УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ

Техническое решение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано при чистовой, получистовой и черновой обработке на станках с ЧПУ.
Известно устройство определения погрешностей изготовления детали на токарном станке (А.С. 2190503, МПК В23В 25/06, B23Q 17/20, 01.00.2000 г.), содержащее отметчик угла поворота шпинделя, интерфейс, компьютер и два бесконтактных датчика для измерения относительного перемещения резца и детали в плоскости формообразования.
Данное устройство осуществляет диагностику погрешностей, однако не позволяет менять выходные параметры токарной операции (точность обработки, производительность).
Разработаны адаптивные системы управления, предназначенные для повышения производительности обработки на токарных станках, выполненные как системы стабилизации с обратной связью по стабилизируемому параметру или как системы компенсации с вычислением необходимого изменения управляющего воздействия.
Устройство для управления металлорежущим станком (А.С. 2058573, МПК G05B 13/02, 20.04.1996 г.) содержит задатчик и датчик силового параметра, сумматор, адаптивный регулятор силового параметра, электропривод подачи, кинематически связанный через редуктор и рабочий орган станка с процессом резания. Модель процесса резания содержит подстраиваемый контур динамических процессов резания и контур самонастройки коэффициента передачи процесса.
Недостатком устройства является снижение показателей качества обработки при значительном увеличении подачи инструмента.
Наиболее близким техническим решением является устройство управления точностью обработки деталей на высокоточном оборудовании ЧПУ (AC 2288808 В23В 25/06, B23Q 15/12, от 08.02.2005 г.), которое относится к токарной обработке с активным контролем размеров деталей и включает оптический датчик, аналого-цифровой преобразователь, компьютер для сравнения с требуемым размером детали и определения суммарного значения возмущающих воздействий, блок усиления сигнала, исполнительные механизмы и резец.
Недостатком данного устройства является низкая производительность токарной обработки.
Предлагается устройство для токарной обработки с переменной частотой вращения шпинделя, позволяющее учитывать изменение жесткости системы заготовки.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности обработки без потери виброустойчивости технологической системы станка.
Сущность технического решения заключается в том, что устройство для токарной обработки, содержащее датчик, преобразователь сигнала, исполнительный механизм и резец, при этом дополнительно введены датчик силы, блок расчета жесткости системы, блок расчета скорости резания, блок управления частотой вращения шпинделя, причем первый вход блока расчета жесткости системы соединен с выходом преобразователя сигнала, второй вход блока расчета жесткости системы соединен с выходом датчика силы, установленным на резце, а выход блока расчета жесткости системы соединен с входом блока расчета скорости резания, а выход блока расчета скорости резания соединен с входом блока управления частотой вращения шпинделя, выход которого соединен с исполнительным механизмом.
Устройство позволяет повысить производительность точения за счет изменения частоты вращения шпинделя в соответствии с фактической жесткостью системы без потери системой устойчивости.
Время точения зависит от режимов резания, в том числе от скорости резания ν, при выборе которой учитывают жесткость С технологической системы. В свою очередь жесткость С определяется как отношение составляющей усилия резания Р, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, к смещению у заготовки в том же направлении.
Величина у является переменной величиной, например, при продольном точении у зависит от положения точки приложения нагрузки относительно опор обрабатываемой заготовки.
Так, для описания изгибного перемещения у заготовки, установленной в трехкулачковом патроне станка, можно воспользоваться известной из курса сопротивления материалов формулой:
где Е - модуль упругости первого рода; J - осевой момент инерции поперечного сечения заготовки; l - вылет заготовки; х - расстояние от передней опоры (патрона) до точки приложения силы Р.
Тогда, согласно формуле (1), при консольной установке заготовки ее жесткость С будет переменной величиной С(х):
При установке заготовки в центрах жесткость меняется по закону
Изменение фактической жесткости С(х) позволяет проводить обработку с переменной скоростью резания ν, меняя частоту вращения шпинделя n:
где d - диаметр заготовки. По мере приближения резца к опоре (месту закрепления заготовки) жесткость увеличивается, следовательно, обработку можно осуществлять на увеличенных режимах резания.
На фиг. представлено устройство для токарной обработки, позволяющее проводить измерение силы резания Р и перемещения у заготовки с последующим расчетом жесткости системы С(х), скорости резания ν и передачей сигнала на блок управления частотой n вращения шпинделя.
Устройство для токарной обработки заготовки 1 содержит датчик 2, выход которого соединен со входом преобразователя сигнала 3, а выход преобразователя сигнала 3 соединен с первым входом блока расчета жесткости системы 4, датчик силы 6, установленный на резце 5, выход которого соединен со вторым входом блока расчета жесткости системы 4, а выход блока расчета жесткости системы 4 соединен с блоком расчета скорости резания 7, выход которого соединен с входом блока управления частотой вращения шпинделя 8, а выход блока управления частотой вращения шпинделя 8 подключен к исполнительному механизму 9.
Устройство работает следующим образом. Для измерения перемещения у заготовки 1 устанавливают датчик 2, сигнал с которого передают в преобразователь сигнала 3, затем в блок расчета жесткости системы 4. Сигнал с датчика силы 6, установленного на резце 5, также поступает в блок расчета жесткости 4. Рассчитанное значение жесткости С(х) поступает в блок расчета скорости резания 7, затем в блок управления частотой вращения шпинделя 8 и исполнительный механизм 9.
Предельное значение скорости ν для осуществления устойчивого резания определяют из приведенных ниже зависимостей.
Согласно положениям динамики процесса точения [Кудинов В.А. Динамика станков. - М.: Машиностроение, 1967.], критерий устойчивого резания при неизменной глубине:
p
р
2
1
p
1
1
0
0
2
2
где T - постоянная времени стружкообразования, , а - толщина срезаемого слоя, a=Ssinφ, S - подача; φ - главный угол в плане; k - коэффициент пропорциональности, зависит от обрабатываемого материала, условий резания, усадки стружки; А=КТ -С(х)Т; К - коэффициент резания, зависит от обрабатываемого материала, ширины стружки, усадки стружки; T - инерционная постоянная времени, Т=1/ω; ω - круговая частота собственных колебаний системы заготовки; Т=Н/С(х), Н - коэффициент демпфирования.
Из уравнения (5) можно получить зависимости, определяющие характер изменения режимов обработки. Предельное значение скорости резания, обеспечивающее устойчивое точение:
При увеличении жесткости область устойчивости будет увеличиваться за счет уменьшения нижней граничной скорости и повышения верхней.
В блоке расчета скорости резания 7 предлагаемого устройства определяется величина ν(x). Частота n вращения шпинделя рассчитывается по формуле:
n=1000ν/πd.
Значение частоты вращения n шпинделя поступает в блок 8 управления частотой вращения шпинделя станка с ЧПУ.
Предложенное устройство легко реализуется на моделях станков с ЧПУ, имеющих бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя.
Устройство для токарной обработки позволяет сократить время точения в 1,2…1,6 раза без ухудшения качества обработанной поверхности.