авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Повышение эффективности процесса механической обработки сложнопрофильных поверхностей литейных моделей из древесно-композитных материалов

-- [ Страница 2 ] --

ПСФ гребных винтов представляют собой поверхности двоякой кривизны, основным методом формообразования которых является многокоординатное фрезерование литых заготовок способом построчного огибания. Анализ технологий изготовления крупногабаритных гребных винтов на предприятиях Северного центра судостроения и судоремонта (СЦСС) показал, что основной причиной высокой трудоемкости их изготовления является необходимость систематического устранения возникающих в процессе изготовления погрешностей обработки и дополнительной доводки обработанных ПСФ поверхностей до требуемых норм точности. Операции определения, контроля и выверки конструкторских, технологических и измерительных баз крупногабаритных отливок и готовых изделий очень сложны. Отклонения формы и размеров поверхностей отливки от номинальных ПСФ изделий требуют назначения повышенных неравномерных припусков на механическую обработку. Применяемая на предприятиях СЦСС автоматизированная система контроля величины гарантированного припуска у литых заготовок гребных винтов, позволила частично решить задачу вписываемости теоретической поверхности гребного винта в литую заготовку, но не решила задачу равномерного его распределения по всей ПСФ. Из-за низкого качества отливок, вызванного несовершенством технологий изготовления моделей величина припуска на механическую обработку может отклонятся от расчетной более чем в 5 раз. Равномерностью распределения припуска в пределах обрабатываемой ПСФ во многом определяется точность и качество поверхностей лопастей винтов. Неравномерность повышенных припусков на обработку в условиях пониженной жесткости технологического оборудования формирует систематические наследуемые погрешности обработки, которые могут быть компенсированы только частично за счет различных дополнительных технологических операций, но полностью не устраняются.

Повышение степени приближения формы и размеров ПСФ заготовки и номинальной поверхности изделий возможно на этапе изготовления литейных моделей, когда фактически формируется литейная форма отливки. Литейные модели крупногабаритных изделий с ПСФ, изготавливаемые на основе древесно-композитных материалов, представляют собой сложные многоэлементные конструкции, собираемые из композитных заготовок различной формы и размеров (рис.2). Количество таких заготовок может доходить до нескольких десятков в зависимости от сложности и габаритов модели. Конструкции моделей сложнопрофильных деталей имеют ПСФ, эквидистантно повторяющие поверхности готовых изделий. Отклонения по точности размеров крупногабаритных литейных моделей составляют 0,1-0,2 % от ее номинальных размеров. Для моделей из древесины и древесно-композитных материалов эти требования ужесточаются, поскольку такие конструкции подвержены изменению формы и размеров в зависимости от температурно-влажностных условий окружающей среды.

В результате проведенного анализа технологических процессов изготовления литейных моделей на деревообрабатывающих производствах предприятий СЦСС установлено, что качество формообразующих поверхностей моделей для изделий с ПСФ обеспечивается субъективно, с помощью изготовления многочисленных шаблонов и калибров профилей сечений изготавливаемой поверхности, а эффективность применяемых методов механической обработки при формирования ПСФ определяется квалификацией исполнителей. Основным направлением повышения технологического уровня изготовления изделий с ПСФ может быть применение единого подхода к обработке ПСФ моделей и готовых изделий гребных винтов.

Рисунок 2 - а) номинальная ПСФ лопасти гребного винта, б) литейные модели полуформ из древесно-композитных заготовок.

В технологии механической обработки древесины формообразование сложных поверхностей выполняется на многокоординатных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах), но обрабатываемые поверхности не требуют высокой точности, поскольку в основном производят обработку фасадных поверхностей, узлов мебельных и столярных изделий, операции по декору изделий с несложной формой поверхностей и небольших габаритных размеров деталей.

В результате анализа работ по исследованию технологий механической обработки древесины показано, что процесс резания характеризуется рядом особенностей, связанных с анизотропией физико-механических свойств материала. Это затрудняет процесс его исследования и прежде всего для сложных видов обработки. Отечественная научная школа, выполнившая обширные исследования, связанные с изучением механики, кинематики и динамики резания древесины, дереворежущего инструмента и станочного оборудования, представлена работами А.Л. Бершадского, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенского, Ф.М. Манжоса, Ивановского Е.Г., Кряжева Н.А., Амалицкого В.В., Грубе А.Э., Дерягина Р.В., Решетова Д.Н., Кудинова В.А., Подураева В.Н., Эльясберга М.Е., Жаркова К.П., Вейца В.Л.. Эти работы определили основные подходы к изучению процесса резания, динамики элементов системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД). Их анализ показал, что эффективность технологических процессов механической обработки фрезерованием определяется множеством технологических факторов, совокупность которых определяет условия резания. В процессе формирования поверхности при снятии припуска формируется силовое поле, действующее в зоне резания на элементы системы СПИД. Из-за особенностей кинематики силы резания при фрезеровании носят переменный во времени характер, что в конечном итоге приводит к деформационным отклонениям элементов технологической системы и отражается на качестве обработанной поверхности и стойкости инструмента. Амплитудно-частотные характеристики силового и деформационного полей зависят от технологических условий, связанных с геометрическими параметрами дереворежущего инструмента, физико-механическими свойствами и анизотропией древесины и древесно-композитных материалов, режимами резания и жесткостными, инерционными и демпфирующими характеристиками элементов технологической системы (ТС). При многокоординатной обработке ПСФ технологические факторы являются переменными, что приводит к дополнительной нестационарности условий резания. Учитывая, что траектории подачи фрезы при многокоординатном фрезеровании являются криволинейными, анизотропия физико-механических свойств обрабатываемого материала будет являться значимым фактором при формировании силовой и деформационной нагрузки на инструмент, что существенно усложняет теоретические и экспериментальные исследования процесса. Основные причины возникновения погрешностей обработки по показателям точности, макро- и микро-геометрии обрабатываемых поверхностей можно условно разделить на две основные группы: не связанные с процессом резания и вызванные непосредственно процессом резания. К первой относят причины, связанные с характеристиками технологического оборудования (Ф.М. Манжос, Д.Н.Решетов и др.)– показателями жесткости и точности позиционирования узлов станка, схемой базирования заготовок, воздействиями вызванными дисбалансом инструмента, точностью воспроизведения траектории движения инструмента. Причины, связанные непосредственно с процессом резания, обусловлены особенностями схемы срезания припуска: величиной и направлением подачи, переменным сечением стружки, дискретностью процесса резания, анизотропией древесины и древесно-композитных материалов. Анализ работ по исследованию динамических явлений, возникающих в системе СПИД при обработке и связанный с изучением условий возникновения вибраций и методами их снижения показал, что реальный процесс резания, как совокупность процессов деформации, трения и разрушения, характеризуется наличием колебательных явлений. Эти явления проявляются в относительном колебательном движении режущего инструмента и заготовки, в циклическом изменении силовой и тепловой нагрузок на режущую кромку, в формировании периодического профиля обработанной поверхности. Частоты и амплитуды колебаний определяются условиями резания и не всегда заметны по их внешнему проявлению, но в процессе механической обработки материала присутствуют всегда. Отмечено, что определение природы вибраций при резании, их причинно-следственной взаимосвязи с основными технологическими факторами процесса в конечном итоге позволяют повысить эффективность обработки ПСФ литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов.

В то же время можно отметить, что имеющиеся рекомендации по выбору геометрических и конструктивных параметров дереворежущего инструмента и режимов механической обработки изделий основаны на эмпирических зависимостях (Кряжев Н.А., Грубе А.Э. и др.). Немногочисленные работы, посвященные изучению причинно-следственных связей конструкции инструмента, схемы и режимов резания с возникающими при фрезеровании вибрациями, не отвечают на многие вопросы, связанные с выбором рациональных условий обработки и границами применимости технологических решений.

Определены цель работы и задачи исследования.

Во второй главе приведено научное обоснование и описание имитационной математической модели процесса многокоординатного фрезерования ПСФ моделей из древесно-композитных материалов. При механической обработке режущая часть инструмента выполняет две взаимосвязанные функции: придает номинальной поверхности требуемую форму, т.е. участвует в формообразовании, и удаляет с заготовки припуск. В совокупности обе функции позволяют определить схему резания.

Процесс формообразования ПСФ - это взаимодействие двух сопряженных поверхностей – детали и производящей поверхности инструмента (ИП), рациональная параметризация которых определяет эффективность процесса формообразования. Обработка открытых ПСФ крупногабаритных деталей на многокоординатных станках осуществляется методом построчного 2-параметрического огибания, при котором контакт инструмента и заготовки является точечным. Выбор вида параметризации поверхности определяет вид траектории подачи инструмента и стратегию обработки. Показано, что задача выбора параметризации ПСФ вариативна и в основном определяется формообразующей системой станка.

Срезание с заготовки припуска связано с возникновением сил резания и деформаций элементов системы СПИД. На основании выполненного ранее анализа научных работ определены основные технологические факторы процесса многокоординатного фрезерования ПСФ, структура и функциональные связи которых показаны на рисунке 3.

  Функциональные связи-3

Рисунок 3 – Функциональные связи технологических факторов и показателей процесса многокоординатного фрезерования ПСФ.

Совокупность представленных технологических факторов образует факторное пространство, точки в котором определяют конкретные технологические условия обработки. Анализ взаимосвязей факторов позволил определить методологический подход к построению имитационной математической модели многокоординатного фрезерования ПСФ древесно-композитных заготовок на основе математического описания кинематики процесса срезания припуска с заготовки при многокоординатном фрезеровании древесины как анизотропного материала.

Инструментальная поверхность фрезы (ИП) в векторно-параметрическом виде может быть описана уравнением:

, (1)

где - радиус-вектор точек ИП в криволинейных координатах u и , u – скалярный параметр высоты профиля, - угол поворота осевого профиля относительно оси OZ, f(u) – уравнение осевого профиля фрезы,, ,,- орты осей системы координат инструмента (СКИ) (рис. 4).

 ИП дереворежущей фрезы в-9

Рисунок 2 - ИП дереворежущей фрезы в системе координат инструмента.

При фрезеровании ПСФ методом построчного огибания используются копировальные концевые и торцовые дереворежущие фрезы с прямолинейной и с криволинейным профилем. Режущая кромка k-го ножа фрезы описана во внутренних криволинейных координатах ИП u и в виде:

(2)

где k – угол, определяющий положение лезвия в плоскости переднего торца фрезы, - угол наклона лезвия.

Векторно-параметрический способ (1,2) описания геометрических характеристик инструмента позволяет перейти к описанию кинематики процесса резания введением параметра времени t:

=t, (3)

где - угловая частота вращения фрезы.

При построении кинематической модели процесса многокоординатного фрезерования использован дискретный аналог формул (1) и (2). Для чего было произведено разбиение рабочих лезвий инструмента на дискретные режущие элементы (рис.5,6) вдоль оси в направлении параметра u. Каждый такой элемент характеризуется тройкой целых чисел (координат) (i, j, k): i - номер положения элемента вдоль оси фрезы (осевое положение элемента); j - номер углового положения элемента (в направлении изменения параметра ) ; k - номер лезвия, которому принадлежит элемент. Положение "кольцевого" режущего элемента вдоль оси OZ определится как:

z=ii, (6)

где i=L/Ni, Ni - общее количество режущих элементов в осевом направлении.

 Схема разбиения рабочей части-11

Рисунок 3 - Схема разбиения рабочей части фрезерного инструмента на дискретные элементы.

"Мгновенное" положение элемента на дуге контакта фрезы и заготовки определяется углом (i,j,k) относительно оси OX СКИ:

(7)

где - текущее угловое положение элемента при i=1, k=1, - дискретность расчета углового положения (времени), N - количество резцов фрезы, b(i,j,k)= i - ширина элемента, R(i) - радиус фрезы, соответствующий i-му осевому положению элемента; (k) - угол наклона режущей кромки k-го ножа, G(k)- угловой шаг k-го ножа. Выражение (7) имеет универсальный характер и применимо для фрез различного вида: с прямолинейными и криволинейными образующими, разнонаправленными ножами, с переменным угловым шагом зубьев. В выражении (7) первый член определяет положение торца k-го ножа в j-ом угловом положении (в tj -ый момент времени), а второй характеризует угол поворота элемента вдоль режущей кромки k-го ножа, который связан с углом (k). Угол (i,j,k) определен в пределах угла контакта фрезы с заготовкой и зависит от схемы обработки.

Для определения сил резания при фрезеровании древесины использованы мгновенные силы резания, величина которых определяется мгновенным сечением срезаемого слоя. Каждый слой припуска, срезаемый режущей кромкой инструмента, заключен между двумя соседними поверхностями резания. Для описания кинематической схемы многокоординатного фрезерования ПСФ моделей произведено совмещение плоскости YOZ СКИ с вектором, касательным к траектории подачи инструмента вдоль строки.

Известно, что толщина среза на i,j,k-ом элементе, участвующем в резании, с учетом величины подачи на резец Szk, определится выражением:

(8)

где (i) – угол осевого профиля i-го элемента, - угол между осью фрезы и нормалью к поверхности (угол атаки). Угол зависит от вида фрезерования: для прямолинейных подач при обработке плоскостей и в случае плоской обработки по контуру =0, при 3-х координатной обработке const, при 5-координатной - обычно const0.

Подача на резец является величиной непостоянной для фрез с неравномерным окружным шагом зубьев (А.Э.Грубе) и в общем случае определится как

(9)

где Sоб =Sмин/(60) – величина подачи на оборот фрезы, - частота вращения фрезы. Следует отметить, что современные системы ЧПУ станков позволяют менять величину минутной подачи вдоль траектории, поэтом величины формулы 9 могут меняться вдоль траектории. обусловлена кривизной траектории подачи инструмента (рис.7). Для каждого значения угла (i,j,k) определялись элементарные толщина и ширина b(i,j,k) сечения среза, приходящаяся на i,j,k –ый режущий элемент по формулам:

(10)

Условием нахождения режущего элемента в контакте с заготовкой являются:

Изменение углового положения элемента за счет изменения параметра j позволило представлять вращение фрезы в каждый момент времени и определять элементарные толщину и ширину среза.

 а) б) в) Расчетные схемы-22

а)

б) в)

Рисунок 7 - Расчетные схемы определения подачи на оборот при многокоординатном фрезеровании анизотропных материалов: а) – схема многокоординатного фрезерования методом построчного огибания, б) - сечение обрабатываемой поверхности нормальной плоскостью; в)- сечение обрабатываемой поверхности касательной плоскостью.

Переход к определению силовых параметров процесса фрезерования осуществлен с учетом того, что элементарные силы резания пропорциональны сечению срезаемого слоя с коэффициентом k, называемым удельной силой резания. Коэффициенты, определяющие радиальную Fr и осевую Fo составляющие, приняты пропорциональными окружной составляющей. Удельная сила резания определяется физико-механическими свойствами древесины и зависит от направления подачи инструмента по отношению к направлению волокон. Поэтому для моделирования сил резания с учетом анизотропии материала «мгновенный» коэффициент удельной силы резания вычислялся как среднегеометрическое значение трех составляющих:

,

где kt||, kt, kt=, - коэффициенты удельных сил продольного, поперечного фрезерования и фрезерования в торец соответственно; ||, , = - проекции единичного вектора, касательного к траектории подачи инструмента, на направления, связанные с ориентацией волокон обрабатываемой древесины (рис.10).

 а) б)  Элементарные силы-25

а)

 б)  Элементарные силы резания,-26

б)

Рисунок 10 – Элементарные силы резания, приведенные к дискретному элементу (а), схема определения коэффициента удельной силы резания при криволинейной траектории подачи (б).

Элементарные составляющие силы резания Ft(i,j,k), Fr(i,j,k), Fo(i,j,k) приводились к осям XYZ СКИ, затем производили суммирование всех элементарных сил в системе координат, связанной с вращающимися резцами фрезы и СКИ по всем элементам и всем резцам, в результате чего определяли полные мгновенные силы Ft(j), Fr(j), Fo(j), FX(j), FY(j), FZ(j) в j-ом угловом положении. Рассчитанные значения ширины и толщины срезаемого слоя использовали в дальнейшем при расчете динамических характеристик процесса.

Особенностью процесса фрезерования с при формировании силового воздействия на упругую систему станка (УСС) является:

- силовое поле формируется в результате одновременной работы нескольких резцов, каждый из которых создает силовой импульс длительностью, равной времени контакта его с заготовкой;



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.