ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ ПЕРЕДАЧ СО СВОБОДНЫМИ ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИЯ

При нагрузке и разгрузке момент М принимается положительным.

2-й вариант. Процесс нагружения при шлифовании можно рассматривать несколько по-другому. При нагреве поверхностных слоев деталь не успевает выгучи-ваться, так как незамедлительно наступает второй этап - разгрузка, что приводит к прогибу детали. А если и возможно появление выпучивания, то абразивный круг, продолжая обрабатывать деталь, будет снимать больший по величине припуск, несколько изменяя характер температурного поля. Таким образом, можно считать, что на первом этапе имеет место воздействие на деталь теплового источника, возникающего при шлифовании (рис. 1, г). Поверхностные слои удлиняются, вызывая деформацию изгиба пластины. Величина усилий зажима в данном случае влияния не оказывает. При разгрузке деформирование детали происходит аналогично первому варианту.

3-й вариант. Картина деформирования детали на обоих этапах шлифования рассматривается так же, как и во втором варианте, с той лишь разницей, что при разгрузке изгибающий момент М принимается со знаком минус.

Можно считать, что при всех случаях шлифования плоских деталей в них может возникнуть один из трех рассмотренных вариантов деформирования, независимо от способа закрепления: прижимными планками, в тисках или на магнитной плите.

При изучении остаточных напряжений, возникающих при шлифовании полосы 3x14x60 мм из сплава Х12НЗА, анали-ически проверялось влияние закрепления деталей для трех рассмотренных вариантов деформирования при различных значениях из'ибающего момента М. На основании большого количества экспериментов была установлена средняя величина прогиба 0,03 мм полосы на длине 60 мм. Определим, какая величина напряжений способна вызвав гакую деформацию. Величина прогиба ^ определяется по формуле

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

f =

!L

Зр

(1)

1 8-3-10"5 ЛАее- -1 откуда- = - = _-_0,06*7 м .

Но <ривизна оси пластины рассматриваемой как балка, может быть определена из выражения:

1 М а И/

где ИЛ

р EI Е1 bh2 Э,014-0,0032

(2)

= 2,1-10"8 м ;

014-0,0033 =3>15,1QW, х 12 12

Из выражения (2) определим искомое значение напряжений:

EL

c = jL_l = 0.0667-2-10"-3,15-10- 2

ИЛ 2,1-10

Полученные значения напряжений составляют около 30 % от максимальных остаточных напряжений после шлифования, что может оказать существенное влияние на формирование остаточных напряжений в детали в целом. На основании выполненных расчетов установлено, что напряжения при закреплении зависят не от величины уиилий зажима, а от величины деформации при шлифовании, которая прежде всего зависит от толщины детали и ее длины. Чем толще пластина, тем меньше ее деформация при шлифовании и меньше влияние усилий закрепления на остаточные напряжения.

Полученные зависимости и экспериментальные исследования показали, что при закреплении пластины ее можно нагружать по различному закону и таким образом влиять на напряженное состояние с целью получения наилучших эксплуатационных характеристик.

Список литературы

1. Иванова Т.Н. Современная оснастка в технологии алмазного торцового шлифования плоских поверхностей: монография /Т.Н. Иванова, A.M. Долганов. - Екатеринбург-Ижевск: Изд-во Института экономики УрО РАН, 2007. - 364 с.

как обрабатывается сталь

Внутренний рынок металлов в России за последние годы характеризуется увеличением спроса на высококачественный прокат и стали со специальными свойствами. Это явление вызвано в первую очередь ростом экономики, который привлек в нашу страну мировых промышленных гигантов - начиная от автомобилестроителей и заканчивая компьютерными производителями.

Но потребность в высококачественном металле повлекла за собой и повышение спроса на соответствующее металлообрабатывающее оборудование (МОО). В ответ на потребности рынка эта отрасль во всем мире

ПРЕСС-СЛУЖБА компании йиикМ, г. Москва

уже несколько гет демонстрирует стабильное развитие (см. рис.1).

Однако такой стремительный рост породил и ряд проблем, в частности, отсутствие четких критериев выбора качественного оборудования, способного не только удовлетворять текущие нужды производства, но и обеспечивать его развитие. Особенно актуальна эта задача для активно развивающихся в мире и России новых форм металлотрейдинга, в частности крупных СМЦ, призванных удовлетворить возросшую потребность клиентов в комплексных услугах и аутсорсинге.

CJyi ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

СМЦ: комплексный подход (сервисные металло-центры)

О популярности СМЦ свидетельствует статистика: в США их количество выросло с 21 % в 1974 году до 30 % в настоящее время (до 70 % - по нержавеющей толстолистовой стали). В Японии уже в 70-х годах на долю таких иентров приходилось свыше 31% всех поставок проката из обыкновенной стали (сегодня свыше 60 % по оцинкованному листу).

Динамика роста мирового объема производства МОО с 2004 г.(в $ США)

-♦—Япония (1) -Ш- Германия(2) КНР(3)

Финпяндия(20] -*- Россия(22)__

2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г.

Рис. 1. Динамике роста производства МОО (в скобках указано место страны на мировом рынке) -по данным сай'О www.3tonkoinform.ru

Это явление становится характерным и для нашей страны. По словам Юрия Выборнова, директора департамента продаж и маркетинга компании Ruukki (ведущего европейского поставщика решений из металла), «конъюнктура рынка услуг по металлообработкэ склоняется к западному пути развития. Теперь предприятия не стремятся к полному циклу производства и часть линий передается на аутсорсинг. Металлоцентр должен соответствовать этой тенденции, выходя к клиентам с комплексным предложением в обработке металлов».

Очевидно, что именно хорошо оборудованное собственное производство является сегодня главным отличием современного СМЦ. При этом глубина обработки металла может варьироваться от простой резки в размер до выпуска достаточно сложных готовых изделий по аутсорсингу (например, кузовных элементов для автомобилестроения или шкафов для электронных систем управления). Все это требует серьезного станочного парка, способного к быстрой переналадке и не требующего большого количества обслуживающего персонала. Как правило, перед организаторами современного СМЦ встает непростой вопрос выбора производителя такого оборудования.

Кто лидирует на рынке

Первые места на рынке МОО уже много лет продолжают удерживать японские и европейские производители. И если продукция первых в большей степени ориентирована на североамериканский и азиатский рынки, то европейские станки традиционно популярны в России. И это неслучайно. Мощные системы НИОКР, обеспечивающие пос_оянное технологическое совершенствование, стабильно высокая культура производства, удобный сервис - все это «родовые черты» промышленников Старого Света. Очевидно, что, при-

32 №2(39)2008 / . i

обретая такое оборудование, клиент может рассчитывать на высокое качество конечного продукта и долгосрочную работу.

Популярность европейского МОО объясняется и тем, что идет постоянный «дрейф» производителей в сторону повышения рентабегьности производства и эффективности процесса обработки. Причины очевидны: рост цен на энергоносители и возросшие требования клиентов. Поэтому особое внимание сегодня обращается на наличие систем автоматизированного управления и контроля над работой станков без активного участия операторов, что характерно для европейских агрегатов.

Оборотной стороной качества, часто становящейся непреодолимым препятствием для российского потребителя, являются достаточно высокие цены (даже сравнительно простой обрабатьвающий центр может стоить свыше €100 тыс.). Тем не менее серьезные металлопереработчики оснащают свои производства именно такими станками, поскольку они экономичны, имеют значительный рабочий ресурс и легко переналаживаются. Как правило, для покупки подобного оборудования используются лизинговые схемы.

Впрочем для крупных структур сегодня привлечение инвестиций не является проблемой. Например, в современное оснащение своего санкт-петербургского СМЦ компания Ruukki вложила сразу €20 млн, что позволило установить станочный парк от крупнейших европейских производителей. Это дает возможность заводу выполнять значительное (несколько десятков) количество операций металлопереработки - от резки и роспуска проката до штамповки. Таким образом, потребителю обеспечивается готовый высококачественный продукт в предельно сжатые сроки.

Процессы резки

Как правило, одной из базовых операций, осуществляемых на СМЦ, является точный раскрой листов металла. В настоящее время, наряду с механическими способами (высечкой, вырубкой), наиболее употребимы резка при помощи газовой горелки (автогена), а также плазменная и лазерная резки. И если автогенный способ широко распространен и имеется в наличии практически на любом производстве (в основном он используется для раскроя достаточно толстого, до 500 мм листа), то две другие разновидности начали применяться сравнительно недавно и отчасти являются «конкурентами».

Выбор такого оборудования достаточно сложен и зависит от многих факторов. В их числе - виды обрабатываемых материалов (конструкционная сталь, легированная сталь, цветные металлы и т.д.), их толщина, качество поверхности и многое другое. Кроме того, необходимо определиться с качеством пропила, видами дальнейшей обработки, экономичности работ (см. таблицу).

Если говорить подробнее, то плазменная резка имеет очевидные преимущества при резке материалов толщиной от 5 до 30 мм. Ее отличает очень высокая размерная точность, качество пропила, не требующее дополнительной обработки, минимизация тепловых деформаций, экономичность и возможность глубокой автоматизации. К сожалению, качество плазменной

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Количественные параметры качества лазерной и плазменной резки (поданным В.А. Потапова (www.stankoinform.ru))

Параметры Резка

Лазерная Плазменная

Окалина Обычно отсутствует Обычно имеется (небольшая)

Конусность менее г Около 3°

Получаемые отверстия Круглые и чистые Круглые при толщине материала до 6,25 мм, но эллиптические в более толстых материалах

Размеры деталей Возможно получение совсем небольших деталей Лучше всего подходит для деталей средних размеров

Ширина реза 0,2... 0,375 мм 0,5... 0,75 мм

Коррозионно - стойкая сталь Окалина и окислы не образуются при использовании азота Незначительная окалина образуется при использовании азота, метана или пропана

Алюминий Окалина незначительна или отсутствует Имеется небольшая окалина

Прижоги Незаметны Присутствуют на острых наружных кромках деталей

Тепловое воздействие Очень мало Немногим больше, чем при лазерной резке

Возможность резки неметаллических материалов Имеется Отсутствует

резки может оказаться неудовлетворительным при жёстких требованиях к отклонениям от перпендикулярности и вертикальности пропила. Кроме того, в этом случае увеличивается износ деталей плазменного резака, что повышает накладные расходы. Впрочем, производители работают над этими проблемами. Так, компания Kjelberg Finsterwalde Maschinen & Elec-troden GmbH добилась улучшения качества благодаря оптимизации конструкции сопла и катодной системы в сочетании с применением дополнительного турбу-лизованного потока газа. Оборудование для тонкой плазменной резки типа Hifocus/Hifinox рекомендуется для финишной обработки алюминиевых сплавов толщиной до 25 мм, конструкционной стали толщиной до 30 мм и легированной высококачественной стали толщиной до 20 мм. В этом случае качество пропила соответствует качеству лазерной резки. Преимуществом такого процесса является возможность работы по неподготовленной поверхности материала (окалина, ржавчина, краска, защитная плёнка, цинковое покрытие).

Лазерная резка наиболее оптимальна в процессах, требующих высокой точности реза. Особенно актуальна она в автомобилестроении, где требования к исполнению деталей очень велики. Лазер подходит для разрезания тонких листов толщиной до 5 мм, когда к тому же требуется особо высокое качество пропила. Точность обработки достигает 0,1 мм при повторяемости ± 0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.

К особенностям лазерной резки следует отнести высокую требовательность к качеству поверхности (плоскостсти) обрабатываемых листов.

Это вызвано как соображениями технологии (скорость раскроя выше при высокой плоскостности, рис.2), так и безопасности (вероятность выхода из строя рабочей головки лазера). Как правило, такая резка производится по специальным, «лазерным» сортам стали.

Уровень современного производства, особенно высокотехнологичных отраслей, требует высочайшего качества материалов и работы. Это достигается не только правильным выбором поставщиков и научной организацией труда, но и применением качественного и эффективного металлообрабатывающего оборудования. Поэтому к его выбору необходимо подходить со всей серьезностью, ведь именно оно в конечном итоге способно обеспечить реальное конкурентное преимущество на рынке.

10

15

20

Рис. 2. Преимущества в скорости резки специальной лазерной стали перед обычной (по данным Яиикк!)

СМ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ИНСТРУМЕНТ

'вспомогательная инструментальная оснастка

для станкоо с чпу на основе оередач со свободными

телами качения

A.C. ПОРЯДИН, аспирант,

А.Н. РОМАШЕВ, доцент, канд. техн. наук. БТИ АлтГТУ им. И. И. Ползунова, Бийск

Механизмы преобразования движения, в которых используются передачи с помощью периодических дорожек качения и промежуточных тел качения (шариков или роликов), в последнее время активно исследуются и получают дальнейшее развитие.

Волновые или планетарные редукторы с проме-жу|очными телами качении как класс переда!очных механизмов используются еще с начала прошлого века. В Советском Союзе их разработкой занимались специалисты ведущих технических институтов; за рубежом свой волновой редуктор до сих пор пытаются создать американские, немецкие и японские фирмы. Каждая из фирм стремится реализовать какое-либо одно из трех основных преимуществ волновой передачи (обойменная схема конструкции, принцип чистого качения или вовлечение в работу всех силовых элементов), однако никто из них не пытался их совместить. Предприятием "Томские трансмиссионные системы" разработан новый передаточный механизм, по своей эффективности превосходящий все мировые аналоги. Он получил название "редуктор-подшипник", ~ак как одновременно выполняет функции и редуктора, и подшипника. Внешне редуктор-подшипник напоминает подшипник качения и состоит из нескольких цилиндрических или кольцевых обойм, вставленных одна в другую. Между обоймами находятся шарики двух типов. Меньшие по размеру выполняют функцию подшипника качения, большие позволяют одной обойме вращаться медленнее (или быстрее) относительно другой. Цилиндрические обоймы одновременно служат корпусом редуктора-подшипника. Суть данной передачи заключается в расположении шариков между обоймами и геометрии криволинейных дорожек качения.

Широкое внедрение передач со свободными -елами качения в промышленность при создании новой и модернизации действующей техники позволит получить огромный экономический эффект благодаря многократному снижению металлоемкости продукции. К примеру, масса и габаритные размеры устройств с подобными передачами будут в десятки раз меньше массы и размеров зубчатых редукторов с соответствующими характеристиками. Оснащение с~анка-ка-чалки СКД8-3-4000 необслуживаемым редуктором ШРП-42-16000 (массэй около 350 кг) вместо стандартного редуктора Ц2НШ-750Б (массой 2820 кг) позволит сэкономить ежегодно 300 л масла (рис. 1). Эти преимущества вытекают из сравнения массогабаритных показателей - отношения массы редуктора к передаваемому крутящему моменту.

Уникальные преимущества редукторов на основе

передач со свободными телами качения:

• высокие надежность и ресурс работы, обусловленные простой конструкцией и малым количеством деталей обеспечивают соответственно более низкую цену по сравнению с аналогами;

• одноступенчатый редуктор обеспечивает передаточное отношение в пределах от 1 до 10ОО;

• редуктср допускает многокра~ные кратковременные перегрузки. Это обусловлено тем, что угол зацепления шариков составляет 270...330 град. Известные конструкции классических волновых редукторов не выполняют и половины указанного значения;

• передача обращаемая - механизм может работать как редуктором, так и мультигликатором.

• передача дифференциальная - мри одном входе два выхода, причем любое из трех звеньев может быть как входным, так и выходным;

• очень большие углы зацепления тел качения и равномерность их распределения обеспечивают равновесие масс, уменьшают влияние погрешностей изготовления и монтажа на вибрацию и шум, а также высокую жесткость кинематических звеньев и нулевой угловой зазор, отсутствуют упругие деформации;

• отсутствие трения скольжения межу движущимися смежными деталями обеспечивает КПД 0,85...0,98;

• момент инерции масс подвижных звеньев незначителен, что делает предпочтительным применение подобных редукторов в приводах с высокими требованиями к динамичности (быстрый пуск, торможение, реверс);

• возможность создания устройств с ресурсом 15 лет и более. Однократная загрузка пластичных смазок гарантирует их экологическую безопасность и не требует эксплуатационных затрат на замену смазочных материалов.

Рис. \. Общий вид редукторов

Редуктор завода «Редуктор»

г. С-Петербург на выходной момент 1 кН-м

Ред}таор-под1штн11к на еыходной момент 1 кН-м

34 № 2 (39) 2008

ИНСТРУМЕНТ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Сэгодня новые передачи уже используются в различных редукторах механизмов, работающих в нефтегазовом комплексе, некоторых подъемных механизмах, вращают наземные спутниковые антенны. Однако они могут применяться значительно шире: станко- и машиностроение, авиация, судостроение, авто- и железнодорожный транспорт, космическая техника - почти всюду, где сегодня работают менее эффективные зубчатые передачи.

Используя одно из преимуществ данного вида передач - обращаемость, на кафедре МРСиИ Бийско-го технологического института АлтГТУ разработана конструкция ускорительной головки для использования в качестве вспомогательного инструмента на металлорежущих станках с числовым программным управлением.

Рис. 2. Редуцирующий узел мультипликатора

Данная ускорительная головка основана на осевой цилиндрической передаче. Редуцирующий узел мультипликатора показан на рис. 2, а также представлены основные его детали: 1 - вал с однопериодной дорожкой, 2 - втулка-сепаратор, 3 - неподвижные кулачки с трех-периодной дорожкой, 4 - тела качения. При этом тела качения выполняют функцию сателлитов планетарного редуктора. При вращении втулки-сепаратора 2, тела качения 4 вследствие наложенных связей, перемещаются по поверхности неподвижных наружных кулачков 3, а также вдоль однопериодной дорожки ведомого вала 1, вынуждая его вращаться с редукцией.

к...

Ру-

/

\ I

/

I \ I

I Тз

/

Рассмотрим модель зацепления (рис. 3), которая представляет плоскость с траекторией движения тела качения относительно того или иного звена, полученная разворачиванием цилиндрических поверхностей. Таким образом, получим однопериодную синусоиду 7, трехпериодную синусоиду 3, а также вертикальные линии 2, все Л/1нии соответствуют своему звену.

Модель зацепления имеет некоторые допущения: кривые имекл одинаковую амплитуду, «навернуты» на один цилиндр с радиусом Я, размерами тел качения пренебрегаем.

Тело качения всегда находится в точке пересечения кривых. С учетом этого условия, если принять синусоиду 3 неподвижной, после чего сдвигать вертикальные линии 2 вправо, то за счет существующих связей синусоида 7 будет также сдвигаться в том же направлении, но уже с редукцией. В данном случае при повороте звена 2 на угол ос, звено 7 повернется на угол 4а.

Рис. 4. Ускорительная головка

Передаточное отношение определяется как: и

*дд3

Рис. 3. Модель зацепления

В свою очередь мы имеем дело с синусоидами, у которых угол подъема меняется периодически. Но в зацеплении участвуют две периодических дорожки, поэтому изменение углов компенсируется. Таким образом, передаточное отношение остаэтся неизменным.

Данная конструкция позволяет применять несколько рядов передачи для повышения нагрузочной способности. Так для ускорительной головки применяется два ряда, при этом ряды повернуты относи_ельно друг друга на определенный угол, что позволяет обеспечить более равномерное распределение нагрузки, передаваемой всеми телами качения.

Общий вид ускорительной голооки представлен на рис. 4.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

Предложенная конструкция ускорительной головки имеет небольшие размеры подобно аналогичным изделиям на основе планетарных зубчатых передач, но в данном случае в качестве деталей используются <улачки с определенным рабочим профилем, получение которого на станках с ЧПУ не составит больших

затрат, поэтому себестоимость данной конструкции ниже.

Ускорительная головка обеспечивает частоту вращения выходного вала до 10000 об/мин. Применяемый инструмент: концевые фрезы и осевой инструмент диаметром до 10 мм.

"имитационное моделирование формирования волнистости ори обработке сложнокоотурных поверхностей

БУЕВИЧ В.Н., доцент, канд. техн. наук, ЛЕОНОВ С.Л., профессор, канд. техн. наук, ТАТАРКИИ Е.Ю., профессор, доктор техн. наук, ФЕДОРОВ Ю.В., профессор, канд. техн. наук, АптГТУ им. И. И. Ползу нова, г. Барнаул

При обработке деталей, имеющих сложный контур, важным критерием качества является обеспечение заданного уровня волнистости поверхности. Этот критерий особенно важен при подготовке поверхностей под нанесение покрытий. Примером таких деталей являются штампы, внутренние поверхности втулок, отверстий и -.п. Обработка обычно Еедется нежестким инструментом (концевые фрезы, шлифовальные головки). Низкая жесткость таких инструментов приводит не только к упругим отжатиям в технологической системе, но и к колебаниям на собственной частоте инструмента с оправкой.

Упругие отжатия достаточно просто прогнозировать. В соответствии с загоном Гука . где

Ру- среднее значение нормальной составляющей силы резания, а С - жесткость оправки с инструментом. Эти величины рассчитываются или определяются экспериментально. При использовании оборудования с ЧПУ внесение поправки на упругие отжатия не вызывают значительных трудностей.

Более сложные проблемы возникают при учете вибраций инструмента, которые приводят к появлению волнистости обработанной поверхности. Фактически задача сводится к расчету огибающей [1]. Даже при гармоническом законе колебаний центра инструмента профиль обработанной поверхности (огибающая) может существенно отличаться от гармонического закона.

Рассмотрим пример фрезерования отверстия в детали (рис.1). Отверстие имеет радиус Я. Инструмент радиуса г производит обработку этой поверхности и его центр совершает в радиальном направлении гармонические колебания амплитуды А. Параметр ц характеризует частоту колебаний.

Координаты центра инструмента определяются выражениями:

хв ={R-r+As\г^q^p)cos<p,

Ув =(Я-Г + Д51П9ф)51Пф. ^

36 № 2 (39) 2008

Рис. 1. Схема обработки внутренней поверхности

Для получения координат огибающей профиля, которая определяет волнистость поверхности детали, используются выражения [1]:

У = Ув +

X =хв±

гх.

+у1'

Г/в

(2)

ПроизЕодные хв>Ув. необходимые для расчета огибающей по формулам (2), достаточно просто рас: считыяаютг.я аналитическим дифференцированием выражений (1). На рис. 2 приведен профиль огибающей