Прогнозування і забезпечення точності остаточної лезової обробки складнопрофільних і інших поверхонь обертання (на прикладі комплексної обробки поршнів)

У п'ятому розділі досліджені параметрична стійкість, вимушені коливання і динамічні похибки при копірній обробці поршнів.

Для оцінки працездатності верстата спочатку потрібно дослідити параметричну стійкість копірної системи, а потім оцінити рівень вимушених коливань, визначаючих динамічні похибки обробки.

Рівняння руху для вивчення параметричної стійкості, являють собою окремий випадок загальної розрахункової моделі при розгляді крутильних коливань копірної системи, що знаходиться під впливом сили різання, реакції в точці контакту щуп-копір і сили попереднього навантаження пружини. Розглядаються однорідні рівняння в наближенні статичної характеристики процесу різання

Дійсна частина комплексних коефіцієнтів розподілу амплітуд дорівнює, а фази гармонік.

Коливання в двомасовій системі при невеликому загасанні в кожному з станів (Ф(t)=0 або Ф(t)=1) складаються з двох затухаючих коливань, гармонічні співмножники яких мають частоти рівні власним частотам системи, початкові фази гармонік однієї частоти в різних координатах різні і відрізняються на величини _ij; коефіцієнти загасання _ij різних частот різні, і коливання однієї і тієї ж частоти затухають однаково в двох координатах.

Умови періодичності рішень вимагають їх зміни через період Т на множник S. Таким чином, величина S визначає стійкість рішень: S 1 - рішення стійкі, S 1 - рішення нестійкі. Від'ємне значення S, наприклад, S = - 2 означає, що до кінця періоду (T) = - 2(0), тобто відхилення від положення рівноваги в кінці періоду в 2 рази більше, ніж на початку, але протилежно по фазі. Ці нетривіальні рішення визначалися за спеціальною програмою. Програма дозволяє із заданою точністю здійснювати пошук значень S, при варіюванні частоти збурення, параметрів системи і коефіцієнта параметричного збурення . Заштриховані зони нестійкості. Ці зони мають клиноподібну форму, а при деяких значеннях параметрів спостерігається їх викривлення, дуже характерне для систем Мейснера. При прийнятих параметрах реалізовуються прості параметричні резонанси. На графіках видно чергування зон з додатними і від'ємними S. Зміна форми параметричного збурення q приводить до зміщення зон нестійкості. Введення в систему невеликого демпфіювання трохи відбивається на ширині зон нестійкості, і у великій мірі впливає на критичне значення коефіцієнта збудження. Зростання демпфіювання неоднаково позначається на різних зонах нестійкості. Побудова резонансних зон дозволяє перевірити параметричну стійкість системи для конкретних умов обробки і намітити способи усунення параметричного резонансу шляхом зміни параметрів системи або режиму обробки.

Далі на розрахунковій моделі оцінена параметрична стійкість при зміні припуску з частотою обертання.

Виконані розрахунки вимушених коливань і динамічних похибок при обробці зовнішніх поверхонь поршнів.

При підстановці в систему рівнянь при Ф(t)=1 отримуємо систему 16-ти алгебраїчних рівнянь, внаслідок розв'язання якої визначаються амплітуди коливань різця відносно поршня і зсуви фази цих коливань відносно гармоніки кінематичного збудження.

У розрахунку динамічної похибки використана програма для розрахунку АФЧХ і дані спектрального розкладання функції, що описує профіль поперечного перерізу копіра.

Оптимальні значення параметрів копіювального пристрою і процесу різання визначаються розрахунком динамічної похибки, виникаючої через перетворення гармонік кінематичного збудження амплітудно-частотною характеристикою верстата.

У вираженні підсумовування виконується лише за значущими гармоніками збудження. Розроблене програмне забезпечення розрахунків. Встановлено, що збільшення С_кр і С_щ приводить до зменшення погрішностей. Зменшення моментів інерції важелів щупа і різцетримача також зменшує похибки.

Для оцінки вібраційних режимів при копірній обробці вивчений спільний вплив кінематичних і параметричних збурень. Програма для рішення рівнянь виконана на основі методу Рунге-Кутта-Фельберга. Підвищеними і зниженими рівнями коливань, причому рівень коливань, під дією параметричних і кінематичних збуджень, істотно залежить не тільки від параметрів системи, але і від швидкості різання.

Висновки

Встановлено, що сучасний рівень вимог до точності складнопрофільних і інших виконавчих поверхонь обертання деталей типу поршнів ДВЗ не може бути надійно гарантований застосуванням звичайних технологічних рішень, таких як оптимізація режимів обробки, геометрії інструмента і т.д. Запропонована і реалізована наукова концепція сполучення раціональних технологічних методів викінчувальної обробки таких поверхонь із методами підвищення динамічної якості пружних систем верстатів, що дозволяє істотно зменшити динамічні похибки обробки до величини порядку 0,5-1 мкм.

Вивчено деформованість поршнів під дією зусиль базування і закріплення. На основі систематизації й аналізу технологічних схем базування, закріплення й обробки поршнів обґрунтована можливість повної (комплексної) їхньої обробки з однієї установки на обробних верстатах з об'ємними копірами. Менші деформації і найвищу точність викінчувальної обробки складнопрофільної поверхні забезпечує схема установки поршня, що передбачає притиск його піноллю із зовнішньої поверхні денця й одночасно штовхачем із внутрішньої поверхні денця.

Встановлено, що рівень коливань при копірній обробці складнопрофільних поверхонь поршнів на 90-95% визначається кінематичними впливами, що виникають при ковзанні щупа по поверхні некруглого копіра, і параметричними впливами від переривчастості поверхні. Внесок деформацій шпинделя, що несе поршень і копір, у динамічні похибки невеликий і не перевищує 0,5-1 мкм.

З урахуванням аналізу величини похибок визначена найбільш раціональна послідовність технологічних операцій, що включає: попереднє обточування поршнів із глибиною різання до 0,2 мм, прорізку, калібрування канавок і підрізку денця зі збільшенням зусилля закріплення до 4,5 кН, остаточне обточування складнопрофільної поверхні з глибиною різання до 0,1 мм при зменшенні зусилля закріплення до 0,5кН, тонке розточування отворів під поршневий палець.

Формування похибок обробки складного просторового профілю вивчено на основі порівняння гармонічних розкладань функцій, що описують профілі копіра і поршня. Встановлено, що основним джерелом динамічної похибки при копірній обробці є розходження в перетворенні окремих гармонік функції, що описує профіль копіра, амплітудно-частотними характеристиками технологічної системи. Вплив АЧХ системи на перетворення гармонік функції форми перерізу зростає з ростом частоти обертання шпинделя: так, при малих значеннях крутильної жорсткості і жорсткості притискної пружини збільшення частоти обертання вдвічі призводить до трикратного зростання динамічної похибки.

На АЧХ системи визначальний вплив роблять маси важелів щупа і різця, крутильна жорсткість скалки, контактна жорсткість щупа і жорсткість притискної пружини. Встановлено, що тонке регулювання швидкості різання або зміна масогеометричних або жорсткостних характеристик технологічної системи може різко зменшити динамічні похибки обробки. Так, збільшення крутильної жорсткості скалки від 0,05 МНм до 0,1 МНм за інших рівних умов зменшує динамічну похибку в 1,5-2 рази.

Для прогнозування, розрахунку і можливого зменшення динамічних похибок при копірній обробці складнопрофільних поверхонь розроблені розрахункові моделі технологічних систем із перемінними характеристиками, що описують зв'язані згинні коливання шпинделя, який несе копір і поршень, і крутильні коливання скалки, що несе щуп і різець. Дано рекомендації щодо визначення параметрів моделей і встановлено, що збільшення крутильної жорсткості скалки і контактної жорсткості щупа за інших рівних умов призводить до зменшення похибок, а спільна зміна контактної жорсткості щупа і жорсткості притискної пружини дозволяє оптимізувати систему за критерієм точності обробки.

На основі поширення методу зшивання для вивчення параметричної стійкості на системи з двома степенями вільності побудовані зони стійких і нестійких рішень, що визначають працездатність слідкуючої системи. Вивчено вплив зміни параметрів системи і режимів різання на форму зон. Зокрема, установлена немонотонна залежність величини критичного коефіцієнта збудження від номера зони нестійкості при зміні демпфіювання.

Зміна припуску з частотою обертання при тонкому точінні (розточуванні) не призводить до розвитку параметричних резонансів, а діє як зміна настройки, тобто як зовнішній вплив на процес різання.

Істотне розширення технологічних можливостей операції тонкого розточування виявлено при обробці довгих або глибоко розташованих отворів спеціальними вібростійкими борштангами з відношенням довжини до діаметра до 12. Ефект підвищеного демпфіювання коливань виникає при подачі робочого середовища (повітря, рідини) під тиском через внутрішні канали в зазор між борштангою і оброблюваним отвором. Встановлено, що при подачі повітря в зазор під тиском 250кПа амплітуда коливань зменшується в 2-3 рази, а відхилення від круглості мають значення порядку 1-2 мкм (d = 30 мм, l /d = 7) при характерних для тонкого розточування режимах обробки.

Для зменшення динамічних похибок обробки запропоновані і досліджені різноманітні засоби гасіння коливань при тонкому точінні (розточуванні) в умовах обробки суцільних і переривчастих поверхонь:

застосування багатомасового гасія з оптимізованими параметрами при переривчастому різанні зменшує амплітуду коливань інструмента приблизно в 3 рази в порівнянні з неналагодженим гасієм;

застосування нових віброгасіїв із дроселюванням робочого середовища між дисками; при цьому технологічні можливості операції тонкого розточування забезпечують відхилення від круглості 13 мкм, і R_а = 1 1,5 мкм для отворів із l/d до 10;

збудження коливань у напрямку подачі для гасіння коливань по нормалі до оброблюваної поверхні; при певному співвідношенні частоти осьових коливань і швидкості обертання шпинделя амплітуди коливань по нормалі до оброблюваної поверхні зменшувалися в 5 разів. Ефект гасіння пов'язаний із параметричним характером взаємодії між двома формами коливань.

Удосконалено методологію розрахунків статичних і динамічних похибок при тонкому розточуванні. Розрахунок часткових статичних похибок, що виникають через розбіжність осі отвору в заготовці з віссю шпинделя, відхилення від круглості отвору в заготовці і нерівномірну радіальну податливість у різця по куту повороту шпинделя, зведений до використання номограм.

Розраховане значення відхилень від круглості, що викликані пружними коливаннями. Так, при глибині різання 0,1 мм і параметрах борштанги l/d = 4, d = 30 мм розмір цих відхилень складає 0,4 мкм.

Досягнуті при рішенні поставлених задач результати, реалізовані при проектуванні і виготовленні спеціального технологічного устаткування (верстати ВК 965, ВК 988, ОСА 2022).

Список основних праць, опублікованих за темою дисертації

Копелев Ю.Ф. Точность формы поперечного сечения при тонком растачивании / Ю.Ф. Копелев, В.М. Кобелев, А.А. Оргиян, А.П. Пупин //Станки и инструмент. - 1977. - №3. - С.28-29.

Копелев Ю.Ф. Колебания консольных борштанг при истечении воздуха в зону резания/ Ю.Ф. Копелев, А.А. Оргиян, Ю.В. Прик //Металлорежущие станки: Респ.межвед.науч.-техн.сб. - К.,1982. - Вып.10. - С.6-9.

Пупин А.П. Влияние расположения резцов на качество растачивания трехступенчатых отверстий / А.П. Пупин, А.А. Оргиян // Металлорежущие станки: Респ.межвед.науч.-техн.сб. - К.,1984. - Вып.12. - С.43-46.

Гругман Р.А. Станки для копирной обработки поршней / Р.А.Гругман, И.А. Тенин, А.А. Оргиян// Автомоб. пром-сть. 1991. №3. - С.30-32.