Министерство образования и науки

российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет технологий, инжиниринга и дизайна

Е.А.Куимов Е.А., С.М.Поляков

ДИНАМИКА СТАНКОВ

Учебно-методическое пособие

Киров - 2016

УДК 608.4

Допущено к изданию методическим советом факультета автоматизации машиностроения ФГБОУ ВО «ВятГУ» в качестве учебно-методического пособия для студентов, квалификация (степень) «Магистр».

Рецензент: Грачев С.П., заведующий кафедрой ИТМ, к.т.н., доцент, ВятГУ.

Куимов Е.А., Поляков С.М. Динамика станков. - Киров: ФГБОУ ВО «ВятГУ», 2016. – 54 с.

Учебно-методическое пособие содержит методические указания по выполнению практических заданий магистра. Учебное пособие подготовлено в соответствии с основной образовательной программой подготовки магистров.

Тех. редактор ХХХХХ

© ФГБОУ ВО «ВятГУ», 2016

© Куимов Е.А., Поляков С.М., 2016

Оглавление

1. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ РЕЗАНИИ 4

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТОЧЕНИИ 8

2.1. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ 1 16

2.1.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 17

2.1.2. ЗАДАНИЕ 20

2.1.3. СОДЕРЖАНИЕ ПРОТОКОЛА 21

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТОЧЕНИИ 21

3.1. УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОС 23

3.2. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ 2 25

4. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ РЕЗАНИИ 31

4.1 КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ 3 38

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ 42

5.1 КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ 4 48

1. Динамические характеристики процесса резания основные направления исследований динамических явлений при резании

Важнейшими требованиями, которым должен удовлетворять любой металлорежущий станок являются обеспечение требуемой точности обработки и качества обработанной поверхности при высокой производительности. Этим обусловлена основная тенденция современного станкостроения – повышение скорости главного движения резания и скоростей формообразующих движений. Например, скорости резания современных токарных станков достигают величин 20-30 м/с и выше, благодаря повышению характеристик формообразующих приводов подач станков с ЧПУ и систем управления значительно расширился диапазон возможных величин подач. В результате, для выполнения требований точности и качества обработки при высокой производительности главной становится проблема повышения жёсткости, виброустойчивости станков, улучшения динамических характеристик технологической обрабатывающей системы в целом.

Процесс резания всегда выполняется во времени и потому должен обязательно рассматриваться с учётом динамических явлений. Данные выполненных исследований [1, 2, 3, 4, 5] и практика машиностроительных производств показывают, что погрешности обработки, вызванные упругими деформациями технологической системы, доминируют в общем балансе погрешности. Особенно большая доля переменных во времени деформаций, которые не всегда возможно, а во многих случаях просто невозможно компенсировать простой размерной поднастройкой технологической цепи. С погрешностями обработки, которые зависят от деформаций технологической системы, тесно связаны такие проблемы, как статические и динамические параметры и характеристики технологической системы, допустимые и оптимальные режимы резания, оптимальная геометрия инструмента, допуск на обработку, нормирование жёсткости и тому подобное.

В то же время при экспериментальных исследованиях статических и динамических деформаций и погрешностей обработки при прерывистом и непрерывном резании установлено, что все параметры режима резания оказывают значительное влияние на точность обработки [3]. Это влияние проявляется не только в количественных изменениях силы резания, но и в изменении её динамического действия, а также динамических реакций самой технологической обрабатывающей системы, то есть в изменениях качественной картины процессов, которые протекают в технологической системе при резании. Однако, влияние режима резания рассматривается только при прерывистом резании, где обнаружено значительное влияние скорости резания на динамические погрешности, устойчивость процесса резания.

Первой работой, которая положила начало новому подходу к вибрациям станков, является работа В. А. Кудинова [1], которая отличается изучением связей станка и процесса резания. Он доказал, что при решении динамических проблем в станках невозможно отрывать любой узел от всей технологической системы и объяснять возникновение колебаний только этим узлом.

В. А. Кудиновым выделен класс неконсервативных сил, пропорциональных ортогональным координатам, то есть таким, по которым эти силы не выполняют работы и отмечено их большое влияние на потерю устойчивости. Задачи о вибрациях станков стали рассматривать как задачи о потере устойчивости движения с использованием соответствующего математического аппарата теории управления и исследования систем. Понятие динамического качества станков включает в себя целый ряд показателей, связанных с их влиянием на исходные параметры процесса обработки. К ним относятся устойчивость рабочих процессов, уровень вынужденных колебаний, качество переходных процессов и тому подобное. Расширено представление о динамических зависимостях силы резания от изменения толщины срезаемого слоя материала. Зависимости представлены с использованием функции запаздывающего аргумента, постоянных времени стружкообразования. Экспериментально получена величина постоянных времени для некоторых режимов резания металлов.

Последующее развитие изучения влияния динамических параметров технологической системы на точность обработки представлено в работах профессора С. С. Кедрова. Он положил начало классификации динамических погрешностей обработки, в соответствии с которой они разделяются на четыре группы.

Первая группа включает погрешности, которые зависят только от координат обработки или их производных по времени. Погрешности, которые зависят от координаты, в общем случае являются статическими, тогда как погрешности, которые зависят от скорости или ускорения формообразующих движений являются динамическими.

Вторая группа объединяет погрешности по характеру их зависимости во времени. Здесь определяются стационарные погрешности как такие, которые возникают при неизменном векторе скорости формообразующего движения, а также периодические, закон изменения которых во времени остаётся неизменным. Переходные динамические погрешности провоцируются и определяются разными переходными процессами в технологической системе при резании, вызванными, например, резкими изменениями условий резания, направления формообразующего движения и т.п.

Третья группа включает погрешности обработки, которые обусловлены кинематическими или геометрическими погрешностями кинематических цепей станка, неточностью геометрических размеров и формы поверхностей, которые определяют направление формообразующих движений.

Четвёртая группа разделяет погрешности по их достоверности на случайные зависимые и независимые. В самом простом случае суммирование случайных погрешностей с нормальным законом распределения предлагается выполнять по стандартной квадратичной зависимости.

Такая классификация может быть использована для выяснения причин возникновения динамической погрешности обработки и определения путей её уменьшения или устранения.

Последующее развитие исследований по динамическим явлениям при обработке материалов резанием свидетельствует о всё большем применении амплитудно-фазовых частотных характеристик, полученных экспериментально и расчётным путём [1, 5]. Установлено, что математическая модель относительного перемещения резца и заготовки определяется тремя основными динамическими звеньями упругой системы станка:

1. шпиндельным узлом в направлении оси X;

2. суппортом в том же направлении;

3. суппортом в направлении оси Z.

Многочисленными исследованиями экспериментально и расчётным путём доказано, что относительное положение инструмента и детали, которое обеспечивает формообразование, существенно зависит от динамических факторов, действующих в технологической системе во время обработки. Особенное значение это приобретает при обработке заготовок с неравномерным припуском, и специальных видах токарной обработки, в частности при токарно-копировальной обработке, когда технологической системы всё время находится под действием периодических возмущений, например изменения глубины припуска в поперечном сечении заготовки.

Следовательно, для усовершенствования прогнозирования точности изготовления деталей необходимо учитывать динамические характеристики технологической системы в процессе резания, которые обусловливают общую технологическую наследственность от упругих деформаций и изменяются по координате формообразующего движения.