Особенности проектирования токарных операций обработки на станках с ЧПУ

УДК 621.9.757

Л.Я. Кожуховская, Т.И. Перелыгина

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОКАРНЫХ ОПЕРАЦИЙ ОБРАБОТКИ

НА СТАНКАХ С ЧПУ

Приведены результаты исследования особенностей токарной обработки «нежестких» валов. Проведен анализ факторов, влияющих на образование погрешностей, и приведены результаты теоретического анализа сил, действующих в технологической системе, и их влияние на точность диаметрального размера при чистовой обработке. Получено уравнение, позволяющее определить погрешности от упругих деформаций и приведено его использование для корректировки траектории движения инструмента при обработке на станках с ЧПУ.

L.J. Kozhuhovskaja, T.I. Perelygina

DESIGNING FEATURES OF TURNING OPERATIONS OF PROCESSINGS ON COMPUTER CONTROL MACHINE TOOLS

The article gives the results of research of peculiarities of turning processing of limp shafts. Analysis of factors influencing the formation of errors and there are results of theoretical analysis of forces acting in the technological system and their influence on accuracy of the diametrical size at fair processing is done here. The equation allowing defining errors from elastic deformations and its using for correcting of a trajectory of movement of a tool on computer controlled machine tools is received here as well.

Обработка валов по трудоемкости составляет свыше 40% от общей трудоемкости изготовления изделий, поэтому вопросы повышения эффективности обработки валов особенно актуальны. Анализ конструкторско-технологических характеристик большого числа деталей типа «вал» показал, что в изделиях различного назначения применяют ступенчатые, гладкие, фланцевые и другие валы. Особую сложность при изготовлении имеют относительно длинные, «нежесткие» валы. Выбор структуры операций зависит от программы выпуска, конфигурации элементарных обрабатываемых поверхностей и относительной длины, определяющих жесткость валов. Проведенный анализ технических требований, предъявляемых к деталям типа «вал», показал, что при разработке технологии изготовления, как правило, требуется выдержать высокие требования к точности размеров, шероховатости, отклонениям формы и непрямолинейности поверхностей. Возникающие погрешности обработки «нежестких» валов связаны не только с процессом механической обработки, определенным состоянием технологической системы, но и с погрешностями, возникающими на предшествующих операциях.

Обработке валов посвящено достаточно большое количество работ, однако в них не учтены особенности проектирования технологических процессов обработки «нежестких» валов на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства. В них не учтено влияние конструкторско-технологических характеристик деталей одной

технологической общности на структуру операций при разработке расчетнотехнологических карт, выборе схем обработки и технологического процесса в целом.

В условиях многономенклатурного производства все более применяются станки с ЧПУ, которые обеспечивают гибкую переналадку технологической системы и в связи с этим стоит задача совершенствования методов проектирования технологического процесса и технологической подготовки производства, которые бы в полной мере учитывали и более полно использовали технологические возможности станков с ЧПУ.

Обработка «нежестких» валов представляет большие трудности, связанные с нежесткостью заготовки, что требует специальной оснастки, выбора режимов резания, снижающих влияние упругих деформаций на точность обработки.

Проектирование токарных операций обработки «нежестких» валов требует исследования факторов, определяющих формирование и выбор структуры технологической операции, критериев оценки, выбора схем и режимов обработки. С этой целью авторами исследованы схемы обработки «нежестких» валов с различной относительной длиной l/ d> 10, точностью изготовления JT6-7, Ra 1,25...0,8. Включение «нежестких» валов в номенклатуру приводит к необходимости ограничения технологических возможностей станков с ЧПУ и необходимости изменения выбранной схемы обработки путем переналадки технологической системы.

Технологические возможности металлорежущих станков с ЧПУ позволяют на этапе проектирования технологического процесса и разработки расчетно-технологических карт учитывать погрешности от упругих деформаций путем коррекции положения режущего инструмента. На этих этапах необходимо использовать информацию о размерных связях в технологической системе и их изменение под влиянием факторов, проявляющихся при обработке. На рис. 1 графически показана модель связей в структуре технологического процесса, условий обработки и показателей точности обработки валов. На ее основе получены количественные показатели, погрешности вала в продольном и поперечном сечении на всех этапах технологического процесса. Предложенная модель описания связей дает возможность определять коэффициенты наследования и передачи погрешностей по операциям и переходам, возможность проследить влияние изменения конструкторско-технологических характеристик заготовок в технологической системе и поиска такой области эксплуатации с допустимыми изменениями технологической системы, обеспечивающими заданные показатели точности деталей.

Точность диаметрального размера вала

Точность формы поперечного сечения

Точность формы продольного сечения

* Б - бочкообразность, К - конусообразность

а

к

в

о

а

СО

з

а

б

а

к

в

о

д

о

с

К

н

е

ч

о

т

е

о

в

о

н

р

е

т

е

и

н

е

ч

о

т

е

о

в

о

ва

с5— са— с1 •

са -

с9

н

е

ч

о

т

е

о

к

н

о

з

а

б

в

а

р

С

л

3

е

о

в

о

н

р

е

т

л

3

е

о

в

о

отс

и

т

10

с10

ь

л

о

р

т

н

о

К

Рис. 1. Взаимовлияние показателей точности и этапов обработки валов

Проведенный анализ показал, что при обработке «нежесткого» вала 090 и /=1200 мм на токарном станке с ЧПУ в центрах с неподвижным люнетом погрешности диаметрального размера, формы и расположения поверхностей появляются в результате влияния первичных погрешностей, возникающих при выборе и подготовке баз, упругих деформаций, а также погрешностей на предшествующих переходах операций. Необходима разработка расчетных моделей, что позволяет учитывать особенности проявления этих факторов при обработке «нежестких» валов на станках с ЧПУ.

В большинстве предлагаемых расчетных моделей учитывается радиальная составляющая сила резания и не учитывается влияние осевых и тангенциальных составляющих сил резания на точность обработки. Это является особенно важным при получистовой и чистовой обработке, когда глубина резания небольшая и используются преимущественно резцы с ф 90°. При этом сила резания, действующая в тангенциальной плоскости, значительно больше радиальной составляющей [1, 2].

На рис. 2 приведена схема обработки нежесткого вала с установкой в центрах.

- А

г

1 Я 1

Упругое смещение при этом в тангенциальной плоскости

3 Р . V4 Р . V ( 1 1 Л Р . / . V р . /2

Р • х3 Р • х4 Р • х

г = —2-----------+ —-----------+ -

6Е1 • / 12 Е1 • / /

1 1 1 Рг • / • х Рг • /2 • х Рг

+ -.— 1 +------------------------+-------------------------------------------+ —— ,

где 2 - упругое смещение валов в тангенциальной плоскости; Рг - тангенциальная составляющая силы резания, Н; Е - модуль упругости, Н/мм2; I - момент инерции, мм4; / -длина вала, мм; ]зб, ]п.б. - жесткости соответственно задней и передней бабок, Н/мм; х -координата приложения силы, мм.

Предложенная модель позволяет выявить и учитывать тангенциальную силу при различных схемах обработки, определять ожидаемую точность, позволяет отражать и учитывать влияние сил резания, схем обработки и структуры операций.

Полученные аналитические зависимости положены в основу разработки имитационной модели. Модель, использованная при имитационном моделировании, позволяет выполнить анализ и сравнение всех вариантов структур операций и схем обработки группы валов. В имитационном моделировании учтено изменение размерных связей в технологической системе при изменении схем, этапов обработки, сил, действующих в технологической системе, упругих деформаций и погрешностей установки.

Важнейшими показателями, используемыми в качестве критериев выбора структур операций (о) валов, являются точность диаметрального размера, отклонения формы и расположения поверхностей. В условиях многономенклатурного производства формирования 5о имеют свою особенность, которая определяется числом деталей в группе, их конструкторско-технологическими характеристиками, определяющими выбор обработки.

Аналитическим путем получены зависимости, определяющие показатели точности, в которой учитываются: влияние схем обработки, конструктивные особенности, упругие деформации, погрешность установки и режимы. В функциональном виде эта зависимость представлена в следующем виде

где Ав - погрешность установки; АУ - упругие деформации; / / ё - относительная длина вала к диаметру валов; Рхуг - силы резания.

В настоящей работе при решении задач выбора структур технологических операций использованы результаты как аналитического, так и имитационного моделирования, которые объединены в комплексную процедуру принятия решений. Совместное применение аналитических и имитационных моделей позволило решить задачи выбора структур, так и параметров операций. Аналитическое моделирование при этом использовано для оценки влияния вариантов структур операций и факторов на точность обработки валов. При построении имитационной модели описаны процессы функционирования элементов технологической системы, связей между ними, такими, как схемы обработки, погрешности установки, соотношение / / ё заготовок, соотношение сил и изменения их в процессе обработки. Имитационное моделирование в настоящей работе основано на прямом описании и анализе процесса образования погрешности обработки и их влияния на формирование и выбор структур операций. Имитационная модель позволила определить область рациональных режимов обработки, структуру операций и выполнить процедуру сравнения и выбора структуры по критериям точности. Имитационная модель, положенная в основу проведения эксперимента, позволила моделировать процесс, подобный реальному процессу обработки вала на токарных станках.

Для формирования и выбора структур операций по критериям точности обработки валов 6-го квалитета были поставлены две серии трехфакторных экспериментов 23, что позволило при минимальном числе опытов получить модели связей показателя точности, сил, действующих в технологической системе, и схем обработки. В первой серии экспериментов в качестве факторов исследовано влияние режимов резания на силы, возникающие в технологической системе. Полученные значения сил использованы во второй серии экспериментов в качестве фактора, при установлении влияния относительной длины и погрешности установки заготовки на точность диаметральных размеров валов. В результате обработки результатов экспериментов получены регрессионные уравнения

Полученные зависимости отражают количественные и качественные характеристики, которые использованы в качестве критериев при выборе структур операций. Регрессионные уравнения позволили выявить существенные факторы и степень их влияния на точность обработки, оценить и выявить различные варианты технических и технологических решений при выборе структур операций при обработке валов.

Предложенные модели и учет суммы факторов позволяют определить количественные показатели упругих смещений вала и учитывать их при разработке расчетно-технологических карт. Это потребовало определения точек, в которых упругие смещения превышают допустимые пределы, и использовать их в качестве опорных, в которых производятся либо изменения режимов обработки, либо корректировка координатных перемещений с помощью системы ЧПУ. Таким образом, предложенная методика позволяет формировать структуру операций и управлять процессом обработки на этапах проектирования и производства.

Лё, Лф, Лг = /(Лє, ЛУ, 1/ё, РХу2) ,

уі = 2,71 + 0,09 х1 - 0,1 х3 - 0,02 хі х2 х3 , у2 = 0,0239 + 0,00071 х1 + 0,0067 х2 +0,0062 х3 - 0,0052 х1 х3 .

ЛИТЕРАТУРА

1. Кожуховская Л.Я. Особенности проектирования операций обработки валов в условиях мелкосерийного производства / Л.Я. Кожуховская, Т.И. Перелыгина // Исследование станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 53-58.

2. Кожуховский В. В. Исходные предпосылки для оптимизации процесса токарной обработки «нежестких» валов / В.В. Кожуховский, Т.И. Перелыгина // Современные технологии в машиностроении: сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конф. Пенза, 1998. С. 83-86.

Кожуховская Людмила Яковлевна -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Проектирование технологических комплексов»

Саратовского государственного технического университета

Перелыгина Татьяна Ивановна -

аспирант кафедры «Технология и автоматизация машиностроения»

Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 19.10.06, принята к опубликованию 21.11.06