Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ПРОГНОЗУВАННЯ І ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ОСТАТОЧНОЇ ЛЕЗОВОЇ ОБРОБКИ СКЛАДНОПРОФІЛЬНИХ І ІНШИХ ПОВЕРХОНЬ ОБЕРТАННЯ (НА ПРИКЛАДІ КОМПЛЕКСНОЇ ОБРОБКИ ПОРШНІВ)

Оргіян О.А.

Спеціальність - 05.02.08. - технологія машинобудування

Одеса - 2002

Анотація

Оргіян А.А. Прогнозування і забезпечення точності остаточної лезової обробки складнопрофільних і інших поверхонь обертання (на прикладі комплексної обробки поршнів). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Одеський державний національний політехнічний університет, Одеса, 2002.

Дисертація присвячена проблемам прогнозування і підвищення точності оздоблювальної лезової обробки складнопрофільних і інших виконавчих поверхонь обертання деталей типу поршнів ДВЗ, гільз і ін. Вивчено динамічні взаємодії при копіюванні еліпсно-бочкоподібного профілю поршнів, при розточуванні довгих або глибоко розташованих отворів, при обробці канавок. Вивчено вплив коливань на формування динамічних похибок при тонкому точінні і розточуванні. Розроблено розрахункові моделі замкнутих технологічних систем із перемінними характеристиками, що описують змушені коливання під дією кінематичних і параметричних обурень. Вивчено деформованість поршнів під дією зусиль закріплення і різання. Вивчено параметричну стійкість копіювальних пристроїв. Запропоновано нові конструктивні рішення вібростійких борштанг із підвищеним демпфіюванням для якісної обробки довгих отворів. Досліджувано засоби гасіння коливань при обробці (різання з накладенням заданих вібрацій, іспити нових ефективних віброгасіїв при різанні суцільних і переривчастих поверхонь). Розроблено методику розрахунку статичних і динамічних похибок. Вивчено взаємний вплив збурень від різців при розточуванні трьохступінчастих отворів.

Ключові слова: складнопрофільні поверхні, копір, поршень, комплексна обробка, похибки, гармонічний аналіз, параметрична стійкість, змушені коливання.

Аннотация

Оргиян А.А. Прогнозирование и обеспечение точности окончательной лезвийной обработки сложнопрофильных и других поверхностей вращения (на примере комплексной обработки поршней). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Одесский государственный национальный политехнический университет, Одесса, 2001.

Диссертация посвящена проблемам прогнозирования и повышения точности отделочной лезвийной обработки сложнопрофильных и других исполнительных поверхностей вращения деталей типа поршней ДВС, гильз и др. Изучены динамические взаимодействия при копировании эллипсно-бочкообразного профиля поршней, при растачивании длинных или глубоко расположенных отверстий, при обработке канавок. Исследования финишной обработки проведены в условиях резания с переменным припуском, с ударом, а также в условиях, когда податливость инструмента значительно больше предельной. Для расширения технологических возможностей операции тонкого точения предложена и реализована научная концепция, состоящая в том, что качественно новые результаты по точности обработки могут быть получены сочетанием обоснованных технологических методов с методами улучшения динамических свойств станочных систем; при этом существенно уменьшаются динамические погрешности обработки до величин порядка 0,5-1мкм.

Установлено, что кинематические и параметрические возмущения на 90-95% определяют уровень колебаний при копирной обработке сложнопрофильной поверхности.

Реализована комплексная обработка поршня с одной установки, включающая тонкое точение сложнопрофильной наружной поверхности, прорезку и калибровку канавок, подрезку донышка, а также соосное растачивание двух отверстий над поршневой палец. Методом конечных элементов изучена деформируемость поршней под действием усилий закрепления и базирования. Определена наиболее рациональная последовательность технологических операций при комплексной обработке.

Изучено влияние колебаний на формирование динамических погрешностей при тонком точении и растачивании. Установлено, что АЧХ технологической системы по разному преобразует отдельные гармоники профиля копира. Установлено, что изменение массогеометрических или жесткостных характеристик технологической системы или тонкое регулирование скорости резца может уменьшить в 1,5-3 раза динамические погрешности.

Разработана обобщенная расчётная модель замкнутой технологической системы с переменными характеристиками. Из этой расчётной модели, выделяя основные потенциально неустойчивые формы колебаний, можно получить частные расчётные модели, позволяющие оценить уровни колебаний в разных условиях обработки. Даны рекомендации по определению параметров модели на стадии проектирования. Установлено, что увеличение крутильной жёсткости скалки и контактной жёсткости щупа приводят к уменьшению погрешностей, а совместные изменения контактной жесткости щупа и жёсткости прижимной пружины позволяют оптимизировать систему по критерию точности обработки.

Решения ряда кинематических задач по воспроизведению профиля с помощью плоского шума, по изменению масштаба копирования, а также по точности выполнения профиля на копире дополняют результаты динамических расчётов.

Распространена теория метода сшивания для анализа параметрической устойчивости на системы с двумя степенями свободы. Построены области устойчивых и неустойчивых решений, определяющие работоспособность копирной системы.

Показано, что изменение припуска с частотой вращения при тонком точении не приводит к возникновению параметрических резонансов.

Для прецизионной обработки длинных отверстий с отношением длины к диаметру до 15 предложены специальные виброустойчивые борштанги с повышенным демпфированием, позволяющие в 2-4 раза уменьшить амплитуду вынужденных колебаний. Исследованы способы гашения колебаний при обработке (резание с наложением заданных вибраций, испытания новых эффективных виброгасителей для приспособлений и для вертикальных шпинделей при обработке сплошных и прерывистых поверхностей).

Развита методология расчета статических и динамических погрешностей. Расчет частных статических погрешностей сведен с использованием номограмм. Изучено взаимное влияние возмущений от одновременно работающих резцов при растачивании трехступенчатіх отверстий.

Полученные при решении поставленных задач результаты реализованы при проектировании и изготовлении специального технологического оборудования (станки ВК 965, ВК 988, ОСА 2022).

Ключевые слова: сложнопрофильная поверхность вращения, поршень, копир, комплексная обработка, погрешность, гармонический анализ, параметрическая устойчивость, вынужденные колебания.

складнопрофільний коливання різання копіювальний

Summary

Orgiyan A.A. Prediction and security of an exactitude of final blade handling of composite profile and other special surface of revolutions (on an example of complex handling of pistons). - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the doctor of engineering science by speciality 05.01.03 - mechanical engineering technique. - Polytechnic State National university, Odessa, 2001.

The thesis is devoted to problems of prediction and heightening of an exactitude of finishing blade handling of composite profile and other executive surface of revolutions of details such as pistons of explosion engines, of barrels etc. Dynamic interactions are studied at copying of the ellipse-barrel-type profile of pistons, at boring out of long or deeply disposed holes, at handling grooves. The effect of oscillations on forming of dynamic errors is studied at thin boring and boring out. The calculated patterns of closed technological systems with variable characteristics circumscribing forced vibrations under an operation of kinematic and parametric perturbations are developed. The deformability of pistons under an operation of efforts of fixing and basing is studied. The parametric stability of copying devices is studied. The new design solutions of vibration stable drill bar with heightened damping for qualitative handling of long holes are offered. The methods of extinguishing of oscillations are researched at handling (cutting with superposition of given vibrations, trial of new effective vibration dampers at cutting of solid and intermittent surfaces). The technique of account of static and dynamic errors is developed.

Keywords: a composite profile surface of revolution, a piston, a copier, complex handling, error, Fourier analysis, parametric stability, forced vibrations.

1. Загальна характеристика роботи

Копірна та безкопірна обробка складнопрофільних точних поверхонь деталей машин різноманітного функціонального призначення завжди являла собою одну з найбільш важких технологічних проблем машинобудування. Типовим прикладом складнопрофільних поверхонь обертання є зовнішня поверхня поршнів двигунів внутрішнього згоряння.

Комплексна обробка поршнів потребує також рішення ряду інших проблем, характерних для тонкого обточування і розточування, які мають широке наукове значення. Так, наприклад, копірна обробка еліпсно-бочкоподібної зовнішньої переривчастої поверхні поршнів заснована на вивченні особливостей процесу тонкого точіння при перемінній товщині зрізу в умовах періодичних урізувань і виходів інструмента. Чистова обробка отворів під поршневий палець пов'язана із дослідженням динамічних явищ при розточуванні переривчастих отворів борштангами з відношенням довжини до діаметра більше трьох. При цьому реалізуються підвищені вібраційні режими, що не забезпечують технічні вимоги до якості обробки. Аналогічні проблеми виникають при прецизійному розточуванні довгих або глибоко розташованих отворів, а також ступінчастих отворів, наприклад, у корпусах маслонасосів, гільзах і ін., коли значення податливості інструмента значно перевищують граничні. Мала і нерівномірна радіальна жорсткість поршнів породжує проблеми, пов'язані з їх базуванням і закріпленням, а також із проектуванням спеціальних патронів. При калібруванні трапецієподібних канавок поршнів виникають інтенсивні коливання, що знижують якість обробки і стійкість різців. Згадані проблеми свідчать про те, що з наукової точки зору фінішна комлексна обробка такої деталі великосерійного виробництва, як поршень ДВЗ, є концентрованим об'єктом дослідження технологічних можливостей операції тонкого точіння.

Таким чином, комлексна обробка поршнів ДВЗ, вирішуючи цілий ряд складних технічних проблем і задач, може служити технологічною основою для проектування нових спеціальних обробних верстатів, а також для удосконалювання діючих технологічних процесів виготовлення поршнів на основі модернізації наявного устаткування.

Актуальність теми обумовлена з однієї сторони тим, що проблема зниження рівня вібрацій при прецизійній лезовій обробці усе ще залишається цілком не вирішеною, незважаючи на велику кількість досліджень, присвячених з'ясовуванню причин їх виникнення. У той же час рівень вимог до точності обробки та норми точності обробно-розточувальних верстатів накладають жорсткі обмеження на рівень коливань при розточуванні.

З іншої сторони актуальність проведених досліджень визначається тим, що значна частина деталей великосерійного виробництва, оброблюваних на обробно-обточувальних (розточувальних) верстатах має складнопрофільну переривчасту й інші поверхні обертання з жорсткими допусками їх виготовлення. Широке застосування ДВЗ у машинах різноманітного призначення визначає великий попит на поршні цих двигунів. Великосерійне виробництво поршнів потребує удосконалювання технології їх обробки, виготовлення спеціальних верстатів і технологічних наладок. Водночас, поршні дальнього зарубіжжя занадто дорогі, а верстати для їхнього виробництва значно дорожчі вітчизняних. Тому інтереси вітчизняного автобудування, тракторобудування і верстатобудування потребують узагальнення і поширення результатів досліджень в сфері технології комплексної високоточної обробки складнопрофільних і інших поверхонь обертання, характерних для багатьох деталей машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Початок робіт із проблем обробки складнопрофільних і інших спеціальних поверхонь обертання, а також створення спеціального устаткування відноситься до 1980 р. Потім дослідження проводилися на підставі наказу Головного технічного управління МС і ІП за науковою темою “Розробка і дослідження нових методів комплексної фінішної обробки зовнішніх поверхонь поршнів ДВЗ, у тому числі дослідження кінематики і динаміки обробки, процесів різання і засобів контролю” (наказ №400 від 5.09.85 р.). Відповідно до цього наказу головним виконавцем із 1985 р. по 1992 р. було СКБ алмазно-розточувальних верстатів, а співвиконавцем Одеський технологічний інститут (у даний час Одеська державна академія харчових технологій - ОДАХТ). З 1989 р. також за договором із Головним технічним управлінням Мінверстатопрому за темою “Розробка і дослідження високоточних і високопродуктивних методів комплексної фінішної обробки поршнів ДВЗ і розробка експериментального зразка верстата” (виписка з договору №06 по НДР 154-89) співвиконавцем виконувалися роботи з визначення статичних і динамічних параметрів механізмів формоутворення технологічних наладок, а також параметрів процесу різання.

Дисертаційна робота виконувалася також у рамках держбюджетних планів ОДАХТ і координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти України з теми “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розширення технологічних можливостей операції тонкого точіння (розточування), що забезпечує виготовлення деталей машин на якісно новому рівні на основі прогнозування і досягнення високої точності остаточної лезової обробки їх складнопрофільних та інших поверхонь обертання з урахуванням динаміки технологічної системи.

Відповідно до поставленої мети в роботі сформульовані такі завдання:

виконати систематизацію конструктивних рішень копіювальних верстатів і технологічних наладок на основі вивчення конструктивних і технологічних особливостей поршнів; вивчити похибки відтворення еліпсно-бочкоподібних поверхонь у залежності від параметрів копірної наладки;

встановити взаємозв'язок між параметрами точності обробки і коливаннями, що виникають у технологічній системі; виробити систему обробки даних вимірів;

вивчити вплив зміни послідовності операцій (переходів) на точність комплексної фінішної обробки поршнів з однієї установки;

визначити раціональні умови базування і закріплення тонкостінних і нерівножорстких металоконструкцій поршнів;

дослідити статичні і динамічні похибки при розточуванні довгих або глибоко розташованих отворів спеціальним вібростійкими борштангами з відношенням довжини до діаметра до 15;

розробити і випробувати нові віброгасії, що забезпечують зниження рівня коливань при обробці довгих отворів із суцільною і переривчастою поверхнею;

вивчити ефекти віброгасіння згинних коливань борштанг при тонкому розточуванні з накладенням змушених осьових коливань;

дослідити взаємодію форм коливань з урахуванням податливості пристроїв, а також при багаторізцевій обробці;

розробити і удосконалити математичні моделі технологічних систем копірної обробки і вивчити вплив зміни припуску з частотою обертання на коливання, а також параметричну стійкість копірних систем;

вивчити змушені коливання технологічної системи при спільній дії параметричних і кінематичних збурень і на цій основі розробити методологію розрахунку похибок.

Об'єкт дослідження - прецизійна (тонка, фінішна) лезова обробка складнопрофільних і інших поверхонь обертання.

Предмет дослідження - точність фінішної обробки складнопрофільних поверхонь обертання, глибоких (глибоко розташованих) і ступінчастих отворів.

Методи дослідження - експериментальні (на дослідних зразках верстатів та на діючих у виробництві верстатах) і розрахункові на базі моделювання процесу обробки з використанням теоретичних основ технології машинобудування, теорії різання металів, прикладної механіки, динаміки технологічних систем, теорії автоматичного регулювання, теорії коливань, математичної статистики.

При дослідженнях використовувалися: комплект апаратури з індуктивними і індукційними датчиками для вимірювання параметрів коливань; комплект апаратури для зняття частотних характеристик з електромагнітним вібратором і тензометричним динамометром; токознімач для вимірювання вібрацій борштанг, що обертаються; тензодатчики для вимірювання переміщень. Об'ємні деформації поршнів вивчалися методом голографічної інтерферометрії.

Наукова новизна отриманих результатів. У основу роботи покладена наукова концепція, яка полягає в тому, що якісно нові результати, що відповідають рівню сучасних вимог до точності обробки, можуть бути отримані сполученням обґрунтованих технологічних методів (концентрація операцій (переходів) і їх послідовність, обробка з однієї установки й ін.) із методами поліпшення динамічних властивостей верстатних систем. При цьому значно зменшуються динамічні похибки і розширюються технологічні можливості фінішної лезової обробки. Тому реалізація рішень динамічних завдань технології машинобудування є резервом підвищення якості обробки.

На основі проведених досліджень сформульовані такі наукові результати:

розвинуто новий науковий напрямок, який органічно об'єднує технологію обробки деталей і її кінцеві результати з динамікою технологічних систем;

вперше повно досліджений взаємозв'язок між параметрами точності обробки складнопрофільних і інших виконавчих поверхонь обертання і коливаннями, що виникають при різанні; на цій основі теоретично обґрунтовані вимоги до параметрів технологічної системи для комплексної фінішної обробки поршнів; динамічні похибки при копіюванні складнопрофільних поверхонь формуються під дією кінематичних і параметричних збурень, а оцінка рівня коливань від цих збурень з урахуванням зміни припуску з частотою обертання дозволяють вибирати конструктивні параметри технологічних наладок і призначати обґрунтовані режими різання вже на стадії проектування;

розрахунки похибок копіювання виконані на основі зіставлення гармонічних розкладань функцій, що описують профілі поперечних перерізів копіра і поршня; таке зіставлення дозволяє встановити викривлення гармонік, обумовлені динамічними особливостями технологічної системи;

оцінені деформації поршнів у різних умовах базування і закріплення методом скінчених елементів; вперше вивчені впливи зміни послідовності операцій (переходів) і зміни зусиль закріплення на точність обробки;

розроблені й удосконалені розрахункові моделі технологічних систем з перемінними характеристиками, що дозволяють визначати їх параметри з урахуванням точності копіювання;

вперше, на основі поширення методу зшивання для аналізу параметричної стійкості на системи з двома степенями вільності, вивчені параметричні коливання копірних наладок, що дозволяють оцінити працездатність слідкуючої системи; такий підхід продовжує розвиток чисельно-аналітичних методів рішення динамічних задач у технології машинобудування;

повно досліджені технологічні можливості операції тонкого розточування довгих (глибоко розташованих), а також ступінчастих отворів; вперше встановлені особливості взаємодії борштанги з витікаючим із неї під тиском потоком робочого середовища; обґрунтована можливість гасіння коливань однієї форми накладенням змушених коливань іншої форми при тонкому розточуванні; вивчені коливання борштанг з урахуванням податливості пристроїв у напрямку подачі при переривчастому різанні; оцінена ефективність гасіння коливань довгих борштанг оригінальними віброгасіями при розточуванні суцільних і переривчастих поверхонь; запропоновані методи розрахунку статичних і динамічних похибок.

Практичне значення отриманих результатів. Найважливіше практичне значення отриманих результатів роботи полягає у розробці технології і устаткування для виготовлення конкурентоспроможних поршнів ДВЗ, які мають якісно нові показники точності складного профілю виконавчих поверхонь.

Важливе значення мають результати суттєвого поширення технологічних можливостей обробно-обточувальних (розточувальних) верстатів, що досягнуті за рахунок максимально можливої концентрації операцій. При цьому у декілька разів скорочена кількість високоточних і дорогих верстатів на фінішному етапі технологічного процесу обробки поршнів.

Отримана практична можливість значно розширити діапазон співвідношень довжини отворів до їх діаметрів при обробці довгих та глибоко розташованих отворів, а також при багаторізцевій обробці.

Практична цінність результатів полягає також у тому, що вони можуть бути застосовані і при обробці інших деталей машинобудування на аналогічному верстатному обладнанні.

Результати проведених експериментальних і теоретичних досліджень застосовані при проектуванні в СКБАРВ обробно-обточувальних копіювальних верстатів, а також обробно-розточувальних верстатів.

З використанням результатів експериментів і розрахунків спроектовані і виготовлені верстати ВК 965, ВК 988, ВК 988Б.

Узагальнення результатів науково-дослідних робіт з аналізу технологічних схем базування деталей, копіювання профілю й обробки виконавчих поверхонь обертання призвели до проектування і виготовлення верстата ОСА-2022 для комплексної обробки поршнів з однієї установки, включаючи розточування отворів під поршневі пальці. Така конструкція верстата розроблена вперше і не має аналогів.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці основної концепції роботи, виборі й обґрунтуванні теми, проведенні аналітичних і експериментальних досліджень у лабораторних і виробничих умовах. У опублікованих роботах автору належать основні ідеї і наукове обґрунтування теоретичних положень.

Автору належать ідеї і розробки конструкцій спеціальних вібростійких борштанг із підвищеним демпфіюванням, віброгасників із дроселюванням робочого середовища між дисками, постановка експериментів і науковий аналіз результатів досліджень. Автором, зокрема, виконаний аналіз параметричної стійкості слідкуючої системи на основі поширення методу зшивання на системи з двома степенями вільності; розроблені й удосконалені розрахункові моделі технологічних систем, а також методи динамічного розрахунку; установлений вплив зміни послідовності операцій на якість обробки; виконаний гармонічний аналіз профілів копіра і поршня й ін.

Автором проведені консультації і взята участь у складанні і наладці верстатів ВК 988Б на Московському заводі автоматичних ліній.

Автор був відповідальним виконавцем і керівником науково-дослідних госпдоговірних робіт із проблем обробки поршнів.

Апробація роботи. Робота доповідалась на I-й (1980 Р.), II-й (1984 р., м. Куйбишев) і III-й (1988 р., м.Тольятті) Всесоюзних науково-технічних конференціях по динаміці верстатних систем; на 3-ому (1997 р.), 4-ому (1999 р.) і 5-ому (2001 р.) міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у м. Львові; на Всесоюзній конференції по керованих приводах і передачах гнучким зв'язком (1986 р., м. Одеса); на Всесоюзній науково-технічній нараді “Удосконалювання механоскладального виробництва і шляхи розвитку технології” (1991, м. Воронеж); на 56 науковій конференції ОДАХТ (1996 р.); на міжнародній конференції “Прогресивні технології машинобудування і сучасність” (1997 р., м. Севастополь), на засіданні секції важкого і транспортного машинобудування Академії інженерних наук України (1998 р., м. Одеса); на VII-ому міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології в машинобудуванні: тенденції розвитку, менеджмент, маркетинг” (м. Харків - м. Алушта, ХПДУ,1997), на 15 міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (м. Одеса, 2000 р.) і ін.

Робота в повному обсязі доповідалась і схвалена на міжнародній конференції “Інтерпартнер-2001” (м. Алушта, 2001 р.) та на спільному засіданні кафедр ОДАХТ і ОНПУ.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі виконаний огляд технічної літератури з теми дисертації. На основі аналізу даних опитних листів, отриманих від підприємств, що випускають поршні ДВЗ, визначені конструктивні і технологічні особливості поршнів, які мають складну просторову форму зовнішньої поверхні. Аналіз інформаційних даних показав, зокрема:

1. Увесь масив поршнів ДВЗ можна розбити за основним параметром - зовнішнім діаметром Д - на три групи: група 1 Д 100 мм (25%) - поршні мало - і мікролітражних двигунів); група 2 - Д 100160 мм (61%)- поршні автомобільних і тракторних двигунів); група 3 - Д 100160 мм (14%)- поршні важких суднових і стаціонарних дизелів).

2. За формою поперечних перерізів зустрічаються поршні з постійною і перемінною по довжині поршня овальністю. За формою поздовжньої твірної - поршні з конічною, східчастою конічною і бочкоподібною твірними. При цьому можливі різноманітні сполучення форм на юбці і голівці поршня.

3. Для поршнів основної групи 2 максимальна величина овальності (на радіус) не перевищує 0,25 мм. Величини конусності або бочкоподібності твірної (на радіус), що відраховуються від нульового перерізу, на юбці звичайно не перевищують 0,20,25 мм, на голівці 0,40,5 мм.

4. Допустимі відхилення профілю поперечного перерізу поршнів основної групи (за розміром малої осі перерізу) задаються в межах від 0,005 мм до 0,015 мм. По окремих точках перерізу похибка може задаватися до 0,002 мм, але для дуже малих абсолютних значень відхилень форми. Точність форми твірних поршнів варіюється в широких межах. Так, для основної групи відхилення від форми твірних коливаються в межах від 0,005 мм до 0,02 мм, а в деяких перспективних конструкціях указані величини похибок відхилення форми твірної за окремими точками юбки до 0,001 і навіть до 0,0005 мм.

На основі аналізу конструктивних і технологічних особливостей поршнів виконана систематизація технологічних схем обробки і реалізуючих їх конструкцій копіювальних верстатів.

У огляді наведені результати досліджень по тонкому точінню (розточуванню) в умовах обробки суцільних і переривчастих поверхонь. Відзначено, що режими різання, які рекомендуються, отримані в стандартних умовах обробки - різання короткою, жорсткою борштангою отворів середнього діаметра. При обробці довгою борштангою, при обробці з ударом і при інших несприятливих умовах різання для коригування режимів, що рекомендуються, варто проводити спеціальні дослідження.

Одним з основних факторів, знижуючих точність прецизійної обробки є виникаючі при різанні коливання. Проаналізовано основні особливості динамічних явищ, що супроводжують процес тонкого розточування (обточування) поверхонь (В.Ф. Ревва, В.І. Попов, Ю.Ф. Копелев, П.А. Лінчевський, В.М. Кобелєв, В.Е. Пуш, В.О. Кудінов, В.В. Камінська, Д.М. Решетов, В.М. Подураєв, А.П. Пупін і ін.). Розглянуто основні методи зниження рівня коливань, засновані на підвищенні запасу стійкості динамічної системи і зменшенні рівня зовнішніх збурень. Якість обробки поверхні також багато в чому визначається динамічними процесами (А.О. Маталін, П.А. Лінчевський, В.К. Ломакін, Ю.М. Кузнєцов, В.К. Житомирський, О.Є. Проволоцький, Л.Г. Пановко, О.В. Якімов, Б.Є. Болотов, О.Є. Радіонов і ін.), а також режимами різання і геометрією інструмента (О.П. Соколовський, С. Касто, С.І. Волков, Т.М. Лоладзе).

Аналіз науково-технічної літератури, а також досвід налагодження технологічних систем дозволяє зробити такі висновки:

Комплексна обробка поршнів ДВЗ являє собою складну технічну проблему. Трудність рішення цієї проблеми визначається такими основними факторами:

а) складністю і різноманіттям форм подовжнього і поперечного перерізів;

б) високою заданою точністю відтворення цих форм;

в) малою й анізотропною жорсткістю поршнів;

г) поганою оброблюваністю матеріалів (висококремнієві алюмінієві сплави) і наявністю додаткових вставок із важкооброблюваних матеріалів;

д) необхідністю співвісної обробки двох отворів під поршневий палець (іноді з переривчастою поверхнею) на великій довжині.

2. Для обробки складнопрофільних зовнішніх поверхонь поршнів найбільше поширення одержав метод прямого механічного копіювання, що характеризується відносно високою точністю і швидкодією системи. Найчастіше використовують масштабні об'ємні копіри, чим забезпечується мінімальна кількість кінематичних пар і, внаслідок цього, підвищення точності обробки. Верстати з об'ємними копірами випускають фірми "Ексцелло" (США), "Ла Сааль" (США), "Рено" (Франція), "Мале" (ФРН). Ряд верстатів був спроектований СКБАРВ і зібраний на Одеському верстатобудівному виробничому об'єднанні, на Вільнюському заводі "Комунарас", на Московському заводі автоматичних ліній і ін. заводах.

Для співвісної прецизійної обробки отворів під поршневий палець найчастіше застосовують тонке розточування. За точністю розмірів, форми і розташування отворів, а також за продуктивністю, ця операція перевершує інші чистові методи. Водночас, процес тонкого розточування й обточування в нестандартних умовах (переривчастість оброблюваної поверхні, велика довжина розточування, ступінчастість отворів обточування з ударом і перемінною товщиною зрізу, жорсткі вимоги до взаємного розташування осі розточування й осі базових поверхонь і ін.) є найменш вивченим у порівнянні з іншими операціями.

В другому розділі експериментально вивчений вплив конструктивних особливостей копіювальних верстатів, а також особливостей технології на точність обробки зовнішніх складнопрофільних поверхонь поршнів. У експериментах було проведене обточування поршнів у різних умовах установки, закріплення і регулювання. Зіставлені похибки профілю поперечного перерізу від заданого при вимірах на верстаті й у контрольному пристрої. Аналіз отриманих даних показує, що при обробці в стандартних умовах спостерігаються значні відхилення форми поперечних перерізів, що виходять за межі поля допуску і у контрольному пристрої, і на верстаті. Характер відхилень форми показує, що деформації відбуваються як від силового розтиску центруючих кулачків, так і від затискання важелями за отвори під поршневий палець. Викиди за межі поля допуску збільшуються зі збільшенням овальності перерізу і групуються у районі малої осі перерізу, (місце найбільших відхилень форми перерізу від окружності). Такий характер викидів указує на наявність динамічних похибок системи копіювання, пов'язаних із підвищеною масою частин, що коливаються, а також наявністю пружних деформацій елементів верстата.

Зміна умов закріплення та поліпшення динамічних властивостей пружної системи дозволило зменшити похибки і по всіх виміряних перерізах ввійти в поле допуску.

Комплексна обробка зовнішньої поверхні поршня, включаючи обточування, прорізку і калібрування канавок, підрізку днища, зняття фасок (а в деяких випадках і розточування отворів під поршневий палець) у середньому виконується протягом 3-8 хв., а сили різання змінюються від 0,02кН до 1,5кН. Отже, поршень знаходиться в різних навантажених станах, що залежать від виду операції, протягом короткого проміжку часу. Тому були проведені експерименти по вивченню впливу зміни послідовності операцій на точність обробки. Вивчали деформованість партій поршнів після обточування зовнішньої поверхні, потім - відхилення від круглості після прорізки канавок, підрізки денця й обточування. Встановлено, що великі значення деформацій і більший їх розкид (до 5 мкм) відповідають найменш жорстким перерізам поршня і, навпаки, менший розкид відхилень від круглості і менші величини деформацій відповідають жорстким перерізам поблизу денця. Вплив зміни послідовності операцій на точність у більшій мірі проявляється в перерізах, де є істотна анізотропія радіальної жорсткості. Експериментальні дослідження дозволили встановити, що при комплексній прецизійній обробці поршнів з однієї установки раціональними є такі технологічні рішення: попереднє обточування поршнів із глибиною різання до 0,2 мм, прорізка канавок і підрізка денця зі збільшенням зусилля закріплення для забезпечення нерухомості поршня, остаточне обточування зовнішньої поверхні з глибиною різання до 0,1 мм із зменшенням зусиль затискача.

Досліджені умови обробки канавок. При їх обробці виникають великі зусилля різання, наприклад, при калібруванні сторін і денця однієї канавки зусилля досягає величини 1,5 кН, що призводить до збільшення необхідної величини зусилля закріплення. У зв'язку з великими зусиллями закріплення виникає необхідність розробки спеціальних патронів, що забезпечують мінімальне деформування поршнів. Вивчення цього питання засноване на дослідженні напружено-деформованого стану поршня ДВЗ при закріпленні й обробці. Розрахунок напруг і деформацій у металоконструкції поршня виконаний за допомогою методу скінчених елементів. Розглянуто дві групи розрахункових випадків обробки поршня. Перша група розрахункових випадків відповідає впливу на поршень тільки зусиль закріплення. Друга група розрахункових випадків відповідає впливу на поршень зусиль різання і зусиль закріплення.

З погляду дотримання вихідної геометричної форми кращими є варіанти "в" і "г", що мають радіальні деформації одного напрямку, а також їх найменші значення.

Вибір схеми базування і закріплення дозволяє зменшити статичні похибки при відтворенні складного профілю поршнів.

В другому розділі також оцінена похибка копіювання, пов'язана з формою перерізу щупа.

Показано, що при копіюванні одним плоским щупом максимальна похибка при відтворенні профілю поперечного перерізу у вигляді еліпса пропорційна

w a ₀².

де а - мала піввісь еліпса, b - велика піввісь еліпса і

Ширина плями контакту, що забезпечує хороше відтворення заданого профілю, не повинна перевищувати 2-3 мм.

Проаналізовано вплив похибок виготовлення копіра на точність копіювання на прикладі утворення подовжнього профілю.

Наведено методику геометричного розрахунку копіювальної системи верстата. Об'ємні копіри найчастіше виконують масштабними, причому відхилення їх профілю від окружності в 3-4 рази перевищують відхилення відповідного профілю на поршні. Це дозволяє підвищити точність виготовлення копіра, а також підвищити точність копіювання. З іншої сторони збільшення масштабу копіювання призводить до росту інерційних сил і можливості відриву щупа від копіра. Тому у верстатах використовують масштаб 2:1. На прикладі геометричного розрахунку копіювальної системи вертикального компонування ВК1446 показано, що зі зміною розмірів відхилень від окружності на поршні "y" і відповідними змінами розмірів відхилень на копірі "х" передаточне число дещо змінюється. Наводиться графік значень передаточних відношень для конкретної копіювальної системи.

З досвіду налагодження верстатів і обробки поршнів запропонований ряд рекомендацій по конструктивних і технологічних особливостях верстатів і схем наладок.

У третьому розділі вивчений вплив динамічних збурень на формування похибок при відтворюванні форми поршнів, а також розроблені розрахункові моделі нестаціонарних технологічних систем копірної обробки.

Формування похибок обробки зовнішньої поверхні поршня вивчено за допомогою гармонічного аналізу таблично заданих функцій, що описують залежності радіусів поперечних перерізів копіра і поршня від кута повороту цих радіусів щодо осі поверхонь поршня і копіра. Кожна з таких функцій R_k() (для копіра) і R_п() (для поршня) визначена своїми значеннями в 36-ти точках. Дійсно, практично на всіх кресленнях поршнів ДВЗ форма поперечного перерізу задається значеннями радіусів у 36-ти точках із кроком зміни кута , що дорівнює 10⁰. Позначив уявимо ці функції у вигляді рядів Фур'є.

Відомо, що періодична функція має дискретний спектр, тобто в її розкладанні беруть участь гармоніки, що мають тільки певні частоти. У нашому випадку, це гармоніки з частотами

З теорії рядів Фур'є одержуємо вираження для коефіцієнтів розкладань за цими коефіцієнтами знаходимо амплітуди гармонік розкладання профілю поперечного перерізу копіра і поршня.

Фазові викривлення гармонік, обумовлені величиною також можуть призводити до похибки форми обробленої поверхні. Закономірні зміни відношення Aпj/Akj при заданій частоті обертання шпинделя, що несе поршень і копір, із зміною номера j гармоніки визначаються амплітудно-частотною характеристикою пружної системи. Якщо пружна система є дуже жорсткою і має високу першу власну частоту, то можна вважати, що при всіх j , відношення Aпj/Akj 1. Отже, відмінності цього відношення від одиниці в реальних умовах виникають через особливості амплітудно-частотної характеристики пружної системи. Система машинної обробки даних вимірів поршнів подана у вигляді таблиць, де показані амплітуди гармонік поршня і копіра, фазові викривлення гармонік, відношення амплітуд і оцінки, що показують, для яких гармонік відношення амплітуд поршня і копіра досягає екстремуму. Перша гармоніка залежить від положення центра перерізу при вимірах і тому вона не визначає форму перерізу. Наступні інтенсивні гармоніки мають парні номери, тому що і задані копіром, і одержувані на поршні профілі перерізів симетричні відносно двох координатних осей. На рис.4 очевидне розходження частотних спектрів при вимірах поршня на верстаті й у контрольному пристрої. Зменшення цього розходження свідчить про малий вплив умов закріплення на деформованість поршнів. Приймаючи визначальними гармоніки, амплітуди яких перевищують 1 мкм, дійдемо висновку про те, що гармоніки з парними номерами, починаючи з другої по шістнадцяту є визначальними при формуванні профілю поршнів.

Порівняння результатів гармонічного аналізу дозволяють зробити такі висновки:

Амплітуда другої гармоніки, як характеристика овальності, є найбільшою. Тому відношення амплітуди другої гармоніки до максимальної амплітуди наступних гармонік визначає значущість овальності серед складових показників, що формують профіль поперечного перерізу поршня. У таблиці 1 наведена значущість овальності для деяких верстатів.

Викривлення гармонік профілю копіра, обумовлене амплітудно-частотною характеристикою верстата, оцінено за найбільшими значеннями абсолютних і відносних розходжень амплітуд відповідних гармонік для копіра і поршня. Видно, що динамічні похибки можуть досягати величини 5-6 мкм.

Аналіз коливань копіювальних станків при холостому ході і при різанні показує, що відносні коливання різця і поршня, який обробляється, визначаючі величину динамічної похибки, в основному, залежать (на 90-95%) від кінематичного збудження, що виникає при обкатці щупом некруглої поверхні копіра, і від параметричних збуджень через переривчастий характер процесу різання.

Таблиця 1 Порівняння результатів гармонічного аналізу

Модель верстата	Визначаючий вплив овальності	Вплив динамічної характеристики на похибки форми
		An -Akmax, мкм	An/Ak 1max
ОС7804	5,3	4-5	0,3
ОС8153	5,7	3,6	0,22
ОСА2022	4,5	3,15	0,15
ВК1446	4,7	3,3	0,2
ВК965	5,15	3,8	0,4

Розрахункова модель динамічної системи копіювального верстата складається з 2-х пружних підсистем, замкнених на процес різання: КП-шпиндель, несучий копір і поршень; РЩ - скалка, яка несе різець і щуп копірного пристрою.

Внаслідок пружних згинних коливань в підсистемі КП і крутильних коливань в підсистем РЩ виникає відмінність між заданим профілем копіра, переміщеннями щупа і переміщеннями різця відносно поршня. Визначення цієї відмінності, що характеризує динамічну похибку, і є задачею динамічного розрахунку.

Дві пружні підсистеми взаємодіють між собою в зонах контакту щупа з копіром, де невідривність досягається попереднім напруженням пружини, і в зоні різання (контакт різця і поршня). Умови взаємодії елементів системи в зоні контакту копір-щуп (ВКЩ) залежать від контактної жорсткості щупа, а в зоні різання - від параметрів динамічної характеристики процесу різання.

Пружні коливання, що виникають при різанні, описані системою диференціальних рівнянь, складених з урахуванням основних положень теорії динаміки верстатів

Розроблена розрахункова модель, що описується системою рівнянь, дозволяє вивчити вимушені коливання замкненої динамічної системи верстата під дією параметричних і кінематичних збуджень. З цієї загальної моделі для рішення конкретних задач, виділяючи основні потенційно нестійкі форми коливань, утворюються часткові моделі.

Розрахунки по цих моделях дозволяють вибирати параметри пружної системи і процесу різання на стадії проектування з урахуванням точності копіювання.

У четвертому розділі вивчені динамічні особливості і похибки прецизійного розточування довгих, глибоко розташованих (з l/d 10), а також ступінчастих отворів з суцільною, або переривчастою поверхнями.

Аналіз круглограм розточених отворів показує, що коливання можуть бути фактором, що переважно визначає похибки форми поперечного перерізу.

Розточування довгих (глибоко розташованих) отворів можливе при використанні спеціальних вібростійких борштанг. У конструкції таких борштанг використовується робоче середовище, яке під тиском подається в зазор між борштангою і отвором в заготовці.

Вивчені коливання консольних борштанг при витіканні в зазор повітря або індустріального масла. При виникненні коливань взаємодія поверхні оправки з потоком робочого середовища створює додаткове демпфіювання, що призводить до зниження розмаху коливань, до зменшення шорсткості обробленої поверхні і відхилень від круглості розточеного отвору. Оскільки вихідні отвори розташовані в перерізі по обидві сторони від різця, то додаткове демпфіювання в зазорі між поверхнею, що обробляється і інструментом діє протягом всього часу розточування. Встановлено, що додаткове демпфіювання, що виникає при витіканні потоку, залежить від кількості вихідних отворів, їх діаметра, від тиску робочого середовища і від величини зазору між борштангою і отвором заготовки.

Таблиця 2 Значення декременту при зміні тиску

Тиск, кПа	Логарифмічний декремент коливань при витіканні
	в атмосферу	в зазор =2 мм
100	0,110	0,140
200	0,140	0,170
300	0,160	0,190
400	0,170	0,210
500	0,175	0,230

Аналіз результатів експериментів показує наявність оптимуму в залежності амплітуди коливань борштанги при різанні від зміни тиску. У разі переходу від обробки без подачі повітря до обробки при тиску 250 кПа амплітуда зменшується в 2-3 рази, а декремент коливань зростає від 0,09 до 0,18. Контролем якості поверхонь, що обробляються, встановлено, що при подачі повітря оптимального тиску шорсткість знижується від 3-4 мкм до 1-2 мкм.

Рідина, володіючи високою в'язкістю, дуже ефективна для підвищення демпфіювання пружної системи. Залежності максимальних значень амплітуд коливань зразка в перерізі, де різець знаходиться під датчиком вимірювань, що дозволяють оцінити вібраційний режим в зоні різання з метою визначення оптимальних значень тиску робочого середовища, що витікає через три отвори в борштанзі. Як робоче середовище використовувалося індустріальне масло 60. При переході від розточування без подачі масла в зону різання до розточування із витіканням масла рівень коливань знижується в 5-6 разів для борштанги з l/d =10.

Мінімальні вібраційні режими реалізовані в експериментах з різанням. При цьому на зразках досягається шорсткість від R_a=1,3 мкм до R_a=2,2 мкм, при зносі різця 1-2 мкм на 1000 м. Відхилення від круглості розточених зразків знаходиться в межах 1-3 мкм. Велике демпфіювання в системі ( =0,15-0,2) дозволяє реалізувати на верстаті продуктивний режим: розточування велося з подачею 0,05 мм/об і глибиною різання t=0,1-0,2 мм. Низький рівень коливань дозволяє використати різці з ельбору, підвищуючи швидкість різання до 6-8 м/с.

У всіх раніше проведених дослідженнях по розточуванню отворів з переривчастою поверхнею передбачалося, що підсистема деталь-пристрій має високу жорсткість. Однак, у багатьох випадках забезпечити такі умови обробки неможливо. Часто зустрічаються тонкостінні деталі, що мають малу і анізотропну жорсткість. Отвори, що розточуються в поршнях часто мають переривчасту поверхню. Тому вивчена взаємодія борштанги з пристроєм при обробці переривчастої поверхні.

Встановлено, що якщо перша власна частота пристрою і його жорсткість більше відповідних параметрів підсистеми шпиндель-борштанга, то замкнена динамічна система верстата втрачає стійкість за формою підсистеми борштанги: максимуми рівня коливань реалізовуються поблизу всіх цілочисельних значень відношення р/, де р - власна частота борштанги. Навпаки, якщо перша власна частота підсистеми пристрою нижче першої власної частоти підсистеми шпиндель-борштанга, замкнена динамічна система верстата втрачає стійкість за формою підсистеми пристрою. Дослідження взаємодії 2-х підсистем при р/, що змінюються в діапазоні 0,3-1,3 показало, що в коливаннях кожної підсистеми є гармоніки, характерні для іншої підсистеми. У замкненій динамічній системі верстата при прийнятих значеннях параметрів різання не розвиваються параметричні резонанси.

Далі вивчені методи гасіння коливань при тонкому розточуванні (точінні).

Відомо, що автоколивання при точінні можуть бути пригнічені збудженням вимушених коливань. Однак модель такої взаємодії показана як одномірна і залишається незрозумілим, як виявляється вплив коливань різних просторових форм. Крім того, невідомо, чи можливий зворотний шкідливий вплив збудження коливань борштанги при тих або інших параметрах “гасильних” коливань. Тому експериментально досліджений вплив коливань пристрою в напрямі подачі (Х-коливання) на коливання, нормальні до поверхні, що обробляється (Y-коливання).

Можливість гасіння автоколивань перевірена експериментально при тонкому розточуванні сталі затупленим твердосплавним різцем. При глибині різання t =0,1 мм і подачі S= 0,02 мм/об спостерігалися автоколивання, що супроводжуються характерним високочастотним звуком. Включення Х- коливань при деякому співвідношенні їх частоти і швидкості обертання шпинделя призводило до різкого зменшення Y-коливань. Невеликі зміни швидкості різання або частоти Х-коливань приводили до зникнення ефекту гасіння. Відмічені явища можна пояснити тим, що ефект гасіння пов'язаний із змінністю перерізу стружки, викликаною Х-коливаннями. Якщо частота Х-коливань кратна частоті обертання, , то переріз стружки залишається незмінним і вплив Х-коливань на Y-коливання не виявляється. Найбільший вплив виникає при На осцилограмах виразно видна наступна особливість: збудження Y-коливань під впливом заданих Х-коливань спостерігається тільки в резонансних режимах. Така особливість підтверджує припущення про параметричний характер впливу Х-коливань на Y-коливання: переміщення деталі, що обробляється, в напрямку подачі змінює ширину зрізу і приводить до змін коефіцієнта жорсткості різання Кр.

Вивчена ефективність спеціальних віброгасіїв:

а) досліджені віброгасії для борштанг в умовах переривчастого різання;

б) досліджені віброгасії для пристроїв; гасіння коливань пристрою може виявитися необхідним, коли нестійка форма коливань замкненої динамічної системи верстата визначається деформованістю пристрою, коли коливання розвиваються в напрямку осі шпинделя (наприклад, при підрізці торців широколезовим різцем);

в) досліджені багатомасові віброгасії для довгих борштанг; встановлено, що при виборі типу віброгасія перспективні по ефективності і зручності наладки багатомасові віброгасії на практиці поступаються одномасовим. Це пов'язано з тим, що для багатомасових віброгасіїв характерне явище “застійних зон”, при якому при малих збуреннях і низьких частотах віброгасій втрачає свою ефективність і працює як одномасовий. З метою підвищення ефективності гасія була виготовлена і перевірена борштанга з багатомасовим віброгасієм, в якому не утворюються застійні явища. При цьому в порожнину гасія подається під тиском повітря, яке через особливості конструкції дроселює між дисками. За піковими значеннями АЧХ оцінюється демпфуюча дія гасіїв.

Досліджені віброгасії для вертикальних шпинделів і встановлені їх оптимальні параметри. Далі виконане дослідження вібраційних режимів і похибок при розточуванні отворів у поршнях. Жорсткі вимоги до точності отворів, що розточуються, приводять до необхідності вести розточування однією борштангою з послідовною обробкою отворів. При цьому рекомендується використати результати описаних вище досліджень.

Розраховані статичні і динамічні похибки при тонкому розточуванні отворів у поршнях. Під статичними похибками форми поперечного перерізу розточеного отвору розуміються відступи від ідеальній окружності, періодичність яких нижча за періодичність відхилень, викликаних коливаннями на власних частотах пружної системи. Зіставлення граничних швидкостей обертання шпиндельних вузлів з мінімально можливими частотами коливань борштанги показує, що найменше число періодів на оборот може досягати п'яти-шести. Тому очікувані теоретично періодичні статичні похибки можуть мати вигляд овальності (два періоди на оборот), триграності (три періоди на оборот) або чотириграності. Разом з тим, практика дослідження круглограм розточених отворів показує, що низькочастотні похибки форми, що зустрічаються, характеризуються звичайно овалом, або можуть бути зведені до овалу. Тому основна увага приділена розгляду причин, що викликають овальність.

Похибка діаметральної величини обробленого отвору, викликана незбіжністю осей отвору в заготовці з віссю шпинделя, розрахована за різницею між відтисками борштанги в двох діаметральних площинах:

Похибка діаметра обробленого отвору, викликана овальністю отвору у заготовці, розрахована як подвоєна різниця між відповідними відтисками борштанги в напрямі осей овалу. Аналогічно розрахована похибка діаметра обробленого отвору викликана нерівномірністю радіальної податливості різця по куту повороту шпінделя.

Величина динамічних похибок визначається рівнем вимушених коливань різця відносно деталі, що обробляється. Аналізуючи відомі розрахункові схеми шпиндельного вузла, що застосовуються в статичних і динамічних розрахунках обробно-розточувальних верстатів, можна виявити, що всі вони так чи інакше, відображають внесок податливості шпинделя в переміщення біля різця, а також вплив інерційних характеристик шпинделя на власну частоту системи. На основі математичної моделі замкненої технологічної системи зроблено аналіз резонансних значень динамічної податливості .

При розточуванні отворів у поршнях у випадку l/d =34 при t=0,3 мм резонансні значення динамічної податливості складають величину 0,3 мкм/Н, а максимальні динамічні похибки можуть складати величину до 5 мкм.

Основне призначення запропонованої методики розрахунку амплітуд вимушених коливань - визначення динамічної похибки обробки П_Г?. Вивчений взаємний вплив коливань різців при розточуванні трьохступінчастих отворів і закономірності утворення похибок.

...