок БВЛ400 с системой ЧПУ (рис.

6). Данное оборудование предназначено для обработки алюминиевых сплавов. Задача экспериментального исследования заключалась в определении уровня колебательной активности системы при расширении технологических возможностей оборудования. Применялись однотипные фрезы диаметром 8 мм с числом зубьев ъ = 5. В качестве заготовок использовались алюминиевые и стальные пластины.

В устойчивом режиме резания при упругих деформациях инструмента нагрузка на каждый его зуб при каждом проходе распределена равномерно. Движение технологической системы происходит в автоколебательном режиме за счет механизма запаздывания. При использовании демпфирующего устройства вызванные принудительно колебания способствуют тому, что каждый зуб фрезы срезает необходимый объём материала. Инструмент при активном демпфировании равномерно нагружен, общий уровень колебаний системы снижается (рис. 7), в результате появляется возможность интенсифицировать процесс резания без роста уровня вибрации. Это позволяет повысить как производительность процесса, так и обрабатывать более твёрдые материалы.

Изменение виброскорости в зависимости от частоты колебаний

I 1 , 1

Вывод

В результате выполнения работы установлено, что можно активно воздействовать на вибрации, возникающие в процессе фрезерования на мобильном оборудовании, что позволяет расширить технологические возможности такого оборудования - повысить производительность процесса и обрабатывать материалы с более высокими механическими свойствами.

Литература

1. Козлов А.М., Малютин Г.Е. Повышение производительности чистового объемного фрезерования на станках с ЧПУ // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. 11(29). С. 14-18.

2. Козлов А.М., Кирющенко Е.В. Технологическое обеспечение точности фрезерной обработки крупногабаритных деталей // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 3. С. 65-73.

3. Свинин В.М. Исследование регенеративных автоколебаний при многолезвийной обработке // Обработка металлов. 2005. № 3 (28). С. 28-30.

4. Force and Displacement Transmissibility of a Nonlinear Isolator With High-Static-Low-Dynamic-Stiffness / A. Carrella, M. J. Brennan, T.P. Waters, and V. Lopes Jr. // Int. J. Mech. Sci., 2012. 55(1), pp. 22-29.

5. Городецкий Ю.И., Стребуляев С.Н., Майорова Ю.Е. Исследование автоколебаний динамической системы фрезерного станка с нелинейным элементом // Вестник научно-технического развития. Национальная Технологическая Группа. 2009. № 9 (25). С. 91-95.

6. Заковоротный В.Л., Губанова А.А., Лукьянов А.Д. Условия параметрического самовозбуждения динамической системы фрезерования концевыми фрезами // СТИН. 2016. № 6. С. 10-16.

Рис. 7. Изменение виброскорости при обработке стальной пластины на мобильном фрезерном оборудовании

Поступила 10.06.2019; принята к публикации 05.08.2019

Информация об авторах

Козлов Александр Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, г. Липецк, ул. Московская, 30), e-mail: kam-48@yandex.ru, тел. 8-905-044-90-10, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7650-0616

Кирющенко Евгений Владимирович - канд. техн. наук, начальник технологического отдела Ремонтного управления, ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (398040, г. Липецк, пл. Металлургов, 2), e-mail: ironfalcon@mail.ru, тел. 8-952-596-85-89

Козлов Андрей Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Липецкий государственный технический университет (398055, г. Липецк, ул. Московская, 30), e-mail: soy4astnik@mail.ru, тел.+7-904-218-85-44, ORCID: https://orcid. org/0000-0003-1841-7106

EXPANSION OF TECHNOLOGICAL CAPABILITIES of MOBILE MILLING EQUIPMENT

А.М. Kozlov1, E.V. Kiryushchenko2, A.A. Kozlov1

1Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia 2 Novolipetsk Metallurgical Plant, Lipetsk, Russia

Abstract: the development of machine production has led to the creation of mobile equipment - machines that can be installed on the treated product. A distinctive feature of these machines is the lack of the frame, which makes the technological system not rigid. This, in some cases, leads to the occurrence of vibrations in the technological system, which limits the productivity of the process, reduces tool life and increases wear of machine components. The emergence and development of vibration are the most characteristic of milling when the design tool detects the intermittence of cutting. The most universal parameter characterizing the components of vibration is velocity. When milling with the use of mobile equipment, we proposed to influence the oscillatory process with introducing additional oscillating mass (damper) into the technological system, the vibration parameters of which can be controlled independently of the cutting data. Analysis of the dynamic system in milling operations showed that the equality of own and driving frequencies, the phase shift can be equal only -w2. This value of phase shift corresponds to the conditions of occurrence of resonance. If a sufficient amount of energy spent on the establishment of the equilibrium position, the excitation of vibrations will be less and the resonance will not occur. Effectively compensate for the effect of regenerative oscillation by creating a working environment of the system in which the energy of oscillatory processes will be continuously consumed to such reconfiguration

Key words: milling, vibrations, vibration process, cutting conditions, damping

References

1. Kozlov A.M., Malyutin G.E. "Improving the performance of finishing volume milling on CNC machines", High Technologies in Mechanical Engineering (Naukoyemkie tekhnologii v mashinostroenii), 2013, no. 11(29), pp. 14-18.

2. Kozlov A.M., Kiryushchenko E.V. "Technological support of precision milling of large parts", Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology (Fundamental 'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii), 2012, no. 3, pp. 65-73.

3. Svinin V.M. "Study of regenerative self-oscillation in productive processing", Metalworking (Obrabotka metallov), 2005, no. 3(28), pp. 28-30.

4. Carrella A., Brennan M. J., Waters T.P., Lopes V.Jr. "Force and displacement transmissibility of a nonlinear isolator with high-static-low-dynamic-stiffness", Int. J. Mech. Sci., 2012, no. 55(1), pp. 22-29.

5. Gorodetskiy Yu.I., Strebulyaev S.N., Mayorov Yu.E. "Study of self-oscillations of a dynamic system of milling machine with a non-linear element", Bulletin of Scientific-Technical Development. National Technology Group (Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya. Natsional'naya Tekhnologicheskaya Gruppa), 2009, no. 9(25), pp. 91-95.

6. Zakovorotnyy V.L., Gubanova A.A., Luk''yanov A.D. "Conditions for parametric excitation of a dynamic system milling end mills", STIN, 2016, no. 6, pp. 10-16.

Submitted 10.06.2019; revised 05.08.2019

Information about the authors

Aleksandr M. Kozlov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), e-mail: kam-48@yandex.ru; tel.: +7-905-044-90-10, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7650-0616 Evgeniy V. Kiryushchenko, Cand. Sc. (Technical), Head of Technological Department of Repair Department, Novolipetsk metallurgical plant (2 Metallurgov square, Lipetsk 398040, Russia), e-mail: ironfalcon@mail.ru; tel. +7-952-596-85-89 Andrey A. Kozlov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Lipetsk State Technical University (30 Moskovskaya str., Lipetsk 398055, Russia), e-mail: soy4astnik@mail.ru; tel.: +7-904-218-85-44, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1841-7106