ТольяттинскийГосударственный Университет
Кафедра «Технологиямашиностроения»
Научно-исследовательскаяработа на тему:
«Обработка длинныхмаложестких валов»
Студент: Порошина В.В.
Группа: ТМ-502
Руководитель: Солдатов А.А.
Преподаватель: Бобровский А.В.
Тольятти 2006 г.
1. Описание ситуации
Финишная обработка длинных валов (отношение длины кдиаметру более 10) является одной из наиболее трудоемких операций. Это связанос малой жесткостью заготовки, вибрациями, сложностью достижения заданногокачества, точности и производительности, а также с отсутствием необходимогооборудования.
Для повышения производительности и качества обработкидлинных цилиндрических поверхностей обычно применяют различные подводимые опоры(например, люнеты), повышающие жесткость заготовки. При этом схема установкилюнетов, их конструкция, характер закрепления, выбор технологических базоказывают решающее влияние на производительность обработки и точностьдиаметральных размеров вала.
2. Анализ описанной ситуации
Для упрощения финишной обработки длинных валов требуется установкалюнета.
Анализ различных схем обработки показывает, чтонаибольшей трудоемкостью, с точки зрения выбора конструкции и мест установкилюнетов, а также их настройки, отличается обработка валов в центрах. Выборнаружной поверхности вала в качестве технологической базы позволяет повыситьпроизводительность и точность обработки. Аналогом базирования валов по наружнойповерхности является обработка на бесцентрово-шлифовальных станках. Но уданного метода существуют следующие недостатки:
— быстрое засаливание абразивных кругов (особенно приобработке незакаленных сталей);
— шаржирование обрабатываемой поверхности;
— ограниченная длина заготовки, обусловленная биением еесвободных концов, выходящих за пределы зоны шлифования;
— малая глубина резания.
Существует прогрессивный и экономичный метод финишнойобработки, сочетающий в себе резание и поверхностное пластическое деформирование(ППД) роликами. Такой метод позволяет получить высокое качество поверхностногослоя и минимальную шероховатость обработанной поверхности, сопоставимую с достигаемойпри хонинговании и суперфинишировании.
3. Поиск информации
Задача этапа — обеспечить достаточную полноту идостоверность исследования путем тщательного отбора и анализа патентно-техническойинформации.
Таблица 1
Научно – техническая документация, отобранная для анализаИсточник Название статьи, автор Содержание Пат. 2247016 РФ, МПК В 23 Р 23/04 Способ комбинированной режуще-деформирующей обработки и устройство для его осуществления Метод финишной обработки, сочетающий в себе резание и поверхностное пластическое деформированиероликами. Такой метод позволяет получить высокое качество поверхностного слоя и минимальную шероховатость обработанной поверхности, сопоставимую с достигаемой при хонинговании и суперфинишировании. Журнал: «Вестник машиностроения» «Комбинированная обработка длинных валов» Я. Н. Отений, Н. И. Никифоров, А. И. Журавлев. Для повышения производительности и качества обработки длинных цилиндрических поверхностей применяют подводимые опоры, повышающие жесткость заготовки. Схема установки опор, их конструкция, характер закрепления, выбор технологических баз оказывают решающее влияние на производительность обработки и точность диаметральных размеров вала. Журнал: «Технология машиностроения» «Оптимизация режимов резания при точении нежестких валов» Гаврилов В. А., Гребень В. Г. При точении нежестких валов часто возникают колебания технологической системы. «Слабым» звеном системы является заготовка. Характеристики жесткости и демпфирования заготовок. Основными видами колебаний являются вынужденные колебания и автоколебания и являются переменными.
4. Выбор технического решения
Изучаем сущность отобранных ТР по сведениям, содержащимсяв графе 3 табл. 1, а также по текстам патентных описаний, статей, приходим квыводу, что для повышения производительности и качества обработки длинныхцилиндрических поверхностей применяем прогрессивный и экономичный методобработки, сочетающий в себе резание и поверхностное пластическоедеформирование (ППД) роликами.
5. Описание
Между двумя обкатниками 1 и 4, установленными соосно,расположена резцовая головка 8. Обкатники приводятся во вращение посредствомзубчатых венцов 7, которые зацепляются с зубчатыми колесами 2, установленнымина приводном валу 3. Деформирующие ролики 5, размещенные в обкатниках,вращаются в результате фрикционного взаимодействия с опорными конусами 6.
Ролики, нагруженные в осевом направлении постояннымусилием Q, вращают обрабатываемую заготовку 9. Подача последней в продольномнаправлении осуществляется самозатягиванием благодаря установке роликов подуглом /> кее оси. Перед началом обработки (при включенном приводе вала 3) заготовкаправым концом подводится к роликам обкатника 1, захватывается их коническимифасками и под воздействием усилия самозатягивания перемешается вправо. Затемона входит в контакт с резцами головки 8 (при этом удаляется припуск), послечего обкатник 4 окончательно обрабатывает ее методом ППД.
/>
Рис. 1. Схема комбинированной обработки длинного вала
Обкатник 1 предназначен только для создания крутящегомомента и самозатягивания заготовки, а обкатник 4 — для окончательной упрочняющее-чистовойобработки. При указанной схеме осуществляется обработка валов напроход, чтосоздает предпосылки для автоматизации процесса. Для обеспечения надежногосовмещенного процесса (резания и ППД) крутящий момент, создаваемый роликамиобкатников, должен превышать крутящий момент, возникающий при резании.
6. Вывод
Данный метод комбинированной обработки позволяет повыситьпроизводительность и качество обработки длинных цилиндрических поверхностей.
7. Комбинированная обработка длинных валов
Между двумя обкатниками 1 и 4, установленными соосно,расположена резцовая головка 8. Обкатники приводятся во вращение посредствомзубчатых венцов 7, которые зацепляются с зубчатыми колесами 2, установленнымина приводном валу 3. Деформирующие ролики 5, размещенные в обкатниках,вращаются в результате фрикционного взаимодействия с опорными конусами 6.
Ролики, нагруженные в осевом направлении постояннымусилием Q, вращают обрабатываемую заготовку 9. Подача последней в продольномнаправлении осуществляется самозатягиванием благодаря установке роликов подуглом /> кее оси. Перед началом обработки (при включенном приводе вала 3) заготовкаправым концом подводится к роликам обкатника 1, захватывается их коническимифасками и под воздействием усилия самозатягивания перемешается вправо. Затемона входит в контакт с резцами головки 8 (при этом удаляется припуск), послечего обкатник 4 окончательно обрабатывает ее методом ППД.
Обкатник 1 предназначен только для создания крутящегомомента и самозатягивания заготовки, а обкатник 4 — для окончательнойупрочняющее-чистовой обработки. При указанной схеме осуществляется обработкавалов напроход, что создает предпосылки для автоматизации процесса. Дляобеспечения надежного совмещенного процесса (резания и ППД) крутящий момент,создаваемый роликами обкатников, должен превышать крутящий момент, возникающийпри резании.
Для обеспечения ППД максимальное напряжение в областиконтакта должно превышать предел текучести. Тангенциальное усилие /> деформирования,создающее крутящий момент, преодолевающий тангенциальную составляющую /> силы резания,
/> (1)
где /> — радиальная составляющая усилиядеформирования, создаваемая одним роликом; f — коэффициент трения в контактероликов с заготовкой; Z — число роликов в обкатнике.
Тангенциальная составляющая силы резания
/> (2)
где />— коэффициенты, выбираемые посправочнику [2]; S — подача заготовки, мм/об; t — глубина резания, мм; v —скорость резания (обкатывания), мм/мин; /> — в Н.
Решая совместно уравнения (1) и (2), получим значениямаксимально возможных глубины резания и подачи для заданных условий обработки:
/> (3)
/> (4)
где />— коэффициент запаса,обеспечивающий стабильность процесса обработки; /> — число резцов в резцовойголовке.
Графики, соответствующие выражениям (3) и (4), приведенына рис. 2.
/> />
Рис. 2. Зависимости глубины t резания (а) и подачи S (б)от числа Z роликов в обкатнике (/>= 2; />= 0,8)
Для повышения производительности и приведения к нулюравнодействующей сил резания в плоскости, перпендикулярной к оси заготовки,необходимо установить равномерно по окружности заготовки несколько резцов. Приэтом настройку на размер можно осуществлять от фиксированной оси вращения илиот наружной поверхности заготовки. В первом случае глубина резания переменнаявследствие биения и некруглости заготовки, а также погрешности настройки резцовна заданный размер. Во втором случае глубина резания постоянная благодаря тому,что резцы подвижны в радиальном направлении и нагружены постоянным усилием,равным радиальной составляющей силы резания, вычисленной для заданных условийобработки.
Заготовки в состоянии поставки имеют большой допуск надиаметр и некруглость, поэтому обкатники должны автоматически поднастраиватьсяна заданный размер. Это достигается благодаря постоянному усилию деформированияв результате нагружения роликов в осевом направлении заданной силой Q. Приизменении действительного диаметра заготовки в пределах допуска ролики поддействием усилия деформирования смещаются в осевом направлении (в ту или инуюсторону в зависимости от знака изменения диаметра), а следовательно, и врадиальном направлении вследствие конусности опорного конуса.
При совместной работе двух обкатников необходимо, чтобыони обеспечивали одинаковую частоту вращения заготовки. Однако вследствиеудаления припуска во второй обкатник поступает часть заготовки меньшегодиаметра, что создает разность частот вращения.
При вращении опорного конуса с частотой /> частота вращениязаготовки
/>
где /> - радиусы конуса и заготовки всечении, проходящем через точку наибольшего внедрения ролика в заготовку.
При уменьшении радиуса заготовки на величину t ролики вовтором обкатнике смешаются в радиальном направлении относительно конуса натакую же величину. При этом частота вращения заготовки, создаваемая вторымобкатником, изменяется на величину
/>
Если принять />, то равенство (5) выполняетсятолько при t = 0.
Чтобы добиться равенства частот вращения, создаваемыхобоими обкатниками, следует либо снабдить их отдельными приводами, которыеобеспечивали бы равную частоту вращения, (что требует применения адаптивногоуправления процессом обработки и вызывает определенные сложности при егореализации), либо соответствующим образом изменить в одном из обкатниковдиаметры роликов и опорного конуса.
Поскольку глубина резания и диаметр детали заданы, то вуравнении (5) с учетом требования /> соответствующий радиус сеченияопорного конуса второго обкатника следует изменить на />. Тогда уравнение (5) принимаетвид
/>,
откуда
/> (6)
Так как между заготовкой и опорным конусом расположеныдеформирующие ролики, то для любых размеров заготовки и роликов должновыполняться условие
/> (7)
Решая совместно уравнения (6) и (7), найдем новое значениерадиуса /> роликов,установленных во втором обкатнике, обеспечивающее постоянство частот вращения(т. е/>):
/>.
Пусть на обработку поступила очередная заготовка сдействительным радиусом
/>,
где /> — радиус предыдущей заготовки; /> — приращениерадиуса, вызванное случайными факторами. Тогда в первом обкатнике роликисместятся в радиальном направлении на величину />. Но поскольку резцы головкинастраивают на глубину резания от наружной поверхности заготовки, то ролики вовтором обкатнике сместятся в радиальном направлении на такую же величину.Следовательно, при изменении размеров заготовок в партии в пределах допуска обаобкатника будут обеспечивать одинаковую частоту вращения заготовки.
8. Оптимизация режимов резания при точении нежесткихвалов
При точении нежестких валов часто возникают колебаниятехнологической системы. «Слабым» звеном системы является заготовка.Характеристики жесткости и демпфирования заготовки являются переменными.
Приведенные коэффициенты жесткости и сопротивленияизменяются по длине заготовки, принимая минимальные значения в серединепролета. В связи с этим наиболее интенсивные колебания возникают при обработкесередины пролета вала, поэтому при решении задачи оптимизации режимов резания необходимообеспечить в первую очередь устойчивость ее обработки.
Основными видами колебаний при резании являютсявынужденные колебания и автоколебания. Причина вынужденных колебаний — наличиевозмущающей, т.е. центробежной силы из-за неуравновешенности заготовки ивращающихся звеньев привода станка. Это низкочастотные колебания с частотойменее 30 Гц. Уровень вынужденных колебаний можно свести до минимума(вибрационного шума) за счет балансировки вращающихся звеньев привода станка.Таким образом, вынужденные колебания при токарной обработке можно считатьвторостепенными, амплитуда которых мала.
Значительно более опасными являются резонансные режимы,наступающие при совпадении частоты собственных колебаний заготовки с частотойколебаний других звеньев технологической системы. Резонансные режимы приточении нежестких валов могут наблюдаться при L/D 20 и D ≥50 мм (L/D —диаметр и длина заготовки соответственно) [1]. В этом случае возможносовпадение частоты собственных колебаний заготовки с частотой собственных колебанийрезцедержателя в направлении оси Y. Для токарных станков средних размеров этачастота составляет 60—90 Гц. Для исключения резонансных режимов необходимачастотная отстройка.
Автоколебания относятся к главным составляющим колебанийтехнологической системы, амплитуды которых значительны. Автоколебанияпроисходят при отсутствии возмущающей силы с частотой собственных колебанийзаготовки на падающем участке характеристики силы резания (/>— коэффициент сопротивления,обеспечивающий рассеивание энергии, />— отрицательный коэффициентсопротивления, способствующий раскачке системы). Условие же устойчивостисостояния равновесия системы может быть записано в виде
/>≥0 (а)
в линейной постановке
/> (б)
Приведенные к середине пролета вала статические идинамические характеристики системы определяли по методике работы [2]. Далее рассматриваетсязадача условной оптимизации или оптимизации с ограничениями при обеспеченииотсутствия автоколебаний в системе.
Постановку задачи оптимизации режимов резания производилив следующей последовательности.
Выбор целевой функции (критерия оптимальности). Еслирассматриваемая операция являете лимитирующей в технологическом процессе, то вкачестве целевой функции целесообразно выбрать производительность обработки
/> (в)
где /> — скорость резания; /> — подача.Произведение /> характеризует площадьповерхности, обработанной за единицу времени.
Выбор независимых переменных. Независимыми переменнымибудут />и/>, при этомглубина резания t — постоянная величина.
Разработка математической модели. В рассматриваемойзадаче имеют место следующие ограничения.
1. Минимальная стойкость резца Т, которая должна быть неменее нормативной стойкости Тн т.е. Т≥Тн.
Параметры режима резания связаны со стойкостью резцауравнением
/>,
где />— постоянные.
Тогда ограничение по стойкости резца будет иметь вид
/>
2. Максимальная мощность резания /> не должна быть больше мощности нашпинделе станка, т.е. />.
Мощность резания.
/>,
где />; — главная составляющая силырезания, равная
/>
Тогда ограничение по мощности
/>
3. Прочность механизма подачи станка. Сила подачи /> не должнапревышать силу [/>] определяемую прочностьюмеханизма подачи станка, т. е.
/>≤[/>]
Тогда ограничение по прочности механизма подачи дачистанка может быть представлено следующим образом:
/>
4. Требуемая точность обработки. Стрела прогибаобрабатываемого вала под действием радиальной составляющей силы резания /> не должна бытьбольше допуска на бочкообразность [/>], отнесенного к радиусузаготовки, т. е. />≤[/>].
Стрелу прогиба вала при установке его в центрах токарногостанка можно рассчитать по формуле
/>
Радиальная составляющая силы резания
/>,
тогда ограничение по точности обработки запишется в виде
/>
5. Требуемая шероховатость /> поверхности. Расчетная высотанеровностей Н не должна превышать заданный параметр шероховатости />, т.е. Н≤/>.
Расчетная высота неровностей определяется на по формулеЧебышева
/>
r — радиус при вершине резца.
Отсюда ограничение по шероховатости обработанной поверхности
/>
6. Область отсутствия вибрации. Условие устойчивостизапишем следующим образом
/>
где К— приведенный коэффициент сопротивления.
7. Максимальная и минимальная скорости резания
/>
/>— нижний и верхний пределы частотывращения шпинделя.
8. Максимальная и минимальная подача
/>
/> — нижний и верхний пределырегулирования подачи.