инструмент и оборудование
Ю.В. ТРОФИМОВ,
аспирант, Воронежский государственный технический университет
Процесс модернизации отечественных предприятий, производящих нефтегазовое, нефтехимическое, буровое оборудование и арматуру, приобретает необратимый характер.
Анализируя приобретаемый парк станков (Okuma&Howa, Trevisan, Fanuc, Chiron, Ibarmia и др.) можно сделать вывод, что технологические службы в определенной мере связывают улучшение своих производственных показателей с многошпиндельными обрабатывающими центрами (МОЦ), которые находят широкое применение в современной металлообрабатывающей промышленности. Такие станки позволяют достичь значительного повышения производительности обработки и снижения стоимости содержания машинного парка при умеренном повышении затрат на оснащение производства.
Применение двухшпиндельных обрабатывающих центров
APPLICATION OF BISPINDLE PROCESSING CENTRES
Y. TROFIMOV, Voronezh state technical university
The article deals with the peculiarities of the double spindle milling regarding dynamical behavior of the system machine tool — process. The causes of lower dynamical stability during the processing with two spindles in comparison to the one of conventional processing with single spindle are analysed. The modeling tool for the double spindle processing is offered. In conclusion a method of increasing of dynamical stability is discussed.
Увеличение эффективности технологических процессов, в частности гибридных, и получение соответствующего экономического эффекта от внедрения МОЦ имеет ярко выраженную специфику, определяемую более низкой, в сравнении с конвенциональными, одношпиндельными станками, динамической стабильностью. Этот негативный аспект обусловлен наличием в структуре станка дополнительных шпинделей, которые в процессе обработки оказывают взаимное влияние друг на друга (рис. 1). К тому же структура МОЦ подвергается одновременному динамическому силовому воздействию от нескольких источников, что при постоянном демпфировании в системе приводит к нестабильному динамическому состоянию при резании гораздо быстрее.
Результатом может явиться неудовлетворительное качество поверхности обработанной детали, преждевременный износ или разрушение инструмента и в экстремальных случаях повреждение станка. Уменьшение силовых и скоростных процессов резания с целью обеспечения гарантированных показателей обработки на стабильных режимах ведет, как правило, к снижению производительности, из-за чего общая мощность станка не может быть использована в полной мере.
Одной из технологических возможностей повышения производительности станка при сохранении стабильности обработки является определение оптимальных параметров резания для конкретного процесса обработки, таких как глубина резания, скорость вращения шпинделя, подача на зуб (при фрезеровании). Основным технологическим средством выбора настроек станка для выполнения конкретной операции на стабильных режимах являются карты стабильных состояний (КСС) (рис. 2). КСС представляют собой график, показывающий границу стабильных состояний станка в зависимости от выбранной глубины резания и скорости вращения инструмента (заготовки
при точении). Практическое составление подобной карты стабильности очень трудоемко и сопряжено со значительными расходами, т. к. станок должен быть выведен из производственного цикла на довольно продолжительное время для проведения исследований.
Исходя из этого, важной исследовательской задачей представляются изучение особенностей динамического поведения МОЦ и разработка программы расчета, позволяющей разрабатывать карты стабильности без проведения трудоемкой тестовой обработки. Такая программа позволит автоматизировать
Рис. 1. Динамические системы структуры станка — процесс для одно- и двухшпиндельных обрабатывающих центров
6
„5
Z-
г
I3
я 1 2
I $ Ф т
□ □ □ о с Í ( 1 1 i 1 1
llil lili ) о □ Ь-jLQ ^ - г ТаТ Y7T тт □ о и д ♦ Дф \У 1 ф ф
m а£сеооф о о О О ф 1 ! ф ф ф Ф
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 ВООО 9000 10000 Частота вращения шпинделя [об, в минуту}
0 100 200 300 400 500 600
Скорость резания [м/мин] □ нестабильно ♦ граница стабильности о стабильно — моделирование Условия эксперимента Станок: .
Вертикальный МОЦ Инструмент:
Концевая фреза с 2 режущими »_ пластинами Диаметр D: 25 мм Длина вылета L: 50 мм
Алюминий
Рис. 2. Экспериментальная и расчетная разработка карты стабильных состоянии
инструмент и оборудование ^
процесс подбора оптимальных настроек станка на конкретную производственную операцию и тем самым повысить уровень динамической стабильности при обработке деталей на многошпиндельных станках. В объеме представленного исследования в качестве станочной базы были выбраны вертикальные МОЦ, обладающие большей динамической чувствительностью по сравнению с горизонтальными МОЦ.
Расчет карт стабильных состояний для конвенциональной одношпиндельной фрезерной обработки не является новой научной проблемой и довольно популярно освещен в технической литературе [1, 2]. В большинстве современных металлообрабатывающих станков наступление нестабильного динамического состояния связано с возникновением в процессе обработки раттер-эффекта.
Данный феномен обусловлен динамическими колебаниями величины силы резания в процессе обработки, в результате чего с поверхности заготовки срезается различное количество материала, что ведет к образованию волнообразной формы. Вследствие повторного врезания инструмента в такую поверхность система станка подвергается динамическому возбуждению, которое может либо усиливаться, что приводит к наступлению нестабильного состояния, либо затухать, что является следствием достаточного демпфирования в системе. На рис. 3 приведен контур регулирования, с помощью которого описывается раттер-эффект при точении. В прямой ветви контура находится блок приведенной динамической податливости структуры станка, устанавливающий взаимосвязь между динамической силой резания и динамическим перемещением вершины резца. В обратной ветви отражен процесс резания, в котором учитываются актуальная и уже имеющаяся волнистость на поверхности заготовки, а также степень наложения двух последовательных врезаний инструмента в поверхность (р = 1 при отрезке, р = 0 при нарезании резьбы). Разность двух указанных профилей поверхности заготовки определяет актуальное динамическое изменение толщины стружки. Далее, путем перемножения с динамическим коэффициентом силы резания и с глубиной резания из динамического изменения толщины срезаемого слоя материала может быть рассчитана динамическая сила резания.
Замкнутый регулировочный контур позволяет определять величину моментального динамического перемещения вершины резца в зависимости от динамической силы резания и таким образом вести компьютерную симуляцию процесса резания с возможностью установления наступления нестабильного состояния .
Проблема симуляции двухшпиндельной обработки оказывается много сложнее, так как необходимо математически описать взаимодействие двух рабочих шпинделей друг на друга. Для этого контур регулирования должен содержать часть, описывающую динамический процесс обработки на втором шпинделе, равно как и передаточные функции, отражающие перемещения вершины резца в направлении изменения толщины срезаемого слоя вследствие действия динамической силы резания на противоположном шпинделе. Физическая модель, описывающая данный процесс, представлена на рис. 4.
Как видно из рис. 4, динамическое перемещение вершины режущей кромки под действием возникающих в процессе обработки динамических усилий определяется, с одной стороны, динамической податливостью шпинделей и с другой — динамической податливостью стола станка или приспособления, фиксирующего заготовку. Поэтому расчет приведенных
Рис. 3. Контур регулирования, описывающий раттер-эффект [1]
Рис. 4. Динамическая система при двухшпиндельной фрезерной обработке
Карта стабильности для двухшпиндельной обработки по оси X
Шп 1 +2. инструмент 1 -*—Шп 1 +2. инструмент 2 Расчет. Шп 1*2
Л- Л /.-А. >
\ ^ V-11 К .и
ям
Частота ерзщемии
ЗОИ
[об. в иииуту]
Рис. 5. Рассчитанные и экспериментальные карты стабильных состояний станка
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) вертикального двухшпиндельного обрабатывающего центра
передаточных функций (ППФ) для имитационной программы осуществляется путем нахождения разности двух амплитудо-
инструмент и оборудование
частотных характеристик в комплексном пространстве. Данные ППФ представляют собой относительное перемещение инструмента и стола (приспособления) станка с учетом фазы и амплитуды динамической податливости и определяются посредством измерений на
Рис. 7. Конструкция пассивной
демпфирующей системы станке или расчетов методом мультиэлементного имитационного моделирования.
Рассчитанные по приведенной схеме карты стабильных состояний показаны на рис. 5. Наблюдается достаточно хорошая корреляция с картами стабильности, полученными в ходе тестовой обработки. Как видно, на частотах вращения 2600 — 2700 об/мин. и 2300 об/мин. заметны различия между рассчитанной и реальной граничной глубиной резания. Данные несоответствия объясняются изменением динамического коэффициента режущей силы и скорости резания, а также повышением границы стабильных состояний станка вследствие износа инструмента. К этому следует добавить определенную частотную погрешность измерений амплитудно-частотной (АЧХ) и амплитудно-фазовой (АФХ) характеристик, которые являются исходными данными при расчете передаточных функций для моделирования. Данная погрешность вызывает смещение максимумов и минимумов карты стабильности относительно оси скоростей вращения.
Предлагаемым способом повышения динамической жесткости и, вместе с тем, расширения границ стабильных состояний станка является разработка специализированной внешней пассивной демпфирующей системы (ВПД). Данная
Рис. 8. Внешний пассивный демпфер, встроенный в структуру станка
Рис. 9. Карта стабильных состояний с применением и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.