Влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении

Таким образом, программный комплекс «РАМ-БТАМР» при разработке технологического процесса эластоформования реальной детали позволил спрогнозировать появление дефектов и отработать конструктивно-технологические мероприятия по их предотвращению, а также сформировать геометрическую модель рабочей поверхности оснастки, способную учесть величину пружинения. Применение средств технологического анализа позволяет сократить сроки и затраты на подготовку производства, а также уменьшить трудоемкость доводочных работ при изготовлении деталей.

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Библиографический список

1. Исаченков Е.И. Штамповка эластичными и жидкостными средами. М.: Машиностроение, 1976. 206 с.

УДК 621.95.01

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ОТВЕРСТИЙ ПРИ СВЕРЛЕНИИ

© А.В. Савилов1, А.С. Пятых2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты исследования влияния вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении алюминиевого сплава В95пчТ2 сверлом R840-100-50-A1A 1220, а также результаты исследования по определению зависимости отклонения диаметра отверстия и шероховатости поверхности от скорости резания и величины подачи. Рассмотрены результаты применения модального анализа для определения оптимальных режимов резания при сверлении отверстий цельными твердосплавными сверлами. Ил.19. Табл. 2. Библиогр.11 назв.

Ключевые слова: сверление; сверло; вибрации; отверстия; шероховатость; модальный анализ.

VIBRATION EFFECT ON ACCURACY AND QUALITY OF HOLE SURFACE UNDER DRILLING A.V. Savilov, A.S. Pyatykh

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of studying the vibration effect on the accuracy and quality of hole surface when drilling aluminum alloy of В95пчТ2 with the drill of R840-100-50-A1A 1220. It reports on the conducted researches on determining the dependence of hole diameter departure and surface roughness on the cutting speed and feed rate. The results of using modal analysis to determine the optimal cutting modes when drilling holes with solid carbide drills have been considered.

19 figures. 2 table. 11 sources.

Key words: drilling; drill; vibrations; holes; roughness; modal analysis.

В зависимости от назначения отверстия отличаются по точности, качеству, сочетанию диаметра и глубины. В настоящее время производители инструмента предлагают эффективные решения для обработки всех типов отверстий. Однако для эффективного использования самых современных инструментов недостаточно простого следования рекомендациям поставщиков, приведённых в каталогах. Одной из основных причин, не позволяющей реализовать возможности режущего инструмента, являются вибрации.

Они ограничивают возможность повышения режимов резания и производительности труда.

Колебания инструмента относительно заготовки вызывают периодическое изменение толщины срезаемого слоя и сил резания, изменение величины и характера нагрузок на станок, возрастающих в несколько раз по сравнению с устойчивым резанием. Даже слабые вибрации технологической системы препятствуют достижению высокого класса шероховатости и получению отверстий с заданной точностью. Стойкость

1Савилов Андрей Владиславович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации авиамашиностроения, тел.: 89148711574, e-mail: saw@irkut.ru

Savilov Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Equipment and Automation of Aircraft Engineering, tel.: 89148711574, e-mail: saw@irkut.ru

2Пятых Алексей Сергеевич, аспирант, тел.: 89500691877, e-mail: alexess@istu.edu Pyatykh Aleksei, Postgraduate, tel.: 89500691877, e-mail: alexess@istu.edu

инструмента, особенно твердосплавного и минерало-керамического, значительно снижается. Знакопеременные динамические нагрузки снижают ресурс станка. При возникновении вибраций приходится уменьшать режимы резания, вследствие чего снижается производительность и полностью не используется мощность станка.

Кроме снижения режимов резания, экономические показатели процесса ухудшаются за счёт удлинения технологической цепочки. Например, при невозможности добиться заданной точности отверстия при сверлении дополнительно используют развёртывание или растачивание.

В статье показана зависимость размерной точности и качества поверхности отверстия от вибраций при резании. Также приведён пример использования метода модального анализа для определения оптимальных режимов резания.

Режимы резания для сверления, как и для других операций механообработки, назначаются по рекомендациям производителя инструмента. Рассмотрим процедуру назначения режимов резания на примере твердосплавного сверла R840-1000-50-A1A 1220, Sandvik Coromant. Данное сверло позволяет сверлить отверстия глубиной до 45 мм с точностью ^8-^10 и шероховатостью Ra=1-2 мкм [7]. В качестве обрабатываемого материала выбирается алюминиевый сплав В95пчТ2. Рекомендуемые производителем режимы резания для указанного случая приведены в табл. 1.

Как следует из табл. 1, подача и скорость резания находятся в некоторых диапазонах. Конкретное значение необходимо выбрать исходя из условий обработки. При этом какая-либо методика по расчёту конкретной величины подачи и скорости резания производителями инструмента не предлагается.

Электронные справочники по расчёту режимов резания также учитывают только механические свойства, химический состав обрабатываемого материала и в некоторых случаях тип заготовки, но не рассматривают жёсткость и вибрационные параметры технологической системы.

Обращает на себя внимание тот факт, что производительность процесса сверления может теоретически отличаться в четыре раза. Это отражается на технологической себестоимости деталей [1]. Как правило, в условиях реального производства скорость резания и подача подбираются опытным путём. Это занимает определённое время, в течение которого производительность процесса может быть ниже той, которую можно достигнуть в данной технологической системе.

Данной тематике посвящен ряд научных исследований, авторы которых рассматривали связь формы и состояния обработанной поверхности с технологиче-

скими параметрами [2-6]. Наиболее глубокий, учитывающий большое количество факторов анализ выполнен в работах Roukema, Altintas [9-11]. В этих статьях проанализированы варианты крутильных и поперечных вибраций при сверлении и их влияние на форму отверстия. Показано состояние поверхности дна отверстия при различных сочетаниях крутильных и поперечных вибраций. Однако не даны количественные показатели шероховатости, полученные при различных опытах, хотя, как известно, именно параметры шероховатости Ra и Rz являются актуальными при обработке отверстий в производственных условиях. Экспериментальная часть была выполнена с использованием сверла из быстрорежущей стали с отношением вылета из патрона к диаметру режущей части 11 Dc. Обычно при таком соотношении требуется пилотное отверстие или как минимум предварительное применение центровочного сверла.

Сверло, рассматриваемое в данной статье, не требует предварительного центрования и имеет отношение вылета к диаметру 6Dc. Учитывая тот факт, что сверло изготовлено из твёрдого сплава, можно считать, что влияние крутильных колебаний на процесс сверления является минимальным.

При проведении эксперимента было использовано рассмотренное выше сверло R840-1000-50-A1A 1220, Sandvik Coromant. Сверло было зажато в гидромеханический патрон типа CoroGrip. Обработка проводилась на фрезерном обрабатывающем центре DMG DMC635V. В качестве заготовки использовалась плита из деформируемого алюминиевого сплава В95пчT2, применяемого при изготовлении авиационных деталей. Глубина отверстия составила 20 мм. Сверление выполнялось по целому без предварительной центровки. В качестве охлаждения применялся сжатый воздух.

На основе стартовых режимов резания (см. табл.1) проведены исследования по определению зависимости отклонения диаметра отверстия и шероховатости поверхности от скорости резания. При обработке выполнялись замеры вибрации с помощью модуля MALDAQ, входящего в состав комплекса CutPro [8]. Графики вибраций при фиксированной поддаче fn=0,30 мм/об приведены на рис. 1-6.

Из анализа вибраций (см. рис. 1-6) следует, что наиболее стабильное резание имеет место в последнем опыте при n=7321 об/мин (см. рис. 6). Скорость резания при этом составляет 230 м/мин.

После сверления были измерены шероховатость поверхности отверстий и форма отверстий. Зависимость отклонения диаметра от скорости резания приведена на рис. 7, а зависимость шероховатости от скорости резания - на рис. 8.

Таблица 1

Рекомендуемые режимы резания для сверла R840-1000-50-A1A 1220_

Диаметр Dc, мм Подача на оборот Fn, мм/об Скорость резания Vc, м/мин Частота вращения шпинделя n, об/мин Подача стола Vf, мм/мин

10 0,2..0,4 120..230 3820..7321 764...2928

6000 8000 Чистота. Гц

Рис. 1. Измеренные вибрации: fn=0,30 мм/об, п=3820 об/мин

6000 8000 Частота. Гц

Рис. 2. Измеренные вибрации: fn=0,30 мм/об, /7=4456 об/мин

6000 8000 Частота. Гц

Рис. 3. Измеренные вибрации: Ъ=0,30 мм/об, п=5093 об/мин

Рис. 4. Измеренные вибрации: fn=0,30 мм/об, n=5730 об/мин

О 2000 4000

Рис. 5. Измеренные вибрации: fn=0,30 мм/об, п=6685 об/мин

О 2000 4000

Рис. 6. Измеренные вибрации: fn=0,30 мм/об, п=7321 об/мин

. резания, м/мин

Рис. 7. Зависимость отклонения диаметра отверстия от скорости резания

Как следует из рис. 7, минимальное отклонение диаметра отверстия получено при сверлении с максимальной скоростью резания 230 м/мин (n=7321 об/мин). Учитывая тот факт, что для диаметра отверстия 10 мм отклонение 15 мкм соответствует квалитету IT7, можно считать полученный результат вполне успешным. Отклонение для квалитета IT8, который гарантируется поставщиком инструмента, составляет 22 мкм.

Зависимость шероховатости от скорости резания имеет более сложный и неоднозначный характер. Лучший результат зафиксирован при сверлении со

скоростью резания 160 м/мин (п=5093 об/мин). Учитывая тот факт, что вибрации при данной частоте вращения выше, чем при п=7321 об/мин, а также принимая во внимание тот факт, что сверление проводилось без использования эмульсии, можно предположить, что ухудшение шероховатости обусловлено наростом материала на режущих кромках сверла.

В следующем опыте проводилась обработка при фиксированной скорости резания 170 м/мин (п=5411 об/мин) с варьированием подачи в диапазоне от 0,2 до 0,4 мм/об. Результаты измерения вибрации приведены на рис. 9-14.

. резання.

Рис. 8. Зависимость шероховатости поверхности отверстия от скорости резания

6000 8000 Частота. Гц

Рис. 9. Измеренные вибрации: /п=0,20 мм/об, п=5411 об/мин

Рис. 10. Измеренные вибрации: ^=0,24 мм/об, п=5411 об/мин

Рис. 11. Измеренные вибрации: ^=0,28 мм/об, п=5411 об/мин

Рис. 12. Измеренные вибрации: ^=0,32 мм/об, п=5411 об/мин

Рис. 13. Измеренные вибрации: ^=0,36 мм/об, п=5411 об/мин

0,0003 0,00025

(С

^ 0,0002 2 0,00015"

ИТЧЛ!"'

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Частота, Гц

Рис. 14. Измеренные вибрации: /п=0,4 мм/об, п=5411 об/мин

Как следует из рис. 9-14, вибрации во всех случа- Зависимость отклонения диаметра от подачи при-

ях значительно превосходят имеющие место при об- ведена на рис. 15, а зависимость шероховатости от работке с 1п=0,30 мм/об, п=7321 об/мин (см. рис. 6). подачи - на рис. 16.

Рис. 15. Зависимость отклонения диаметра отверстия от подачи

I подачи, мм/оо

Рис. 16. Зависимость шероховатости поверхности отверстия от подачи

Как следует из рис. 15, минимальное отклонение зафиксировано при подаче 0,32 мм/об. В этом случае также достигается квалитет IT7.

Наилучшая шероховатость была получена при сверлении с подачей 0,36 мм/об.

После испытаний инструмента на различных режимах резания был проведен модальный анализ технологической системы с использованием комплекса MAL CutPro.

При помощи аппаратно-программного комплекса MAL был проведен модальный анализ инструментальной наладки. Расчетная передаточная функция

инструментальной наладки на базе сверла Р840-1000-50-Л1Л 1220, полученная в результате "Таре"-теста, приведена на рис.17.

После этого была получена математическая модель (рис. 18) и ее модальные характеристики (табл. 2).

После были заданы следующие входные параметры для расчёта зон стабильного резания в программном модуле С^Рго: ар = 20 мм, = 0,3 мм/об. Рассчитанная диаграмма стабильного резания приведена на рис. 19.

2е-006

1е-006

0 -

-1е-006 .

ч -2е-00б -

Л -Зе-006

HJ -4е-006

К -5е-006

-Ее-ООб

-7е-006

-Se-006 -

Ее-006

5е-006

4е-006

h4 Зе-ООЕ

Щ 2е-ООБ"

А 1е-ООЕ-

гн 0

-1е-ООБ-

-2е-ООЕ

-Зе-ООЕ

-4е-ООЕ-

J 500 1000 1500 2000 2500 3000 3 500 4000 4500 500C

Частота, Гц

\ /

500 1 ООО 1500 2 ООО 2 500 3 ООО 3 500 4000 4500 500C

Частота, Гц

Рис. 17. Передаточная функция технологической системы

Рис. 18. Колебательная модель технологической системы

Таблица 2

Модальные характеристики инструментальной наладки_

Мода Вид Частота, Коэффициент Остаток Остаток (Im), Модальная Масса,

Гц демпфирования, % (Re), м/Н м/Н жесткость, Н/м кг

1 N/A 1613,2107 1,557 -4,8820E-05 -4,0400E-04 1,2546E+07 0,1221

Рис. 19. Диаграмма областей стабильного резания

Анализ диаграммы областей стабильного резания для инструментальной наладки на базе сверла Р840-1000-50-А1А 1220 показывает, что при использовании станка йМО 635У максимальная допустимая глубина резания составляет 23 мм за один проход. Также из данной диаграммы следует, что частота вращения, на которой зафиксированы минимальные вибрации, находится в зоне стабильного резания, середина которой соответствует частоте вращения шпинделя 7280 об/мин (Ус=228 м/мин).

Таким образом, в результате проведённых экспериментов определены режимы резания, на которых достигается высокая точность и качество поверхности отверстия при сверлении твердосплавным сверлом Р840-1000-50-А1А 1220, БапсМк. Практические результаты подтверждаются данными, полученными при помощи модального анализа технологической системы, который проведён с помощью комплекса О^Рго, МА1_. Следовательно, модальный анализ может применяться для определения оптимальных режимов резания при сверлении отверстий с высоким квалите-том для твердосплавных свёрл с отношением вылета

к диаметру до 6йс. Применение данного метода позволит сократить затраты на проведение опытных работ, что особенно важно в производственных условиях.

Для повышения качества поверхности и уточнения зависимости шероховатости поверхности отверстия от скорости резания необходимо проведение эксперимента с использованием эмульсии, подаваемой через инструмент, для улучшения эвакуации стружки и охлаждения режущих кромок для избегания нароста.

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Библиографический список

1. Современное состояние производства высокопроизводительного режущего инструмента из порошковых быстрорежущих сталей и твердых сплавов / А.В. Савилов [и др.] // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. №6. С.26-33.

2. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 270 с.

3. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985. 304 с.

4. Огневенко Е.С. Повышение производительности обработки отверстий путём выбора оптимальных режимов резания на основе динамики процесса сверления: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. М.: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2010. 16 с.

5. Салабаев Д.Е. Повышение точности при сверлении отверстий путем динамической настройки технологической системы: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.02.08. М.: ТГУ, 2005. 20 с.

6. Сергеев С.В. Повышение точности при сверлении отвер-

стий спиральными сверлами путем управления динамическими составляющими процесса: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. М.: ЧГТУ, 1995. 19 с.

7. Руководство по обработке отверстий. Sandvik Coromant. Швеция, типография Sandvikens Tryckeri, 2006. 240 с.

8. Оптимизация процессов механообработки на основе модального и динамометрического анализа / А.В. Савилов [и др.] // Наука и технологии в промышленности. 2013. №1-2. С.42-46.

9. J.C. Roukema, Y. Altintas. Kinematic model of dynamic drilling process, IMECE2004-59340, in: ASME International Mechanical Engineering Congress 2004, Anaheim, CA., pp.13 -20

10. J.C. Roukema, Y. Altintas Generalized modeling of drilling vibrations. Part I: Time domain model of drilling kinematics, dynamics and hole formation International Journal of Machine Tools & Manufacture. 47 (2007), pp. 1455-1473.

11. J.C. Roukema, Y. Altintas. Generalized modeling of drilling vibrations: Part II: Chatter stability in frequency domain, International Journal of Machine Tools & Manufacture. 47 (2007), pp. 1474-1485.

УДК 621.74

ПОИСК ПУТЕЙ УСТРАНЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ СРЕДСТВАМИ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ

© Е.И. Унагаев1, С.А. Осипов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрен процесс поиска путей устранения литейных дефектов при различных методах литья средствами

виртуального моделирования. Предложены решения по устранению дефектов литья, а также улучшению ряда

технологических процессов литья с использованием современных инструментов виртуального технологического

моделирования.

Ил. 3. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: литье в песчано-глинистые формы; литье в кокиль; литье по выплавляемым моделям; моделирование технологических процессов.

SEARCH FOR METHODS TO ELIMINATE CASTING DEFECTS IN CAST PRODUCTS BY VIRTUAL SIMULATION

OF CASTING

E.I. Unagaev, S.A. Osipov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article treats the process of searching the methods to eliminate casting defects under different methods of casting by means of virtual simulation. It proposes the solutions to eliminate casting defects. A number of technological processes of casting have been improved using modern tools of virtual technological simulation. 3 figures. 3 tables. 6 sources.

Key words: sand-clay molding; permanent mold casting; investment casting (lost-wax casting); modeling technological processes.

Литейные процессы изготовления изделий являются сложными многофакторными технологическими процессами, затраты на реализацию которых возрастают пропорционально сложности детали. Особенно это актуально при освоении в производстве новых деталей, когда требуется значительное время на отладку технологии и устранение литейных дефектов традиционными методами проб и ошибок.

Виртуальное моделирование процессов изготовления отливок позволяет определить и решить многие проблемы, которые возникают в реальном технологическом процессе, обеспечить повышение экономической эффективности и конкурентоспособности литейного производства в целом.

Задача моделирования технологических процессов состоит в том, чтобы перенести процесс разработки технологии и опытное изготовление детали из цеха на экран компьютера, где за несколько дней, а иногда и часов технолог может подобрать оптимальные параметры процесса, геометрию литниково-питающей системы (ЛПС), конструкцию элементов формы. При традиционном цикле подготовки производства процесс отладки и доводки технологии часто занимает несколько месяцев и сопряжен со значительными расходами.

В ИрГТУ выполняется комплекс работ по теме «Разработка и совершенствование технологических

процессов и конструкций средств технологического оснащения для изготовления деталей сложной формы на основе технологии виртуального моделирования» в рамках реализации совместного с Иркутским авиационным заводом проекта при финансовой поддержке Минобрнауки РФ согласно Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 г.

Результатом работ по второму этапу стал поиск путей по устранению дефектов отливок для проблемных технологических процессов с различными видами литья.

Отливка «Кронштейн» из стали 35ХГСЛ (рис. 1) изготавливается литьем по выплавляемым моделям. Предварительный нагрев формы происходит до температуры 900°С, а заливаемый сплав разогревается до температуры 1530°С.

Виртуальное моделирование технологического процесса в программном комплексе ProCAST позволило выявить проблемную зону: в стенках отливки наблюдается образование пористости. Обнаруженный дефект по своему местоположению совпадает с дефектами, возникающими при изготовлении реальных отливок (табл. 1, строка 1).

Для устранения дефектов литья произведено изменение литниковой питающей системы (ЛПС) (табл. 1, строка 2). Добавлен питатель напротив зоны дефекта в плоской части отливки.

1Унагаев Евгений Иванович, программист 1 кат. УНЦ «Autodesk», тел.: 89500881895, e-mail: unagaev@istu.edu

Unagaev Evgeny, First Category Programmer of the of Educational and Scientific center "Autodesk", tel.: 89500881895, e-mail: una-

gaev@istu.edu

Осипов Сергей Александрович, начальник УНЦ «Autodesk», тел.: 89025118060, e-mail: osipov_sa@istu.edu Osipov Sergey, Head of the Educational and Scientific center "Autodesk", tel.: 89025118060, e -mail: osipov_sa@istu.edu