3535

Рис. 1.15. Схемы действия сил при встречном (а) и попутном (б) цилиндрическом фрезеровании

Значения отдельных составляющих силы резания можно определить, зная FOK /11/.

При встречном фрезеровании

цилиндрическими фрезами:

Горизонтальная составляющая силы резания FГ

определяет усилие, которое необходимо приложить к столу станка для осуществления рабочей подачи.

Составляющая усилия подачи от усилия резания при черновом фрезеровании, Н,

где k – коэффициент запаса (обычно k=1-1.5); g – ускорение свободного падения,

Составляющая усилия подачи от сил трения в направляющих скольжения со смазкой,

Н,

где m1 - масса перемещающегося узла станка, кг; m2 - масса заготовки, кг;

fтр - коэффициент трения скольжения (обычно

fтр 0,1).

Усилие подачи по горизонтальной оси при черновом фрезеровании, Н,

Скорость вращения двигателя при

черновой обработке, с-1, равна

где i – передаточное число редуктора.

Подачи при чистовом фрезеровании цилиндрическими фрезами из быстрорежущей стали при параметре шероховатости обрабатываемой поверхности Ra=1.6 мкм

следует брать из диапазона Sz=1,0-3,8 мм в зависимости от диаметра фрезы и типа обрабатываемого материала. Глубина резания при чистовой обработке t=0,1-2 мм /3/.

Расчет ведется в той же последовательности, что и при черновой обработке (формулы 1.77…1.84).

Время цикла работы привода подачи стола определяют по формуле

Время обработки детали на станке, с,

Время работы двигателя в режиме быстрого хода складывается из времени t п - времени

подвода стола с заготовкой к фрезе и t р - времени

перемещения стола в исходное состояние перед началом чистового фрезерования

Время смены инструмента tси = 30 с.

Наконец, находят время цикла работы привода подачи по формуле 1.85.

Расчет радиальной и вертикальной составляющей силы резания проводятся аналогично расчету горизонтальной составляющей по методике, изложенной в /11/.

Требования к приводу подачи

Требования к электроприводам и системам управления станками определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента.

Основными технологическими требованиями направлены на обеспечение:

-широкого круга технологических режимов обработки

сиспользованием современного режущего инструмента;

-максимальной производительности; наибольшей точности обработки;

-высокой чистоты обрабатываемой поверхности;

-высокой степени повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности) /5/.

Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущего инструмента, мощности главного привода и электромеханических свойств приводов подач и систем управления.

При всем многообразии станков требования, предъявляемые к приводам станков, определяются главным образом не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного, подач или вспомогательного. Именно это определяет мощность, способ и диапазон регулирования скорости, необходимую плавность регулирования, требования к жесткости стабильности характеристик, требования к динамике /12/. Полный диапазон регулирования в станках фрезерной группы составляет 100-10000.

В последние годы существенно изменилась конструкция станков вследствие значительного сокращения механической части приводов подач. В ряде случаев стала возможной установка высокомоментных двигателей, имеющих меньшие габаритные размеры по сравнению с обычными двигателями постоянного тока (ДПТ) с электромагнитным возбуждением, непосредственно на ходовой винт. Исключение коробки передач привело не только к сокращению механической части привода, но также и к повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях и возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на двигатель при рабочих

подачах без резания составляет не более (20-30) % номинальной нагрузки. Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебание нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требование к статической и динамической жесткости привода подачи.

Определенные требования к приводу подач накладывается системой числового управления (ЧПУ). В частности, скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, максимальной частоты сигнала управления приводов от системы ЧПУ /13/, дискретности управления, максимальной частоты вращения приводного электродвигателя, коэффициента редукции передачи от двигателя к механизму, коэффициента усиления по скорости следящего привода и максимального значения ошибки, запоминаемой системой ЧПУ. В соответствии с предельными характеристиками передач винт-гайка качения определяются максимальная требуемая частота вращения двигателя и максимально допустимое ускорение, представляющее отношение максимального вращающего момента к собственному моменту инерции винта. Таким образом, в каждом конкретном случае может быть найдено минимально допустимое время переходного процесса по условиям механической прочности передачи винт-гайка качения.

Для электроприводов подач изменение частоты вращения при набросе и сбросе нагрузки 0,5·Мном относительно уровня 0,5·Мном не должно превышать 100 % при n = 0,001nном и времени восстановления 100 мс. Время реверса под нагрузкой Мном, n = 0,001nном не более 0,5 с /8/.

Cтабильность позиционирования и обработки в значительной степени зависит от стабильности электромеханической системы приводов подач, которая определяется стабильностью ее звеньев и, в первую очередь, привода, датчика положения и системы ЧПУ. Стабильность характеристик комплектного электропривода при

достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью входного усилителя и датчика скорости - тахогенератора. Именно поэтому в большинстве широкорегулируемых приводов, выпускаемых ведущими зарубежными электротехническими фирмами, применяются высокостабильные входные полупроводниковые усилители и устанавливаются серебряные щетки на тахогенераторе. Порядок величин, характеризующих допустимые нестабильности входного сигнала и сигнала обратной связи, можно определить из следующих рассуждений. В большинстве систем ЧПУ ошибке в 10 мм соответствует сигнал управления приводом, приблизительно равный 10 В. Таким образом, нестабильности сигнала в 1 мВ соответствует ошибка 1 мкм. А так как нестабильность привода подачи является лишь составляющей и общей доле нестабильности позиционирования и обработки, то можно судить об исключительно высоких требованиях к стабильности характеристик регулируемого электропривода.

Электроприводы подач должны обеспечить требуемый режим резания при обработке различных деталей. Значение подач должны обеспечить требуемую шероховатость поверхности, высокую стойкость инструмента, а также производительность станка. На стойкость инструмента большое влияние оказывает скорость резания, а не подача, поэтому при выборе подачи главным является качество обработанной поверхности. Электропривод подач должен обеспечить наибольшие величины ускорений. Это достигается применением быстродействующего привода и снижением приведенного момента инерции механизма подач. При проектировании следует добиваться уменьшения сил в направляющих, в передачах, в опорах и обеспечение плавности перемещения рабочих органов при малых скоростях и скачкообразном изменении скорости; исключение резонансов элементов механизма подач и всей системы электропривода.

Двигатель должен проходить по нагреву для полученной диаграммы нагрузки методом средних потерь для случая асинхронного двигателя и методом эквивалентных значений, если применяется ДПТ с регулированием скорости;

Двигатель должен также проходить по допустимой

кратковременной перегрузке Мmax≤ mдМном, где Мmax- максимально возможный в рабочем цикле момент, Мном -

номинальный момент выбранного двигателя; mд - коэффициент допустимой перегрузки.

На продольно-фрезерных станках привод подачи должен быть реверсивным и обеспечивать широкое регулирование скорости и удовлетворять основным требованиям:

-минимальные габариты двигателя при высоком вращающем моменте; высокая максимальная скорость;

-обеспечение диапазона скоростей подач стола от 10 до 3000 мм/мин;

-значительная перегрузочная способность привода; высокая стабильность характеристик тахогенератора;

-высокое быстродействие и равномерность движения;

-высокая надежность и ремонтопригодность;

-высокая экономичность и малая стоимость.

Как видно из перечисленных, а также многих других требований, совмещение всех их в одном устройстве принципиально невозможно. Поэтому при проектировании электропривода в каждом конкретном случае удовлетворение одним требованиям достигается в ущерб другим /8/.

Нагрузочная диаграмма и тахограмма

Расчет статического момента

Статический момент определяется усилием, передаваемым в направлении подачи при установившемся

движении органа станка. Момент на двигателе от силы резания для передачи рейка-шестерня определяется по формуле

где Fпод – усилие подачи; d – диаметр шестерни; i – передаточное отношение редуктора; - КПД зубчатой

передачи, обычно принимается =0.85 /10/.

При установившемся движении на быстром ходу статический момент равен моменту, создаваемому силами трения.

При черновой обработке статический момент на валу двигателя равен сумме моментов от усилия резания вдоль оси станка и от сил трения в подвижных звеньях механизма

Момент на двигателе от силы резания и от сил трения при чистовой обработке также рассчитывается по (1.88).

Мощность черновой обработки (Вт) равна произведению момента, развиваемого двигателем, на его скорость при черновой обработке

Мощность чистовой обработки равна

Результаты расчетов целесообразно свести в табл. 1.8.

Примерный вид тахограммы и нагрузочной диаграммы работы привода подачи стола за цикл одного чернового и одного чистового прохода представлен на рис. 1.16. Для их построения использованы ранее проведенные расчеты длительности операций процесса фрезерования и соответствующих им величин статических моментов.

Рис. 1.16 Тахограмма и нагрузочная диаграмма работы электропривода продольной подачи:

9 – торможение двигателя; 10 – смена инструмента

Расчет предварительной мощности электродвигателя

механизма подачи

По нагрузочной диаграмме M(t) и тахограмме w(t) в дальнейшем рассчитывается нагрузочная диаграмма P(t). Согласно этим нагрузочным диаграммам определяются эквивалентный момент и эквивалентная мощность. Если двигатель самовентилируемый, то его теплоотдача на отдельных интервалах тахограммы различна. Приближенно зависимость коэффициента ухудшения теплоотдачи от угловой скорости можно считать линейной /9/. По формуле (1.54) определяют коэффициент ухудшения теплоотдачи для каждого режима работы: черновая обработка, чистовая обработка, холостой ход, смена инструмента ( 0 ).

Если привести мощность при угловой скорости

i

(1.91)

С учетом коэффициента ухудшения теплоотдачи скорректируем эквивалентные мощность и момент по формулам: