CC BY
66
Gushchin Ilya Alexandrovich, student, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Avdeev Artem Romanovich, postgraduete, avdartrom@gmail. com, Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Shvets Adrew Alexandrovich, postgraduete, shvetsandrew @,gmail com, Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Drobotov Alexey Vladimirovich, candidate of technical science, docent, alex-ey. drobotov@gmail. com, Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University
УДК 681.31:621.95(075)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСТАЧИВАНИЯ
ГИЛЬЗЫ ГИДРОЦИЛИНДРА
А.Ю. Горелова, М.Г. Кристаль
Основная причина возникновения погрешностей при обработке глубоких отверстий, это отклонение от прямолинейности оси отверстия заготовки, проявляющееся в виде технологической наследственности для операции глубокого растачивания. Движении инструмента по криволинейной траектории приводит к возникновению его колебаний, и, как следствие, к огранке отверстия. Описана методика проектиро-ваниярасточного инструмента, позволяющая на основе результатов математического и численного моделирования процесса растачивания учитывать отклонение от прямолинейности заготовки и уменьшить величину огранки отверстия. Предложена конструктивная схема усовершенствованного инструмента, описан процесс моделирования и достигнутые результаты.
Ключевые слова: растачивание глубоких отверстий, технологическая наследственность, вибрации инструмента
Гидроцилиндры широко используют в качестве приводов грузоподъемных машин и механизированных шахтных крепей. От точности обработки гильз гидроцилиндров зависят эксплуатационные характеристики указанного оборудования. При соотношении длины гильзы к ее диаметру превышающем 10, их относят к изделиям с глубокими отверстиями и их обработку производят на специализированных расточных станках инструментом, состоящим из борштанги и расточной головки с фиксированным двухрезцовым блоком и направляющими колодками, которые имеют прямоугольное основание, в поперечном сечении их профиль выполнен с галтелью, радиус которой равен требуемому радиусу отверстия, в продольном сечении колодки выполнены призматичекими. В расточной головке
105
установлен виброгаситель, в состав которого входят подвижные в осевом направлении опоры, контактирующие с направляющими колодками и подпружиненные пакетом тарельчатых пружин. Растачивание производят нев-ращающимся инструментом, совершающим подачу вглубь вращающейся заготовки, установленной в роликовых люнетах и вертлюге. При этом чередуют растачивание на растяжение и сжатие по проходам. Заготовкой для операции растачивания гильзы гидроцилиндра является труба, с подготовленным отверстием для захода инструмента и люнетными шейками. Обработка указанных элементов сопровождается образованием следующих погрешностей: увод и отклонение от круглости заходного отверстия, биение люнетных шеек. Далее в процессе растачивания глубокого отверстия происходит отклонение положения оси инструмента от заданного, проявляющееся как технологическая наследственность от предшествующей обработки заходного отверстия и люнетных шеек. Это сопровождается возникновением разницы глубин и радиальных сил резания для каждого резца, которые определяют силы, действующие на направляющие колодки, что приводит к деформации пакета пружин, чем обуславливается скачкообразное изменение момента сил, действующего в центре масс расточной головки [1]. Это приводит к поперечным колебаниям расточной головки и резонансу, при совпадении частоты собственных колебаний с частотой одной из гармоник вынужденных колебаний. Несмотря на то, что некоторые авторы [2, 3] относят описанные колебания к автоколебаниям или параметрическим колебания инструмента, мы считаем необходимым дополнительно их исследовать, так как амплитуда и частота этих колебаний определяют огранку отверстия.
Уменьшение величины указанных отклонений для достижения требуемой точности обработки гильз гидроцилиндров возможно за счет совершенствования конструкции расточного инструмента посредством учета влияния технологической наследственности на точность растачиваемого отверстия. Здесь и далее под технологической наследственностью следует понимать отклонение оси инструмента, проявляющееся как технологическая наследственность при обработке заготовки, имеющей отклонение оси от прямолинейности.
Анализ известных методов повышения точности обработки глубоких отверстий. Исследованиям в области динамики процесса растачивания и формообразования, в частности, влиянию динамических характеристик технологической системы на амплитуду ее колебаний посвящены работы известных ученых [4, 5]. Указанными авторами предложена методика выбора технологических параметров и режимов обработки по результатам диагностики состояния узлов технологической системы (рис.1). Однако, полученные указанными авторами результаты не позволяют оценить точность детали на стадии разработки технологического процесса с учетом технологической наследственности и параметров обработки.
Известны математические модели, позволяющие оценить погрешность обработки глубокого отверстия с учетом технологической наследственности [7, 8] и минимизировать их посредством рациональной расстановки люнетов и выбора параметров обработки. Однако, только технологические приемы не позволяют контролировать колебания расточной головки, которые являются причиной огранки.
Моделирование процесса растачивания с твердотельной 3^-моде-лью инструмента позволяет оценить его динамические характеристики для уточнения параметров обработки на этапе разработки технологического процесса и средств его обеспечения, однако для большей достоверности результатов моделирования необходимо учесть влияние технологической наследственности на динамику процесса растачивания.
В результате проведенного анализа известных методов повышения точности обработки глубоких отверстий, согласно предложенной авторами классификации (рис.1) установлено, что для компенсации погрешностей заготовки необходимо оптимизировать конструкцию инструмента посредством численного моделирования процесса растачивания на основе математического моделирования с учетом технологической наследственности.
Методы повышения точности обработки глубоких отверстий
8 X М о н о
и «
м «
<УГ ес.
с а-
а
и с Е
Вв.
5
с. X
а
в
Е У
ьи св я"
Моделирование технологического процесса
Разработка
конструкции
инструмента
ЦТ
Численное моделирование
С системой управления положением
С активным
динамическим
гашением
Параметрическое
Метод конечных элементов
С пассивным
динамическим
гашением
модели
Математическое моделирование
Диагностика узлов технологической системы
формообразования с учетом совместной деформации
образования погрешностей с учетом динамических свойств
процесса резания с параметрической составляющей
Технологические параметры
Параметры-обработки
расчет параметров
колебательного процесса в паре «инструмент-заготовка»
а х и о н о и
М «
<и Н и о к
0> а
и о с
се н
а>
Т
>>
т г> ю
учет измеренных погрешностей заготовки
Рис. 1. Классификация методов повышения точности растачивания
глубоких отверстий
107
Математическая модель процесса растачивания. На рис. 2. приведена расчетная схема процесса растачивания глубокого отверстия. Для построения модели процесса растачивания введено допущение о точечном контакте каждой колодки с поверхностью заготовки, и о распределении величины отклонения оси А от прямолиней-ности по закону синуса.
Рис. 2. Расчетная схема процесса растачивания глубокого отверстия
Предложена математическая модель процесса обработки глубокого отверстия расточной головкой с задним относительно резца расположением призматических направляющих колодок с учетом величины А отклонения от прямолинейности оси отверстия заготовки в виде
3ф + М (^) - Мг = Мрг (ф) + Мру (8);
^ + Ру + Р2 - Е1г = 0,
(1)
^ = (^ + ¥2 - ¥ъ - Я0, (2)
У = -Агвт(ш + р) ± Vя2 - Аг2 соб2 (ш + р) - Я , (3)
р
А = А0 + А • соб(- St ± 1Ь / 2), (4)
2
где 3 - момент инерции расточной головки относительно точки О, кг • м (см. рис. 2); ф - угол наклона расточной головки, рад; Гге2 - результирующая сила реакции направляющих колодок, Н; М (Еге1) - момент результирующей сил реакции, каждой из четырех (2) направляющих колодок относительно центра масс О, Н • м; М1г - момент сил трения, который зависит от разности сил пакетов пружин, в составе виброгасителя инструмента (Е1г = Еа - 2) возникающей при различном поджатии колодок У (2),
Н • м. Мр2 (ф) - момент результирующей составляющей силы резания Р2,
Н • м. Мру (8) - момент результирующей составляющей силы резания Ру,
Н • м; 8 = ш - текущее угловое положение заготовки; р - радиальное положение колодки, рад; Ггг - силы трения направляющих, Н; Аг (3) - увод
оси отверстия в плоскости колодки, мм; А - отклонение от прямолинейности оси заготовки на участке Ь; А0 - начальное для каждой колодки смещение, мм; £ - подача, мм/мин; г - время обработки, с; 1Ь - положение точки контакта колодки с поверхностью заготовки относительно центра масс О, мм; я - радиус кривизны участка заготовки.
В результате математического моделирования установлено, что призматическая форма направляющих колодок приводит к скачкообразному изменению момента сил их реакции (рис. 3). При разложении этого сигнала в ряд Фурье, обнаруживаются гармоники, которые вызывают резонанс с частотой вращения заготовки. Более высокие гармоники могут входить в резонанс с частотами вращения детали.
Рис. 3. Изменение величины М(Ргег)за один оборот заготовки
Предложена конструктивная схема расточной головки, которая состоит из корпуса 1 (рис. 4), в передней части которого выполнено окно 2 для размещения расточного блока, а на наружной поверхности выполнены пазы для размещения направляющих колодок 3.
Направляющие колодки 3 имеют прямоугольное плоское основание и верхние кромки выполненные с галтелями, причем радиус галтели в поперечном сечении равен требуемому радиусу обработанного отверстия, а радиус г галтели в продольном сечении определен, исходя из и по соотношению
60 • 12
г <—Т", (5)
А
где А - отклонение от прямолинейности оси исходного отверстия обрабатываемой заготовки; I - длина основания направляющей колодки.
109
Рис. 4. Конструктивная схема расточной головки, оснащенной направляющими колодками с галтелью
По оси корпуса 1 выполнено отверстие 4, в котором установлен виброгаситель, состоящий из сегментов 5, которые одним концом опираются на коническую поверхность головки винта 6, а другим концом опираются на коническую поверхность кольца 7 подвижного в осевом направлении и подпружиненного тарельчатыми пружинами 8. Винты 6 резьбовой частью ввинчены в резьбовое отверстие, выполненное по оси упорной втулки 9, и служат для регулировки жесткости тарельчатых пружин 8. Направляющие шпонки 3 установлены в пазах корпуса 1 на радиально-подвижных опорах 10, выполненных в виде цилиндрических стержней с плоскими торцами и установленных в радиальные отверстия корпуса 1. Длина опор 10 выполнена с таким расчетом, чтобы между дном паза и опорной поверхностью направляющих шпонок 3 был гарантированный зазор 11, размер которого не менее величины необходимого радиального перемещения направляющих шпонок 3.
Так как исходное отверстие имеет отклонение оси от прямолинейности, погрешность обработки люнетных шеек, погрешность обработки заходного участка, то продольная ось расточной головки уже имеет некоторое отклонение относительно заданного положения. Поэтому точка контакта каждой из направляющих колодок 3 различна и перемещается по радиусу направляющей колодки 3 по мере вращения заготовки и движения по непрямолинейному участку. Следовательно, каждая из направляющих колодок 3 имеет свое перемещение в рамках зазора 11, в зависимости от положения текущей точки контакта, которое преобразуется в величину деформации тарельчатых пружин 8 посредством радиально подвижных опор 10 через соответствующие сегменты 5, перемещая при этом кольца 7. При этом передние четыре направляющие колодки 3 создают деформацию одного пакета тарельчатых пружин 8, а задние четыре - другого пакета пружин. В центре масс расточной головки возникает результирующий момент
сил жесткости двух пакетов, который благодаря исполнению верхней кромки направляющих колодок 3 с галтелью изменяется плавно, без скачков, что исключает возникновение резонанса с вынужденной частотой. Это препятствует нарастанию амплитуды поперечных колебаний и возникновению огранки, что позволяет повысить точность обработки глубокого отверстия.
Параметры расточной головки г, I, С определяют значение амплитуды А поперечных колебаний расточной головки при определенной величине отклонения А от прямолинейности оси отверстия (рис. 5).
— С=3235 Ь-С=1235
^С=2235 ^С=835
\
С=435 Н/мм
47 60 65 70 75 80 85 г,мм
Рис. 5. Амплитуда А поперечных колебаний расточной головки при изменении радиуса г галтели и жесткости С колодок
при А = 0,0015мм
Для определение амплитуд и частот колебаний предложенного расточного инструмента при обработке заготовки, обладающей отклонением от прямолинейности проведено численное моделирование в программном комплексе SoHdWorks. Твердотельная модель растачиваемой трубы, обладает отклонением от прямолинейности Ае [0...2,5] мм, остальные параметры, включая массу и габаритные значения полностью повторяют требования конструкторской документации.
Численное моделирование процесса растачивания предложенным инструментом. Базирование трубы обеспечивают наложенные на модель ограничения по перемещениям. Растачивание производят предложенным расточным инструментом, модель которого содержит борштангу, корпус, направляющие колодки с жесткостью, варьируемой С е [435...3235] Н/мм. Радиус галтели г варьируют в диапазоне г е [60...90] мм. Люнеты борштанги заменены ограничениями, наложенными на модель. Остальные технологические параметры соответствуют технологическому процессу производства гильзы гидроцилиндра телескопирования.
111
На модель наложены, рассчитанные в результате математического моделирования силы: составляющие сил резания, Pz, Py, для каждой колодки
Fj (t), При моделировании регистрировались колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях контрольной точки (рис. 6) за время t, которая находится на вершине резца. Полученный график экспортируется для дальнейшего анализа в Excel, где определяют амплитуды a, b и частоту ир
колебаний и по известной формуле [9] рассчитывают величину огранки отверстия.
Рис. 6. Постановка задачи компьютерного моделирования
В результате моделирования установлено, что значения огранки АО при растачивании с предложенными колодками в 2,6 раза меньше по сравнению с растачиванием с призматическими колодками (рис. 7, 8). Установлены соотношения жесткости С и радиуса г колодок, позволяющие достичь наименьшие значения огранки при заданных параметрах обработки.
AZ),mkm
4Д:
1,5
0,5
0
д=и
—Г- /
* \
V; •I------- у
призматические колодки
:С=3235 01235 -С=435 "0835
-С=2235 Н/мм
60 65 70 75 80 85г,мм
Рис. 7. Зависимость величины огранки отверстия АБ от радиуса галтели направляющей колодки
112
Рис. 8. Зависимость величины огранки отверстия АО от жесткости С направляющих колодок
Выводы и результаты. В результате анализа литературных источников, согласно предложенной классификации, установлено, что для повышения точности обработки глубокого отверстия гильзы гидроцилиндра необходимо учитывать отклонение от прямолинейности оси заготовки на стадии проектирования расточного инструмента. Для этого целесообразно использовать компьютерное моделирование процесса растачивания заготовки, обладающей идентичными реальной заготовке отклонениями, дополненное результатами математического моделирования, что позволит оценить погрешности будущей детали на этапе проектирования и уточнить параметры инструмента.
Предложена математическая модель процесса растачивания глубокого отверстия гильзы гидроцилиндра, учитывающая отклонение А от прямолинейности оси заготовки, на основе которой установлена форма направляющих колодок, которая позволяет снизить амплитуду поперечных колебаний инструмента.
Приведена конструктивная схема расточной головки, оснащенной направляющими колодками в галтелью, рекомендованным радиусом
г <
60 • I
2
А
где А - отклонения от прямолинейности оси исходного отвер-
стия обрабатываемой заготовки; I - длины основания направляющей колодки.
Предложена методика численного моделирования процесса растачивания глубокого отверстия гильзы гидроцилиндра, основанная на результатах вычислений сил, действующих на колодки и сил резания по предложенной математической модели, на основе которой определены радиус галтели г, жесткость С, длина I направляющих колодок, обеспечивающих снижение огранки.
Для заготовки гильзы гидроцилиндра длиной L=7000 мм, максимальным отклонением от прямолинейности оси А = 0,002 мм, получено значение радиуса r=65 и жесткости С=835 Н/мм, обеспечивающих уменьшение огранки в 2,6 раза по сравнению с призматическими колодками.
Список литературы
1. Горелова А.Ю., Кристаль М.Г., Попов А.И. Динамическая стабилизация положения инструмента при обработке глубоких отверстий для сборки // Technologia i Automatyzacja Montazu. 2016. P. 28-33.
2. Munoa J., Beudaert X., Domdovari Z. Chatter suppression techiques in metal cutting // Manufacturing Technology. 2016. P. 785-808.
3. Do Hun C., Moon Chul Y., Sung Bo S. Roundness modeling in BTA deep hole drilling // Precision Engineering. 2005. P. 176-188.
4. Isaev A.V., Kozochkin M.P. Use of a measurement information system to increase the precision with thin-walled parts are machined on numerically controlled milling machines // Measurement Techniques. 2014. P. 1155-1161.
5. Kozochkin M.P., Sabirov F.S., Suslov D.N., Abramov A.P. Vi-broacoustic Diagnostics of Spindle Bearings in High-Speed Machine Tools // Russian Engineering Research. 2010. P. 944-947.
6. Козочкин М.П., Кочинев Н.А., Сабиров Ф.С. Диагностика и мониторинг сложных технологических процессов с помощью измерения виброакустических сигналов // Измерительная техника. №7. 2006. С. 30-34.
7. Шендеров И.Б. Управление качеством при растачивании глубоких отверстий в интерактивном технологическом процессе изготовления трубных заготовок // Вестник ИжГТУ. № 1. 2012. С. 30-33.
8. Ушаков А.И. Динамические процессы при обработке глубоких отверстий: дис. ... канд. техн. наук. М., 1974. 177 с.
9.Уткин Н.Ф., Кижняев Ю.Н., Плужников С.К. Обработка глубоких отверстий. Л.: Машиностроение, 1988. 269 с.
Горелова Ася Юрьевна, асп., [email protected], Россия, Волгоград, Волгоградский государственный технический университет,
Кристаль Марк Григорьевич, д-р техн. наук, проф. [email protected], Россия, Волгоград, Волгоградский технический университет
IMPROVING THE BORING TOOL'S DESIGN BASED ON CYLINDER'S BUSHING
MACHINING PROCESS MODELING
A.Y. Gorelova M. G. Kristal 114
The main cause of deviations appearing in the deep holes machining is the work-piece 's axis deviation from linearity, which reveal itself in the form of the technological heredity for deep boring operations. Tool movement along a curved path leads to it's transverse vibration, what leads to hole's faceting. Paper contains the description of boring tool's design technique, which based of mathematical and numerical modeling of boring process to take into account the workpiece's deviation to reduce the hole's faceting. The new design of improved tool's and modeling process results are given.
Key words: deep holes trepanning, technological heredity, tool's vibrations.
Gorelova Asya Yorievna, postgraduate, forasyoo@gmail. com , Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Kristal Mark Grigorievich, doctor of technical science, professor, crysmaramail. ru Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University
УДК 621.86
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ ЦЕХОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
А.Н. Шафорост
Представлен метод разработки компоновочно-планировочных решений транспортных систем механосборочных цехов машиностроительных предприятий на стадии проектирования на основе принципов структурного синтеза технических решений и применения интеллектуальных систем их информационной поддержки.
Ключевые слова: транспортная система механосборочного цеха, структурно-параметрический синтез, генетический алгоритм, приведенные затраты, имитационное моделирование.
Одним из направлений реформирования отечественной экономики является развитие промышленной отрасли, предполагающее непрерывное создание новых и реконструкцию существующих машиностроительных предприятий. Это обусловливает необходимость постоянного выполнения проектных работ по расчету реконструируемых механосборочных и вспомогательных цехов и участков машиностроительных предприятий, а также малых предприятий механосборочного профиля, мало отличающихся от них по своей организационной структуре.
Цехи и участки машиностроительных предприятий представляют собой достаточно сложные системы, структуры и деятельность которых непосредственно зависят от сложности и разнообразия выпускаемой продукции, характера производственного процесса ее изготовления и объема
115
