Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Повышение точности токарной обработки на основы управления траекториями формообразования

Повышение точности токарной обработки на основы управления траекториями формообразования

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по повышению точности токарной обработки на основе управления траекториями формообразования. Предлагается устройство для автоматического управления точностью токарного станка, которое состоит из устройства создания повышенного натяга в передней опоре шпинделя и виброгасителя фрикционно-динамического типа.
Точность обработки детали на токарном станке можно изменять путем изменения траекторий оси детали или резца. При этом перемещение оси детали и вершины резца по оси Y(вертикальная ось) не влияет на форму и точность обрабатываемой детали.
Было высказано несколько предложений по повышению точности токарной обработки в результате изменения траекторий формообразующих элементов.
В. В. Чебоксаров и С. К. Мищенко предложили способ механической обработки и устройство для его осуществления (рис. 1). Схема реализации предлагаемого способа показана на рис. 1, а.

Рис. 1. Устройство для способа механической обработки:
а - схема реализации способа, б -общий вид устройства, 1 - заготовка, 2 —резец, 3 — измерительный узел, 4 - сравнивающее устройство, 5 -исполнительный механизм, б-обкат-ной измерительный ролик, 7 - прижимной компенсационный ролик, 8 - датчик частоты вращения обкатного измерительного ролика, 9 -диск, 10- датчик частоты вращения шпинделя, 11 — устройство расчета диаметра детали, 12 - устройство сравнения, 13 - устройство коррекции, 14— привод перемещения резца, 15-суппорт, 16-корпус, 17-блок крепления резца, 18- поршень, 19-дроссельное отверстие, 20 - золотник, 21-пружина, 22-кронштейн, 23-блок компенсационного ролика, 24-пружина, 25 - винт, 26 - датчик частоты вращения прижимного компенсационного ролика

Перед обработкой в соответствии с выбранным режимом выбирают силу постоянного нагружения Рс технологической системы со стороны инструмента. Эта сила должна быть больше наибольшего значения силы резания на 10...15 %. Настройку этой силы производят с помощью системы стабилизации силы. С началом работы включают механизм нагружения 5, который перемещает ролик б к заготовке и осуществляет силовое воздействие на нее. Упругая система станка получает необходимый изгиб. С началом резания возникает сила, действующая на резец, которую измеряют, и на величину этой силы изменяют силу прижима обкатного ролика, чтобы суммарное воздействие инструмента и обкатного ролика оставалось постоянным и заданным при изменении силы резания в процессе обработки. При этом обкатный ролик используется в системе управления размером обработки.
Устройство для осуществления этого способа (рис. 1, 6) состоит из подвижного относительного корпуса 16 блока 17 с закрепленным в нем режущим инструментом 2, обкатным роликом 6 с датчиком частоты вращения ролика 8, поршнем гидроцилиндра 18, в котором выполнено дроссельное отверстие 19, и управляющего золотника 20. Подвижный блок прижимается к обрабатываемой заготовке 1 с помощью пружины 21, сила сжатия которой регулируется винтом.
Для воздействия на деталь в обратном направлении предусмотрен ролик 7, сидящий на оси в подвижном относительно кронштейна 22 блоке 23. Силу резания регулируют пружиной 24 и винтом 25, а для измерения частоты используют датчик 26.

Рис. 2. Блок-схема устройства для способа механической обработки:
1 - заготовка; 2 - изолирующая втулка; 3 - патрон; 4 - задняя бабка; 5 - резец; 6 - токопровод; 7 - преобразователь; 8 - задающее устройство; 9- источник постоянного тока; 10-катушка; 11- магнитопро-вод; 12 -датчик размера детали; 13-блок сравнения; 14- усилитель

При увеличении силы резания Р , действующей на режущий инструмент 2, блок 17 начинает перемещаться в направлении от заготовки 1. Управляющий золотник 20, упираясь в корпус 16, открывает сливное отверстие, а следовательно, уменьшает давление в нижней полости гидроцилиндра, тем самым уменьшая силу воздействия обкатного ролика б на обрабатываемую деталь 1. При уменьшении силы Р под действием пружины 21 блок 17 начинает перемещаться в направлении заготовки 1, управляющий золотник 20 перекрывает слив масла и увеличивает давление в нижней полости гидроцилиндра, что приводит к увеличению силы воздействия откатного ролика 6 на деталь 1. Таким образом достигается стабилизация сил, действующих на деталь 1.
Компенсация сил воздействия блока 17 на обрабатываемую заготовку 1 осуществляется прижатием ролика 7. Вращением винта 25 достигается изменение степени сжатия пружины 24, под действием которой перемещается блок 23 относительно кронштейна 22, который действует на заготовку 1 с силой, компенсирующей сумму сил режущего инструмента 2 и обкатного ролика 6.
Предлагаемое устройство очень сложное, а, следовательно, его работоспособность будет очень низкой. Предварительное определение силы резания Р является крайне проблематичным, а постоянные регулировки приведут к снижению производительности. Изменения силы резания во времени происходят с высокой частотой, которой, естественно, не может обладать гидравлическая система, используемая в установке.
А. А. Абакумов предложил способ механической обработки, сущность которого заключается в том, что при обработке измеряется размер обрабатываемой поверхности, сравнивается измеренное значение с заданным размером и прикладывается дополнительная сила к заготовке, обеспечивающая заданную точность обработки. Для создания дополнительного силового воздействия через обрабатываемую заготовку пропускают электрический ток и создают магнитное поле, ориентируя источник магнитного поля так, чтобы магнитный поток был направлен нормально к оси заготовки и направлению предварительно определенной равнодействующей тангенциальной и радиальной составляющих силы резания, а величину дополнительного силового воздействия измеряют по изменению тока, пропускаемого через заготовку.

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на рис. 2. Это устройство позволяет снизить величину изгиба обрабатываемой детали под действием силы резания. При этом предлагается дополнительной силой действовать в направлении, противоположном действию равнодействующей Fp , которая складывается из тангенциальной Fz и радиальной Fy составляющих силы резания, что является ошибочным, так как изгиб под действием составляющей Fzсилы резания не оказывает влияния на форму и точность детали
В.В. ЮркевичиА.А. Кутин предложили устройство автоматического управления точностью токарного станка (рис. 3).

Рис.3.Устройство автоматического управления точностью токарного станка

Устройство монтируют на токарном станке 1, в патроне которого закреплена обрабатываемая заготовка. На корпусе 2 шпиндельной бабки закрепляют две державки 3, в которых установлены два бесконтактных датчика 4 перемещения. Измерительные наконечники датчиков 4 перемещения взаимодействуют с поверхностью патрона, в результате чего в измерительной системе возникают сигналы, которые подаются на усилительное устройство 5. На резцедержателе 6 суппорта закрепляют державку 7, в которой устанавливают два бесконтактных датчика 8 перемещения. Измерительные наконечники датчиков 8 взаимодействуют с прецизионной линейкой 9, в результате чего в измерительной системе возникают сигналы, которые подаются на усилительное устройство 5. С задним концом шпинделя соединяется отметчик угла поворота шпинделя. Сигнал от отметчика угла поворота подается на интерфейсную плату компьютера 10. Сигналы от всех датчиков перемещения 4 и 8 после их усиления также подаются на интерфейсную плату компьютера 10. Компьютер 10 после обработки поступивших сигналов выдает подналадочный сигнал на усилитель мощности 11, откуда он подается на вибратор 12, который жестко соединен с резцом 13.
Устройство работает следующим образом.
В процессе обработки заготовки на токарном станке 1 датчики перемещения 4 и 8 фиксируют положение оси заготовки и вершины резца в пространстве в зависимости от угла поворота шпинделя. После усиления сигналы поступают в компьютер 10, где по разработанной программе производится расчет и построение геометрического образа поперечного сечения обрабатываемой поверхности. По геометрическому образу детали определяются регламентированные показатели точности, после чего рассчитывают частоту, амплитуду и фазу подналадочного сигнала, который подается на усилитель мощности 11 и после усиления на вибратор 12. Вибратор 12 заставляет резец 13 совершать колебания, которые будут способствовать получению детали с оптимальными показателями точности.
Недостатком предлагаемого устройства является то, что подналадочный сигнал служит только для компенсации негативного влияния резца и в то же время никак не влияет на траекторию оси детали, от которой в наибольшей степени зависит макрогеометрия поперечного сечения обработанной поверхности.
Для повышения точности токарной обработки необходимо иметь два устройства управления формообразующими элементами станка - одно для управления траекторией заготовки и второе для управления траекторией резца.
Анализ существующих патентов позволил выработать идею по управлению траекторией оси детали, обладающую признаками новизны, что позволило подготовить заявку и получить патент. Полученный патент послужил основой для конструкторской разработки устройства повышения точности вращения шпинделя (рис. 4).

Рис.4.Устройство для повышения точности обработки на токарных станках

В передней опоре шпинделя токарного станка МК 6763 ФЗ фрезеруются шесть серповидных канавок 1, которые образуют после постановки трех подшипников 2 шесть замкнутых камер по две камеры на каждый подшипник 2. Канавки 1 располагаются в плоскости формообразования и с помощью осевых и радиальных отверстий 3 соединяются с гидросистемой станка.
Гидравлическая система (рис. 5) токарного станка МК 6763 ФЗ обеспечивает привод гидроцилиндра патрона, привод гидроцилиндра пиноли и другие функции. Для подключения устройства повышения точности вращения шпинделя к гидросистеме дополнительно подключается редукционный клапан КР 12/16, который подает масло под давлением в канавки передней опоры шпинделя.
Давление масла, подаваемого в канавки 1 подшипников 2 (см. рис. 4), регистрируется по манометру МН2 (рис. 5).

Рис.5.Гидравлическая схема устройства автоматического управления точностью токрного станка

Устройство повышения точности вращения шпинделя работает следующим образом. При подаче масла в канавки 1 под давлением происходит деформация наружного кольца подшипника 2 в горизонтальной плоскости станка. В результате этого натяг в этой плоскости увеличивается, что ведет к уменьшению колебаний оси шпинделя, а следовательно, и детали в плоскости формообразования, что приводит к уменьшению колебаний значений текущего радиуса Rдет обработки.
Давление масла, подаваемого в канавки, ограничивается, во-первых, удельными давлениями между наружным кольцом подшипника и корпусом шпинделя и, во-вторых, натягом в подшипниках, что сказывается на его работоспособности.
На станке МК 6763 ФЗ в передней опоре установлены три радиально-упорных однорядных шарикоподшипника 46216.
При посадке подшипников в корпус между наружным кольцом подшипника и прилегающей поверхностью корпуса развиваются контактные напряжения Р, которые могут быть определены по формуле

где D1 = 129,0 мм - внутренний диаметр наружного кольца подшипника; D2 - наружный диаметр кольца; Н- натяг в соединении наружное кольцо подшипника - корпус шпиндельной бабки.
По данным завода "Красный пролетарий" натяг в соединении наружное кольцо подшипника - корпус шпиндельной бабки H = 23 мкм.
Подставляя H в искомую формулу, получаем, что контактные напряжения между наружным кольцом подшипника и корпусом шпиндельной бабки составляют 2,6 МПа.
Это позволяет в канавки 1 (см. рис. 4) подавать давление масла до 2,0 МПа с полной уверенностью, что масло не будет выходить наружу между наружным кольцом и корпусом шпиндельной бабки.
При подаче давления масла в камеры подшипника происходит местное увеличение натяга, что не может не вызвать повышения контактных нагрузок на поверхностях тел качения и дорожках качения колец подшипника.
Основным критерием при выборе предварительного натяга в опорах шпинделя являетяся условие нераскрытия стыков в подшипниках при комбинированном нагружении. Область работоспособности шпиндельного узла в пространстве его эксплуатационных параметров преднатяг - частота вращения для обеспечения условий его нормальной работы представлена на рис. 6.

Рис.6.Граница области работоспособности шпиндельных опор:
ШУ-шпиндельный узел

Для количественного определения условий, при которых контактные нагрузки в подшипниках достаточны для предотвращения проскальзывания, используют критерий гироскопического проскальзывания, по которому момент сил трения на дорожках качения должен быть больше, чем гироскопический момент (нижняя кривая).
Верхняя граница области работоспособности шпиндельного узла определяется зависимостью

где Fнmax - осевой натяг; Рr - радиальная сила; n -частота вращения.
На рис. 6 можно видеть, что область допустимых условий работы шпиндельного узла ограничена двумя кривыми: сверху - кривой усталостной долговечности и снизу - кривой минимального преднатяга.
Станок МК 6763 ФЗ имеет максимальную частоту вращения шпинделя n = 3200 мин-1. По рис. 6 для этой частоты вращения шпинделя определяем, что границы натяга будут в пределах 0,7...6,7 кН. По данным завода "Красный пролетарий" натяг, который регулируется при сборе опор шпинделя, составляет 1,25 кН, что соответствует деформации 3 мкм. Расчеты деформации наружного кольца подшипника при подаче в карманы давления до 2,0 МПа показали, что деформация стенки подшипника равна 4 мкм. Это соответствует натягу 2,9 кН, что находится практически в середине допустимого предела (рис. 6) и доказывает, что создание дополнительного натяга не вызовет значительного снижения работоспособности опор шпинделя. Подача масла под давлением в карманы подшипников производится только при выполнении чистовых подходов и не подается при черной обработке заготовки.
Для управления перемещением резца предлагается использовать виброгаситель фрикционно-динамичес-кого типа. Виброгаситель устанавливается на резцедер-жательной головке 1 (рис. 7) при помощи шпильки 2, на которой собираются все детали виброгасителя. Между двумя гайками зажимаются одеваемые на шпильку 2 груз 3 и тарельчатые пружины 4. Действие виброгасителя основано на рассеянии энергии колебаний резца в результате внешнего и внутреннего трения тарельчатых пружин 4, а также за счет движения груза 3 в противофа-зе. Собственная частота вибраций присоединенных деталей должна быть равна частоте возникающей силы. Изменение собственной частоты присоединенных деталей достигается путем регулирования массы груза 3 и силы сжатия тарельчатых пружин 4.

Рис.7.Виброгоаситель фрикционно-динамического типа

Испытания созданных устройств управления формообразующими траекториями токарного станка были проведены на том же оборудовании.
На рис. 8, а, б приведены траектории оси детали, которые были записаны при испытаниях при работе токарного станка на холостом ходу с частотой вращения п = 800 мин"'. На рис. 8, а внешняя линия соответствует работе шпинделя без подачи масла в карманы, а внутренняя линия соответствует работе, когда в карманы подавалось масло под давлением 1 МПа. Под действием давления масла траектория оси детали сжимается в горизонтальной плоскости на 8 мкм по диаметру.Это,естественно,приведетк соответствующему повышению точности изготовления детали. На рис. 8, 6 давление масла составляет 0; 0,5 и 1,0 МПа.
На рис. 8, в, г приведены траектории при обработке детали (n = 800 мин-1, S = 0,05 мм/об и t = 0,20 мм). Как видно из рисунка, при обработке детали форма и размеры траектории также изменяются, как это происходит и на холостом ходу. Давление подачи масла составляет 1,5 МПа.

Рис.8.Траектория оси держателяпри подводе давления масла в карманы

При испытании работы виброгасителя производились записи перемещений оси детали и перемещения вершины резца по оси X.
Испытания проводились в режиме реального времени при частоте вращения шпинделя n - 800 мин-1, подаче S = 0,05 мм/об и глубине резания f = 0,18 мм.
После того как наступал установившийся режим резания, производилась запись перемещений оси детали и вершины резца при отключенном виброгасителе. После окончания записи быстро включали виброгаситель и снова записывали перемещения. На протяжении одного прохода снималось восемь осциллограмм. Из их сравнения можно сделать выводы, что работа виброгасителя практически не сказывается на перемещении оси детали; колебания вершины резца при работе с виброгасителем и без него имеют практически одинаковую частоту, а величина перемещений резца при использовании виброгасителя снизилась в среднем на 2 мкм.
Выводы
1. Испытание созданных устройств повышения точности токарной обработки на основе управления траекториями формообразующих элементов показали их надежную работу.
2. Использование устройства для подачи масла под давлением в карманы передней опоры шпинделя позволит снизить величину колебания оси детали по оси X на 8 мкм.
3. При испытаниях антивибратора, установленного на резцедержательную головку, колебания вершины резца снизились на 2 мкм.

Литература

1. Юркевич В.В. Система прогнозирования точности токарных станков // Вестник машиностроения. 2001. № 8. С. 44-48.
2. Юркевич В.В., Корнилова А.В. Устройства для управления траекториями формообразующих элементов токарного станка // Техника машиностроения. 2002. № 4. С. 4-10.
3. Авторское свидетельство SU № 1355452, В 23 Q 15/00. Бюлл. №44, 1978.
4. Патент RU № 2136386, В 23 Q 15/00. Бюлл. № 22, 1997.
5. Юркевич В.В. Использование геометрического образа обработанной поверхности при определении показателей точности детали // СТИН. 2000. №4. С. 8-10.
6. Патент RU № 2130826, В 23 Q 15/007. Бюлл. № 15, 1999.
7. Патент RU № 2150374, В 27 С 5/10. Бюлл. № 16, 2000.

В.В. Юркевич, канд. техн. наук

Справочник, инженерный журная
№2, 2004г., с.14-18

Статьи партнеров