Tangential compensation of torsional vibrations of a workpiece in the technological system of combined cutting-deforming machining

Abstract

The paper considers approaches to modeling of technological processes and devices for cutting-deforming machining of non-rigid shafts with additional contours of links.

Full Text

В современном машиностроении проблема создания высокоэффективных технологических процессов механической обработки с учетом выполнения требований ресурсосбережения, энергосбережения и экологии является одной из наиболее важных. С ужесточением требований к качеству деталей и узлов машин большое значение в технологическом процессе их изготовления приобретают отделочные операции, во многом определяющие уровень эксплуатационных показателей машин. Определенный эффект по снижению себестоимости дают методы комбинированной обработки, основанные на совмещении способов воздействия на обрабатываемый материал резанием и поверхностным пластическим деформированием (ППД). Применение технологических процессов обработки, базирующихся на использовании комбинированных методов, позволяет повысить точность формы и размеров обрабатываемого нежесткого вала, обеспечить малую величину шероховатости поверхности, улучшить физико-механические свойства поверхностного слоя детали и, как следствие, повысить эксплуатационные показатели детали и узла механизма в целом, достичь высокой производительности обработки и снизить ее себестоимость за счет энерго- и ресурсосбережения, улучшить экологические условия производственного процесса. Разработка комбинированных методов обработки в определенной степени позволила приблизиться к решению проблемы качественного и производительного изготовления нежестких валов за счет увеличения концентрации операций и выполнения принципа сохранения технологических баз. Применение технологических процессов комбинированной обработки позволяет также повысить точность формы и размеров обрабатываемого нежесткого вала, обеспечить малую величину шероховатости поверхности, улучшить физико-механические свойства поверхностного слоя детали и, как следствие, повысить эксплуатационные показатели детали и узла механизма в целом. Существующие конструкции инструментов и устройств для осуществления комбинированной режуще-деформирующей обработки характеризует то, что недостаточная жесткость конструкций узлов и качество сопряжений обуславливает нарушение равновесного состояния системы действующих сил при обработке, что приводит к снижению точности и качества комбинированной режуще-деформирующей обработки. Проведенные ранее исследования показали [1], что обеспечение точности комбинированной обработки нежестких валов в значительной степени зависит от вида силового состояния технологической системы. На основании этой предпосылки различают следующие виды силового состояния технологических систем: - система действующих сил в технологической системе неустойчива, так называемые разомкнутые системы (рисунок 1); - система действующих сил в технологической системе близка к устойчивой, так называемые системы с дополнительными замкнутыми относительно обрабатываемой детали контурами (рисунок 2). Однако, как показывает проведенный анализ [2], разработанные ранее схемы инструментов для комбинированной обработки не обеспечивают в требуемой мере создание достаточно устойчивого силового состояния, элементы инструмента подвержены нагрузкам и, как следствие, имеют место их перемещения (рисунок 3), что влечет образование погрешности обработки. Осуществление процесса обработки с высокой производительностью ведет к возникновению значительных крутильных колебаний нежестких валов, которые на начальном этапе математического моделирования технологической системы [3] не были учтены. Сила, действующая на деталь, рассчитывалась по формуле [4], в которой не учтена составляющая погрешности обработки от крутильных колебаний. (1) Эти колебания нарушают устойчивое силовое состояние подсистемы деталь-инструмент и являются следствием недостаточной жесткости элементов комбинированных инструментов, отсутствия силовой взаимосвязи между режущими и деформирующими частями последних в начале и конце обработки, колебания жесткости подсистемы деталь-инструмент по длине обработки, слабой демпфирующей способности. Рисунок 1. Разомкнутая система Рисунок 2. Система с дополнительными замкнутыми контурами Рисунок 3. Результаты расчета перемещений Крутильные колебания возникают в результате неравномерности периодического момента как движущих сил, так и сил сопротивления. Неравномерность крутящего момента вызывает неравномерность изменения угловой скорости вала, т. е. то ускорение, то замедление вращения. В каждом сечении вала будет своя степень неравномерности вращения, поскольку в одинаковый промежуток времени массы проходят разные углы и, следовательно, движутся с разными скоростями, что создаёт переменное кручение вала и динамические знакопеременные напряжения. При совпадении частот собственных колебаний системы с частотой периодического крутящего момента движущих сил и сил сопротивления возникают резонансные колебания. В этом случае повышается уровень динамических переменных напряжений. В некоторых случаях возможны совместные колебания с различными видами деформации элементов системы например изгибно-крутильные колебания. Одним из путей, способствующих решению указанных проблем, может стать использование концепции дополнительного силового замыкания [5] в процессе обработки данных деталей. В основу указанной концепции положен принцип создания дополнительных замкнутых относительно детали контуров связи. Условное отсутствие взаимодействия с другими элементами технологической системы может достигаться путем введения для какого-либо элемента (элементов) дополнительного контура или самого дополнительного контура связи одной или более степеней свободы, снижением на определенную величину его жесткости и т.д. [6]. При создании нескольких дополнительных замкнутых относительно детали контуров связи следует учитывать, что контуры могут взаимодействовать между собой, так как обрабатываемая деталь является общим элементом для всех контуров. В результате этого в технологической системе образуется интегральная колебательная система с новыми параметрами. Возможными путями управления параметрами вновь образованной системы являются изменение жесткостных характеристик, соотношения оборотной и изгибной частот колебаний нежесткого вала, придание степени свободы элементу или элементам контуров связи технологической системы и, как следствие, возможность осцилляции в процессе обработки, наложение дополнительных колебаний на элементы контуров связи технологической системы. Конструкция и принцип работы перспективного устройства для комбинированной режуще-деформирующей обработки пиоказаны на рисунке 4. Рисунок 4. Перспективное устройство для комбинированной режуще-деформирующей обработки Устройство состоит из режущего модуля и деформирующей головки. На плиту с помощью крепежных и регулировочных винтов устанавливается корпус головки. Плита крепится на суппорте токарного станка клином. Режущий модуль устройства состоит из корпуса резцового блока, удерживаемого подпружиненными прижимами в направляющих передней части корпуса головки, что обеспечивает линейное перемещение режущего модуля в направлении размерообразования относительно деформирующей головки. Сменные режущие пластины винтами закреплены в державки, установленные в карманах тангенциально задемпфированного диска. Боковые винты служат для регулировки вылета резцов. Диск устанавливается на корпус резцового блока через подшипник, что обеспечивает возможность его поворота вокруг оси заготовки. Пружины и обратный демпфер ограничивают угол поворота. Деформирующий модуль устанавливается в коническое отверстие, выполненное в задней части корпуса, и состоит из корпуса, в котором по коническому сопряжению установлен нажимной конус. Рабочие элементы в виде роликов, заключенные в сепаратор, обкатываются по нажимному конусу. Для осуществления обработки устройство устанавливается на суппорт токарного станка. Задний центр устанавливается в пиноли задней бабки станка и имеет цилиндрическую направляющую втулку, служащую опорной поверхностью для роликов в начале обработки, а также для настройки на размер обработки резцов и роликов. Между передним и задним центрами устанавливают заготовку и поджимают постоянной силой со стороны заднего центра. В начальный период ролики обкатываются по направляющей втулке, а при заходе на деталь перемещаются по поверхности, обработанной резцами «плавающего» резцового блока. Современные средства пространственного моделирования незаменимы при проверке и оптимизации компоновки изделия, конечно-элементном анализе конструкции и технологичности изделия, составлении эксплуатационной документации, справочных руководств, каталогов запасных частей, представленных в электронном виде. Системы компьютерного инженерного анализа не только позволяют оценить принципиальную работоспособность будущей конструкции (например, по условиям прочности) - они нашли широкое применение при моделировании технологических процессов металлообработки (рисунок 5). Современные конечно-элементные системы дают возможность моделировать ситуации реальной эксплуатации изделий. Это реализовано в проекте твердотельной модели резцового модуля (рисунок 6), в которой в «плавающий» в направлении размерообразования блок установлен задемпфированный в тангенциальном направлении диск с режущими элементами. В этом случае при превышении заданной в расчетной модели силы резания диск поворачивается относительно оси вращения детали на физически ограниченный угол, тем самым блокируя передачу возможного радиального смещения на «плавающий» резцовый модуль. Рисунок 5. Модель технологической системы Рисунок 6. «Плавающий» резцовый модуль с дополнительным тангенциальным контуром связи Величина углового смещения определяется по известной формуле , являющейся общим решением уравнения крутильных колебаний, что учитывается в аргументе ω дальнейших расчетов постоянной и переменной составляющей сил резания: (2) (3) При повороте тангенциального диска на угол j скорость резания меняется (уменьшается), уменьшая и силу резания. При достижении экспериментально установленной разности сил резания на резцах тангенциального диска пружины возвращают диск (скорость резания при этом растет) в равновесно-силовое положение, устраняя радиальное смещение резцового модуля. Мгновенное значение скорости резания зависит как от линейной координаты устройства, так и от угла поворота обрабатываемого вала: V = F(x;j). Выполненные расчеты показывают, что применение дополнительного контура связи, имеющего переменную жесткость и наличие угловой тангенциальной осцилляции резцового блока, позволяют повысить параметры качества обработки. Данное устройство может быть использовано при обработке деталей класса нежестких валов из труднообрабатываемых сталей.