Определение точности токарной обработки методом построения виртуальной копии обрабатываемой детали

ОБРАБОТКА МАТЕРиАЛОВ РЕЭАНиЕМ

УДК 621.941

Определение точности изготовления деталей

В. В. Юркевич

Под виртуальной деталью подразумевается геометрический образ детали в трехмерном пространстве, построенный на экране монитора компьютера. Виртуальную деталь строят при выполнении получистового прохода или в самом начале чистового прохода, когда деталь еще полностью не обработана. На экране монитора виртуальная деталь имеет форму и размеры, которые будут соответствовать с высокой точностью форме и размерам полностью обработанной детали. Таким образом, процесс создания виртуальной детали представляет собой прогнозирование ее формы и размеров, а следовательно, и будущих показателей точности в дальнейшем, причем на этапе, когда деталь еще не обработана окончательно. Этот способ защищен патентами [1—4].

Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке МК-3002 (Завод малогабаритного станочного оборудования «МАГСО», Ростов-на-Дону) в существующих производственных условиях и в реальном времени. В качестве заготовки использовалась предварительно обработанная втулка из стали 35, которая крепилась на прецизионной оправке. Обработка производилась резцом с твердосплавной пластинкой Т15К6 с углами заточки: ф = 45°; ф = 45°; у = 6°; а = 6°. Точение проводилось в режиме чистовой обработки, при этом частота вращения шпинделя п изменялась в пределах 800-1250 об/мин; глубина резания £ = 0,10 -^0,6 мм; подача й = 0,5 ^ 0,12 мм/об.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В шпинделе станка установлена прецизионная оправка 6, овальность и биение которой не превышают 0,2 мкм. На оправке закреплялась заготовка, которая обрабатывалась резцом 3, расположенным в резцедержателе 7. На передней бабке станка и его станине 8 размещен кронштейн 5 с двумя бесконтактными датчиками 4, наконечники которых электрически взаимодействуют с оправкой 6. Оси датчиков взаимно перпендикулярны; одна из них лежит в плоскости, проходящей через вершину резца. Сигналы от датчиков поступают через

интерфейс на компьютер. На станине 8 станка шпильками 9 закреплена прецизионная линейка 10, а в резцедержателе — кронштейн 2 с двумя датчиками 1. Последние электрически взаимодействуют с линейкой 10 и фиксируют перемещения вершины резца. Сигналы от этих датчиков также поступают через интерфейс на компьютер.

В качестве бесконтактных датчиков перемещения использовались вихретоковые датчики серии АЕ2Х (НПП «Системы безразборной диагностики», Москва). Точность измерений гарантируется тем, что базой для измерения отклонений детали является корпус шпиндельной бабки а базой для измерения отклонений резца является станина, которые в целом представляют достаточно жесткую конструкцию. Интерфейс — плата ввода-вывода информации Ь-761 (ЗАО «Л-Кард», Москва). В качестве программного обеспечения использовалась модернизированная программа Ьа^гапд 2004, которая позволяет получить какое угодно количество траекторий оси заготовки и резца, снятых для разных положений резца (рис. 2, 3). Их рассмотрение

1 2 3 4 5

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

у, мкм 46,3712 -|

42,4244

38,4775

34,5307

30,5839

26,6370

22,6902

18,7434

17,7965

10,8497

6,9029

2 9560

-0,9908

-0,50 8,33 17,15 25,98 34,81 48,06

х, мкм

Рис. 2. Траектория оси заготовки при резании для одной выборки:

п = 2500 об/мин; 5 = 0,05 мм/об; t = 0,40 мм

у, мкм 10-1

6-

4-

2-

10

х, мкм

Рис. 3. Траектория вершины резца при резании для одной выборки: п = 2500 об/мин; 5 = 0,05 мм/об; t = 0,40 мм

0

позволяет сделать следующие выводы. Траектории оси заготовки, снятые для различных сечений заготовки, отличаются друг от друга из-за того, что процесс резания является стохастическим, и пока резец проходит от правого до левого торца заготовки, в станке успевают произойти определенные необратимые процессы. Как показывает сравнение траекторий при обработке с разной глубиной резания и частотой вращения шпинделя показывает, при увеличении глубины резания с 0,40 до 0,90 мм форма

траектории претерпевает значительные изменения. Траектория резца в общем соответствует так называемому эллипсу колебаний, большая ось которого совпадает с направлением силы резания и с направлением колебаний оси заготовки. Обработка траекторий формообразующих узлов станка позволяет произвести расчеты для определения геометрического образа обработанной поверхности в поперечном сечении, соответствующая методика также защищена патентами [1-4] (рис. 4).

Рис. 4. Интерфейс построения геометрического образа в поперечном сечении заготовки: п = 2500 об/мин; 5 = 0,05 мм/об; t = 0,40 мм

МЕ

[АПШ

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЭАНИЕМ

Сравнение геометрических образов для одной заготовки в разных сечениях показывает, что они отличаются как по форме, так и по расположению. При обработке детали с параметрами п = 2500 об/мин; £ = 0,40 мм и й = 0,05 мм/об геометрические образы имеют плавную поверхность с небольшой волнистостью. Если используются следующие значения: п = 800 об/мин; 8 = 0,05 мм/об и £ = 0,90 мм на геометрических образах видна явно выраженная волнистость, которая соответствует колебаниям оси заготовки и резца.

Образец построения виртуальной детали приведен на рис. 5, где построена виртуальная копия обрабатываемой детали с изображением 10 поперечных сечений. Программа Ьа§гап§ 2004 позволяет изменять количество поперечных сечений по желанию испытателя. Так как показания датчиков перемещения оси заготовки и вершины резца снимаются на всем протяжении прохода резца, то число выбираемых поперечных сечений будет ограничиваться только числом оборотов, входящих в одну выборку. Для статической обработки выбирались 40 оборотов шпинделя, такое количество позволяет получить высокую достоверность данных. Виртуальная копия обрабатываемой детали позволяет определить любые необходимые показатели точности, так как можно создать любое количество геометрических образов для разных положений резца [1-4].

Для оценки работоспособности системы, измерения траекторий формообразующих узлов станка и построения виртуальной копии

у

Рис. 5. Виртуальная копия обрабатываемой детали

обрабатываемой детали были проведены испытания по обработке контрольной детали, построению ее виртуальной копии с последующими метрологическими измерениями обработанной поверхности.

В процессе обработки были определены показания перемещений заготовки и вершины резца в 10 сечениях. Для каждого сечения снимались показания для 40 оборотов, и при каждом обороте определялись значения для 200 референтных меток. Экспериментальные данные обработаны методами математической статистики. По перемещениям оси заготовки и вершины резца были построены геометрические образы поперечных сечений контрольной детали.

Рассмотрение полученных результатов позволяет сделать ряд выводов. Форма геометрических образов поперечного сечения обработанной поверхности незначительно отличаются друг от друга, так же как и показатели точности. Это объясняется тем, что обрабатываемая контрольная деталь была закреплена в патроне и поджата центром задней бабки.

После обработки на станке проводили метрологические измерения контрольной детали. Для записи круглограмм использовался кругломер типа КД, класса точности 2, модели 290 (завод «Калибр», Москва). Прибор имеет предел допустимой радиальной погрешности 0,12 мкм. Снятие круглограмм происходило в тех же местах по длине детали, где были зафиксированы перемещения оси детали и вершины резца.

В связи с этим возникает проблема адекватности данных, полученных разными способами: одни измерения выполнены бесконтактными датчиками, у которых чувствительный наконечник имеет диаметр 8,00 мм, другие — контактным способом, радиус сферы измерительного наконечника равен 2,55 мм. Не рассматривая детально эту сложную, на наш взгляд, проблему, отметим только основные различия в проведении измерений. При измерениях с помощью бесконтактных датчиков частота измерений ограничивается частотным диапазоном драйвера Б200, которая составляет 1000 Гц. Измерения производятся по восходящей и нисходящей ветви отметчика угла поворота ЛИР-158А (ЗАО «Комбилига», Санкт-Петербург), что соответствует 400 измерений за один оборот шпинделя. Для статистической выборки необходимо собрать данные для 40 оборотов шпинделя, что будет соответствовать перемещению резца на величину 2,00 мм вдоль детали при подаче в = = 0,05 мм/об. При измерениях кругломером щуп непосредственно контактирует с деталью, радиус его сферы равен 2,55 мм.

ОБРАБОТКА МАТЕРиАЛОВ РЕзАНиЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

Вышеизложенные факторы, естественно, оказывают влияние на результаты измерений.

С учетом вышеизложенное было проведено совмещение построенного геометрического образа поперечного сечения с круглограммой для соответствующего сечения. При наложении максимальная разность между линией геометрического образа и линией круглограм-мы в радиальном направлении не превышает 0,86 мкм. Среднеарифметическая величина отклонений равна 0,46 мкм. Это доказывает, что разработанная система определения точности изготовления деталей гарантирует точность измерений 0,5 мкм.

Предлагаемый метод найдет применение для оценки точности изготовления деталей, определению силы резания, диагностике состояния резца и другим проблемам, что получило отражение в других статьях.

Литература

1. Патент 2123923 Российская Федерация. В23<<15/00, В23В25/06. Способ диагностики токар-

ных станков по параметрам точности и устройство для его осуществления / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Стан-кин». № 99121630/02; заявл. 06.11.1997; опубл.

27.12.1998. Бюл. 36. 6 с.

2. Патент 2124966 Российская Федерация. В23В25/06, 001М13/02. Способ диагностики шпиндельного узла / В. В. Юркевич, А. В. Пуш; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Стан-кин». № 99121630/02; заявл. 14.11.1999; опубл.

20.01.1999. Бюл. 2 5 с.

3. Патент 2154565 Российская Федерация. В23<15/007. Устройство диагностики токарных станков по параметрам точности изготавливаемой детали / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Станкин». № 99121630/02; заявл. 14.10.1999; опубл. 20.08.2000. Бюл. 23. 4 с.

4. Патент 2190503 Российская Федерация. В23В25/06, В23<17/20. Устройство определения погрешностей изготовления детали на токарном станке / В. В. Юркевич; заявитель и патентообладатель Московский государственный технологический университет «Станкин». № 99121630/02; заявл. 01.11.2000; опубл. 10.10.2002. Бюл. 28. 6 с.

УДК 531.39: 621.9.014.8

использование анизотропных свойств листового проката для изготовления виброустойчивого инструмента1

В. В. Максаров, Ю. Ольт, П. В. Леонидов, П. П. Лимин

Введение

Вибрации, возникающие в процессе механической обработки, существенно затрудняют эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, являются причиной преждевременного износа инструмента, аварий станков и приспособлений. Динамическая устойчивость технологической системы и снижение уровня вибраций, возникающих в процессе резания, являются

1 Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

залогом стабильности стружкообразования, это считается особенно важным при автоматизации технологического процесса [1]. Таким образом, задача обеспечения устойчивости технологической системы за счет снижения уровня автоколебаний является одной из важнейших в области лезвийной обработки, что приобретает особую актуальность при чистовой обработке изделий на автоматических станках и станках с числовым программным управлением [2, 3].

Изучению автоколебаний при резании металлов с целью понять природу процессов стружкообразования при точении и оценить