Гнатейко Н. В., Штефан Н. И. Источники динамического возмущения ТОС и их влияние на качество обработки детали при точении // Международный научный журнал "Интернаука". - 2019. - №2.
Технічні науки
УДК 621.924
Гнатейко Нонна Валентиновна
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
динамики и прочности машин и сопротивления материалов
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт» имени Игоря Сикорского»
Гнатейко Нонна Валентинівна
кандидат технічних наук, доцент,
доцент кафедри динаміки і міцності машин та опору матеріалів
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут» імені Ігоря Сікорського»
Gnateiko Nonna
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of Department of Dynamics and
Strength of Machines and Materials Resistance
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
Штефан Наталья Ильинична
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
динамики и прочности машин и сопротивления материалов
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт» имени Игоря Сикорского»
Штефан Наталія Іллівна
кандидат технічних наук, доцент,
доцент кафедри динаміки і міцності машин та опору матеріалів
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут» імені Ігоря Сікорського»
Shtefan Natalia
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of Department of Dynamics and
Strength of Machines and Materials Resistance
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
ИСТОЧНИКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ТОС И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ПРИ ТОЧЕНИИ
ДЖЕРЕЛА ДИНАМІЧНОГО ЗБУДЖЕННЯ ТОС ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЯКІСТЬ ОБРОБКИ ДЕТАЛІ ПРИ ТОЧЕННІ
SOURCES DYNAMIC DISTURBANCES CBT AND THEIR IMPACT ON THE QUALITY OF TREATMENT DETAILS WHEN TURNING
Аннотация. В работе исследуются причины возникновения динамических колебательных процессов в обрабатывающей системе на примере токарной механообработки. Выявляются причины динамики самого процесса точения деталей. В статье приводятся результаты анализа вибродинамических режимов при точении метала, их моделирования и степени влияния на качественные характеристики механообработки. Ставиться задача исследовать только так называемую группу динамических погрешностей при точении, вызываемых динамикой обрабатывающей системы, проявляющейся в виде виброколебательных процессов.
Ключевые слова: динамика, механообработка.
Анотація. У роботі досліджуються причини виникнення динамічних коливальних процесів в обробній системі на прикладі токарної механообработки. Виявляються причини динаміки самого процесу точіння деталей. В статті наводяться результати аналізу вібродинамічних режимів при точінні металу, їх моделювання та ступені впливу на якісні характеристики механообробки. Ставитися завдання досліджувати тільки так звану групу динамічних похибок при точінні, що викликаються динамікою обробної системи, що виявляється у вигляді віброколебательних процесів.
Ключові слова: динаміка, механообробна.
Summary. This paper investigates the causes of dynamic oscillatory processes in the manufacturing system on the example of turning machining. Identifies the causes of the dynamics of the process of turning parts.In article describes the results of the analysis vibrations dynamics models in turning metals, them of modeling and of degrees influences for the characteristic quality machining working. The task is to investigate only the so-called group of dynamic errors during turning, caused by the dynamics of the processing system, which manifests itself in the form of oscillatory processes.
Key words: dynamics, machining.
На качество процесса механической обработки оказывает значительное влияние возникающие при этом в технологической обрабатывающей системе динамические явления различной природы и интенсивности в виде колебательных процессов ее элементов. Выявляются причины динамики самого процесса точения деталей в виде изменения параметров стружкообразования из-за погрешностей изготовления заготовки на предыдущих операциях, изменения прочности заготовки от физико-термических процессов изготовления заготовки и ее смещения при установке и закреплении. Анализируется реакция обрабатывающей системы - станка на динамику резания и появления в результате вторичного динамического фронта в самой упругой, многоэлементной, механической системе станка и возникающие при этом погрешности обработки от указанных выше причин.
Геометрическая точность деталей при механообработке формируется заранее заданной траекторией движения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности детали и целым рядом технологических причин, всегда сопровождающих все виды механической обработки. Уровень точности обработки или величина общей суммарной погрешности, как известно, определяется целым рядом возмущающих производственных факторов, всегда сопровождающих данный процесс и вызывающих множество систематических и случайных отклонений.
В задачи данной статьи не входит исследование и анализ всех погрешностей механообработки. Ставиться задача исследовать только так называемую группу динамических погрешностей при точении, вызываемых динамикой обрабатывающей системы, проявляющейся в виде виброколебательных процессов.
На основании проведенного многими исследователями анализа причин возникновения динамических режимов во всех элементах обрабатывающей системы было установлено, что такими возбудителями динамики являются три группы причин.
Первым и главным возбудителем динамики ТОС является процесс резания с его переменной по величине силой резания, где основными причинами её изменения являются ряд параметров резания, периодическое меняющих своё значение. К ним можно отнести периодическое изменение величины срезаемого припуска, периодичность стружкообразования; квазипериодическое, релаксационное изменение сил трения в зоне контакта инструмента и детали; периодичность срыва наростообразования на передней поверхности инструмента, анизотропия прочности и твердости обрабатываемой поверхности детали и т. д.
Вторым источником динамического возмущения ТОС при работе являются кинематические внешние факторы, основные из которых такие внешние воздействия соседнего оборудования, вибрация главного электропровода, кинематическая не плавность хода зубчатых передач станка и др.
Третьим и важным источником динамической неустойчивости обрабатывающей системы являются упругие колебания элементов ТОС, возбуждаемые в упругой, маложесткой системе станка первыми двумя источниками в виде автоколебательного процесса.
В упругой, легко динамически возбуждаемой ТОС, имеющей условно - разомкнутую, подвижную силовую связь в виде динамического процесса резания в зоне взаимодействия инструмента и детали, любое силовое периодическое возмущение вызывает динамический режим в виде упруго-колебательного процесса в многомассовой системе оборудования, приводящих к колебательным смещениям инструмента относительно обрабатываемой детали, которые образуют геометрические погрешности обработки детали, называемые условно динамическими погрешностями формирования её поверхности.
Необходимо отметить, что связующим звеном в упругой, динамической цепочке - станок, приспособление, инструмент и деталь, является динамически малоустойчивый процесс резания, который представляют в виде динамического оператора , как связующую передаточную функцию. Такую связь междудвумя упруго-колеблющимися элементами ТОС и геометрическим формированием обрабатываемой поверхности детали можно представить в виде математической модели:
(1)
где:
- вектор колебательных смещений инструмента относительно детали в нормальном направлении;
- вектор силовых управляющих воздействий;
- вектор не силовых внутренних и внешних возмущений, как тепловые деформации;
- текущий переменный радиус-вектор функции профиля поверхности обрабатываемой детали;
- главный, переменный по величине вектор силы по нормали к обрабатываемой поверхности;
- вектор общего шума всех сил, действующих в ТОС во время механообработки, как геометрическая сумма сил резания и упруго-инерционных колебаний масс элементов ТОС, сил их упругости и трения, усилий в кинематических цепях передачи движений ит.д.;
- динамический оператор упругой системы станка, описывающий динамические характеристики основных его рабочих узлов - шпиндельного и суппортного и их колебаний;
- динамический оператор характеристики процесса резания как динамической связи ПМО и ТОС;
- динамический оператор процесса формирования обрабатываемой поверхности детали при точении;
- дифференцирующий оператор по времени.
Составными факторами являются параметры процесса механической обработки (ПМО), как размерный износ инструмента, температура резания и окружающей среды, коэффициенты трения инструмента и детали и между трущимися элементами ТОС и т.д.
Составляющими факторами управляющих воздействий - это режимы резания, рабочие движения инструмента по детали и схема обработки при точении, геометрия режущего инструмента и др.
Динамическая передаточная функция в операторной форме по Лапласу, как динамичный оператор принято описывать с учетом динамических характеристик станка в виде функции:
(2)
где M, H, C - соответственно масса, диссипативно-демпфирующие свойства и жесткость системы станка.
Динамический оператор динамики резания, как передаточная функция изменения силы резания от изменения величин глубины резания t, времени стружкообразования и размерного износа инструмента по ходу обработки записывается в виде (3):
(3)
где - коэффициент жесткости резания. При этом экспериментально установлено, что при увеличении износа инструмента происходит постепенное смещение основного спектра колебаний силы резания в сторону низких частот из-за растущего демпфирования трением.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что формообразование поверхности обработки, а следовательно, и динамический оператор формообразования, являются частотозависимыми от динамики резания. Так при обработке при небольших оборотах в низкочастотной области колебаний в пределах 150-600 Гц профиль поверхности детали формируется однозначно движением и динамикой инструмента. В более высокой частотной спектральной области, с ростом скорости резания, когда частота колебаний достигает 1000-2000 Гц, большое влияние на формирование профиля поверхности оказывают процессы стружкообразования и трения при резании.
Эти результаты позволяют экспериментально идентифицировать передаточную функцию – оператор процесса формообразования профиля с учетом влияния частотной составляющей в виде:
(4)
где - коэффициент учета величины трения инструмента и детали, и геометрии заточки режущего инструмента, круговая частота квазипериодического формирования профиля, зависящая от скорости резания. При этом на естественно будет влиять величина износа режущего инструмента в худшую сторону.
На основе полученной математической модели образования профиля (1) и математического описания динамических операторов (2), (3) и (4) можно получить структурную модель в виде функционально-структурной схемы формирования профиля обработки детали с учетом динамики процесса (рис. 1)
Рис. 1. Функционально-структурная схема формирования динамического качества процесса механообработки
Тогда профиль геометрии получаемой поверхности обработки, как величины переменного радиуса профиля по длине детали l по оси х при точении можно описать математической зависимостью:
(5)
где - коэффициент учета упруго-пластичных и прочностных свойств обрабатываемого материала; - вторая составляющая динамической погрешности обработки, как результат воздействия самого процесса резания, формируемая более высокими спектрами частотных колебаний при резании по причине фрикционно-релаксационных процессов трения резца по детали.
Такую динамическую погрешность формообразования можно получить в виде уравнения
(6)
где - случайная составляющая процесса обработки точением от влияниягеометрии поверхности заготовки, внешних возбудителей вибрации.
Выводы по полученным результатам. Анализ полученных результатов по исследованию динамики процесса механообработки точением и её влияние на качество обработки деталей позволяет сделать следующие выводы:
Литература