Экспериментальные исследования виброакустических колебаний динамической системы токарного станка паб-350 при различных условиях резания

УДК 621.941

В.В. Коновалов, А.А. Игнатьев, М.Ю. Захарченко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТОКАРНОГО СТАНКА ПАБ-350 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ РЕЗАНИЯ

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований виброакустических колебаний узлов токарного станка модели ПАБ-350 при обработке колец подшипников различными резцами с определением целесообразного режима резания по запасу устойчивости динамической системы.

Токарный станок, динамическая система виброакустических колебаний, передаточная функция, автокорреляционная функция, запас устойчивости режима резания

V.V. Konovalov, A.A. Ignatyev, M.Yu. Zakharchenko

EXPERIMENTAL RESEARCH INTO VIBRO-ACOUSTIC OSCILLATIONS IN THE DYNAMIC PAB-350 LATHE SYSTEMS UNDER VARIOUS CUTTING CONDITIONS

The paper analyses the results of experimental research into vibro-acoustic oscillation nodes in the PAB-350 lathe machines under treatment of bearing rings with various cutters. Feasibility of cutting conditions is determined in terms of stability factors referring the dynamic system.

Lathe, dynamic system of vibro-acoustic oscillations, transfer function, autocorrelation function, stability margin of cutting modes

Производительность и качество точения зависят от технического состояния станка и назначенных параметров режима обработки. Значения параметров качества обработки деталей на автоматизированных станках в значительной степени определяются их динамическими характеристиками, оптимальные значения которых должны рассчитываться на этапе проектирования и обеспечиваться на этапе изготовления конструкцией станка. Исследования точности станков показывают, что виброакустические колебания (ВА) элементов их конструкции существенно влияют как на погрешность формы деталей, которая в общем балансе погрешностей для прецизионных станков составляет 30...70 %, так и на волнистость и шероховатость обработанной поверхности [1, 2]. Значительное влияние на улучшение динамических характеристик станков, в том числе и на этапе эксплуатации, оказывает использование результатов исследований, направленных на повышение параметров качества обработки и анализ их связи с жесткостью и колебаниями основных узлов формообразующей подсистемы станка. Уровень и характер ВА колебаний являются важными, а иногда и единственными критериями нормального функционирования узлов станка, так как служат обобщающими показателями его динамических свойств. Для оценки динамических характеристик станков при их изготовлении и в процессе эксплуатации возникает необходимость в разработке методов и средств контроля, обеспечивающих оперативное получение информации и ее обработку. Исследования, выполненные в Саратовском государственном техническом университете, показывают, что динамические характеристики токарных станков можно оценивать как по переходным процессам при врезании инструмента в заготовку, так и при стационарном резании [4], основываясь, в частности, на ВА колебаниях резцового блока, имеющих как детерминированную, так и стохастическую составляющие. В обоих случаях используются специальные методы обработки стохастических сигналов с применением ЭВМ. В ходе исследования на автоматизированном токарном станке модели ПАБ-350 проводилась регистрация ВА колебаний основных формообразующих узлов станка. Эксперименты проводились по специальной методике. В производственных условиях оценивалась предварительная токарная обработка поверхности качения наружных колец железнодорожных подшипников 42726 из материала ШХ-15. Скорость вращения заготовки 180 об/мин, подача резца

0,2, 0,4, 0,5, 0,6 мм/об, В ходе испытаний произведены измерения наружных колец в количестве по 9 штук, измерение ВА колебания резцового блока станка с целью выявления возможных дефектов и их влияния на параметры точности поверхностей качения колец подшипников и производительность [3]. В первом эксперименте - резец Т5К10, применяемый по технологическому процессу в цехе № 20, во втором эксперименте - резец PSON 2020 К12, пластина SNMM 120412 E-OR; 9230 фирмы «PRAMET». Сигналы с вибродатчика подавались на виброизмеритель ВШВ-003М3 и регистрировались режиме линейного усиления в диапазоне частот 1... 4000 Гц. Выход виброизмерителя подключался к компьютеру для визуального наблюдения формы и амплитуды вибросигналов в различных режимах работы станка, а также для записи и дальнейшей обработки результатов.

Результаты обработки записей ВА колебаний при резании позволяют определить автокоррек-ционную функцию (АКФ) КДт) и на ее основе при условии, что ДС станка возбуждается сигналом типа «белый шум», вычислить передаточную функцию замкнутой ДС W3(p) по формуле [4]

К у

где Куу(р) - изображение по Лапласу АКФ Куу(т).

Передаточная функция ДС может быть вычислена, если получено аналитическое выражение АКФ выходного сигнала, например путем идентификации по экспериментально зарегистрированным ВА колебаниям резцового блока токарного станка при обработке.

Эксперимент 1 - Обработка резцом Т5К10 по цеховому техпроцессу. Соответствующие подачам АКФ получены с помощью программы MATLAB.

Для аппроксимации АКФ используется формула

K

где А - постоянный коэффициент; a - коэффициент затухания; W - частота огибающей АКФ; ю0 -основная частота АКФ; m - коэффициент модуляции.

Проверка моделей на адекватность проводилась по критерию Фишера.

Далее, используя формулы (1), (2) и выполняя алгебраические преобразования, получаем выражение для передаточной функции в виде

W

ъУЮ [(p + a)2 + (w0 + W)2][(p + a)2 + (w0 - W)2].

Следует отметить, что передаточная функция практически не изменяется за время обработки одного кольца (~ 1 мин) при неизменном режиме резания, то есть ДС рассматривается как линейная. При изменении режима точения (например, подачи резца) передаточная функция изменяется, то есть, в целом ДС станка является нелинейной [1]. Далее по полученным передаточным функциям для четырёх подач инструмента вычисляется запас устойчивости ДС по показателю колебательности М [5]. Минимальное значение М соответствует максимальному запасу устойчивости, вычисляемому по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) ДС при резании, при котором обеспечиваются высокая производительность точения, заданное качество обработки дорожек качения колец и более низкая скорость износа инструмента. Таким образом, экспериментально-аналитическое определение передаточной функции замкнутой ДС станка позволяет определить рациональный режим точения колец подшипников.

Для используемых подач резца получены различные АКФ, что свидетельствует о нелинейности ДС при резании. Однако для каждой подачи АКФ близки по виду, т.е. ДС можно рассматривать как линеаризованную и вычислить по АКФ с использованием соотношений (1) передаточную функцию замкнутой ДС W3(P), типичный вид АЧХ которых приведен на рис. 1.

Затем вычисляется показатель колебательности Mmax, характеризующей запас устойчивости ДС при резании. Результаты измерений приведены на рис. 2, которые показывают, что подача резца 0,6 мм/об является недопустимой из-за снижения запаса устойчивости ДС (повышение показателя колебательности) и повышение волнистости поверхности колец.

Рекомендуемой подачей является 0,5 мм/об, которая превышает используемую 0,4 мм/об на данном станке в производственных условиях на 25%, т.е. производительность обработки повышается на 25 %.

Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики динамической системы на подачах: а = 0,2 мм/об, б = 0,4 мм/об, в = 0,5 мм/об, г = 0,6 мм/об

б

а

в

г

Рис. 2. Соотношение исследуемых показателей при точении колец резцом Т5К10.

Количество измерений при каждой подаче - 9. Среднее квадратическое отклонение измерений волнистости - не более 0,5 мкм.

СКО Мтах - не более 0,4

Эксперимент 2 - обработка резцом Р80К 2020 К12, пластина 8КММ 120412 Б-ОЯ; 9230, фирмы «РЯАМБТ». Порядок проведения эксперимента аналогичен предыдущему [3].

Визуально наблюдается отличие АКФ при обработке различными резцами, соответственно различаются АЧХ (рис. 3) и показатель колебательности (рис. 4).

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики ДС на подачах: а = 0,2 мм/об, б = 0,4 мм/об, в = 0,5 мм/об, г = 0,6 мм/об

Рис. 4. Соотношение исследуемых показателей при точении колец резцом РЭОЫ 2020 пластина ЭЫММ 120412 Е-Ор 9230. Количество измерений при каждой подаче - 9. Среднее квадратическое отклонение измерений волнистости - не более 0,5 мкм.

СКО Мтах - не более 0,4

б

а

в

г

Вид АЧХ с двумя максимумами объясняется тем, что при изменении режима резания возбуждаются колебания в ДС как в двухмассовой (масса, связанная с инструментом, и масса, связанная с заготовкой).

Во втором эксперименте показатель Мтах почти в 2 раза ниже аналогичного для эксперимента 1, что свидетельствует о более высоком запасе устойчивости ДС при обработке резцом Р80К 2020 К12, пластина 8КММ 120412 Б-ОЯ; 9230, рекомендуемая подача п = 0,5 мм/об. Следовательно, данный резец можно использовать на более производительных режимах точения. Таким образом, экспериментально-аналитическое определение передаточной функции замкнутой ДС станка позволяет по запасу устойчивости определить рациональный режим точения колец подшипников, сравнить возможность резцов из различных материалов, а также обеспечивает повышение производительности с сохранением заданных параметров точности обрабатываемых поверхностей качения колец подшипников.

1. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.

2. Точность и надёжность автоматизированных и прецизионных металлорежущих станков: в 3 ч. / Б.М. Бржозовский, А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, В.В. Мартынов. Саратов: СГТУ, 1992.

3. Коновалов В.В. Экспериментальное исследование точности обработки на токарных станках ТП-3503 и ПАБ-350 // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 139-141.

4. Скляревич А.Н. Операторные методы в статической динамике автоматических систем. М.: Наука, 1956. 460 с.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука,

ЛИТЕРАТУРА

Ч. 1. 160 с.

1975. 768 с.

Коновалов Валерий Викторович -

кандидат технических наук, доцент

Valeri V. Konovalov -

Ph.D., Associate Professor

Department of Mechanical Engineering Technology Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Игнатьев Александр Анатольевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация, управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Aleksandr A. Ignatyev -

Dr. Sc., Professor, Head: Department of Automation, Control, Mechatronics Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Захарченко Михаил Юрьевич -

Mikhail Yu. Zakharchenko -

Ph.D., Associate Professor Department of Automation, Control, Mechatronics

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 15.06.15, принята к опубликованию 11.11.15