Новый подход к обеспечению точности обработки в САПР ТП токарных работ для станков с ЧПУ

УДК 621.9.02

А.Л. Плотников, А.Ю. Плотников

НОВЫЙ ПОДХОД К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ В САПР ТП ТОКАРНЫХ РАБОТ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Предложена принципиально новая методика расчёта точности механической обработки на токарных станках с ЧПУ при использовании систем автоматизированного проектирования механообработки.

Данная методика обеспечивает заданную точность механической обработки на основе информации о свойствах пары «инструмент -деталь», получаемой во время предварительного пробного прохода.

Надёжность расчёта, составляющие силы резания, термоЭДС, пробный проход.

A.L. Plotnikov, A.Yu. Plotnikov

A NEW APROACH IN PROVISION OF WORKING ACCURCY IN TURNING WORKS AT LATHE WITH CAD

A brand new calculation method of accuracy of machining on NC lathe by use of mechanical CAD has been proposed. This method ensures prescribed accuracy of machining on basis of information about properties of tool-work piece pair, obtained at the time of preliminary trial pass. A new approach in provision of working accuracy in the system of automated design for machines with digital programmed management

Calculation reliability, component forces of cutting, thermal electric driving force (thermo EDF), trial pass.

Задача обеспечения точности токарной обработки в условиях автоматизированного производства, где чётко наметилась тенденция использования систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП), является актуальной. Наиболее значимыми факторами при этом являются составляющие силы резания. Так, точность обработки детали типа «вал» зависит от величины прогиба yC детали под действием радиальной составляющей Py силы резания во время обработки. При этом допустимая величина данного параметра Удоп должна составлять не больше 5% от допуска на размер А:

Уап < 0,05 -А.

Чтобы решить поставленную задачу обеспечения точности обработки в САПР ТП, необходимо решить вопрос надёжного определения составляющих силы резания, так как ошибка при определении силы резания повлечёт за собой ошибку в обеспечении точности обработки. В качестве примера рассмотрим случай, когда заготовка устанавливается в трехкулачковый патрон в консольном положении.

В этом случае прогиб детали под действием радиальной силы резания определяется

как:

Ру • (— хР )3

уС = у у ?АА----р±-,

3-103•Е •3

где ЬЗАГ - длина детали, выступающей из патрона; хР - расстояние от правого торца до места приложения силы (до резца); Е - модуль упругости материала детали; 3 - момент инерции сечения заготовки в месте искомого прогиба.

Максимальный прогиб детали будет в сечении хр = 0. В формуле (2) радиальная составляющая силы резания Ру определяется по известной зависимости с учётом глубины резания ^, подачи э, скорости резания V и силовых коэффициентов СРг, СРх и СРу

Рхуг = Ср • гх • $у •¥" • Кр ,

х, у, 2 Гх, у, 2

где К - поправочный коэффициент, включающий поправку на прочностные свойства стали и геометрию инструмента.

Традиционные методики [1] допускают значительные ошибки при определении составляющих силы резания. Причина этих ошибок заключается в неполном учёте колебания свойств обрабатываемого и инструментального материалов внутри их марочного состава на силы резания [2]. При определении составляющих силы резания не учитывается разброс физико-механических свойств внутри марочного состава обрабатываемого материала, поправочный коэффициент для отдельной марки стали принимается постоянным. При этом предполагается, что с ростом предела прочности обрабатываемого материала составляющие силы резания также будут возрастать. Однако опытные данные измерения составляющих силы резания при обработке сталей твёрдосплавным инструментом на скоростях выше зоны наростообразования дают противоположные результаты. Это связано с тем, что в условиях высокоскоростного пластического деформирования интегральная сумма сил, действующих на переднюю грань инструмента, определяется не только величиной действующих напряжений, но и длиной участка пластического контакта, что, в свою очередь, определяется теплопроводностью контактируемых пар [3]. Теплопроводность сталей с пониженной прочностью значительно выше, чем у более прочных сталей, что приводит к увеличению участка пластического контакта, и этим объясняется «парадокс» с обратной зависимостью сил резания от их прочностных свойств. На рис. 1 приведены данные о величине составляющих силы резания при обработке сталей с различными прочностными свойствами и различной теплопроводностью резцом Т30К4.

Составляющая Р2 изменяется слабо при изменении коэффициента теплопроводности обрабатываемых сталей от 25 до 37 Вт/м-К. Составляющие Рх и Ру изменяются линейно по явно выраженной закономерности: чем выше теплопроводность стали, тем больше горизонтальные составляющие силы резания. Однако этот «парадокс» противоречит существующим методикам определения составляющих сил резания, которые связывают их величину с прочностью сталей. В существующих методиках не учитываются влияния свойств инструментального материала на значение составляющих силы резания, хотя такое влияние имеется. На рис. 2 представлены результаты измерения составляющих сил резания при обработке стали 25 твёрдыми сплавами с различной теплопроводностью.

Рис. 1. Влияние теплофизических свойств сталей на составляющие силы резания.

5 15 25 35 45 55 X, Вт/м К

Рис. 2. Влияние теплопроводности инструментального материала на составляющие силы резания при обработке стали 25. Режимы обработки те же, что и на рис. 1

Проявляется четкая зависимость всех составляющих силы резания от теплопроводности инструмента. Чем выше теплопроводность, тем выше сила резания. Расчетные же значения для всех марок твердого сплава, согласно [1], одинаковы. В формуле определения составляющих силы резания (3) отсутствует поправка на теплофизические свойства твёрдосплавного инструмента. Ошибка в расчетном значении Рх и Ру по сравнению с измеренным достигает двукратного и более значения. Для получения оперативных данных о физико-механических свойствах обрабатываемого материала необходимо производить испытания на разрыв, которые затрудняют автоматизацию расчёта и не дают информации об изменении этих свойств в условиях высокоскоростного пластического деформирования.

Предлагается альтернативный способ определения составляющих резания, который бы учитывал недостатки традиционных методик и позволял автоматизировать процесс расчёта точности обработки. Способ основан на использовании величины сигнала термоЭДС пробного прохода из зоны резания и устойчивых корреляционных связях её

величины с силовыми коэффициентами СPz, CPx и CPy, входящими в расчетные формулы по определению составляющих силы резания, корреляционной связи этих коэффициентов с работой сил стружкообразования, которая, в свою очередь, линейно связана с теплопроводностью контактируемых пар. В предлагаемом способе величина термоЭДС используется не как традиционная характеристика уровня температур в зоне резания, а как интегральный показатель физико-механических свойств контактируемой пары «инструмент - заготовка».

Суть данного способа заключается в следующем. Перед началом обработки производится пробный проход в течение 4-5 секунд на режимах V = 100 м/мин, S = 0,1 мм/об, t = 1 мм. При этом измеряется величина термоЭДС пробного прохода, которая несет в себе информацию о теплофизических свойствах материалов контактируемой пары. Далее измеренное значение термоЭДС подставляется в расчетные формулы для определения составляющих силы резания.

В данной методике радиальная составляющая силы резания Py определяется по скорректированной зависимости [4]

Py =

где E - термоэлектродвижущая сила в мВ, измеренная в условиях пробного прохода;

Ay = 300, постоянная, определенная из условий предварительной обработки; ky = 10, коэффициент, определенный из условий предварительной обработки.

Глубина резания t определяется из чертежа детали и является независимым параметром. Допустимая подача S при чистовом точении определяется по следующей формуле:

S = 0,07 -л/Rz - r ,

где Rz - заданная шероховатость обработки; r - радиус закругления при вершине резца.

Величина подачи подбирается методом пересчёта, с тем, чтобы радиальная сила резания не была больше допустимой

„ 3-103 -E- J-0,05-А

Py =-------—3----------.

lqaa

При этом способе автоматизированного определения составляющей силы резания ошибка составляет не более 15%. Скорость резания V в данном способе также определяется с использованием величины термоЭДС пробного прохода [2] .

Вывод: данный способ даёт более точное определение составляющих силы резания и обеспечивает задаваемые параметры точности обработки. Он может быть использован в алгоритме расчёта точности токарной обработки при использовании САПР ТП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник технолога машиностроителя: в 3 т. / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. Т. 2. 465 с.

2. Бржозовский Б.М. Обеспечение надёжности определения режимов лезвийной обработки для автоматизированного станочного оборудования / Б. М. Бржозовский,

А. Л. Плотников. Саратов: СГТУ, 2001. 88 с.

3. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.

4. Пат. № 2120354 Россия, С1 В 23 В 25/06. Способ определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ / А.Л. Плотников, В.В. Еремеев. № 97116947/20; Заявлено 14.10.97; Опубл. Бюл. № 29, 1998.

Плотников Александр Леонтьевич - Plotnikov Aleksandr Leontyevich -

доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences,

кафедры Professor of the Department

«Автоматизация производственных процессов»

Волгоградского государственного технического университета

Плотников Антон Юрьевич -

магистр кафедры «Технология машиностроения» Волгоградского государственного технического университета

of «Automated Production Processes» of Volgograd State Technical University

Plotnikov Anton Yuryevich -

Master of Sciences of the Department of «Technology of Machine Building» of Volgograd State Technical University

Статья поступила в редакцию 26.01.09, принята к опубликованию 11.03.09