CC BY
58
5. Евсеев А.В. Новый критерий оценки качества смесей сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 1. С. 139 - 148.
6. Патент РФ №2271243. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, А.В. Евсеев, Т. А. Овчинникова, К.В. Власов, О.В.Карпухина. Опубл. 10.03.06. Бюл. № 7.
7. Патент РФ №2129911. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, И. А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99. Бюл. № 13.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц, ewsl9 72@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN OF ROTOR BA TCHERS FOR THE DETERMINED FORMA TION OF UNIFORMITY OF MIXES OF BULKS MATHERIALS
A. V. Evseev
The engineering technique of design of rotor batchers for the rotor mixing modules realizing technology of the determinedformation of uniformity of mixes of bulks is offered.
Key words: technique, batcher, mixer, bulk materials.
Evseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ews19 72@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.322
ВЛИЯНИЕ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
В.В. Жмурин, В.С. Сальников, О. А. Ерзин, А.В. Анцев
Рассмотрено влияние многовариантности инструментальной системы на динамические характеристики технологического оборудования. В качестве примера приведена типовая инструментальная система, состоящая из цангового патрона, цанги и режущего инструмента, которая широко применяется на многоцелевых станках среднего типоразмера. Приводятся расчеты, показывающие изменения точности и жесткости инструментальной системы при её различных компоновках.
Ключевые слова: динамические характеристики, инструментальная система, точность, жесткость, эксцентриситет, угловые ошибки, векторные ошибки.
Характерными признаками современного производства являются улучшение эксплуатационных и технико-экономических характеристик металлорежущих станков, расширение номенклатуры выпускаемой продукции. Перспективным направлением решения этой проблемы можно назвать широкое внедрение многоцелевых станков (МЦС).
33
Многоцелевые станки - одно из наиболее динамично развивающихся концепций металлообработки. Это отражается на годовом выпуске станков. Так, по оценкам различных экспертов до 65 % от общего парка МЦС составляют станки фрезерно-расточной группы, на которых обрабатывается 75.. .80 % от всей номенклатуры деталей, выпускаемых в серийном производстве [1 - 5].
Как класс оборудования многоцелевые станки имеют свои характерные черты, среди которых можно выделить высокую концентрацию операций на одном рабочем месте, возможность реализации технологий высокоскоростного резания и высокопроизводительной обработки.
Возможность реализации той или иной технологии отражается в конструктивных особенностях технологического оборудования. Для осуществления технологии высокоскоростного резания многоцелевые станки оснащаются высокооборотным шпинделем, а для технологии высокопроизводительного резания - мощными приводами главного движения, имеющими высокую жесткость и виброустойчивость, которая обеспечивается литыми базовыми деталями [6 - 10]. Высокая концентрация операций на одном рабочем месте влечет за собой многовариантность инструментальных систем, которые существенно отличаются по массе, размеру, и как следствие, имеют различную жесткость и точность.
В условиях единичного и мелкосерийного производства при частой смене номенклатуры выпускаемых деталей возникают ситуации, когда на одном станке даже в течение одной смены могут обрабатывать сталь, а в течение другой - алюминий. Это привело к созданию группы МЦС средней жесткости, которые занимают промежуточное положение между станками для высокоскоростной и высокопроизводительной обработки. Как правило, они обладают относительно невысокой мощностью от 10 до 30 кВт с числом оборотов шпинделя от 12000 до 25000 об/мин [11, 12]. По оценкам экспертов в настоящее время станочный парк большинства предприятий представлен МЦС с частотами вращения 12000.25000 об/мин, мощностью шпинделя 10.15 кВт, а приводов подач 20.25 кВт [13 - 15].
На основании работ [3, 4, 5] можно сделать вывод, что в настоящее время в качестве одного из важнейших направлений развития МЦС рассмотренной выше группы является повышение их виброустойчивости. Основным фактором, определяющим технологические показатели, а в некоторых случаях и принципиальную возможность обработки заготовок на металлорежущих станках, являются динамические процессы, протекающие в них. Динамические характеристики для каждого станка индивидуальны. Они зависят от множества факторов, в том числе от его конструкции, износа, а также от характеристик применяемых инструментальных систем.
Как было отмечено выше, одной из особенностей обработки на МЦС, является многовариантность инструментальных систем. В зависимости от её компоновки могут изменяться динамические характеристики станка.
Инструментальные системы МЦС состоят из отдельных элементов, каждый из которых имеет свою погрешность, величина которой определена допуском. При их монтаже суммарная погрешность складывается из погрешностей отдельных деталей и погрешности сборки [16, 17]. Они подразделяются на угловые и векторные ошибки. Первые приводят к перекосу осей и образованию моментной неуравновешенности, вторые - к параллельному их смещению и статической неуравновешенности. Величина смещения фактической оси вращения относительно геометрической оси называется эксцентриситетом. Он проявляется в биении инструмента.
Для вычисления суммарной погрешности системы применяется теоретико-вероятностный метод. Он базируется на представлении режущего инструмента в виде замыкающего звена размерной цепи, определяющей точность обработки, и учитывает коэффициенты относительного рассеивания и передаточные отношение звеньев [16, 17].
В настоящее время в МЦС широкое распространение получили инструментальные системы, состоящие из патрона или оправки и режущего инструмента, каждый из которых имеет свой собственный эксцентриситет. На операциях фрезерования применяются патроны с боковым зажимом типа Weldon и цанговые патроны двух видов: OZ, ER [9, 10, 16, 17]. В соответствии с типом патронов выпускаются OZ-цанги и ER-цанги. Международные стандарты DIN 2080, DIN 6499, DIN 228, DIN 69871, DIN 6388
устанавливают точность для каждого элемента инструментальной системы. На рис. 1 представлена типовая инструментальная система, состоящая из цангового патрона, цанги и режущего инструмента.
Коэффициент рассеивания замыкающего звена инструментальной системы, приведенной на рис. 1, определяется формулой.
где К\ и А} - коэффициенты относительного рассеивания и передаточные отношения соответствующих \ -х элементов системы.
Общая погрешность инструментальной системы определяет величину её эксцентриситета
КТ =1 +
ешп + ^кон + ^пат + ец
0,55
О)
Рис. 1. Инструментальная система:
1 - шпиндель; 2 - цанговый патрон;
3 - цанга; 4 - режущий инструмент; Ру - сила резания. /пат - длина
цангового патрона; /ин - длина инструмента; /об - общая длина инструментальной системы; ешп - биение конуса шпинделя, вызванное её перекосом; екон - биение вызванное погрешностью изготовления конуса; епат - биение цангового патрона; ец - биение цанги; е - суммарное (общее) биение инструментальной
системы
Для типового шпиндельного узла и рассматриваемой инструментальной системы коэффициенты относительного рассеивания: Кшп = 1,1; Кпат = 1,14 ; Кц = 1,09 ; Ккон = 1,7 ; а передаточные отношения: = 1,1;
Дтат = 1 ; ^ц = 1 ; ^кон = 1 [17]
Стандарт DIN 69871 на цанговые патроны OZ и ER, выпускаемые серийно, устанавливает следующие значения точности: 0,003; 0,005; 0,01 и 0,04 мм. На OZ и ER цанги стандартом DIN 6499 установлены точности: 0,005; 0,015; 0,020 и 0,025 мм. Многоцелевые станки выпускаются с точностью конуса шпинделя 0,003 и 0,004 мм и с перекосом оси, не превышающим 0,003 мм. На рис. 2 приведена точность стандартных элементов системы: шпиндель, цанговый патрон, цанга, инструмент.
Для количественной оценки влияния средств технологического оснащения на динамические характеристики МЦС по исходным данным, показанным на рис. 2, и согласно формулам (1) и (2) был выполнен расчет
точности инструментальной системы. Он показал, что при снижении точности, например, цанги на 40 % суммарная погрешность инструментальной системы увеличивается с 0,010 до 0,098 мм. При снижении точности патрона с 0,003 мм до 0,04 мм её погрешность, а, следовательно, и биение увеличиваются на 80 % и составляют 0,053 мм.
Точность инструментальной системы
Рис. 2. Точность элементов системы: шпиндель, цанговый патрон,
цанга, инструмент
Для чистового фрезерования концевыми фрезами диаметром от 10 до 40 мм допускается интервал биений от 0,005 до 0,01 мм, а для получистового - до 0,05 мм [16, 17]. Это позволяет сделать вывод о том, что рассмотренные варианты инструментальных систем ориентированы на чистовое и получистовое фрезерование. В зависимости от вида операции получение требуемой точности обработки может быть достигнуто сочетанием различных элементов системы. При установке в МЦС нормальной точности некоторые компоновки этих систем могут привести к увеличению эксцентриситета до 0,05 мм.
В процессе обработки под действием сил резания происходит отжим инструмента от обрабатываемой поверхности. Поэтому, помимо точности, необходимо учитывать жесткость инструментальной системы. Для
этого ее представляют в виде телескопического стержня, состоящего из п упругих элементов. В процессе обработки под действием силы резания возникают изгиб её консольных участков, и контактные деформации в конических и цилиндрических стыках [16, 17].
Отжим инструмента определяет точностью обработки. Для обеспечения требуемой точности необходимо выполнение условия 5в £ 5доп, где
8доп - величина поля допуска на размер, 8в - величина отжима [16].
Для рассматриваемой инструментальной системы величина отжима
[68,75]
(/пат + 1ин) + 1ин i 0кон. (j )2 ia-3 ,
3ET-+ 3EJ— + (/пат + 1ин ) 10 +
3EJ пат 3EJ ин M
5в = Pz
+ — /ин2 -10-3
V
M
(3)
где Тпат - осевой момент инерции цангового патрона; J ин - осевой момент инерции инструмента; /пат - длина патрона; /ин - длина инструмен-
0 0
та; кон. - контактные деформации в конусе станка; пат -контактные
M M
деформации в цанговом патроне.
Для иллюстрации степени влияния сил резания на точность в качестве примера были выбраны цанговые патроны фирмы «SECO» типа Е341458733290. Они предназначены для установки ER-цанги с конусностью 1/10 и зажима инструмента диаметром 32 мм. Данные патроны выпускаются длиной 90, 110, 120 и 150 мм [9].
Величины контактных деформаций, например, в шпинделе с 40-м
конусом составляет 0кон. = 0,00142 (кН • м)-1; в цанговом патроне -
M
= 0,0014 (кН • м)-1 [16, 17].
От
М
Расчеты величины отжима инструмента для чистовой обработки были выполнены для концевой двузубой фрезы 0 32 мм при различных значениях ее длины. В соответствии с известными рекомендациями максимальный вылет инструмента не должен превышать 7 его диаметров [9, 16-17, 19].
Результаты расчетов показали, что повышение скорости резания на 30 % ведет к увеличению отжима на 50 %. Увеличение вылета инструмента в 7 раз при постоянной скорости резания увеличивает отжим на порядок. Это подтверждает необходимость учета жесткости инструментальной системы при назначении режимов резания.
У
Статические и динамические погрешности взаимного положения звеньев приводят к смещению центра тяжести присоединенной части относительно оси вращения шпинделя, то есть к дополнительному дисбалансу. Величина дисбаланса такой сложной системы, приведенная к центру масс шпинделя, может быть выражена следующим образом:
п 1 п
ео Xт =7 Xтгег1г, (4)
г=1 1 г=1
где ео - эксцентриситет системы, приведенный к центру масс шпинделя, е - эксцентриситеты составляющих звеньев динамической системы; тг - масса динамической системы и составляющих звеньев; I, ¡г - расстояния между опорами шпиндельного узла и центрами масс шпинделя и отдельных звеньев. В зависимости от компоновки и элементов инструментальной системы приведенная величина дисбаланса может увеличиваться на 15.. .80 %.
Данные исследования были учтены при разработке математической модели, которая наряду с конструктивными параметрами шпиндельного узла и режимами резания также учитывает и влияние инструментальной системы на динамические характеристики станка. Подробно математическая модель динамической системы шпиндельного узла, учитывающая указанные аспекты, приведена в работах [18-20]. Результаты математического моделирования показали, что в зависимости от компоновки инструментальной системы дополнительный дисбаланс, возникающий в системе: «шпиндельный узел - оправка - инструмент», может изменяться от 0 до 0,3. Это существенно сказывается на динамических характеристиках многоцелевого станка. На рис. 3 приводится изменение амплитудно-частотной характеристики динамической системы для двух значений усилия предварительного натяга в подшипниках при различном дисбалансе, который определяется с учетом многовариантности инструментальной системы.
Анализ приведенных на рис. 3 АЧХ динамической системы показывает, что динамическая система МЦС склонна к возникновению автоколебаний даже при отсутствии дисбаланса (линия 1). О наличии скачкообразного увеличения амплитуды колебаний говорят точки бифуркации, отмеченные на рис. 3 вертикальными линиями. Проведенные исследования показывают, что при увеличении предварительного натяга в подшипниках шпиндельного узла резонансные частоты сдвигаются в высокочастотную область. Однако в процессе эксплуатации станка и износа подшипников уменьшается предварительный натяг, резонанс сдвигается в низкочастотную область. Аналогичное влияние оказывает и дисбаланс: при его увеличении, вызванном погрешностями в выборе элементов инструментальной
системы или в ее установке, начало подъема АЧХ (линия 4 на рис. 3, а) и точки бифуркации смещаются в область низких частот, что повышает вероятность возникновения вибраций с критической амплитудой.
а
б
Рис. 3. АЧХ динамической системы при: а - У0 = 15,0; б - = 75,0; относительный дисбаланс: 1 - И = 0;
2 - И = 0.05; 3 - И = 0,1; 4 - И = 0,3
На основании изложенного материала следует, что широкое внедрение МЦС требует решения ряда технических задач, важнейшей из которых является повышение их виброустойчивости. Существенное влияние на динамические характеристики станка оказывает инструментальная система. Выполненный анализ различных компоновок инструментальных систем показал, что её погрешности, связанные с изготовлением, износом элементов, а также их монтажом приводят к увеличению дисбаланса от 15 до 80 %. Это нашло подтверждение в результатах математического моделирования, где погрешности инструментальной системы смещают точки бифуркации в низкочастотную область, увеличивая тем самым вероятность возникновения резонанса в рассматриваемой системе. Таким образом, учет и тщательный подбор элементов инструментальной системы являются неотъемлемой частью при эксплуатации МЦС.
Список литературы
1. Аверьянов О. А. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1987. 232 с.
2. Гонялин С. Состояние мирового станкостроения // Техномир. №2. 2008. С. 18 - 24.
3. Черпаков Б.И. Развитие мирового станкостроения в начале XXI века // ИТО. 2011. №1. С 12 - 17.
4. Черпаков Б.И. Развитие мирового станкостроения в начале XXI века // ИТО. 2011. №2. С. 4 - 9.
5. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. 2001. №4. С. 3 - 8.
6. Жмурин В.В., Сальников В.С. Шпиндельные узлы станков с ЧПУ // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-13). Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 94 - 96.
7. Жмурин В.В., Сальников В. С. Снижение затрат энергии при высокоскоростной обработки на МЦС // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 145 - 151.
8. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. 2001. №5. С. 10 - 16.
9. Справочник по резанию материалов GARANT: учеб. пособие. Германия: Институт им. Фраунгофера, 2010. 842 с.
10. Руководство по металлообработке «Technical Guide» фирмы «SANDVIK Coromant». М., 2010. 617 с.
11. Потапов В.А. Комплектующие элементы станков // Машиностроитель. 1998. №9. С. 57 - 60.
12. Потапов В.А. Проблемы вибраций при высокоскоростном фрезеровании алюминия в авиакосмической промышленности и способы их решения // MODERN MACHINE SHOP. 2001. №1. С. 10 - 20.
13. Металлообрабатывающее оборудование: каталог компании «DEG-Rus». М., 2010. 304 с.
14. Резьбонарезные ОЦ с ЧПУ Akira-Seiki: каталог компании «Akira-Seiki». Ковров, 2010. 9 с.
15. Шпиндельные узлы серии НХ: каталог компании «Quaser». М., 2010. 40 с.
16. Оснастка для станков с ЧПУ: справочник / Ю.И. Кузнецов [и др.]. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
17. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ: справочник / А.Р. Маслов [и др.]. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.
18. Жмурин В.В. Сальников В.С. Энергетический критерий оценки эффективности режимов резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во ОрелГТУ. 2010. №2/2. С.114 - 120.
19. Жмурин В.В. Повышение эффективности многоцелевых станков на основе идентификации динамических ограничений режимов фрезерования: дис. ... канд. техн. наук утв. 30.06.14: Тула, 2013. 116 с.
20. Жмурин В.В. Влияние качества балансировки на процесс резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во ОрелГТУ. 2012. №3-2. С. 36 - 42.
Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук, инженер-технолог 1 к. [email protected], Россия, Тула, ОАО «Щегловский вал»,
Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Анцев Александр Витальевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT ON DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE MACHINERY
V.V. Zhmurin, V.S. Salnikov. O.A. Erzin, A.V. Antsev
In the given clause the influence of diversity of tool system on dynamic characteristics of the manufacturing machinery is considered. As an example the typical tool system containing collet attachment, collet and cutting tool is given. Such tool systems are widely used on multi-purpose manufacturing machinery with average size. In the clause the analysises showing changes of accuracy and hardness of tool system caused by various configurations of tool system.
Key words: dynamic characteristics, tool system, accuracy, hardness, eccentricity, angular error, vector error.
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, engineer-technologist, Vladimir [email protected], Russia, Tula, OS "Sheglovskiy val",
Salnikov Vladimir Sergevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Erzin Oleg Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
