CC BY
32
DOI 10.36622/^Ти.2021.17.2.018 УДК 621.322
ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОЦЕЛЕВОГО СТАНКА
Аннотация: рассмотрена характерная для современного машиностроения тенденция по увеличению концентрации технологических операций на многоцелевых станках и интенсификации режимов резания. Приведен анализ станочных парков различных металлообрабатывающих предприятий, который показал преобладание станков фрезерно-расточной группы. Проанализированы причины широкой номенклатуры инструментальной системы станков фрезер-но-расточной группы и рассмотрено влияние многообразия инструментальной системы на динамические характеристики многоцелевых станков. Рассмотрен пример характерной для станков фрезерно-расточной группы среднего типоразмера инструментальной системы, которая включает в себя цанговый патрон, цангу и фрезу. Приведены расчеты точности и жесткости для различных вариантов инструментальной системы. С целью подтверждения полученных теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования в условиях реального производства при обработке серийно изготавливаемой детали типа «Корпус» на фрезерном многоцелевом станке модели УМС-600. Результаты обработки экспериментальных данных показали, что точность инструментальной системы значительно влияет на геометрическую точность обработанной детали, виброустойчивость инструментальной системы и ее жесткость. Низкая точность инструментальной системы приводит к значительному отжиму режущего инструмента на рекомендуемых режимах резания, который может превысить величину допуска на обработку, что должно быть учтено на этапе проектирования технологического процесса путем занижения режимов резания
Ключевые слова: инструментальная система, многоцелевой станок, точность, динамические характеристики, жесткость
В.В. Жмурин, А.В. Анцев
Тульский государственный университет, г. Тула, Россия
Введение
В настоящее время станочный парк современного металлообрабатывающего предприятия представлен многоцелевыми станками (МЦС) фрезерно-расточной и токарной группы. По сравнению с универсальными и специальными станками они обеспечивают более широкие технологические возможности, выраженные в высокой точности обработки и концентрации технологических операций на рабочем месте, гибкости переналадки при переходе на изготовление нового изделия [1]. Анализ станочных парков различных металлообрабатывающих предприятий показал, что в них преобладают станки фрезерно-расточной группы, которые составляют от 54 % до 65 % от общего количества оборудования, а токарные 25 %-30 %. Практика применения многоцелевых станков фрезерно-расточной группы показывает, что они используются для операций фрезерования, сверления, резьбонарезания, а также чистового растачивания отверстий по 7-8 ква-литету [4, 5].
© Жмурин В.В., Анцев А.В., 2021
Увеличение концентрации операций, выполняемых на станке, неизбежно влечет рост количества применяемых инструментальных систем. Так, результаты анализа используемых инструментальных систем показали, что использование на фрезерно-расточном МЦС по-
мимо типового фрезерного инструмента ещё и осевого инструмента и расточных систем приводит к увеличению номенклатуры инструментальных систем минимум на порядок. Также различна номенклатура обрабатываемого на данном оборудовании материала. Она включает в себя конструкционные легированные стали, нержавеющие стали, а также алюминий и сплавы на его основе, при этом не редки ситуации обработки заготовок из разных групп обрабатываемых резанием материалов на одном многоцелевом станке попеременно [6, 7]. Указанные факторы приводят к необходимости использования на станке большого количества различных инструментальных систем.
Различные инструментальные системы отличаются друг от друга по точности и жесткости из-за различий в своей конструкции и качеству изготовления. При этом используемая инструментальная система оказывает существенное влияние на динамические характеристики многоцелевого станка, в частности, его виброустойчивость [3, 8-10], что должно быть учтено при проектировании технологических процессов.
Расчет суммарной погрешности инструментальной системы
Для вычисления суммарной погрешности системы применяется теоретико-
вероятностный метод. В соответствии с данным методом, режущий инструмент рассматривается как замыкающее звено размерной цепи, от которого зависит точность обработки. При этом замыкающее звено учитывает коэффициенты относительного рассеивания и передаточные отношение других звеньев инструментальной системы [11, 12].
На многоцелевых станках фрезерно-расточной группы среднего типоразмера широкое применение получили инструментальные системы, состоящие из цангового патрона, цанги и режущего инструмента [10, 11]. Точность каждого элемента инструментальной системы устанавливается международными стандартами DIN 2080, DIN 6499, DIN 228, DIN 69871 и DIN 6388.
На основании стандартов DIN 69871 и DIN 6499 производители инструмента серийно изготавливают цанговые патроны со следующими
значениями точности: 0,003; 0,005; 0,01 и 0,04 мм, и цанги, используемые в них, со следующей точностью: 0,005; 0,015; 0,020 и 0,025 мм. Таким образом, только комбинированием цанг можно получить четыре варианта точности инструментальной системы. Это делает актуальным расчет её точности на этапе подготовки производства.
Для оценки изменения точности инструментальной системы в зависимости от её компоновки по методике, изложенной в работах [11, 12], были выполнены расчеты системы, рассмотренной в работе [10]. В расчетах рассматривается типовая инструментальная система, состоящая из цангового патрона E3414567525120 фирмы SECO, цанги ER 25 №58802513 фирмы SECO и концевой твердосплавной фрезы 012мм 422827-000120 фирмы Hanita. Её расчетная схема представлена на рис. 1.
Точность конуса шпинделя многоцелевых станков может быть 0,003 или 0,004 мм с допустимым перекосом оси, не превышающим 0,003 мм [13]. Фактическое значение перекоса оси шпинделя и погрешность изготовления конусного отверстия были определены из акта проверки оборудования на технологическую точность. В соответствии с ним ешп = 0,003 мм, а екон = 0,004 мм. Значение биений элементов инструментальной системы было определено по каталогу завода-изготовителя.
Коэффициент рассеивания замыкающего звена инструментальной системы, приведенной на рис. 1, определяется формулой (1), где K -коэффициенты относительного рассеивания соответствующих i -х элементов системы.
Таким образом, общая погрешность инструментальной системы определяет величину её эксцентриситета и рассчитывается по формуле (2), где Ai - передаточные отношения соответствующих i -х элементов системы.
Для типового шпиндельного узла и рассматриваемой инструментальной системы, состоящей из цангового патрона, цанги и режущего инструмента, коэффициенты относительного рассеивания: Кшп = 1,1; Кпат = 1,14; Кц = 1,09 ; Ккон = 1,7; а передаточные отношения: Ашп = U; Апат = 1; Ац = 1; Акон = 1 [12].
Рис. 1. Расчетная схема типовой инструментальной системы станка фрезерно-расточной группы среднего типоразмера: 1 - шпиндель; 2 - цанговый патрон Е3414567525120; 3 - цанга ER 25 №58802513 ; 4 - режущий инструмент фреза 422827-000120; Ру - сила резания; ¿пат - длина цангового патрона; - 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
= 1+-
0,55
' |^^/К1ппешп + К1сонекон + -^пат^пат + Кцец + екон + епат + ец |.
(1)
2е
2 —
' (ешп ' Кшп ' ^шп ) + (екон 'Ккон ' Акон ) + (епат ' Кпат ' Апат ) + (ец ' Кц ' Ац )
(2)
Рис. 2. Точность инструментальной системы в зависимости от компоновки её элементов
2
Результаты расчета показали, что комбинированием двух цанговых патронов и двух цанг можно получить четыре инструментальные системы с разницей в точности 7 мкм. Результаты расчетов показаны на рис. 2.
В соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [11, 12], получаемая точность инструментальной системы подходит для чистового фрезерования, выполняемого фрезами диаметром от 10 до 40 мм.
С целью подтверждения полученных теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования в условиях реального производства. Для их проведения была выбрана серийно изготавливаемая литьевая деталь типа «Корпус», обрабатываемая на фрезерном МЦС модели УМС-600. Исследования были проведены для двух наиболее точных операций -фрезерование плоскости и чистовое расфрезе-ровывание предварительно обработанного отверстия. На рис. 3 представлен эскиз обработки. В соответствии с известными рекомендациями по сбору и анализу экспериментальных данных обработка выполнялась на семи деталях без изменений инструментальной наладки.
Рис. 3. Эскиз обработки экспериментальной детали
Фрезеровка плоскости заключается в получении поверхности с плоскостностью не более 0,02 мм и шероховатостью Ra 1,25. Предварительно поверхность была обработана с припуском под чистовую обработку 0,5 мм. Чистовое расфрезеровывание отверстия заключается в получении размеров 016,5Н9 и 17Н12 с шероховатостью обработанных поверхностей Ra 1,25. Предварительно отверстие было рас-фрезеровано в размер 012,5Н12. В качестве режущего инструмента использована цельная твердосплавная фреза 012 мм 422827-000120 фирмы Напйа.
Исходя из конструктивных особенностей обрабатываемой детали вылет режущего ин-
струмента должен составлять не менее 80 мм, таким образом, для фрезы 012 мм он составляет 7 диаметров [14, 15]. Режимы резания в процессе обработки не изменялись. Контроль указанных размеров выполнялся контактным датчиком координатно-измерительной машины Werth.
После выполнения экспериментальной обработки деталей был проведен контроль размеров, указанных на рис. 3. Он выполнялся на координатно-измерительной машины Werth. Результаты замеров представлены в таблице.
Результаты обработки показали, что при использовании инструментальной системы с точностью 17 мкм среднее отклонение размера 016,5Н9 составляет 12 мкм от номинального значения. При использовании инструментальной системы самой низкой точности равной 24 мкм отклонение размера от номинального значения составляет 30 мкм, т. е. 70% от поля допуска.
Контроль качества обработанной поверхности показал, что при снижении точности инструментальной системы снижается и её виброустойчивость, что и подтвердили результаты замеров. При обработке отверстия с использованием системы с точностью 17 мкм среднее значение шероховатости поверхности составило 1,06 мкм. Далее по мере снижения точности инструментальной системы шероховатость системы возрастает и при точности 24 мкм она составляет 1,28 мкм.
Расчет жесткости инструментальной системы
Результаты проведенного эксперимента показали, что сила резания оказывает сравнимое с точностью инструментальной системы влияние на точность обработки вследствие отжима инструмента от заготовки. В результате отжима инструмента происходит отклонение от формы поверхности или её расположения. Соответственно, при проектировании технологического процесса помимо точности инструментальной системы необходимо также учитывать и её жесткость. Для оценки жесткости инструментальная система рассматривается в виде телескопического стержня, состоящего из n упругих элементов. В процессе обработки под действием силы резания возникает изгиб её консольных участков и контактные деформации в конических и цилиндрических стыках [12, 16].
Результаты контроля размеров, выдерживаемых при экспериментальной обработке
Контролируемый размер, мм « § и 2 ^ Л Е и Л ° Фактическое значение размера, замеренное на детали под порядковым номером
§ и о й Н Р №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7
016,5Н9(+0,043) 016,51 016,52 016,51 016,52 016,51 016,51 016,52
Перпендикулярность оси отверстия 016,5Н9 0,017 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Плоскостность 0,02 0,011 0,011 0,013 0,012 0,012 0,012 0,012
Ra 1,25 1,22 1,22 1,23 1,25 1,25 1,22 1,25
016,5Н9(+0,043) 016,52 016,52 016,51 01652 01653 01653 016,52
Перпендикулярность оси отверстия 016,5Н9 0,019 0,01 0,01 0,01 0,015 0,01 0,01 0,012
Плоскостность 0,02 0,012 0,013 0,012 0,012 0,012 0,012 0,012
Ra 1,25 1,21 1,23 1,25 1,25 1,25 1,25 1,27
016,5Н9(+0,043) 016,53 016,53 016,54 016,53 016,54 016,53 016,54
Перпендикулярность оси отверстия 016,5Н9 0,023 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Плоскостность 0,02 0,011 0,014 0,013 0,014 0,014 0,012 0,013
Ra 1,25 1,22 1,25 1,25 1,25 1,27 1,26 1,25
016,5Н9(+0,043) 016,52 016,53 016,54 016,54 016,54 016,53 016,53
Перпендикулярность оси отверстия 016,5Н9 0,024 0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,018 0,013
Плоскостность 0,02 0,016 0,013 0,015 0,015 0,014 0,016 0,017
Ra 1,25 1,25 1,25 1,27 1,26 1,25 1,28 1,28
В инструментальной системе, представленной на рис. 1, имеются три узла, в которых происходят изгибы: место соединения фрезы с цангой, соединение цанги с оправкой и соединение оправки со шпинделем. Для обеспечения требуемой точности необходимо выполнение условия 5в ^5доп, где 5доп - величина поля
допуска на размер, 5в - величина отжима [16]. Для рассматриваемой инструментальной си-
стемы величина отжима может быть рассчитана по следующей формуле [12, 16]:
5в = Pz • [
(I
пат + 1ин
)3
к
3Е1
М
"пат М
. (I
пат
пат + 1ин
3Е1
ин
)2 • 10
-3
} •10-3]
(3)
3
+
+
0
+
+
/
+
где ^пат - осевой момент инерции цангового патрона; Jин - осевой момент инерции инструмента; /пат - длина патрона; 1ин - длина Эк
инструмента;
в конусе станка;
'кон.
M 0
- контактные деформации
пат M
- контактные деформа-
ции в цанговом патроне.
На основании данных, приведенных в справочнике [16], величина контактных деформаций в шпинделе с 40-м конусом составляет
Экон. = 0,00142 (кН' м)"1; в цанговом патроне М
_ ^Жл = 0,0014 (кН' м)"1.
М
Результаты расчетов показывают, что применение режимов резания, рекомендуемых фирмой изготовителем инструмента, приведут к отжиму инструмента от 0,024 мм до 0,032 мм, что превышает величину допуска на обработку отверстия. Так как по конструктивным особенностям детали нельзя уменьшить длину инструментальной системы, то снижение величины отжима инструмента можно добиться занижением скорости резания на 40 %. Таким образом, при скорости резания 45 м/мин отжим инструмента составляет 0,0084 мм. Результаты расчетов подтверждаются замерами перпендикулярности и плоскостности обрабатываемых поверхностей.
Заключение
Точность инструментальной системы значительно влияет на геометрическую точность обработанной детали, виброустойчивость инструментальной системы и ее жесткость, и поэтому должна учитываться при проектировании технологических процессов. Низкая точность инструментальной системы приводит к значительному отжиму режущего инструмента на
рекомендуемых режимах резания, который может превысить величину допуска на обработку, что должно быть учтено на этапе проектирования технологического процесса путем занижения режимов резания.
Литература
1. Тенденции развития станкостроения [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://www.tapco.by/tendentsii-razvitiya-stankostroeniya, свободный. (дата обращения: 03.03.2021).
2. Гонялин С. Состояние мирового станкостроения // Техномир. 2008. №2. С. 18-24.
3. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. 2001. №5. С. 10-16.
4. Металлообрабатывающее оборудование: каталог компании «DEG-Rus». М., 2010. 304 с.
5. Резьбонарезные ОЦ с ЧПУ Akira-Seiki: каталог компании «Akira-Seiki». Ковров, 2010. 9 с.
6. Потапов В.А. Комплектующие элементы станков // Машиностроитель. 1998. № 9. С. 57-60.
7. Потапов В.А. Проблемы вибраций при высокоскоростном фрезеровании алюминия в авиакосмической промышленности и способы их решения // Modern machine shop. 2001. № 1. С. 10-20.
8. Черпаков Б.И. Развитие мирового станкостроения в начале XXI века // ИТО. 2011. № 1. С 12-17.
9. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. 2001. № 4. С. 3-8.
10. Влияние средств технологического оснащения на динамические характеристики оборудования/ В.В. Жмурин, В.С. Сальников, О.А. Ерзин, А.В. Анцев // Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 12-1. С. 3342.
11. Оснастка для станков с ЧПУ: справочник / Ю.И. Кузнецов и др. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
12. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ: справочник / А.Р. Маслов и др. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.
13. Шпиндельные узлы серии НХ: каталог компании «Quaser». М., 2010. 40 с.
14. Справочник по резанию материалов GARANT: учеб. пособие. Германия: Институт им. Фраунгофера, 2010. 842 с.
15. Руководство по металлообработке «Technical Guide» фирмы «SANDVIK Coromant». М., 2010. 617 с.
16. Пини Б.Е., Зиновьев Д.А. Моделирование жесткости инструментальных систем станков для определения их влияния на точность обработки деталей // Известия МГТУ. 2008. № 2. С. 129-135.
Поступила 05.03.2021; принята к публикации 15.04.2021 Информация об авторах
Жмурин Владимир Викторович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология машиностроения», Тульский государственный университет (300012, Россия, г. Тула, пр. Ленина, 92), e-mail: [email protected]
Анцев Александр Витальевич - д-р техн. наук, доцент, доцент кафедры «Технология машиностроения», Тульский государственный университет (300012, Россия, г. Тула, пр. Ленина, 92), e-mail: [email protected]
INFLUENCE OF TOOLING SYSTEM ACCURACY ON DYNAMIC CHARACTERISTICS
OF MULTI-PURPOSE MACHINE
V.V. Zhmurin, A.V. Antsev Tula State University, Tula, Russia
Abstract: the article discusses the characteristic tendency of modern mechanical engineering to increase the concentration of technological operations on multi-purpose machine tools and intensify cutting modes. We give the analysis of machine parks of various metalworking enterprises, which showed the prevalence of milling and boring machines. This article analyzes the reasons for a wide range of tool systems for milling-boring machines and considers the influence of the diversity of the tool system on the dynamic characteristics of multi-purpose machines. We considered an example of a medium-sized tool system typical for milling and boring machines, which includes a collet chuck, a collet and a milling cutter. We give calculations of accuracy and stiffness for various versions of the instrumental system. In order to confirm the obtained theoretical calculations, we carried out experimental studies in real production conditions when processing a serially manufactured part on a VMC-600 multi-purpose milling machine. The results of experimental data processing showed that the accuracy of the tool system significantly affects the geometric accuracy of the machined part, vibration resistance of the tool system and its rigidity. The low accuracy of the tool system leads to a significant squeezing out of the cutting tool at the recommended cutting conditions, which can exceed the machining tolerance, which should be taken into account at the design stage of the technological process by understating the cutting conditions
Key words: tooling system, multipurpose machine, precision, dynamic characteristics, rigidity
References
1. "Trends in the development of machine tool building", available at: http://www.tapco.by/tendentsii-razvitiya-stankostroeniya (date of access: 03.03.2021).
2. Gonyalin S. "State of the world machine tool building", Technical World (Technomir), 2008, no. 2, pp. 18-24.
3. Cherpakov B.I. "Trends in the development of world machine tool industry", STIN, 2001, no. 5. pp. 10-16.
4. "Metalworking equipment: catalog of the DEG-Rus company" ("Metalloobrabatyvayushchee oborudovanie: katalog kom-panii «DEG-Rus»"), Moscow, 2010, 304 p.
5. "Thread-cutting OCs with CNC Akira-Seiki: catalog of the Akira-Seiki company" ("Rez'bonareznye OTS s CHPU Akira-Seiki: katalog kompanii «Akira-Seiki»"), Kovrov, 2010, 9 p.
6. Potapov V.A. "Component parts of machines", Mechanician (Mashinostroitel'), 1998, no. 9, pp. 57-60.
7. Potapov V.A. "Vibration problems in high-speed aluminum milling in the aerospace industry and ways to solve them", Modern Machine Shop, 2001, no. 1, pp. 10-20.
8. Cherpakov B.I. "Development of the world machine tool building at the beginning of the XXI century", ITO, 2011, no. 1, pp. 12-17.
9. Cherpakov B.I. "Trends in the development of world machine tool industry", STIN, 2001, no. 4, pp. 3-8.
10. Zhmurin V.V., Sal'nikov V.S., Erzin O.A., Antsev A.V. "Influence of means of technological equipment on the dynamic characteristics of equipment", News of TulGU. Technical science (Izvestiya TulGU. Tekhnicheskiye nauki), 2015, no. 12-1, pp. 33-42.
11. Kuznetsov Yu.I. et al. "Tooling for CNC machines" ("Osnastka dlya stankov s CHPU: spravochnik"), reference book, Moscow, Mashinostroenie, 1990, 512 p.
12. Maslov A.P. et al. "Tooling of CNC machine tools" ("Instrumental'naya osnastka stankov s CHPU: spravochnik") reference book, Moscow, Mashinostroenie, 2006, 544 p.
13. "Spindle assemblies of the HX series: catalog of the company "Quaser"" ("Shpindel'nye uzly serii NKH: katalog kompanii «Quaser»"), Moscow, 2010, 40 p.
14. "Handbook for cutting materials GARANT" ("Spravochnik po rezaniyu materialov GARANT: uchebnoe posobie"), Germany, Institute Fraunhofer, 2010, 842 p.
15. "Manual for metalworking "Technical Guide" by "SANDVIK Coromant"" ("Rukovodstvo po metalloobrabotke «Technical Guide» firmy «SANDVIK Coromant»"), Moscow, 2010, 617 p.
16. Pini B.E., Zinov'ev D.A. "Modeling the rigidity of machine tool systems to determine their influence on the accuracy of parts processing", News of MSTU (IzvestiyaMGTU), 2008, no. 2, pp. 129-135.
Submitted 05.03.2021; revised 15.04.2021 Information about the authors
Vladimir V. Zhmurin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Tula State University (92 Lenina Ave., Tula 300012, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksandr V. Antsev, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Tula State University (92 Lenina Ave., Tula 300012, Russia), e-mail: [email protected]
