Методика экспресс оценки динамических характеристик металлорежущих станков

УДК 621.941

МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

М.В. Матрохин, Е.И. Федин, А.С. Ямников

Описан предлагаемый для практики способ определения динамической жесткости узлов станка. Дана принципиальная схема измерения динамических характеристик (на примере токарного станка) и концепция процесса измерения жесткости в опытно-промышленных условиях. Констатируется факт, что преимуществом является возможность использования предлагаемого метода на производстве.

Ключевые слова: станок, динамическая жесткость, измерение, производственные условия.

Одна из главнейших задач в машиностроительном производстве -достижение требуемого качества изделий при наименьших затратах, поскольку качество является основным критерием, определяющим надежность и долговечность машин. Качество любого изделия характеризуется целым рядом показателей, среди которых первостепенным является точность сборки, напрямую зависящая от точности размеров, формы и взаимного положения сопрягаемых поверхностей, сборочных единиц и деталей. Точность деталей машин имеет явную тенденцию к неуклонному увеличению, следовательно, весьма актуальны исследования, связанные с оценкой точностных возможностей станков. Для поверки на точность станка необходимо знать степень и характер влияния отдельных факторов, вызывающих погрешности при обработке заготовок на станках. До настоящего времени не существует таких норм точности работы станка, которые определили бы ее однозначно. Это объясняется большим количеством факторов, влияющих на точность станка. Основными из них являются геометрическая и кинематическая точность системы “заготовка - инструмент

- приспособление - станок”, включая влияние зазоров и погрешностей технологической базы заготовки; температурные деформации системы; технологическая жесткость, характеризующая деформации системы под нагрузкой; устойчивость системы при закреплении, перемещениях узлов станка и при обработке; вынужденные колебания; размерный износ инструмента.

Точность станков нормируется ГОСТами "Норма точности", построенными на предположении, что геометрические погрешности данного станка являются систематически постоянными погрешностями, которые полностью переносятся на обрабатываемую деталь. Также в ГОСТах приводятся обобщенные статистические данные о фактической статической жесткости выпускаемых станков. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка, так как определяет точность станка

под нагрузкой в установившемся режиме работы (статическую ошибку).

Существует достаточно много способов определения статической жесткости. Однако статическая жесткость не позволяет с требуемой точностью рассчитать упругие перемещения в механической системе металлорежущих станков в процессе резания и спрогнозировать, таким образом, точность обработки. Упругие перемещения в процессе резания не соответствуют упругим перемещениям, возникающим при статическом нагружении. Решить проблему можно только созданием методики и технических средств для оценки динамических характеристик металлорежущих станков. Динамические характеристики металлорежущих станков можно оценить при помощи методов теории систем автоматического управления, рассматривая механическую систему “заготовка - инструмент - приспособление - станок” как определенное динамическое звено, обладающее тремя показателями (характеристиками):

- коэффициентом передачи К0(аналог жесткости),

- постоянной времени Т0,

- коэффициентом демпфирования X.

Известны исследования по данному вопросу. В работах [1, 2] при исследовании концепции создания адаптивных технологических систем прогнозирующего типа на примерах многопроходного резьботочения было предложено оценивать динамические характеристики механической части технологической системы по переходному процессу в стыке "заготовка-инструмент". Было разработано и проверено экспериментальное устройство для оценки динамических характеристик технологической системы за счет создания различного предварительного натяга в стыке "заготовка-инструмент" с последующим ступенчатым силовым воздействием и одновременной регистрацией деформации непосредственно в этом же стыке. Авторы исследовали, помимо динамических характеристик механических частей токарного станка, динамические характеристики процесса резания (резьботочение), т.е. определяли передаточную функцию силы резания от площади сечения срезаемого слоя, пытаясь попыткой представить процесс резания звеном системы автоматического управления.

В работе [2] описывается способ, заключающийся в том, что при помощи винтового домкрата и динамометра нагружают несущую систему станка (корпус шпинделя-стол), осуществляют ступенчатое силовое воздействие - при помощи спускового механизма резко снимают нагрузку. Возникающие свободные колебания регистрируют с помощью лазерного интерферометра. Данные обрабатывают математическим методом совместно с программным обеспечением лазерного интерферометра и на основании полученных величин вычисляют динамическую податливость несущей системы станка.

Недостатком способа является то, что он не может быть применен для определения совокупности динамических характеристик упругой сис-

темы ЗИПС, данным способом определяют податливость отдельных узлов станка. Способ адекватен статическим условиям измерения жесткости узлов металлорежущих станков, так как начальная нагрузка за счет специального спускового механизма практически мгновенно сбрасывается до нулевого значения (формируется отрицательный ступенчатый силовой сигнал).

В настоящее время в ТулГУ продолжаются исследования по разработке новых способов оценки динамических характеристик механической части технологической системы, которые должны быть лишены вышеуказанных недостатков и обладать определенными преимуществами:

- расширенные технологические возможности, т.е. применяемые для оценки большинства эксплуатируемого на машиностроительных предприятиях металлорежущего оборудования;

- автоматизированный сбор и обработка информации, за счет специальных технических средств и программного обеспечения для ЭВМ;

- мобильность и оперативность в применении, т.е. возможность использования в производственных условиях непосредственно в цехах машиностроительных заводов без длительных экспериментальных настроек с минимальным простоем оборудования.

Основная цель исследования:

- доработка метода [1] до опытно-промышленного уровня;

- разработка аппаратного и программного обеспечение, т.е. методики экспресс-оценки динамических характеристик металлорежущих станков;

- исследование динамических характеристик механической части технологической системы различных металлорежущих станков с целью создания методики оценки технического состояния оборудования по точности обработки;

- разработка методики целенаправленного выбора оборудования при проектировании технологических процессов за счет моделирования процессов обработки и прогнозирования точности.

На рисунке изображена принципиальная схема измерения динамических характеристик (на примере токарного станка).

Для определения динамических характеристик металлорежущих станков упругую систему станка, состоящую из таких элементов, как заготовка 4, инструмент 3, приспособление 2, станок 1, нагружают определенным усилием ^ , близким к номинальному значению силы резания при обработке (радиальной составляющей), тем самым обеспечивая замкнутость силового контура динамической системы станка. Приложенное усилие вызывает смещение элементов конструкции станка, изменяя взаимное положение деталей и обеспечивая начальный "натяг" системы. В стыке А-А' "инструмент - деталь" осуществляем ступенчатое силовое воздействие 5, увеличивающее нагрузку на систему до значения, близкого к макси-

мальному уровню силы резания Б2,тем самым вызывая перемещения, равные перемещениям во время резания при максимальной силе резания. Переходный процесс (6) этих перемещений фиксируется. Аналоговый сигнал с датчиков прибора поступает на усилитель сигналов Ус, после усиления сигнал преобразуется в цифровой сигнал в аналоговом цифровом преобразователе (АЦП). Сигнал при помощи программного обеспечения (ПО) обрабатывается математическими методами теории систем автоматического управления на ЭВМ. Полученные данные являются цифровыми значениями динамических характеристик измеряемой упругой системы.

Схема измерения динамических характеристик токарного станка

Способ экспресс-оценки динамических характеристик металлорежущих станков позволяет получать оперативно и достоверно данные о состоянии станка, которые могут быть использованы для прогнозирования параметров качества обрабатываемых деталей при проектировании технологических процессов и оценке технического состояния оборудова-

ния [3-5].

Список литературы

1.Федин Е.И., Ямникова О. А. Экспериментальное определение динамических характеристик технологических систем // СТИН. 2003. № 3. С.7 - 9.

2. Ямников А.С., Федин Е.И. Попов М.А. Методика расчета динамических характеристик технологической системы по экспериментальным данным// Известия ТулГУ. Машиностроение. 1998. Вып. 3. С. 82-86.

3. Федин Е.И., Васин Л.А., Ямникова О.А. Адаптивное управление силами резания при точении // Технология механической обработки и сборки/ ТулГУ. 1996. С. 118 - 121.

4. Основы технологии машиностроения: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А.С. Ямников [и др.]/ под ред. А.С. Ямникова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 269 с.

5. Ямникова О.А. Моделирование упругих колебаний валов при лезвийной обработке. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 187 с.

Матрохин Максим Владимирович, аспирант, nixortam@rambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Федин Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., tms@tsu.tula.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., tms@tsu.tula.ru, yamnikovas@mnail.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет

TECHNIQUE OF THE EXPRESS ASSESSMENT OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF

METAL-CUTTING MACHINES

Matrokhin M. V. Fedin E.I. Yamnikov A.S.

The way of definition of dynamic rigidity of knots of the machine offered for practice is described. The schematic diagram of measurement of dynamic characteristics (on the example of the lathe) and the concept ofprocess of measurement of rigidity in trial conditions is given. The fact is established that advantage is possibility of use of an offered method on production.

Key words: machine, dynamic rigidity, measurement, working conditions.

Matrokhin Maxim Vladimirovich, post graduate, nixortam@rambler.ru. Russia, Tula, Tula State University,

Fedin Evgeny Ivanovich, doctor of technical scienses, professor, tms@tsu.tula.ru. Russia, Tula, Tula State University,

Yamnikov Alexander Sergeevich, doctor of technical sienses, professor, yamnik-ovas@,mnail.ru. Russia, Tula, Tula State University