Предложен расчет токарной обработки и обоснована возможность регулирования точности токарной обработки не жестких валов за счет изменения величины подачи с учетом оперативной информации о физико-механических и технологических свойствах контактной пары. Точность обработки на токарных станках и способы ее повышения, на сегодняшний момент является одним из наиболее актуальных вопросов в технологии машиностроения и теории резания. Станочное оборудование, оснащенное системами ЧПУ на базе персональных компьютеров, обладает высокой дискретностью перемещений, функциями корректировки траекторий движения резца, учета износа режущей кромки и т. д. Однако, несмотря на все технические возможности, точность обработки поверхности деталей не всегда соответствует заданной.
В настоящее время вопросами точности, с которой происходит обработка деталей на токарных станках, занимаются различные авторы: В. И. Жиганов, Ю. Н. Санкин, В. А. Лизогуб, А. А. Кобзев, Л. К. Генералов и многие другие. Их работы связаны с повышением точности обработки за счет увеличения жесткости технологической системы и балансировки; исследованием влияния узлов токарных станков на точность обработки, а также проектированием новых узлов; анализом инерционности существующих систем и созданием динамических моделей для регулирования реального процесса резания. Также рассматривается вопрос - эффективный расчет режимов токарной обработки.Отдельно стоит отметить работы В. В. Юркевича, разработавшего 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 на токарных станках при данном методе регулирования обеспечивается за счет изменения траектории оси детали или движения резца. В. В. Юркевич также спроектировал устройство для измерения силы резания, значения которой необходимы для регулирования точности. Это устройство производит расчет токарной обработки и измеряет изменения положения оси заготовки во время обработки, а на основе выведенных закономерностей с помощью программного комплекса рассчитывает текущие значения силы резания.
Анализируя указанные работы, следует отметить, что основная часть исследований может иметь хорошие практические результаты, но, как правило, лишь в рамках отдельно взятой лаборатории. Это связано с достаточно высокой стоимостью устанавливаемых измерительных датчиков, оборудования, программного обеспечения и высокой квалификацией исполнителей.
При точении деталей типа «вал» под действием радиальной составляющей силы резания Py возникает прогиб Ус, из-за которого в процессе обработки неизбежно появляются не точность обработки поверхности деталей, такие как бочкообразность и конусообразность. Снизить и определить величину данных погрешностей можно, используя различные способы закрепления, которые сводятся к четырем основным схемам:
- схема 1 – закрепление детали в патроне или на оправке консольно: схема закрепления показана в виде консольной балки, защемленной одним концом и нагруженной сосредоточенной силой Py (радиальной составляющей силы резания);
- схема 2 – закрепление детали в патроне или на оправке с поджатием свободного конца центром задней бабки (с опорой свободного конца на люнет);
- схема 3 – закрепление детали в центрах без люнета;
- схема 4 – закрепление детали в центрах с люнетом в середине пролета.
Прогиб под действием силы резания для каждого из приведенных выше случаев определяется по формулам (1–4) соответственно:
где Lзаг – длина детали, выступающей из патрона, мм; Xp – расстояние от правого торца до места приложения силы, мм; E - модуль нормальной упругости, кг/мм2; j – момент инерции сечения заготовки в месте прогиба в мм4.
Обработка деталей на токарных станках должна выполняться в условиях максимальной фиксации. Прогиб Ус не должен превышать допустимой величины прогиба [y], которая в свою очередь зависит от установленного уровня относительной геометрической точности:
Ус < [У] (5)
Для цилиндричности, круглости и профиля продольного сечения относительная геометрическая точность для уровней A, B и C составляет 30, 20 и 12 % соответственно, так как эти отклонения относятся к радиусу, а отклонения радиуса – к диаметру. Тогда, учитывая вышесказанное, при продольном точении валов справедливо следующее выражение:
[У] А,В,С < k A,B,C * Td (6)
где Td – допуск на размер, kA,B,C – относительная геометрическая точность.
Анализируя приведенные выше формулы (1–4), можно отметить, что наибольшую ошибку в расчет прогиба заготовки влияющую на точность обработки на токарных станках, вносит величина радиальной составляющей силы резания Py. Расхождения в значениях Py при расчете по разным справочникам достигают 200 % и более. Неточности же в определении геометрических размеров и механических характеристик крайне малы, и вносимая ими погрешность составляет менее 10 %.
В общем виде формулу для расчета сил резания можно записать:
Ру = Сру * tx * Sy * Vz * Kру (7)
Причина ошибок традиционных методов расчета силы резания заключается в неполном учете влияния колебания свойств обрабатываемого и инструментального материалов внутри их марочного состава на силы резания. Коэффициент, учитывающий влияние инструментального и обрабатываемого материала на силы резания, принят постоянным, однако колебание химического состава в пределах допуска может приводить к существенным изменениям физикомеханических свойств контактной пары инструмент–заготовка. Согласно положениям условной схемы резания, предполагается, что с ростом предела прочности обрабатываемого материала составляющие силы резания будут возрастать. Однако практика показывает, что это предположение не работает при скоростях выше зоны наростообразования, при которых теряется точность обработки поверхности деталей . Это связано с тем, что в условиях высокоскоростного резания интегральная сумма сил, действующих на переднюю грань инструмента, определяется не только величиной действующих напряжений, но и суммарной длиной участков пластического и вязкого контакта, что определяется теплопроводностью контактируемых пар.
В некоторых исследованиях предлагается альтернативный термоэлектрический способ определения составляющих силы резания. Суть метода заключается в получении данных о термоЭДС каждой контактной пары «инструмент–заготовка» во время пробного прохода на определенных режимах резания и расчете значений силы резания по измененным зависимостям. В этом способе величина термоЭДС используется не как традиционная характеристика уровня температур в зоне резания, а как интегральный показатель физико-механических свойств конкретной контактной пары. Кратковременный пробный проход является своеобразным предварительным тестированием свойств заготовки и резца, а величина термоЭДС – мерой соотношения этих свойств.
Формула расчета Py принимает следующий вид:
Px,y,z = (Ay+ky * E) * tXp * Syp * Vzp, (8)
где E – термоЭДС, измеренная при пробном проходе, мВ; Ay, ky – постоянные, определенные из условий обработки.
Ошибка расчета составляющих силы резания по предлагаемому способу составляет 12–15 %, что значительно меньше по сравнению с традиционными методиками расчета. Получение оперативной информации из зоны резания о свойствах каждой контактной пары позволяет, используя формулы (1–4), обеспечить более надежный расчет токарной обработки и ее параметров точности.
Таким образом, очевидно, что, зная достоверно значение силы резания и регулируя значения подачи, глубины или скорости резания, можно добиться необходимых результатов по точности обработки. При уменьшении подачи существенные потери возникают лишь в производительности процесса обработки, качество поверхности при этом улучшается. Следовательно, выгоднее всего регулировать точность, изменяя значение подачи S.
Регулировать точность обработки поверхности деталей изменением подачи может быть выполнено несколькими способами (рис. 1):
- а) определение подачи по максимальному значению прогиба заготовки. Тогда подача на протяжении обработки конкретной ступени вала будет постоянна. Такой подход достаточно прост, но сопровождается большой потерей производительности.
- б) плавное регулирование подачи пропорционально изменению значения прогиба заготовки на пути следования резца. Данный способ наиболее выгоден в плане производительности, но и наиболее сложен с точки зрения реализации в системе ЧПУ. Величина подачи в каждой координате определяется из выражений (1–4) и (8).
- в) ступенчатое регулирование подачи. Через некоторый отрезок пути резца подача будет изменяться, исходя из значений прогиба заготовки в конкретной координате. Способ достаточно прост с точки зрения реализации, а потери производительности тем меньше, чем меньше принятая длина одного отрезка.
Рис. 1. Способы регулирования точности за счет изменения подачи
Нормирование технологических переходов при ступенчатом регулировании подачи на стадии проектирования технологического процесса можно осуществлять по средней величине подачи.
Ранее, в работах был предложен алгоритм коррекции износа резца по усилию резания за счет изменения значения подачи. По сути, этот алгоритм реализует способ плавного регулирования подачи и (в несколько адаптированном к вышеописанному термоэлектрическому методу коррекции точности виде) включает следующие этапы:
- 1. Определение в соответствии с параметрами обрабатываемой поверхности расчетного значения силы резания Pyр и режимов обработки.
- 2. Выполнение пробного прохода (несколько оборотов) на указанных в управляющей программе режимах резания.
- 3. Измерение с помощью датчика обратной связи, фактической величина силы резания Pyф в зоне контакта инструмент–заготовка.
- 4. Сравнение в блоке коррекции программы системы ЧПУ, сравнение значений фактической и расчетной силы резания. В случае несовпадения значений Pyф и Pyр выполняется регулирование подачи S по принципу: если Pyф > Pyр, то значение подачи уменьшается; если Pyф < Pyр, то значение подачи увеличивается; если Pyф = Pyр, то значение подачи остается неизменным. Функциональная схема регулирования подачи в типовой системе ЧПУ представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема регулирования подачи в типовой системе ЧПУ
Таким образом, применение альтернативного метода расчета режимов резания позволяет повысить точность токарной обработки не жестких валов за счет уменьшения ошибки в расчете радиальной составляющей силы Py. На основе описанного выше способа регулировать точность обработки на токарных станках можно разработать программный модуль и встроить его в систему ЧПУ станка. Данные о значениях термоЭДС различных сочетаний контактных пар инструмент–заготовка необходимо дополнять и систематизировать, что позволит технологам производить расчет токарной обработки с большей степенью надежности уже на стадии проектирования.
The analysis of the literature and propose an alternative way to control the accuracy of turning non-rigid shafts due to change of the value of feed.
