авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< 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

Улучшение качества фрезерованных деталей мебели на основе снижения вибрации технологического оборудования

На правах рукописи

Воробьев Анатолий Анатольевич УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ФРЕЗЕРОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕБЕЛИ НА ОСНОВЕ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Специальность 05.21.05 – «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск – 2010 2

Работа выполнена на кафедре cтанков и инструментов Сибирского государ ственного технологического университета Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Филиппов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор Ермолович Александр Геннадьевич – кандидат технических наук Майснер Дмитрий Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Братский государственный технический университет», г. Братск

Защита диссертации состоится «11» февраля 2011 г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д212.253.04 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира 82, СибГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государст венного технологического университета Автореферат разослан « » декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Мелешко А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Условия современного производства диктуют по вышенные требования к качеству обработки заготовок мебели из цельной древесины, что предполагает совершенствование режимов обработки и кон струкций дереворежущих станков. При проектировании технологических процессов операции фрезерования и средств технологического оснащения необходимо учитывать множество факторов, влияющих на точность и каче ство обработки, среди которых немаловажную роль играет вибрация меха низмов станка, в первую очередь, это вибрация механизма резания. Причи ной снижения производительности и неудовлетворительного качества по верхности обработанной детали чаще всего становится вибрация главных механизмов станка, при которой изменяется траектория движения режущего инструмента, следствием чего является увеличение глубины микронеровно стей, характеризующей шероховатость поверхности. Исследования в данном направлении являются актуальными, так как они реализуют задачу повыше ния производительности и качества получаемых деталей мебели в процессе фрезерования. Работа подпадает под действие федеральной целевой про граммы «Национальная производственная база» на 2007-2011 г., утвержден ная постановлением Правительства Российской федерации № 54 от 29.01.2007 г.

Объектом исследования являются технологический процесс цилинд рического фрезерования деталей мебели. Предметом исследования является шероховатость и точность фрезерованных деталей из массивной древесины, компоненты виброактивности станка.

Цель работы. Повышение качества фрезерованных деталей мебели на основе снижения и регламентации амплитуд компонент вибрации технологи ческого оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за дачи:

1. Разработать математическую модель связи параметра шероховатости для операции фрезерования деталей с компонентами вибрации станка.

2. Получить уравнения для определения компонент вибрации станка на стадии его проектирования в зависимости от его линейно-массовых парамет ров.

3. Составить уравнения регрессии, описывающие влияние основных ре жимных факторов процесса резания: частоты вращения шпинделя, скорости подачи, глубины фрезерования на виброскорость, виброускорение и шерохо ватость.

4. Создать методику определения класса точности и класса вибрации фрезерных станков.

5. Разработать рекомендацию по нормированию вибрации фрезерных станков.

Научная новизна Основные результаты, выводы и практические рекомендации, имею щиеся в диссертационной работе, базируются на данных математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на основе теории планирования экспериментов.

1. Получены математические модели для оценки качества процесса фре зерования древесины, характеризуемые связью параметра шероховатости по верхности с компонентами вибрации станка: виброскоростью и виброускоре нием.

2. Определен параметр, характеризующий изменение свойства древеси ны при напряженно – деформированном состоянии в физическом процессе снятия стружки и формообразования контура деталей.

3. Предложена и теоретически обоснована методика управления сниже нием виброактивности фрезерных станков на стадии их проектирования.

4. Разработаны уравнения регрессии, устанавливающие связь режимных факторов фрезерования на виброскорость, виброускорение и шероховатость обработанной поверхности.

Практическая значимость работы На основе выполненных исследований разработаны:

- рекомендация по нормированию 2-х компонент вибрации в зоне реза ния и базирования заготовки;

- технология управления снижением виброактивности фрезерного станка на стадии его проектирования и эксплуатации;

- алгоритмы и программы для: определения силовых и мощностных по казателей процесса фрезерования;

расчета вибрационных характеристик ме ханизмов резания по их сборочным чертежам и параметра шероховатости обработанной поверхности;

расчета и анализа уравнений регрессии для на хождения рациональных режимов фрезерования;



определения массы и места установки груза для проведения динамической балансировки шпинделя.

Личный вклад автора в исследование заключается в разработке основ ных положений, определяющих научную новизну и практическую значи мость, в определении цели и задач работы. Основные научные результаты работы получены лично автором, результаты совместных исследований снабжены ссылками на соответствующие источники.

Реализация работы. Результаты работы использованы предприятием ООО «ДСК» в производстве столярных изделий, а также производственным объединением «ВиК» при паспортизации технического состояния технологи ческого оборудования, работающего на операциях фрезерования брусковых деталей. А также внедрены в учебный процесс по специальности «Машины и оборудование лесного комплекса».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математические модели зависимости качества обработки поверхности брусковых деталей от двух компонент вибрации станка.

2. Введение в анализ параметра технологических и физических свойств древесины, характеризующего напряженно – деформированное состояние динамической системы в процессе фрезерования с вибрацией.

3. Функциональные зависимости и уравнения для определения компо нент вибрации станка на стадии проектирования.

4. Уравнения регрессии связи параметров качества и компонент вибра ции от режимных факторов процесса цилиндрического фрезерования.

5. Двухкомпонентные нормативы вибрации станков фрезерной группы.

6. Методика управления снижением виброактивности фрезерных стан ков на основе динамической балансировки.

7. Методика определения рациональных режимов фрезерования.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладыва лись на всероссийской научно – практической конференции «Химико - лес ной комплекс – проблемы и решения» (СибГТУ, 2007), на научно практической конференции студентов и молодых ученых (СибГТУ, 2008), международных конференциях (Брянск, 2007-2009;

Томск, 2009;

Пенза, 2010), на семинарах кафедры станков и инструментов СибГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов по разде лам, заключения, списка использованных источников из 146 наименований и 9 приложений. Диссертация изложена на 186 страницах и содержит 97 ри сунков и 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследования проблемы качества деталей мебели в зависимости от компонент вибрации при обработке на станках фрезерного типа;

дана общая характеристика решаемой проблемы.

В первом разделе диссертационной работы приведен обзор и анализ ос новных теоретических положений и концепций по тематике исследования, как для дереворежущих, так и для металлорежущих станков. Исследование вибрации, сопровождающей процесс резания древесины, представлены в на учных трудах проф. Амалицкого В.В., Бершадского А.Л., Грубе А.Э., Санева В.И., Дешевого М.А., Маковского Н.В., Санникова А.А., Манжоса Ф.М., Фи липпова Ю.А. и других. По выявленной цели исследования выбраны объект, предмет и методы исследования. Рассмотрена первичная математическая мо дель процесса фрезерования древесины, с отражением основных влияющих факторов. На основании проведенного анализа научных работ по направле нию исследования, была составлена классификация основных влияющих факторов и сделаны следующие выводы:

1. При проектировании и изготовлении современных фрезерных станков производится неполный анализ их виброактивности, вследствие недостаточ ного наличия научных рекомендаций.

2. При эксплуатации оборудования не производятся замеры показателей вибрации, таких как виброскорость и виброускорение в виду отсутствия тех нического регламента.

3. Отсутствуют регламентные нормы вибрации на станки фрезерной группы.

Выдвинута гипотеза о численной связи параметра шероховатости с ком понентами вибрации станка и напряженно-деформированном состоянии дре весины. Определена цель и задачи исследования.

Во втором разделе представлены теоретические разработки и основные соотношения показателя шероховатости обработанной поверхности с компо нентами вибрации на основании полученных математических моделей коор динатного перемещения оси шпинделя горизонтального консольно – фрезер ного станка.

Первичную целевую статическую функцию шероховатости фрезерован ной поверхности детали можно записать в виде Ra i T, (1) где i - коэффициент связи, зависящий от класса точности станка;

T - опера ционный допуск на размер детали, мм.

Параметр требуемой точности экспериментальной установки TC, ис пользуемого для исследования процесса фрезерования заготовки, можно представить функцией TC / Т, (2) где T ES EI - для охватывающих размеров, или T es ei - для охватывае мых размеров После преобразования функции (2) получаем 0,3 (1 t ) Ra 10 t, (3) TC Rt где - параметр геометрической точности экспериментальной установки;





t фактическое отработанное станком время;

Rt - ресурс технологической точно сти станка;

Ra - шероховатость контактирующих деталей механизма резания станка, изменяющаяся от времени его эксплуатации.

При этом ресурс технологической точности определяется по выражению (4) Rt CM K СМ K МИ KТС K КС K В K Д KV,5 /( nC 1) (4), где CM - видовая константа, отражающая ремонтный цикл станка;

KСМ - коэф фициент, характеризующий обрабатываемый материал;

KМИ - коэффициент, характеризующий материал режущего инструмента;

KТС - коэффициент, ха рактеризующий класс точности станка;

K КС - коэффициент, характеризующий массу конструкции станка;

K В - коэффициент, учитывающий возраст стан ка;

K Д - коэффициент долговечности;

K V - коэффициент, характеризующий вибрационные процессы;

nC - число средних ремонтов в ремонтном цикле.

Уравнения (1), (2) и (3) отражают теоретические подходы для описания шероховатости поверхности без увязки параметров с вибрационными про цессами. Известно, что компоненты вибрации в механических системах опи сываются первым динамическим уравнением виброперемещения точки и (или) поверхности в общем случае согласно ГОСТ SV S0 sin( t ), (5) где S 0 - начальная амплитуда поперечных колебаний механизма резания;

( t ) - фазовый угол;

- угловая скорость;

- начальный угол;

t - время.

Вторым кинематическим уравнением, описывающим динамическое из менение компоненты виброскорости можно записать в виде VV SV cos( t ). (6) Из общего курса классической механики известно, что функция скоро сти, в общем случае является первой производной от перемещения S по вре мени t (7) V dS / dt Анализ механики технологического процесса фрезерования древесины и физических явлений при стружкообразовании позволяет представить функ цию (7) в следующем виде t SV VV dt, (8) t где SV - виброперемещение режущего инструмента;

VV - виброскорость ме ханизма главного движения;

t 0 и t1 - характерное время процесса.

Параметр шероховатости Rz оценивается величиной суммы максималь ного выступа неровности и значением наибольшей впадины от нейтральной линии, что эквивалентно размаху колебания или двойной амплитуде вибро перемещения (рисунок 1).

Рисунок 1 – Сравнение амплитуды виброперемещения и параметра ше роховатости Таким образом, можно записать, что значение параметра шероховатости равно удвоенной амплитуде виброперемещения Rz 2 SV (9) Подставляя вместо SV его значение, согласно формуле (8) получим t Rz 2 VV dt (10) t x Так как VV =const, t0=0, а также t1 60 /(n z ), тогда учитывая особенности процесса резания древесины и динамики стружкообразования при фрезеро вании после преобразования уравнения (10) получаем базовое уравнение ше роховатости в зависимости от пиковой виброскорости Rz 120 VSP k / n z x, (11) где VSP - пиковая виброскорость механизма главного движения, мкм/с;

- па раметр технологических свойств, зависящий от механических характеристик древесины и породы;

k - коэффициент динамичности, зависящий от частот ных характеристик упругой системы станка и режущего инструмента;

n - час тота вращения шпинделя с инструментом, мин-1;

z - число зубьев в инстру менте;

x - показатель степени, который характеризует качество подготовки режущего инструмента x 3 - для прецизионного инструмента;

x 2 - для твердосплавного инструмента;

x 1 - для быстрорежущего инструмента;

Параметр технологических и физических свойств древесины входящий в уравнения (11), определим из соотношения напряжений в зоне резания, вне дрения режущей кромки в древесину по формуле max / 0, (12) где max - максимальное напряжение в зоне резания, Н/мм2;

0 - начальное напряжение в момент контакта лезвия резца с древесиной, Н/мм2.

Численное значение величин напряжений можно получить методом ко нечных элементов в прикладной программе SolidWorks по твердотельной модели процесса фрезерования с заданными параметрами породы древесины (рисунок 2). Для определения силовых показателей процесса фрезерования использовалась разработанная автором программа «CutWood». Подставляя значения полученных напряжений в уравнение (12) получаем величину из менения параметра свойств древесного материала в диапазоне 0,85 1,70.

Учитывая, что угловая скорость режущего инструмента, (с-1) определяется по формуле (13) n / Подставляя преобразованное выражение (13) в формулу (11) получаем Rz1 4 VSP k / z x, (14) Учитывая физическую связь и суть виброскорости после преобразова ния, получаем функцию зависимости шероховатости от двух компонент виб рации: виброперемещения и виброускорения Rz2 4 SSP k / z x, (15) 2 x Rz3 4 A SP k / z, (16) где S SP, ASP - соответственно, величины пиковой амплитуды виброперемеще ния и виброускорения механизма резания.

Рисунок 2 – Твердотельное моделирование в SolidWorks После преобразования функций (1 и 3) с учетом функции шероховатости (11) и (14) получаем следующие уравнения точности размеров для определе ния поля допуска для операции фрезерования T1 VSP k / i z x, (17) x T2 S SP k / i z, (18) 2 x (19) T3 A SP k / i z В качестве физической модели для определения зависимости параметра шероховатости от компонент вибрации выбран процесс фрезерования на го ризонтальном консольно-фрезерном станке, имеющего широкий диапазон регулирования скоростей резания и подачи.

При формировании динамической модели приняты следующие ограни чения линейных размеров шпиндельной сборки для длины консолей 0,186 l a 0, 222 l ;

b 0,382 l ;

начальные условия: t t 0, dx dx0 ;

условия рав новесия системы dy 0, dx 0, dz 0 ;

граничные условия: m const, const, коэффициент сопротивления 2 (m c)0,5, параметр геометрической точно сти станка A TC / T, параметр технологической точности станка R Ra / T,параметр формы и расположения поверхностей F Tф / T.

В уравнения (11), (14), (15) и (16), описывающие параметр шероховато сти обрабатываемой поверхности входят компоненты вибрации: виброско рость и виброускорение. Поэтому необходимо составить определяющие уравнения, позволяющие описать значения виброкомпонент в зависимости от линейных и массовых параметров механизма резания, как основного звена генерирующего вибрацию станка. Исходя из уравнения (6) при нулевых на чальных условиях фазового угла можно записать максимальное или пиковое значение амплитуды виброскорости в виде VSP f ( S0 ), (20) где f ( S0 ) - функция характерного координатного перемещения оси вращения шпинделя, эквивалентная начальной амплитуде поперечных колебаний, тре бующей определения.

Анализируемая динамическая модель шпинделя представлена на рисун ке 3 в виде трехмассовой структуры получившей наибольшее применение для анализа механики технологических процессов станочной обработки де талей.

Для проработки конструкции шпиндельно-сборочной единицы (ШСЕ) экспериментальной установки на вибрацию составлена общая функция коор динатного перемещения шпинделя в виде f ( S0 ) f ( ), f ( Rb ), f (TPC, K ), f ( F ), f (e per ), f ( y ), f ( IT, it ), B (21) в которую входят неизвестные параметры:

f ( ) - функция технологических свойств обрабатываемого материа ла;

f (Rb ) - функция радиального биения шпинделя;

f (TPC,K ) - функция допуска B соосности цапф посадочной поверхности подшипников определяемого по методике и рекомендациям, изложенным в ГОСТ 3325-85;

f (F ) - функция до пуска формы и расположения поверхностей;

f (e per ) - функция конструктивно го и технологического дисбаланса шпиндельной сборочной единицы, опре деляемого по нормативам, приведенным в ГОСТ ИСО 1940.1-2007;

f ( y ) функция статического прогиба шпинделя;

f ( IT, it ) - функция допуска линей ных размеров отверстий и валов характерных контактных пар ШСЕ. Пара метр технологических свойств древесины определен ранее согласно соотно шению (12).

Радиальное биение консоли шпинделя запишем в виде f ( Rb1 ) 3 1 / j a (1 / j 2 / i ) / L / 2 kr (22) где 1, 2 - радиальное биение подшипников передней, задней опор;

j, i - со ответственно число подшипников в передней и задней опорах;

a - длина кон соли левого или правого участка;

L - расстояние между опорами шпинделя по рекомендациям Р 50-83-88;

kr - коэффициент связи по радиальному биению опор kr D / d, (23) где D, d - наружный и внутренний диаметры подшипника.

I1 I2 I m1, m2, m3, C5 C C1 C C4 C c b L a l m – приведенная масса;

I – приведенный момент инерции;

Сi – элементы составляю щей жесткости опоры;

L, a, b, c, l – линейные параметры механизма резания.

Рисунок 3 – Динамическая модель механизма фрезерования Радиальное биение межопорного участка шпинделя Rb2 определяется по функции f ( Rb 2 ) (r IT ) / 2 kr, (24) где r - зазор или натяг посадки подшипника для ШСЕ;

IT - допуск посадоч ного размера корпуса.

Допуск соосности, посадочной поверхности опор качения оп ределяется согласно методике, описанной в ГОСТ 3325 по формулам:

В для вала, мкм (25) TРС В tgB K для корпуса, мкм TPC B tgK, (26) где В - длина посадочного места подшипника, мкм;

B - допустимый угол взаимного перекоса цапф вала с регламентированным радиальным зазором, мин.;

K - допустимый угол взаимного перекоса отверстий корпуса с регла ментированным радиальным зазором, мин.

Допуск формы и расположения поверхностей определяется по формуле N IT M it f ( F ) dx /(kr x kl ) / n dy /(kl y kr ) / m / 2, (27) rb1 rt 1 где IT - допуск диаметра отверстия контактной пары вращения и корпуса шпиндельной сборки;

it - допуск контактной пары типа вал;

rt 1...N - число сопряженных контактных пар в конструкции механизма для вала;

rb 1...M число сопряженных контактных пар в конструкции механизма для отвер стия;

N - наибольшее число сопряженных контактных пар для вала;

M - наи большее число сопряженных контактных пар для отверстия;

kl - коэффициент связи по линейному размеру kl L / D, (28) В общем случае прогиб консоли шпинделя и межопорной части, f ( y ) может быть определен по интегралу Мора.

Допуск линейных размеров, f ( IT, it ) отверстий и валов шпиндельной сборки, определяется по формулам f ( IT ) ES EI, (29) f (it ) es ei. (30) где ES, es - верхнее отклонение;

EI, ei – нижнее отклонение размера;

Математическую модель, описывающую компоненту вибрации по виб роскорости и виброускорению можно представить в виде ndi z 1 N IT dx 1 M it dy 1 nk (31) xi Vsp 60 (d0 di ) 2 N rt1 (kr xk1) M rb1 (k1 ykr ) nk 1 i 0 0 1 N IT dx 1 M it dy 1 nk n di z xi Asp (32) 60(d0 di ) 2 N rt1 0 (kr xk1) M rb1 0 (k1 y kr ) nk 1 i где VSP, Asp - виброскорость и виброускорение в локальной интегральной энергонасыщенной точке (ИЭТ) механизма главного движения;

xi - состав ляющие компоненты виброскорости, определяются по частным функциям и типовым нормативам;

nk - коэффициент, зависящий от количества входящих компонентов xi На основании моделирования вибрационных процессов в прикладной авторской программе «SHAFT» в зависимости от основных линейно массовых характеристик и допусков шпиндельных сборок можно сделать следующие выводы: при увеличении длины консоли шпинделя компоненты вибрации (виброскорость и виброускорение) увеличиваются, а с ростом рас стояния между опорами эти показатели снижаются, что связано с понижени ем и увеличением жесткости соответственно;

увеличение допуска на размер, эксцентриситета и радиального биения существенно повышает вибрацион ные показатели, в связи с тем, что снижается устойчивость шпинделя;

чис ло тел качения также заметно влияет на виброактивность, между которыми существует прямая зависимость.

Контрольное моделирование динамики работы станка осуществлялось в математической среде MathCAD по дифференциальным уравнениям движе ния. Общее уравнение движения при вынужденных колебаниях записанное в форме действующих сил в ШСЕ имеет вид d2y dy c y Q sin( t ), (33) m 2 dt dt где m - масса системы, кг;

- коэффициент сопротивления, Н·с/м;

c - жест кость системы Н/м;

Q - вынуждающая сила, Н.

Почленно разделив уравнение (33) на m получим уравнение в приведен ных ускорениях, удобное для решения в программной среде MathCAD d2y dy 2 h p 2 y H 0 sin( t ), (34) dt dt где h - коэффициент демпфирования, 1/с;

-1 - собственная частота колебаний, p с-1;

- вынужденная частота колебаний, с ;

H 0 - функция воздействия дина мического нагружения, м/с2.

H 0 e 2, (35) где e - эксцентриситет оси вращения.

(36) h p / где - логарифмический декремент колебаний;

Произведя замену переменных в уравнении (34), d 2 y / dt 2 X1 и dy / dt X получим характеристическое уравнение в матричной форме.

Частное решение характеристического уравнения методом Рунге-Кутта представлено в виде графиков на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Моделирование поперечных колебаний Рисунок 5 - Моделирование угловых колебаний шпинделя Анализируя рисунки 4 и 5 видно, что величина виброперемещения со ставляет 1,310-6 м, а угловые колебания 1,110-4 рад/м. Моделирование ам плитуды компонент вибрации можно производить с использованием ПК и программного продукта Lab VIEW, а с подключенным датчиком через сис темную плату и непосредственное измерение амплитуд и частотных харак теристик вибрационных процессов.

В результате теоретического моделирования в программе «SHAFT» на основании матричного метода наименьших квадратов, реализованного в сре де Mathcad, были получены уравнения зависимости виброскорости, виброу скорения и шероховатости от режимных факторов процесса фрезерования, а также уравнения связи шероховатости с компонентами вибрации, для удоб ства их сравнения с экспериментальными данными.

В третьем разделе для доказательства теоретических разработок и про верки выдвинутой гипотезы излагаются результаты проведенных экспери ментальных исследований на основе их планирования. В качестве метода об работки экспериментальных данных был принят В-план второго порядка В на основании которого были получены математические модели связывающие режимы резания (скорость резания, скорость подачи, глубина фрезерования) с компонентами вибрации (виброскорость и виброускорение) и шероховато стью получаемой поверхности, проработаны функции взаимосвязи компо нент вибрации и параметров шероховатости для процесса фрезерования.

Экспериментальная установка создана на базе универсального горизонталь ного консольно – фрезерного станка модели 6Т82Г-29, который соответству ет требованиям норм точности и жесткости согласно ГОСТ 17734-88 (рису нок 6).

Компоненты вибрации: виброскорость и виброускорение измерялись виброметром ВВМ-201, оснащенным пьезоэлектрическим датчиком ДП-12, с точностью измерения виброскорости до 0,01 мм/с, виброускорения до 0, м/с2 и измерительного устройства фирмы UNI-T модели UT232, оцениваю щего фазово-частотные характеристики двигателя механизма главного дви жения.

Шероховатость после фрезерования поверхности измерялась традици онным методом с использованием электронного индикатора MIB. Обраба тываемый материал – древесина сосны, с одинаковой влажностью образцов.

Инструментом являлась цилиндрическая сборная фреза с двумя ножами из быстрорежущей стали HSS 18 (аналог отечественной марки Р 18).

Представляем натуральные значения факторов в нормализованном виде согласно формулам x1 (n 1000 / 600, ) (37) x 2 (VS 50) / 30, (38) x 3 ( t 1,05) / 0,95, (39) где n - частота вращения шпинделя;

VS - скорость подачи;

t - глубина фре зерования.

1- станок;

2- пульт управления;

3- заготовка;

4- фреза;

5- датчик;

6- элек тронный индикатор;

7- анализатор спектра;

8- виброметр;

9- компьютер Рисунок 6 – Экспериментальная установка СТИ 10 00 000 ВАА Результаты предварительно проведенных экспериментов позволили принять гипотезу о нормальном законе распределении выходных величин – проверка проводилась по критерию 2 Пирсона. На основе этих данных было рассчитано необходимое число дублированных опытов, которое оказалось равным десяти.

Обозначения факторов и уровней их варьирования представлены в таб лице 1.

Таблица 1 – Кодовое обозначение факторов Интер- Уровень варьиро Обозначение Наименова вания фактора ние фактора вал варьи нату- норма- ниж- осно- верх рования раль- лизо- ний вой ний фактора ное ванное (-1) (0) (+1) 600 400 1000 Частота вра- n щения шпин деля, мин- 30 20 50 Скорость по- VS дачи, мм/мин 0,95 0,1 1,05 2, Глубина фре- t зерования, мм Так как получение математических моделей предполагает обработку большого количества полученных экспериментальных данных, была разра ботана прикладная программа «QUADR_PFP», для расчета В-планов второго порядка с использованием метода наименьших квадратов в матричной фор ме.

В данной программе также производилась оптимизация уравнения рег рессии по разработанному алгоритму перебора коэффициентов модели с за даваемым шагом.

Уравнение регрессии для виброскорости на шпинделе станка имеет вид (40) 2 y 0,934 0,064 x1 0,022 x2 0,044 x3 0,0048x1 0,0038x2 0,0019x2 x3 0,003x1 x Уравнение регрессии для виброускорения (41) y 6,9815 0,9855 x1 0,1561x2 0,344 x3 0,0816 x12 0,0736 x2 0,056 x1 х Уравнение регрессии для шероховатости имеет вид (42) y 69038 1242 x1 16 x2 3,32 x3 0,863 x2 3,3 x1 x2 0,525 x2 x3 0,65 x1 x,, Анализируя полученные уравнения регрессии, используя алгоритм мо дуля оптимизации программы «QUADR_PFP» можно сделать выводы, что увеличение режимных показателей процесса фрезерования (частота враще ния шпинделя и скорость подачи) повышают виброактивность станка, а уве личение глубины фрезерования, напротив снижает значения компонент виб рации. Наибольшее влияние оказывает частота вращения шпинделя. Для па раметра шероховатости повышение частоты вращения шпинделя улучшает качество обработки. А при уменьшении скорости подачи и глубины фрезеро вания шероховатость минимизируется.

Для получения аналитических функциональных зависимостей показате лей шероховатости поверхности от виброскорости и виброускорения, под ставим в полученные уравнения регрессии значения входных факторов, для получения массивов значений данных показателей. Используя методы ап проксимации зависимостей, получим следующие уравнения (рисунок 7).

Зависимость шероховатости поверхности от виброскорости VV Rm(VV ) 255,108VV2 624,083VV 291844 (43), Зависимость шероховатости поверхности от виброускорения AV (44) Rm( AV ) 29,174 In( AV 3,21) 29, Рисунок 7 – Зависимости шероховатости от виброскорости и виброу скорения Анализируя полученные графики на рисунке 7 можно сделать вывод, что параметр шероховатости имеет прямую зависимость от виброскорости и виброускорения. С увеличением виброактивности увеличивается и шерохо ватость поверхности.

На основании оптимизации полученных уравнений регрессии для виб роскорости, виброускорения и шероховатости поверхности от режимных факторов процесса фрезерования и их решения как системы нелинейных уравнений с использованием алгоритма перебора и итерационного алгорит ма Ньютона были найдены рациональные режимы фрезерования.

Произведен сравнительный анализ технологической точности процесса фрезерования для режимов обработки, характеризуемых максимальной и ми нимальной виброактивностью, в результате которого было установлено, что снижение компонент вибрации увеличивает точность обработки на 11%.

В четвертом разделе разработана методика определения класса точно сти фрезерных дереворежущих станков, предусматривающая классы точно сти Н (нормальный), С (средний), П (повышенный), О (особо точный), и низкий, а также классы вибрации: 1,2,3,4,5, соответствующие классам точно сти: Н(1), С(2), П(3), О(4), (5). Разработана блок-схема алгоритма определе ния класса точности фрезерных станков. Определены исходные значения па раметров деревообрабатывающих станков фрезерной группы для их классов точности.

Были составлены регламентные нормы вибрации фрезерных станков (таблица 2). Периодический контроль по которым в процессе эксплуатации станка вместе с выбором оптимальных режимов резания позволяет повысить качество получаемых деталей мебели и тем самым получить экономический эффект при внедрении.

Таблица 2 – Предлагаемые среднеквадратические регламентные нормы вибрации фрезерных дереворежущих станков Класс точ- Класс виб- Амплитуда виброско- Амплитуда виброуско рения, м/с ности рации рости, мм/с О 1 1,2/0,50 2,5/1, П 2 6,3/2,8 6,3/3, С 3 12,6/5,4 10,5/6, Н 4 26,0/11,0 32,0/22, - 5 42,0/16,0 84,0/56, Числитель – компонента опоры, знаменатель – стола Предложена методика управления снижением вибрации на основании динамической балансировки в собственных опорах, с использованием разра ботанной прикладной программы «AIU-4», которая определяет массу и место установки балансировочного груза. Методика позволяет повысить точность и качество обработки.

Разработана методика определения рациональных режимов фрезерова ния на основе созданных алгоритмов и прикладных программ.

В заключении изложены основные результаты диссертационной рабо ты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Определен параметр, характеризующий изменение свойств древеси ны при напряженно – деформированном состоянии в физическом процессе стружкообразования, влияющий на изменение компонент вибрации в преде лах от 0,85 до 1,70 в зависимости от породы и физико-механических свойств (плотность, модуль упругости 1 и 2-го рода, влажности) древесины.

2. Получены аналитические уравнения для определения компонент виб рации станка на стадии его проектирования, сокращающие сроки освоения новой техники и технологии в 1,3-1,5 раза за счет ускоренной технологиче ской подготовки производства.

3. Разработаны математические модели, позволяющие определить и ис следовать шероховатость и точность фрезерованной поверхности, компонен ты виброскорости и виброускорения фрезерного станка в зависимости от его линейно-массовых, кинематических конструктивных параметров, технологи ческих режимов обработки. Технологические параметры оказывают сущест венное влияние на шероховатость и вибрацию станка:

Численный анализ экспериментальных данных показал, что при измене нии частоты вращения шпинделя с 1000 мин-1 до 1600 мин1 компоненты виб роактивности: виброскорость и виброускорение увеличились с 0,934 мм/с до 0,993 мм/с, и с 6,983 м/с2 до 7,887 м/с2, соответственно, а параметр шерохова тости уменьшился с 69 мкм до 57 мкм. При увеличении скорости подачи в 1,6 раза виброскорость изменилась с 0,934 мм/с до 0,952 мм/с, виброускоре ние с 6,989 м/с2 до 7,065 м/с2 и параметр шероховатости с 69 мкм до 86 мкм.

Изменение функций отклика при изменения глубины фрезерования с 1,05 мм до 2,0 мм составили: виброскорость с 0,934 мм/с до 0,89 мм/с, виброускоре ние с 6,983 м/с2 до 6,649 м/с2 и шероховатости с 69 мкм до 72 мкм. Также было установлено, что на компоненты вибрации наибольшее влияние оказы вает частота вращения шпинделя и качество подготовки инструмента.

4. По разработанной методике были проведены эксперименты. Получе ны регрессионные модели для виброскорости, виброускорения и шерохова тости. Произведенное сравнение теоретических и экспериментальных дан ных показало, что расхождение между ними составляет не более 10%, в том числе по параметрам: виброскорости – 5,3 %;

виброускорения – 8,7%;

шеро ховатости – 9,9 %.

Составлены алгоритмы процесса оптимизации полученных уравнений регрессии, базирующиеся на основе методов перебора и итерационном алго ритме Ньютона, позволяющие определять рациональные режимы процесса фрезерования, при комплексном учете компонент вибрации и параметра ше роховатости. Подтверждена выдвинутая гипотеза о численной связи пара метра шероховатости с компонентами вибрации.

5. Произведен анализ влияния на виброактивность станка конструктив ных факторов. Так при увеличении консоли шпинделя виброактивность станка увеличивается, с увеличением же расстояния между опорами она снижается. Увеличение эксцентриситета оси вращения, радиального биения, допуска на размер отверстия и вала, числа тел качения, допуска формы рас положения поверхностей и частоты вращения шпинделя увеличивают ком поненты вибрации: виброскорость и виброускорения.

6. Созданы прикладные программы для: расчета режимов и определения силовых и мощностных показателей процесса резания древесины («CutWood»);

расчета основных компонент вибрации и параметров качества механизмов фрезерных станков по их сборочным чертежам механизмов ре зания («SHAFT»);

оптимизации уравнений регрессии на основе метода наи меньших квадратов в матричной форме и линейного программирования («QUADR_PFP»);

расчета параметров балансировочного груза для динами ческой балансировки жестких роторов («AIU-4»), сокращающие время расче та в 1,5-2 раза при повышенной точности результата.

7. Рекомендованы нормы вибрации по двум компонентам для 5 классов вибрации станков фрезерной группы.

8. Предложена методика управления снижением виброактивности на ос нове динамической балансировки механизмов резания станков, обеспечи вающая прогрессивные режимы резания и подачи, повышение точности об работки деталей на 1-2 квалитета и производительности на 24-32 % в произ водстве деталей мебели, увеличение ресурса точности станка на 25-30 % на операциях фрезерования.

9. Разработана методика определения рациональных режимов фрезеро вания с учетом конструктивных и технологических факторов при комплекс ной системной оценке компонент вибрации и параметра шероховатости.

10. Разработанные подходы и принципы динамического анализа стан ков фрезерной группы, позволяют назначать оптимальные режимы фрезеро вания, при заданной геометрической и технологической точности станка, нашедшие применение в ОАО «ДСК» и ООО производственном объедине нии «ВиК» с экономическим эффектом 12,5 тыс. руб. на один производст венный станок. Также результаты исследований используются в учебном процессе по специальности 150405 «Машины и оборудование лесного ком плекса» при проведении лекционных и практических занятий по дисципли нам: «Проектирование деревообрабатывающего оборудования», «Техниче ская эксплуатация и ремонт деревообрабатывающего оборудования», «Реза ние древесины и дереворежущий инструмент» и «Основы научных исследо ваний» на кафедре станков и инструментов СибГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в научных журналах и изданиях, определенных перечнем ВАК РФ 1. Воробьев, А.А. Установление зависимости шероховатости поверхно сти древесины от показателей вибрации станка [Текст]/А.А. Воробьев, Ю.А.

Филиппов // Деревообрабатывающая пром-сть. – 2010. – № 2. – С.6-7.

2. Филиппов Ю.А. Особенности технологии восстановления работоспо собности ленточнопильных станков [Текст] / Ю.А. Филиппов, И.Н. Спицын, А.А. Воробьев, И.С. Корчма // Справочник. Инженерный журнал. – 2010. - № 6. – С. 6-9.

В других научных изданиях:

3. Воробьев, А.А. Имитационные исследования крутильных колебаний динамики работы центробежного стружечного станка [Текст] / А.А.Воробьев, Ю.А. Филиппов // Лесной и химический комплексы – пробле мы и решения: Региональная научно-практическая конференция. Т.1. / Крас ноярск, 2006. – С. 350 – 353.

4. Воробьев, А.А. Зависимость параметра виброскорости от режимных факторов процесса фрезерования деталей мебели [Текст] /А.А. Воробьев, Ю.А. Филиппов // Актуальные проблемы лесного комплекса. Х международ ная научно-техническая конференция «Лесной комплекс: состояние и пер спективы развития». Ч.2. / Брянск, 2008. – С.84 – 87.

5. Воробьев, А.А. Анализ факторов, влияющих на виброактивность де реворежущих станков [Текст]/А.А. Воробьев // Актуальные проблемы лесно го комплекса. ХI международная научно-техническая конференция «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития». Выпуск 22 / Брянск, 2009. – С.238 – 242.

6. Воробьев, А.А. Зависимость компонента виброскорости от параметра шероховатости процесса фрезерования деталей мебели [Текст]/А.А. Воробь ев // Актуальные проблемы лесного комплекса. ХI международная научно техническая конференция «Лесной комплекс: состояние и перспективы раз вития». Выпуск 22 / Брянск, 2009. – С.242 – 245.

7. Воробьев, А.А. Взаимосвязь режимов фрезерования древесины с па раметрами виброскорости механизма резания фрезерного станка [Текст]/А.А. Воробьев, Ю.А. Филиппов, В.А. Павлюк // Сборник научных трудов ТГАСУ, ЛИ. – Томск, 2009. – С.145-149.

8. Воробьев, А.А. Получение аналитических функциональных зависимо стей для расчета мощности резания древесины [Текст]/ А.А. Воробьев, Н.В.

Вишуренко, И.Н. Спицын // 9 международная научно-практическая интернет конференция «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития». Вы пуск 24. / Брянск, 2009. – с.73 – 75.

9. Спицын, И.Н. Аналитический расчет конкурентоспособности ленточ нопильных станков [Текст] / И.Н. Спицын, А.А. Воробьев, Ю.В. Егоров, Ю.А. Филиппов // 9 международная научно-практическая интернет конференция «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития». Вы пуск 24. / Брянск, 2009. – с.151 – 155.

10. Воробьев, А.А. Прикладная программа для расчета режимов резания древесины [Текст] / А.А. Воробьев, Н.В. Вишуренко, И.Н. Спицын // Всерос сийская научно-практическая конференция: «Лесной и химический комплек сы – проблемы и решения». Том 3 / Красноярск, 2009. – с. 159 – 162.

11. Воробьев, А.А. Сравнительный анализ вертикальных и горизонталь ных колебаний шпинделя при фрезерования древесины [Текст] / А.А. Во робьев, Н.В. Вишуренко, И.Н. Спицын // Всероссийская научно-практическая конференция: «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения».

Том 3 / Красноярск, 2009. – с. 148 – 150.

12. Воробьев, А.А. Анализ зависимости показателей качества поверхно сти древесины и компонент вибрации от режимов фрезерования древесины [Текст] / А.А. Воробьев, О.В. Журавлева, И.Б. Нестерова // Всероссийская научно-практическая конференция: «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» Том 2 / Красноярск, 2009. – с. 19 – 22.

13. Воробьев, А.А. Взаимосвязь шероховатости процесса фрезерования деталей мебели от компоненты виброскорости [Текст] / А.А. Воробьев, Ю.А.

Филиппов // Всероссийская научно-практическая конференция: «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» Том 2 / Красноярск, 2009. – с.

8 – 11.

14. Воробьев А.А. Влияние виброактивности станков на качество произ водства древесностружечных плит [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Н.В. Вишуренко // Международная научно-техническая конференция: «Ком позиционные строительные материалы. Теория и практика». / Пенза, 2010. – с. 23 – 26.

15. Воробьев, А.А. Определение рациональных режимов фрезерования с учетом компонент вибрации и параметра шероховатости [Текст] / А.А. Во робьев // Всероссийская научно-практическая конференция: «Лесной и хими ческий комплексы - проблемы и решения» Том 1 / Красноярск, 2010. – с. – 128.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреж дения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира 82, ученому секретарю диссертационного совета.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.