Особенности проектирования токарных операций обработки на станках с ЧПУ

Л.Я. Кожуховская, Т.И. Перелыгина Особенности проектирования токарных операций обработки на станках с ЧПУ В статье были рассмотрены результаты теоретического исследования токарной обработки нежестких валов.

Введение

Приведены результаты исследования особенностей токарной обработки «нежестких» валов. Проведен анализ факторов, влияющих на образование погрешностей, и приведены результаты теоретического анализа сил, действующих в технологической системе, и их влияние на точность диаметрального размера при чистовой обработке. Получено уравнение, позволяющее определить погрешности от упругих деформаций и приведено его использование для корректировки траектории движения инструмента при обработке на станках с ЧПУ.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОКАРНЫХ ОПЕРАЦИЙ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Обработка валов по трудоемкости составляет свыше 40% от общей трудоемкости изготовления изделий, поэтому вопросы повышения эффективности обработки валов особенно актуальны. Анализ конструкторско-технологических характеристик большого числа деталей типа «вал» показал, что в изделиях различного назначения применяют ступенчатые, гладкие, фланцевые и другие валы. Особую сложность при изготовлении имеют относительно длинные, «нежесткие» валы. Выбор структуры операций зависит от программы выпуска, конфигурации элементарных обрабатываемых поверхностей и относительной длины, определяющих жесткость валов. Проведенный анализ технических требований, предъявляемых к деталям типа «вал», показал, что при разработке технологии изготовления, как правило, требуется выдержать высокие требования к точности размеров, шероховатости, отклонениям формы и непрямолинейности поверхностей. Возникающие погрешности обработки «нежестких» валов связаны не только с процессом механической обработки, определенным состоянием технологической системы, но и с погрешностями, возникающими на предшествующих операциях.

Обработке валов посвящено достаточно большое количество работ, однако в них не учтены особенности проектирования технологических процессов обработки «нежестких» валов на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства. В них не учтено влияние конструкторско-технологических характеристик деталей одной технологической общности на структуру операций при разработке расчетно-технологических карт, выборе схем обработки и технологического процесса в целом.

В условиях многономенклатурного производства все более применяются станки с ЧПУ, которые обеспечивают гибкую переналадку технологической системы и в связи с этим стоит задача совершенствования методов проектирования технологического процесса и технологической подготовки производства, которые бы в полной мере учитывали и более полно использовали технологические возможности станков с ЧПУ.

Обработка «нежестких» валов представляет большие трудности, связанные с нежесткостью заготовки, что требует специальной оснастки, выбора режимов резания, снижающих влияние упругих деформаций на точность обработки.

Проектирование токарных операций обработки «нежестких» валов требует исследования факторов, определяющих формирование и выбор структуры технологической операции, критериев оценки, выбора схем и режимов обработки. С этой целью авторами исследованы схемы обработки «нежестких» валов с различной относительной длиной l / d > 10, точностью изготовления JT6-7, Ra 1,25...0,8. Включение «нежестких» валов в номенклатуру приводит к необходимости ограничения технологических возможностей станков с ЧПУ и необходимости изменения выбранной схемы обработки путем переналадки технологической системы.

Технологические возможности металлорежущих станков с ЧПУ позволяют на этапе проектирования технологического процесса и разработки расчетно-технологических карт учитывать погрешности от упругих деформаций путем коррекции положения режущего инструмента. На этих этапах необходимо использовать информацию о размерных связях в технологической системе и их изменение под влиянием факторов, проявляющихся при обработке.

Проведенный анализ показал, что при обработке «нежесткого» вала 90 и l=1200 мм на токарном станке с ЧПУ в центрах с неподвижным люнетом погрешности диаметрального размера, формы и расположения поверхностей появляются в результате влияния первичных погрешностей, возникающих при выборе и подготовке баз, упругих деформаций, а также погрешностей на предшествующих переходах операций. Необходима разработка расчетных моделей, что позволяет учитывать особенности проявления этих факторов при обработке «нежестких» валов на станках с ЧПУ.

В большинстве предлагаемых расчетных моделей учитывается радиальная состав-ляющая сила резания и не учитывается влияние осевых и тангенциальных составляющих сил резания на точность обработки. Это является особенно важным при получистовой и чистовой обработке, когда глубина резания небольшая и используются преимущественно резцы с ? 90°. При этом сила резания, действующая в тангенциальной плоскости, значительно больше радиальной составляющей

На рис. 1 приведена схема обработки нежесткого вала с установкой в центрах.

Упругое смещение при этом в тангенциальной плоскости

где z – упругое смещение валов в тангенциальной плоскости; Pz – тангенциальная составляющая силы резания, Н; Е – модуль упругости, Н/мм2; I – момент инерции, мм4; l – длина вала, мм; jз.б., jп.б. – жесткости соответственно задней и передней бабок, Н/мм; х –координата приложения силы, мм.

Предложенная модель позволяет выявить и учитывать тангенциальную силу при различных схемах обработки, определять ожидаемую точность, позволяет отражать и учитывать влияние сил резания, схем обработки и структуры операций.

Полученные аналитические зависимости положены в основу разработки имитационной модели. Модель, использованная при имитационном моделировании, позволяет выполнить анализ и сравнение всех вариантов структур операций и схем обработки группы валов. В имитационном моделировании учтено изменение размерных связей в технологической системе при изменении схем, этапов обработки, сил, действующих в технологической системе, упругих деформаций и погрешностей установки

Важнейшими показателями, используемыми в качестве критериев выбора структур операций (Sо) валов, являются точность диаметрального размера, отклонения формы и расположения поверхностей. В условиях многономенклатурного производства формирования Sо имеют свою особенность, которая определяется числом деталей в группе, их конструкторско-технологическими характеристиками, определяющими выбор обработки.

Аналитическим путем получены зависимости, определяющие показатели точности, в которой учитываются: влияние схем обработки, конструктивные особенности, упругие деформации, погрешность установки и режимы.

В настоящей работе при решении задач выбора структур технологических операций использованы результаты как аналитического, так и имитационного моделирования, которые объединены в комплексную процедуру принятия решений. Совместное применение аналитических и имитационных моделей позволило решить задачи выбора структур, так и параметров операций. Аналитическое моделирование при этом использовано для оценки влияния вариантов структур операций и факторов на точность обработки валов. При построении имитационной модели описаны процессы функционирования элементов технологической системы, связей между ними, такими, как схемы обработки, погрешности установки, соотношение l / d заготовок, соотношение сил и изменения их в процессе обработки. Имитационное моделирование в настоящей работе основано на прямом описании и анализе процесса образования погрешности обработки и их влияния на формирование и выбор структур операций. Имитационная модель позволила определить область рациональных режимов обработки, структуру операций и выполнить процедуру сравнения и выбора структуры по критериям точности. Имитационная модель, положенная в основу проведения эксперимента, позволила моделировать процесс, подобный реальному процессу обработки вала на токарных станках.

Для формирования и выбора структур операций по критериям точности обработки валов 6-го квалитета были поставлены две серии трехфакторных экспериментов 2^3, что позволило при минимальном числе опытов получить модели связей показателя точности, сил, действующих в технологической системе, и схем обработки. В первой серии экспериментов в качестве факторов исследовано влияние режимов резания на силы, возникающие в технологической системе. Полученные значения сил использованы во второй серии экспериментов в качестве фактора, при установлении влияния относительной длины и погрешности установки заготовки на точность диаметральных размеров валов.

Предложенные модели и учет суммы факторов позволяют определить количественные показатели упругих смещений вала и учитывать их при разработке расчетно-технологических карт. Это потребовало определения точек, в которых упругие смещения превышают допустимые пределы, и использовать их в качестве опорных, в которых производятся либо изменения режимов обработки, либо корректировка координатных перемещений с помощью системы ЧПУ. Таким образом, предложенная методика позволяет формировать структуру операций и управлять процессом обработки на этапах проектирования и производства.

Список использованной литературы

1. Кожуховская Л.Я. Особенности проектирования операций обработки валов в условиях мелкосерийного производства / Л.Я. Кожуховская, Т.И. Перелыгина // Исследование станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 53-58.

2. Кожуховский В.В. Исходные предпосылки для оптимизации процесса токарной обработки «нежестких» валов / В.В. Кожуховский, Т.И. Перелыгина // Современные технологии в машиностроении: сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конф. Пенза, 1998. С. 83-86.