ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТОТНОЙ НАСТРОЙКИ СТАНКА НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ ТОЧЕНИЕМ

STUDY ON INFLUENCE OF FREQUENCY MACHINING SETTINGS ON PRECISION MACHINING TURNING

Rastorguev Dmitry

candidate of Sciences, associate Professor of Togliatti State University, 

Russia, Togliatti

Vaigandt Dmitry

undergraduate  of Togliatti State University,

Russia, Togliatti

АННОТАЦИЯ

В работе приводятся результаты исследования влияния частотной настройки станка, которая обеспечивается определенным соотношением собственных частот формообразующих подсистем по различным осям, на точность обработки. Результаты математического моделирования с использованием двух массовой системы обосновывают повышение точности обработки при использовании технологии обтачивания с использованием упругих державок резца. Снижение амплитуды относительных колебаний инструмента и заготовки происходит при определенных соотношениях коэффициентов жесткости в радиальном и касательном направлениях упругой системы станка.

ABSTRACT

The paper presents a study the impact of the frequency of the machine configuration, which is provided by a certain ratio of the natural frequencies of the forming machine subsystems along different axes on processing precise. The results of mathematical modeling using two mass system justify the increase in precision machining using turning technology using elastic tool holders. Reducing the amplitude of vibrations of the tool and the workpiece occurs at certain ratios of stiffness coefficients in the radial and tangential directions of the elastic system of the machine.

Ключевые слова: вибрационное точение; частотная настройка; упругая державка; касательный контур.

Keywords: vibration turning; frequency setting; elastic holder; tangential contour.

Технологическое обеспечение постоянно растущих требований к точности и качеству современных машин и деталей затрудняется вследствие постоянного уменьшения материалоемкости изделий. Это ведет к пониженной конструктивной жесткости, снижению технологичности деталей, усложнению динамических процессов в технологических системах обработки. Поэтому задача повышения устойчивости обработки, например маложестких валов на токарных операциях, требует совершенствования методов обработки и их расчетов.

Известен способ обтачивания маложестких валов с использованием резцов с ослабленной державкой или системой крепления инструмента с повышенной податливостью в касательном направлении. Это способствует созданию своеобразного демпфера в радиальном направлении за счет   генерации вибраций в касательном направлении. Колебания создаются за счет замкнутости технологической системы. Примеры использования и описания такого оснащения для закрепления заготовки или инструмента приведены в [1-9].

За счет заданного изменения жесткости инструмента по координатным осям реализуется механизм вибрационного резания с колебаниями заданной частоты.

Результаты экспериментов показывают при определенных конструкторско-технологических параметрах технологической системы повышение точности размеров и расположения и снижение шероховатости обработанной поверхности [2, 5-7].

Для моделирования процесса точения использовалась двух массовая система с подсистемами инструмент-резцедержатель и заготовка – опоры (рис. 1) [2, 3]. Координатные оси обозначены y и z. 

Рисунок 1. Расчетная схема двух массовой модели

Система уравнений, описывающая динамику системы с учетом запаздывания компонент сил резания от смещений в соответствующих направлениях, имеет вид:

                     (1)

где: T_Z, T_Y – постоянные времени запаздывания тангенциальной и нормальной компонент сил резания от изменения толщины среза по соответствующим координатам, с^-1;

w_Y, w_Z – коэффициенты податливости в нормальном и касательном направлениях, м/Н;

Т_1,2,Y, Т_3,4,Y, Т_1,2,Z , Т_3,4,Z – инерционные постоянные времени и постоянные времени демпфирования для нормальных и касательных направлений у подсистем инструмент – резцедержатель и заготовка – опоры, с^-1;

у₁, z₁, у₂, z₂ - смещения по соответствующим осям инструмента и заготовки, м;

g_Z, g_Y – коэффициенты жесткости процесса резания для тангенциальной F_Z и нормальной F_Y компонент сил резания, Н/м;

h_Y, h_Z - коэффициенты демпфирования по осям z и у, соответственно для касательной F_Z и радиальной F_Y составляющих сил резания, Н·с/м. Для расчета значения коэффициентов в системе уравнений брались по [2] и из экспериментов.

Для технологической системы обработки точением с ослабленным контуром мы создает дополнительную степень свободы. При действии силы резания, вследствие меньшей постоянной времени в тангенциальном контуре, деформации будут идти в касательном направлении к поверхности резания, а затем с запаздыванием только в нормальном. На точность диаметральных размеров цилиндрических заготовок влияние колебаний в касательном направлении по линии действия тангенциальной составляющей силы резания на порядок меньше, чем колебания в радиальном направлении. Появление тангенциальных вибраций приводит к демпфированию колебаний в нормальном направлении за счет ее рассеяния. В системе уравнений эти составляющие потерь учитываются коэффициентами демпфирования. Экспериментально получены частоты колебаний при резании в диапазоне от низкочастотных 150 до высокочастотных 3000 Гц.

Для расчета постоянных времени технологической системы использовались экспериментальные данные (логарифмические коэффициенты затухания, коэффициенты жесткости, приведенная масса), полученные при измерении затухающих собственных колебаний. Коэффициент жесткости динамической системы в тангенциальном направлении при использовании упругой державки уменьшается в 2-4 раза с повышением жесткости в радиальном направлении. Это связано с поворотом координатных осей максимальной жесткости при изменении конструкции упругой державки резца.

По уравнениям системы (1) выведена система передаточных функций для данной динамической системы:

                                       (2)

где: s – оператор Лапласа.

По передаточным функциям (2) сформирована структурная схема для двух массовой модели процесса точения (рисунок 2). В Matlab было проведено исследование влияния соотношений собственных частот подсистем инструмента и заготовки на амплитуды их относительных колебаний по осям y и z.

Рисунок 2. Структурная схема системы (2) в Matlab

После обработки данных моделирования были получены следующие зависимости (рис.3, 4).

Рисунок 3. Зависимости амплитуды относительных колебаний в зависимости от отношения частоты заготовки в нормальном направлении и инструмента в тангенциальном

Рисунок 4. Зависимости отношения колебаний по осям в зависимости от отношения частоты заготовки в нормальном направлении и инструмента в тангенциальном

Как видно из графиков, минимальная амплитуда относительных колебаний снижается до минимума при равенстве собственных частот в радиальном направлении заготовки и в тангенциальном направлении инструмента. При отклонении от данного соотношения амплитуда увеличивается. При обработке длинномерных маложестких валов собственные частоты подсистемы заготовки существенно изменяются по длине детали, что делает оптимальную настройку подсистемы инструмента затруднительной. Для этого необходимо отслеживать изменение частотных параметров системы и соответственно подстраивать частотную настройку подсистемы инструмента. Представленное моделирование являются упрощенным, не учитывающим координатную связь и регенеративный эффект резания по следу. Но только с учетом скоростной зависимости нормального и касательного контуров виден положительный демпфирующий эффект тангенциальных колебаний формообразующей системы.

Выводы: Для проведения максимально эффективной обработки точением необходимо обеспечивать определенные параметры частотной настройки. Для достижения минимальных смещений в радиальном направлении необходимо согласовать собственные частоты колебаний заготовки в радиальном направлении и инструмента в тангенциальном.

Список литературы:

1. Патент РФ №2292990, 10.02.2007.
2. Расторгуев Д.А., Шевчук А.Н.  Настройка подсистемы инструмента при вибрационной обработке нежестких осесимметричных деталей/Д.А. Расторгуев//Технические науки - от теории к практике. – 2013. – № 19. – С. 47-55.
3. Расторгуев Д.А. Влияние параметров упругой системы на фазовые траектории движения инструмента//Вестник НГИЭИ. –2015. –№ 12 (55). – С. 71-76.
4. Расторгуев Д.А., Шевчук А.Н. Влияние параметров подсистемы инструмента на эффективность точения//Технические науки - от теории к практике. – 2013. – № 23. – С. 45-52.
5. Свинин В.М., Кологреев Е.В., Есаулов А.С. Повышение динамической устойчивости процесса точения путем использования пружинящего поводкового центра//Механики XXI веку. – 2013. – № 12. – С. 140-143.
6. Свинин В.М., Самсонов А.В., Большухин А.О. Подавление автоколебаний при точении нежестких валов пружинящим резцом//Механики XXI веку. – 2014. – № 13. – С. 112–119.
7. Свинин В.М., Самсонов А.В., Красноперов А.С. Чистовое точение нежестких валов в условия резания и выглаживания//Системы. Методы. Технологии. – 2015. – № 2 (26). – С. 75-81.
8. Свинин В.М., Самсонов А.В., Красноперов А.С. Режуще-выглаживающее чистовое точение нежестких валов//Механики XXI веку. –2015. –№ 14. – С. 179-186.
9. Свинин В.М., Самсонов А.В., Рычков Д.А. Совершенствование процесса точения нежестких валов в условиях автоколебаний//Системы. Методы. Технологии. – 2015. – № 3 (27). – С. 51-56.