|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Голубєв Олексій В'ячеславович
УДК 621.9.01
ІМПУЛЬСНА АВТОМАТИЧНА КОМПЕНСАЦІЯ РАДІАЛЬНИХ ПРУЖНИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ ТОНКОСТІННИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ТОЧІННІ
Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Севастополь - 2004
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі автоматизації технологічних процесів і виробництв Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України .
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пашков Євген Валентинович,
проректор по науковій роботі Севастопольського національного
технічного університету.
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Торлін Вадим Миколайович,
завідувач кафедри технології машинобудування;
- кандидат технічних наук, Вохмянін Аркадій Миколайович,
доцент кафедри вищої математики й інформатики Кримського інституту економіки і господарського права
Провідна організація: Дніпропетровський національний гірничий університет,
Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться “16”_____12_____ 2004 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д50.052.02 у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного університету
99053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко, бібліотека Севнту.
Автореферат розіслано
“_10_” ________11_______ 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої
ради кандидат технічних наук, доцент В.О. Крамар ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Однією з основних задач машино- і приладобудування в галузі автоматизованої обробки точінням є забезпечення необхідних показників точності і якості виготовлення деталей.
Ця задача актуальна для чистової токарської обробки тонкостінних циліндричних деталей (ТЦД), досягнення заданої точності форми і якості поверхні яких через низьку жорсткість у радіальному напрямку вимагає великих витрат часу. Аналіз чинних способів обробки ТЦД точінням показав їхню малу ефективність в умовах автоматизованого виробництва.
Підвищення ефективності можливе при використанні сучасних методів обробки, заснованих на вібраційних автоматизованих технологіях.
До таких методів належить різання з імпульсною динамічною компенсацією пружних прогинів стінки ТЦД. Даний метод позбавлений недоліків, властивих багатьом іншим методам токарської обробки. Однак широкого практичного застосування він не знайшов, тому що в технічній літературі відсутнє його науково-технічне обґрунтування і рекомендації з використання в умовах автоматизованого виробництва.
Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами
Робота виконувалася в межах закінчених держбюджетних тем №0197U001829 “Створення наукових основ вібролевітаційної технології обробки прецизійних деталей машин і приладів в умовах автоматизованого виробництва” (1998-2000 рр) і №0101U001185 “Дослідження фізичних процесів левітаційного і вібролевітаційного точіння з використанням аналітичних і чисельних машинних експериментів” (2001-2002 рр).
Мета дисертаційної роботи
Метою роботи є підвищення точності автоматизованої обробки точінням з імпульсною динамічною компенсацією пружних прогинів ТЦД.
Реалізація поставленої мети передбачає розв’язання таких завдань:
проаналізувати механізм утворення похибок форми деталей при різних схемах закріплення і способах обробки;
розробити і дослідити метод обробки ТЦД, заснований на динамічній компенсації пружних переміщень нежорсткої циліндричної деталі при точінні з застосуванням безконтактного технологічного оснащення, що дозволяє автоматизувати процес обробки ТЦД за умови забезпечення заданого класу точності форми і розмірів;
створити математичну модель процесу обробки ТЦД, що дозволяє управляти пружноздеформованим станом деталі, описати поводження технологічної системи, прогнозувати параметри продуктивності і якості при зміні режимів обробки і розмірних параметрів деталі;
визначити режими обробки ТЦД, що забезпечують одержання заданої якості виробів, розробити алгоритми і програми їхнього розрахунку;
розробити пристрої, що реалізують метод динамічної компенсації пружних переміщень нежорсткої циліндричної деталі при точінні з застосуванням безконтактних механізмів базування, центрування й обертання;
експериментально дослідити функціональні можливості розроблених пристроїв для практичної реалізації методу динамічної компенсації пружних переміщень ТЦД.
Методи дослідження
Теоретичні і експериментальні дослідження проводились з використанням основних положень теорії пружних коливань, теорії плоского вигину балки, теорії оболонок, закону збереження імпульсу, математичної статистики.
Наукова новизна
- Вперше представлено процес переміщення стінки тонкостінної деталі в зоні різання під дією динамічного навантаження диференційним рівнянням руху зосередженої маси плями деформації з імпульсною правою частиною, що дозволяє керувати її пружноздеформованим станом.
- Вперше отримано рівняння корекції імпульсного впливу, в якому переміщення деталі в напрямку дії радіальної складової сили різання безперервно усувається прикладанням компенсуючого впливу в фіксованій точці.
Практичне значення і реалізація отриманих результатів
На основі отриманих математичних моделей розроблена автоматизована технологія обробки ТЦД, що дозволяє підвищити точність форми деталі. Розроблено ряд оригінальних пристроїв, що реалізують метод імпульсної динамічної компенсації з використанням безконтактних механізмів у складі технологічного оснащення. Запропоновано алгоритми керування, що дозволяють автоматизувати процес компенсації пружних прогинів ТЦД при обробці.
Особистий внесок здобувача
В основу дисертаційної роботи покладені ідеї автора і його самостійні розробки. Особистий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві полягає в тому, що він брав активну участь у постановці проблеми і її вирішенні [4,5], в одержанні результатів теоретичних і експериментальних досліджень [1…3,6,7], у розробці оригінального технологічного оснащення [8…10].
Апробація результатів дисертації
Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях “Вибротехнология – 98” м. Одеса, 1998 р., “Автомобильный транспорт” м. Севастополь, 1998 р., “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти” г. Житомир, 1999 р. та на міжкафедральних наукових семінарах з автоматизації і системам керування Севнту в 1999, 2001, 2002, 2003 р.
Публікації
Результати досліджень відбиті у восьми статтях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць і захищені двома патентами.
Структура и обсяг роботи
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (101 позиція) та 4 додатка. Текст роботи виконаний на 126 сторінках, містить 60 малюнків, 7 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 144 сторінки.
.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито стан дослідження питання, пов'язаного з підвищенням ефективності автоматизованого виробництва нежорстких деталей, обґрунтована актуальність теми, визначені мета і задачі дослідження, визначені основні положення, що відбивають наукове і практичне значення роботи.
У першому розділі зроблено огляд існуючих типів тонкостінних циліндричних деталей, аналізуються відомі способи обробки з використанням універсального і спеціального технологічного оснащення, виявляються основні, властиві їм недоліки і визначаються шляхи їхнього усунення.
Основною причиною виникнення похибок форми ТЦД при токарській обробці є їхня нездатність, унаслідок малої радіальної жорсткості, протистояти дії зовнішніх сил як при установці на верстаті, так і в процесі обробки.
Збільшення жорсткості елементів технологічної системи (ТС), у першу чергу в напрямку дії радіальної складової сили різання, сприяє підвищенню точності обробки, але застосовувані для цього способи і технічні засоби, викликають деформацію деталей, перенесення теплових і силових деформацій верстата і пристосування на деталь.
Способи точіння, засновані на використанні традиційних методів, а також на збільшенні жорсткості за допомогою додаткового технологічного оснащення чи на керуванні пружноздеформованним станом деталей, не дозволяють уникнути похибки форми, конструктивно складні, метало- і енергоємні, а також не ефективні в умовах автоматизованого виробництва через низьку продуктивність і гнучкість.
За конструктивними особливостями і характеру взаємодії затискних елементів з оброблюваними деталями верстатні затискні пристосування поділяються на три основні групи: пристосування з зосередженими зусиллями затискування; пристосування з розподіленими по колу зусиллями затискування; пристосування з осьовим затискуванням.
Технологічне устаткування, побудоване на використанні безконтактних, у тому числі аеростатичних опор, максимально зменшуючи вплив елементів динамічної системи верстата на оброблювану деталь, забезпечує підвищення точності обробки.
Пропонується спосіб динамічної компенсації пружних переміщень стінки ТЦД із застосуванням безконтактного технологічного оснащення, що, з'єднуючи в собі переваги розглянутих відомих методів обробки, дозволяє комплексно вирішити проблему досягнення необхідної точності форми ТЦД, і сприяє підвищенню рівня автоматизації цього процесу.
Для теоретичного обґрунтування запропонованого методу обробки і забезпечення його практичного впровадження, сформульовані мета і задачі досліджень, що базуються на результатах аналізу технологічних особливостей обробки ТЦД в умовах автоматизованого виробництва.
Другий розділ присвячений розробці способу імпульсної динамічної компенсації пружних переміщень ТЦД при точінні, дослідженню механізму пружного деформування тонкостінної циліндричної заготовки під дією радіальної складової сили різання, розробці математичної моделі процесу динамічної компенсації. Вирішено задачу врахування зміни координати, що визначає місце сили різання при русі різця уздовж заготовки для довгомірних циліндричних оболонок.
Для усунення радіальних пружних квазистатичних переміщень тонкостінних циліндричних оболонок, обумовлених навантажуванням радіальної складової сили різання при автоматичній токарській обробці, пропонується використовувати періодичний імпульсний вплив, що прикладається в напрямку протилежному дії радіальної складової сили різання. Це дозволяє стабілізувати вихідне положення стінки циліндра. Параметри динамічного імпульсного впливу вибираються з умовою забезпечення рівності прогинів від дії компенсуючої сили і від дії сили різання в зоні обробки. Таким чином, критерієм компенсації пружних переміщень є рівність нулю сумарного переміщення деталі в зоні обробки.
Для вивчення процесу компенсації пружних прогинів розглядається механізм пружного деформування тонкостінної циліндричної деталі, що знаходиться під дією зосередженої сили, що має складні складові, а саме: прогин локальний, що має форму плями деформації, і загальний прогин осі циліндра як балки.
Проведено чисельний аналіз балкової складової радіального переміщення і локальної складової для ТЦД (рисунок 1) при дії зосередженої радіальної складової сили різання  .
Прогин оболонки з вільно обпертими краями (як балки) обчислюється за формулою
 ,
де  - модуль пружності;  - товщина оболонки;  - безрозмірна осьова координата;  - серединний радіус оболонки;  ;  - довжина оболонки;  - кутова координата.
Локальний прогин оболонки, зобумовлений її місцевими деформаціями, визначається виразом
 ,
де  ,  - коефіцієнт Пуассона;  - число, найближче до
Загальний прогин (радіальне переміщення у точці прикладання сили Pу)
 .
Узагальнений коефіцієнт жорсткості, використовуваний у диференціальному рівнянні руху маси “плями” оболонки, обчислюється (при  ,  ) за залежністю
 .
Локальне пружне переміщення стінки деталі під дією сили різання Py, а також напрямок дії динамічної компенсуючої сили Fy(t) показано на рисунку 2.
Динамічний характер впливу дозволяє не тільки повернути переріз оброблюваної деталі у вихідний недеформований стан, але і безупинно підтримувати цей стан у процесі точіння.
Особливістю динамічної компенсації є імпульсний характер сил, що діють на деталь (рисунок 3). Задача пошуку величини (характеру) таких впливів може мати багато рішень, тобто можна знайти досить велику кількість динамічних впливів, що забезпечують відновлення положення рівноваги.
У першому наближенні локальні переміщення тонкостінної деталі в зоні прикладання динамічного впливу описуються диференціальним рівнянням з імпульсною правою частиною, що має вигляд
 
де  - прогин стінки деталі в зоні прикладання імпульсного впливу;  ;  - коефіцієнт лінійно-в’язкого опору;  - маса коливаної зони деформування для тонкостінних оболонок (рисунок 2); r1 - радіус плями деформації; r - радіус серединної поверхні тонкостінної деталі;  - власна частота коливань без врахування загасання;  - коефіцієнт жорсткості деталі в зоні імпульсного прикладання впливу;  - силовий вплив на одиницю маси;  - динамічний вплив;  - тривалість імпульсу (рисунок 3);  - період проходження імпульсів.
Оскільки права частина рівняння має імпульсний характер, то поведінка стінки деталі в процесі динамічного навантаження описується диференціальними рівняннями, справедливими на відповідних інтервалах часу.
Рисунок 4. – Графіки: залежність сили різання і компенсуючого впливу (а); і переміщення
стінки деталі при імпульсному впливові (б)
Розв’язок рівняння з періодичною правою частиною може бути знайдений після розкладу його в тригонометричний ряд, але в даному випадку доцільне одержання точного рішення, що грунтується на методі припасовування.
За допомогою отриманих виразів моделювався процес переміщення стінки деталі при імпульсному динамічному впливі. Графік руху (рисунок 4, б) побудований для прикладу за такими вихідними даними:  рад/с,  с-1,  Н/кг,  с,  с. При прикладанні імпульсного впливу (з підбором параметрів  ,  ,  ) по лінії дії радіальної складової сили різання Ру = 0,25 Н (рисунок 4, а), що деформує стінку деталі на величину W = 0,0025 м, забезпечується повернення стінки циліндра у вихідний недеформований стан і стабілізація стану квазистатичного положення рівноваги.
Метод динамічної компенсації пружних прогинів може використовуватися при обробці і довгомірних циліндричних деталей, з прикладанням компенсуючого впливу в одній фіксованій точці.
У зв'язку зі зміною подовжньої координати, що визначає положення сили різання при точінні довгомірних деталей, виникає необхідність у корекції імпульсного впливу, що забезпечує неперервне усунення переміщення деталі у напрямку дії радіальної складової сили різання. Пропонується здійснювати корекцію впливу з використанням функції впливу  , що змінює величину імпульсного впливу в залежності від координати дії сили різання по довжині деталі (рисунок 5,а):
де  - імпульсний компенсуючий вплив, що попередньо знаходиться без врахування зміни координати положення сили різання, тобто при збігові координати сили різання (при  ) з координатою прикладання  (у даному випадку  ).
Функція впливу  знаходиться з таких міркувань: визначається такий вплив у заданому фіксованому перетині  , при якому переміщення деталі у напрямку дії радіальної складової сили різання в перетині з довільною координатою  положення сили Py дорівнювало би абсолютній величині прогину від одиничної сили  .
Алгоритм пошуку  ілюструється такими прикладами. На рисунку 5, а приведена схема прикладання навантажень для деталі із шарнірним закріпленням кінців. У цьому випадку функція впливу знаходиться для двох ділянок, у перетині з координатою  ( )
 ;
при 
Для випадку консольного закріплення деталі (рисунок 6, а), у результаті аналітичних перетворень отримана функція впливу
Узагальнена структура розімкнутої системи керування процесом імпульсної компенсації пружних прогинів при точінні представлена на рисунку 7. Система керування має блок завдання параметрів (БЗП), у який заносяться геометричні розміри деталі, послідовність її обробки і режими різання. Ці дані надходять у блок розрахунку компенсуючого впливу, (БРКВ), у якому відповідно до режимів різання визначається величина і відбувається формування керуючого сигналу. Цей сигнал, пройшовши через блок перевірки припустимих значень (БППЗ), через перетворювач (П) надходить на виконавчий орган (ВО), що забезпечує імпульсний вплив. У БППЗ порівнюється необхідне значення керуючого сигналу і гранично припустиме значення сигналу для даного типу ВО. У випадку, коли необхідне значення перевищує гранично припустиме, сигнал надходить у блок корекції режимів різання БКРР, що формує нові значення режимів різання і направляє їх у БЗП, після чого цикл повторюється, доти, поки необхідне значення сигналу не буде перевищувати гранично допустимого значення.
| 
