Постановка задач исследования влияния динамики станочных приспособлений на динамические характеристики всей технологической системы

Р. Н. Зарипов

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИКИ СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Продукция, производимая машиностроительной отраслью, широко применяется во всех отраслях промышленности.

Качество этой продукции напрямую зависит от надежности работы технологической единицы оборудования, являющейся следствием технологичности и точности ее изготовления.

Технологичность же, в свою очередь, зависит от множества параметров, таких как качество получаемой единицы изделия машиностроения, производительность труда и т. д. В машиностроении все эти параметры определяются надежностью работы технологической системы СПИД.

Следовательно, совершенствование этой технологической системы актуально.

К решению задач, связанных с развитием технологической системы, привлечены исследовательские и проектные организации, а также специальные конструкторские бюро. Отдавая должное успехам в области совершенствования основных элементов системы СПИД, необходимо обратить внимание на то, что одному из важнейших элементов этой системы -динамике приспособлений - уделяется недостаточно внимания. Роль оснастки и станочных приспособлений трудно переоценить, поскольку они являются основной и неотъемлемой частью технологической системы.

Станочные приспособления, как одно из средств технологического оснащения металлорежущего оборудования, являются важной составной частью технологической системы, включающей металлорежущий станок, режущий инструмент и заготовку. Без приспособления, даже самого простого, например, в виде автономного зажимного устройства или оправки, практически невозможно обработать заготовку, не говоря уже о достижении высокой точности обработки. С их помощью сокращается время установки обрабатываемых заготовок в результате устранения выверки и упрощения процесса базирования, а также время обработки за счет автоматического получения размеров на настроенных станках; повышается производительность труда вследствие механизации и автоматизации применения многоместной, многопозиционной обработки; расширяются технологические возможности станков; улучшаются условия труда и безопасность работы.

Одновременно с развитием станкостроения и технологии механообработки станочные приспособления также непрерывно совершенствуются и становятся неотъемлемой частью оборудования.

Актуальность и перспективность внедрения в машиностроение систем автоматизированного проектирования (САПР) общеизвестны. Однако широкое внедрение САПР для станочных приспособлений тормозится отсутствием теоретических разработок по конструированию приспособлений и расчетам их точности. Многие вопросы, связанные с расчетами и обеспечением точности и износостойкости приспособлений, решают эмпирическим путем. При этом не учитывают точность приспособлений, методику назначения допусков на изнашивание установочных и направляющих элементов, направление движения инструмента и др.

На сегодняшний день мы имеем следующую ситуацию.

При конструировании приспособлений появляются ошибки, обусловленные отказом от расчета на точность, когда путем завышения точности установки детали стремятся создать большой запас точности, при котором не будет надобности в расчете.

При установке детали в приспособление ее технологические базы соприкасаются с установочными элементами, чем обеспечивается определенное положение детали относительно корпуса приспособления. Однако каждая деталь имеет действительные размеры, отличающиеся от размеров деталей данной партии. Если бы перед обработкой каждой детали режущий инструмент координировался относительно установочной базы, то положение установочной базы относительно приспособления не влияло бы на окончательный размер. Приспособление использовали бы только как крепежное устройство, а погрешности, связанные с установкой детали, были бы равны нулю [1].

Если же положение инструмента не регулируют перед обработкой детали, то всякое изменение установочной базы относительно приспособления будет одновременно и изменением положения относительно инструмента, т. е. при различных положениях установочной базы будут получены различные размеры. Схема базирования и закрепления заготовки находит воплощение именно в станочном приспособлении, поэтому конструкция станочного приспособления, точность его изготовления и установки на станок, изношенность ответственных поверхностей влияют на точность обработки. После зажима заготовки образуется единая система, включающая заготовку, опоры, корпус приспособления.

Таким образом, основным параметром, характеризующим качество выполнения собранным приспособлением своих функций, является точность обработки. Точность приспособлений, применяемых для механической обработки, является важнейшим фактором, обеспечивающим точность и взаимозаменяемость изготавливаемых деталей.

Производственные наблюдения показали, что введение в технологическую систему станочного приспособления может существенно сказаться на качестве и производительности обработки. Так, при фрезеровании крышки подшипника тельфера твердосплавной торцовой фрезой диаметром 125 мм на фрезерном станке 6Р12 наблюдалась значительная волнистость поверхности обработки: высота волны достигала к = 0,08...0,11 мм. Изменение конструкции приспособления (увеличение площади контакта приспо-

собления со столом станка, изменение положения зажимных элементов) не только снизило волнистость до к = 0,003...0,05 мм, но и позволило увеличить подачу на зуб с 0,28 до 0,35 мм. На волнограмме, снятой в условиях производства (рис. 1) для детали, обработанной в двух различных приспособлениях, используемых на одной и той же операции и при одинаковых режимах, отчетливо видно изменение шага волны на 30...40 % [2].

Рис. 1. Волнограмма обработанной поверхности в приспособлениях различной жесткости: к1 = 0,08...0,11 мм; к2 = 0,03... 0,05 мм

Для изучения влияния приспособлений на общую динамику технологической системы проделан ряд экспериментов на специальной установке, включающей универсальный фрезерный станок 67511, на котором размещались исследуемые приспособления, оснащенные виброизмери-тельной аппаратурой.

На рис. 2 показаны амплитуды колебания приспособления (массой 150 кг) и стола фрезерного станка при силе закрепления тарировочным ключом, создающим крутящий момент 20 Нм на каждом прихвате при наложении колебаний следующей частоты: 20, 97 и 130 Гц [3].

Рис. 2. Колебания стола станка и приспособления при возбуждении вибратором различных частот: а -/ = 20 кг; в -/ = 97 кг; в -/ = 130 кг; 1 - вибропрограмма приспособления; 2 - вибропрограмма стола

Резонансные характеристики системы стол станка-приспособление представлены на рис. 3.

Рис. 3. Резонансная зона приспособления

Наблюдаемый на графике значительный всплеск характеризует резонансную зону системы станочного приспособления. Изменение силы закрепления корпуса приспособления на станке (момент на каждом болте менялся от 1 до 70 Нм) вызывает изменение частоты колебаний стола станка по сложной зависимости, что связано, по-видимому, с характером работы стыков в сопряжениях элементов стола и приспособления. Многочисленные наблюдения за характером поведения заготовки в приспособлении показали, что, как правило, именно приспособление определяет амплитуду и частоту колебаний заготовки.

Для правильного конструирования приспособлений необходимо знать эксплутационный износ базовых элементов приспособлений, чтобы назначить такие материалы и допуски на их элементы, которые обеспечивали бы заданную точность в течение длительного времени работы приспособлений. Для повышения точности обработки заготовок износ установочных и направляющих элементов приспособлений должен быть регламентирован определенными, заранее рассчитанными величинами [4].

Отдельные заводы, научно-исследовательские, технологические и проектные организации накопили некоторый опыт проектирования и эксплуатации технологической оснастки, который дает возможность устанавливать допуски на изготовление и износ отдельных деталей станочных приспособлений.

Разработанные методы определения допусков на изготовление и износ станочных приспособлений позволяют:

- назначать исполнительные размеры на детали приспособлений, исходя из условий требуемой точности обработки заготовок;

- определять допуски на износ отдельных приспособлений, исходя из условий требуемой точности обработки заготовок;

- устанавливать момент, когда приспособление вследствие износа отдельных элементов в процессе эксплуатации не может обеспечить требуемую точность обработки заготовок.

В зависимости от назначения приспособления, условий его работы и характера выполняемой операции оценку его точности можно проводить

по показателям, которые делят на статические и динамические. К статическим показателям относят погрешности, возникающие в момент установки и закрепления заготовки до начала обработки. Поэтому такие показатели точности определяются выбранной схемой, способом базирования заготовки, методом закрепления, силой зажима, жесткостью конструкции, точностью изготовления основных элементов и др.

Большинство показателей носит вероятностный характер. К динамическим показателям относят погрешности, возникающие в приспособлении при резании. Поэтому они определяются силой резания, колебаниями системы и др. Динамическую точность можно характеризовать амплитуднофазовой частотной характеристикой, передаточной функцией, формой колебаний, а также демпфирующими способностями приспособления.

Важнейшее эксплутационное свойство, определяющее динамику приспособления, - виброустойчивость.

Непостоянство сил при резании и переменность жесткости станочных приспособлений и других элементов технологической системы предопределяют возникновение вибраций. При вибрации повышается шероховатость обрабатываемой поверхности, ухудшаются условия работы режущего инструмента и усиливается динамический характер силы резания. Если частота собственных колебаний приспособления совпадает с частотой колебаний при резании, то возникает резонанс, при котором амплитуда колебаний сильно возрастает. С повышением жесткости приспособлений увеличивается частота и уменьшается амплитуда их собственных колебаний. Для исключения резонанса необходимо увеличить скорость резания, одновременно повышая жесткость приспособлений и частоту их собственных колебаний. Для уменьшения вибраций применяют демпфирующие элементы [1].

Зажимная способность станочных приспособлений характеризуется особенностями зажимных механизмов и состоит в надежном закреплении, предупреждающем вибрацию и смещение заготовки относительно опор приспособления при обработке, а также в обеспечении требуемой точности обработки.

Динамические характеристики технологической системы во многом определяют точность и качество обработки, производительность станков, стойкость режущего инструмента, условия устойчивого резания. Станочное приспособление, являясь дополнительным узлом технологической системы, оказывает воздействие своими параметрами на динамические характеристики всей системы. Рациональная в динамическом отношении конструкция станочного приспособления может быть разработана с помощью расчета динамических характеристик всей системы в целом и анализа взаимовлияния отдельных ее узлов, включая узел приспособления.

Приспособление может быть описано как динамическая система дифференциальным уравнением (токарный патрон при ступенчатых воздействиях):

/ф + Иф + Кф = М ,

где ф - угол поворота системы; /, й, К - соответственно момент инерции, коэффициент демпфирования и жесткость патрона; М - вращающийся момент, приложенный к подвижной системе [5].

Поэтому целью исследования динамики приспособления являются:

- оценка влияния динамических параметров приспособления (массы, демпфирующей способности и жесткости) на собственные характеристики всей системы (собственные частоты и собственные векторы);

- анализ влияния динамических параметров приспособления на коэффициент динамической податливости и амплитуды колебаний с учетом процесса резания;

- сравнительная оценка влияния на динамическое качество технологической системы вариации параметров приспособления с целью отыскания наилучшего в динамическом отношении конструктивного варианта компоновки.

Это позволит оценить влияние каждого из элементов технологической системы на собственные частоты, векторы, амплитуды и коэффициент динамической податливости и выявить конструктивные изменения, которые необходимо внести в систему для обеспечения расстройки между собственными частотами и частотами возмущения, а также для минимизации амплитуд колебаний. Это может помочь также при проектировании новой оснастки, расчете ее параметров с учетом динамики всей системы, а также при динамическом анализе технологической системы с существующей оснасткой при выявлении причин вибраций и улучшении динамических характеристик системы.

Таким образом, результаты и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, могут быть использованы при разработке теоретических показателей точности приспособлений, позволяющих систематизировать расчеты погрешностей установки. Основная цель состоит в постановке и решении следующих задач: раскрытие существа современного понятия точности приспособления; анализ роли изнашивания элементов приспособлений, методов их расчета и связи с погрешностью установки; применение общих закономерностей для расчета точности при проектировании приспособлений.

Рассматривая приспособление как автономную часть станка, влияющую на динамику всей технологической системы, необходимо разработать теорию оптимизации параметров приспособлений по критериям динамической точности, позволяющую определить их динамические параметры и влиять на динамику всей системы.

Вопросы динамики, точности обработки на станках в течение длительного времени привлекают внимание ученых, исследователей. Среди них можно выделить работы В. В. Микитянского, В. А. Кудинова, А. В. Коваленко, М. К. Клебанова, В. Л. Вейца, Г. Д. Григорьяна и др. Основная масса этих исследований посвящена вопросам обработки деталей на токарных и фрезерных станках. Вопросы же влияния динамических характеристик приспособлений на точность изготовления деталей изучены совершенно недостаточно. Углубление и исследование знаний в этой области и будет в дальнейшем нашей основной задачей.

1. Ильицкий. В. Б., Микитянский. В. В., Сердюк Л. М. Станочные приспособления. Конструкторско-технологическое обеспечение эксплутационных свойств.

- М.: Машиностроение, 1989. - 208 с.

2. Корсаков В. С. Расчеты и конструирование приспособлений в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1959. - С. 324.

3. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. - М.: Высш. шк., 1980. -С. 400.

4. Расчет динамических характеристик упругих систем станков с ЧПУ. - М.: ЭНИМС, 1976. - С. 98.

5. АнсеровМ. А. Приспособления для металлорежущих станков. - М.: Высш. шк., 1975. - С. 344.