На правах рукописи

Ларионов Максим Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КОНСОЛЬНОГО РАСТАЧИВАНИЯ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОЦЕССА ИХ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.07Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» инженерного факультета в ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов (РУДН)», г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Михаил Юрьевич Куликов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Михаил Павлович Козочкин (ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН») кандидат технических наук, доцент Виктор Михайлович Гришин (ОАО «ЭНИМС»)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина»

(ИГЭУ)

Защита состоится «29» мая 2012 г. в «15:00» часов на заседании диссертационного совета Д212.203.16 при ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» по адресу: Москва, 113090, Подольское шоссе, дом 8/5, ауд.109.

С полным текстом диссертации можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан « » апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.203.16, кандидат технических наук, доцент В. В. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Обеспечение заданной высокой точности является важнейшей задачей современного машиностроения. Одной из сложнейших технологических задач сегодня является обеспечение высокой точности обработки глубоких отверстий, в.т.ч. глухих. Несмотря на достаточно хорошо разработанную технологию обработки отверстий, при увеличении их длины значительно снижается точность.

На сложность процесса формообразования глубоких отверстий указывает тот факт, что более, чем 10 развитых стран (США, Германия и др.) создали специальную ассоциацию «Boring and Trepanning Associating»

(ВТА), владеющую монополией в области разработки, изготовления и освоения производств специального оборудования, оснастки и технологии для обработки глубоких отверстий. Деятельность ВТА подтверждает целесообразность ее создания и указывает на широкий рынок сбыта продукции.

Наиболее распространенным способом получения глубоких, глухих отверстий большого диаметра является метод консольного растачивания.

При глубоком консольном растачивании возникающие нагрузки приводят к упругой деформации шпинделя расточного станка, что значительно ухудшает точность получаемого отверстия, а именно: увод оси и погрешности формы. Поэтому совершенствование процесса растачивания глубоких глухих отверстий требует проработки и научного обоснования, реализующихся при этом механизмов формообразований.

Цель работы.

Целью работы является повышение точности обработки глубоких отверстий методом консольного растачивания на станках горизонтально расточной группы.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

• Провести анализ литературных источников по способам и методам обработки глубоких отверстий.

• Разработать компьютерную модель шпиндельного узла станка, позволяющую оценить возникающие упругие деформации при изменении условий консольного растачивания.

• Исследовать влияние жесткости шпиндельного узла горизонтальнорасточного станка на точность получаемых глубоких отверстий.

• Разработать способ повышения точности консольного растачивания глубоких отверстий.

• Провести аналитическое исследование данного способа методами компьютерного моделирования.

• Провести промышленную апробацию разработанного способа повышения точности консольного растачивания глубоких отверстий.

Методы исследования.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. При решении задач, поставленных в работе, были использованы метод подобия при резании материалов, методы компьютерного моделирования сложных систем, метод конечных элементов, реализованный в пакетах программ инженерного анализа.

Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью современных методов описательной статистики и компьютерных программ.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

• Выявлены закономерности упругих деформаций шпиндельного узла расточного станка, возникающих при глубоком растачивании, а также их влияние на точность получаемых отверстий.

• Разработана компьютерная модель шпиндельного узла, позволяющая исследовать влияние технологических параметров резания на его упругие деформации при растачивании.

• Предложена рациональная схема устройства повышенной жесткости, значительно уменьшающая упругие деформации шпиндельного узла при растачивании глубоких глухих отверстий.

Разработана компьютерная модель данного устройства, позволяющая оценить уровень возникающих упругих деформаций при обработке.

Практическая ценность.

Проведя анализ аналитических и экспериментальных данных, полученных в ходе работы, было спроектировано оптимальное устройство для консольного растачивания, повышающее точность обработки глубоких отверстий.

Проведенные производственные испытания доказали эффективность применения устройства для консольного растачивания как средства, повышающего точность обработки глубоких отверстий. Оформлена и отправлена на экспертизу заявка на получение патента Российской Федерации (№ от 27.02.2012).

Личный вклад автора. Все результаты, полученные в ходе экспериментальных и аналитических исследований получены при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Наиболее значимые положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс-2010)». Иваново, ИГТА, 2010г.

• III Научно-образовательная конференция «Машиностроение и инновации» (МТИ-2010). Москва, МГТУ «Станкин», 2010г.

• Научно-техническая конференция Инженерного факультета РУДН, • The 6th International Congress of Precision Machining ICPM 2011.

Liverpool, John Moores University (LJMU), 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 1 статья в изданиях, аккредитованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 130 страниц машинописного текста, иллюстраций, 15 таблиц и 130 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан литературный обзор по проблемам обработки высокоточных глубоких отверстий.

Проблемами обработками высокоточных отверстий занимались многие отечественные ученые: Б.М. Базров, Д.Н. Решетов, А.П.

Соколовский, Ю.М. Соломенцев, А.Г. Суслов, В.А. Рогов, Г.А.

Расторгуев, И.Г. Жарков, С.С. Силин, З.М. Левина, а также ряд зарубежных ученых. При анализе их работ было выявлено три пути решения данных технологических проблем: первый – активные методы, которые во время обработки следят за положением оси и корректируют движение исполнительных органов. Второй путь решения данных проблем – применение автоматических балансировочных систем, основывающихся на жидкостном трении. Третий путь – применение конструкций с повышенной жесткостью.

Однако известных способов и методов уменьшения увода оси и погрешности формы при консольном растачивании глубоких отверстий крайне мало, а из представленных большинство – трудоемкие в изготовлении, не универсальны и ненадежны при изменении технологических условий, и поэтому не решили до настоящего времени проблем, возникающих при обработке глухих высокоточных глубоких отверстий.

На основании критического анализа литературных источников были сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию методов и способов, применяемых в работе исследования.

Исследования проводились при обработке глухих отверстий 350 мм и глубиной 1150 детали «Цилиндр». Материал детали:

Сталь 20Х3МВФ. Данная деталь является телом вращения с внутренней полостью, она состоит из 5 предварительно обработанных колец и сваренных между собой.

Исследования проводились на горизонтально-расточном станке ИР 1600 МФ4. Данный станок оснащен системой ЧПУ Siemens Sinumeric 840D, данная система имеет возможность корректировки движения исполнительных органов станка, учитывая погрешности изготовления опорных поверхностей и ШВП. Для измерения линейных и угловых перемещений в системе станка используются высокоточные датчики Heidenhain.

Исследования статической жесткости осуществлялась с применением методик, разработанных ЭНИМС. Основываясь на данные методики был собран стенд, представляющий из себя жестко закрепленную на столе станка раму, оборудованную двумя нагружными винтами. Сила нагружения определяется с помощью динамометров ДОМС-3-10У. Для определения прогиба шпинделя к картриджу расточной оправки прикреплен микронный индикатор часового типа, опирающийся своим щупом на эталонную раму. Для исключения погрешности, возникающей вследствие потери жесткости узлов стола станка, к нижней поверхности установлены два индикатора часового типа.

Также описан принцип работы применяемого в измерении точности обрабатываемых отверстий тригерного датчика касания. Приведена функциональная схема данного датчика. Принцип работы состоит в следующем: когда шаровидный наконечник из синтетического рубина соприкасается с измеряемой поверхностью, возникает силовое возмущение в упругом элементе, которое регистрируется с помощью изменения напряжения в тензорезисторе и передается через радиосвязь сигнал, по которому измерительная система каждой оси станка определяет координаты точки в пространстве. Измерения проводились по методике, описанной в СТ СЭВ 301-88. Для измерения отклонения от круглости применялся метод поперечных сечений. Для определения отклонения от цилиндричности отверстия применялся комбинированный метод: метод образующих и метод поперечных сечений.

В третьей главе даны результаты исследований жесткости шпиндельного узла в зависимости от длины его вылета и её влияния на точность получаемых отверстий.

Для определения сил, действующих на упругую систему станка, был использован метод подобия при резании материалов, разработанный профессором С.С. Силиным. Расчеты сил производились по режимам, выбранным по справочным данным, также были определены силы резания для альтернативного материала детали, а именно сплава ЭИ (13Х14Н3В2ФР).

шпиндельного узла при исследовании статической жесткости, были рассчитаны варианты сил при различных условий обработки основного материала.

Применяя методы компьютерного моделирования, в пакете программы SOLID WORKS были созданы полноразмерные компьютерные модели основных частей шпиндельного узла, из которых в последующем была создана сборная модель всего узла (Рис. 3.1).

Рис.3.1. Компьютерная модель шпиндельного узла (с наложением сил, ограничений и разбиением на конечные элементы).

Используя программу инженерного анализа Cosmos Works, были произведены компьютерные расчеты упругих деформаций шпиндельного узла.

В качестве ограничивающей области или области закрепления при проведении расчетов были выбраны следующие поверхности: тыловая поверхность и четыре торцевых поверхности лобовой плиты, так как она имеет жесткую связь с санями и с корпусом шпиндельной бабки рис. 3. Рис.3.2. Назначение области закрепления.

(Тыловая поверхность; 2- торцевая поверхность) К модели были применены внешние нагрузки, соответствующие ранее определенным. Это сила тяжести и силы резания, возникающие при растачивании глубокого отверстия исследуемой детали. Нагружение происходило постепенно в несколько этапов.

Также между составными частями шпиндельного узла станка и расточной оправки были обозначены связи, позволяющие создать общую сетку конечных элементов при расчете.

После проведения всех выше изложенных процедур, компьютерная модель разбивалась на сетку конечных элементов пирамидальной формы, причем максимальная толщина отдельного элемента не превышала 4 мм, и перекрывала самую маленькую часть модели более чем в 5 раз. А в местах стыка и переходов элементарных тел одного в другое сетка имеет более большую плотность, это делалось для того, чтобы расчет методом конечных элементов был как можно точнее.

Результатом расчета являлось определение упругих деформаций, жесткости и напряжений, возникающих в шпиндельном узле. На рисунках 3.3 и 3.4 представлены примеры трехмерных эпюр распределения упругих деформаций и напряжений.

Рис.3.3. Трехмерная эпюра распределения упругих деформаций.

Рис.3.4. Трехмерная эпюра распределения напряжений.

По результатам расчетов были составлены графики зависимостей жесткости и упругих деформаций от величины вылета расточного шпинделя, представленные на рис.3.5 и рис. 3.6 соответственно.

Рис.3.5. График зависимости упругих деформаций шпиндельного узла от величины вылета расточного шпинделя.

Анализ графиков показал, что упругие деформации шпиндельного узла увеличиваются по мере изменения величины вылета расточного шпинделя станка. Резкое увеличение упругих деформаций шпиндельного узла наблюдается после выдвижения расточного шпинделя более 500 мм.

Рис.3.6. График зависимости жесткости шпиндельного узла от величины вылета расточного шпинделя.

Полученные экспериментальные данные имеют хорошую сходимость с результатами, полученными на разработанной компьютерной модели шпиндельного узла. Адекватность компьютерной модели доказана с помощью критерия Фишера (Fрасчет=1,17 < Fтабл=2,9; а максимальное отклонение составило 16 процентов).

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют, что жесткость шпиндельного узла значительно падает при вылете шпинделя более 500 мм.

В четвертой главе описывается созданное устройство, применяемое для консольного растачивания глубоких отверстий. Рис.4.1 иллюстрирует принципиальную схему данного устройства.

Рис.4.1. Принципиальная схема устройства для консольного растачивания глубоких отверстий (1.Сборная втулка; 2. Подшипники; 3 Корпус; 4.

Крышка).

Внутренняя втулка состоит из трех частей. Части втулки соединены между собой при помощи специальных зажимов и винтов. С технической точки зрения известно, что любое разъемное соединение имеет степень податливости, а это, в свою очередь, вызывает явление «сухого трения».

По природе своей данное явление есть демпфер, этому эффекту посвящено много исследований, а в частности, труды американского ученого Вувета. Также смонтированная сборная втулка увеличивает поперечное сечение, что влечет за собой увеличение жесткости шпинделя.

Корпус устройства изготавливается из серого чугуна марки СЧ 25 ГОСТ 1412-79, который обладает демпфирующими свойствами. Корпус устройства также увеличивает поперечное сечение и массу, что способствует увеличению жесткости шпиндельного узла станка. Сборная втулка опирается на корпус через два предварительно натянутых радиально упорных подшипника.

Для исследования влияния данного устройства на жесткость шпиндельного узла станка были созданы в трехмерной среде твердотельного компьютерного моделирования программы Solid Works модели основных деталей. После чего производилось создание сборной трехмерной компьютерной модели устройства (Рис.4.2).

Рис. 4.2. Компьютерная модель устройства для консольного растачивания глубоких отверстий (вид с разрезом).

Для создания оптимальной конструкции устройства на стадии проектирования было рассмотрено три варианта компоновки устройства для консольного растачивания глубоких отверстий. Схемы конструкции между собой отличались лишь тем, что точка приложения силы реакции опоры подшипникового узла соответствовала отметке длины вылета шпинделя у первой 600мм, у второй - 500 мм и у третьей – 400 мм.

Поэтому детали корпус и втулки каждой из конструкций отличаются только длиной.

В качестве критерия, для выбора наиболее оптимальной конструкции устройства для растачивания отверстии, была выбрана жесткость каждого из вариантов, так как это один из важнейших факторов, влияющих на точностные характеристики получаемых отверстий. Для исследования жесткости конструкций разработанного устройства были созданы три компьютерные модели для каждого из вариантов (Рис 4.3).

Рис. 4.3. Компьютерные модели устройств для консольного растачивания глубоких отверстий (Положение подшипникового узла совпадает с вылетом шпинделя: а - 600 мм, б - 500 мм, в – 400 мм).

Произведя расчет жесткости шпиндельного узла с помощью метода конечных элементов, реализованного в программе инженерного анализа Cosmos Works, входящей в состав пакета Solid Works, на сборочных моделях, состоящих из представленных выше конструкций устройства и компьютерных моделей шпиндельного узла станка, были получены следующие результаты:

На основании полученных данных была построена графическая зависимость жесткости шпиндельного узла от величины вылета расточного шпинделя при применении каждой из конструкций.

Рис.4.4. График зависимости влияния вылета расточного шпинделя станка на жесткость шпиндельного узла при применении каждого варианта конструкции устройства.

Из данного графика видно, что второй вариант предлагаемого устройства наиболее эффективно снижает возникающие при резании упругие деформации. Поэтому этот вариант конструкции при проектировании был принят как наиболее эффективный.

Проведенные производственные испытания показали, что жесткость шпиндельного узла, при использовании разработанного устройства оптимальной конструкции в контрольной точке, соответствующей максимальному вылету шпинделя 1000 мм, повысилась на процентов. А точность обрабатываемых отверстий на 230 процентов, что следует из рис.4. Рис.4.5. Круглограммы обработанного глухого отверстия, сечение расположено на расстоянии 1000 мм от торца.

(а – без использования устройства; б – с применением устройства) Выводы по работе:

1. На основании литературных данных проведен анализ методов и средств получения глубоких отверстий при консольном растачивании. Выявлены неэффективность и неуниверсальность изученных методов и средств.

2. Установлено, что причиной низкой точности обработки глубоких отверстий при растачивании являются повышенные упругие деформации шпиндельного узла горизонтально-расточного станка.

3. Повышенные упругие деформации шпиндельного узла возникают в результате значительного снижения его жесткости при увеличении вылета расточного шпинделя. Установлено, что при величине вылета расточного шпинделя станка более 500 мм, жесткость шпиндельного узла значительно падает.

4. Разработана и апробирована компьютерная модель, позволяющая прогнозировать уровень упругих деформаций шпиндельного узла при изменении условий растачивания.

5. Разработана принципиальная схема устройства для обработки глубоких отверстий при консольном растачивании, а также основная концепция взаимодействия составных его частей.

6. С помощью методов компьютерного моделирования оптимизирована конструкция разработанного устройства для глубоких отверстий при консольном растачивании.

7. Установлено, что применение разработанного устройства повышает жесткость шпиндельного узла станка, что влечет за собой увеличение точности получения глубоких глухих отверстий при консольном растачивании.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Ларионов М.А. Повышение точности консольного растачивания глубоких отверстий в деталях энергетического машиностроения./ Куликов М.Ю., Ларионов М.А.//Вестник ИГЭУ, выпуск №2, - Иваново, ИГЭУ, 2012. – с. 39- В прочих изданиях:

1. Ларионов М.А. Способ повышения точности обработки глубоких отверстий. /Ларионов М.А.// Материалы международной научнотехнической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс-2010)». - Иваново: ИГТА, 2010.- с252-253.

2. Ларионов М.А. Повышение жесткости шпинделя при глубоком консольном растачивании. /Куликов М.Ю., Ларионов М.А.// Материалы III Научно-образовательной конференции «Машиностроение и инновации (МТИ-2010)». – Москва: МГТУ «Станкин», 2010. – с.91- 3. Ларионов М.А. Компьютерное моделирование как способ оптимизации процесса растачивания глубоких отверстий. /Ларионов М.А.// Межвузовский сборник научных трудов «Физика, химия и механика», выпуск №9. – Иваново: ИвГУ, 2010. – с.167- 4. Larionov M. A. Improved accuracy of console boring of deep apertures.

/Kulikov M.U, Larionov M.A// Precision Mashining IV. - United Kingdom, Liverpool: John Moores University (LJMU), 2011. – с. 200-204.

5. Ларионов М.А. Повышение точности консольного растачивания глубоких отверстий. /Ларионов М.А.// Межвузовский сборник научных трудов «Физика, химия и механика» выпуск№10. – Иваново: ИвГУ, 2011.с.115-118.

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КОНСОЛЬНОГО РАСТАЧИВАНИЯ ГЛУБОКИХ

ОТВЕРСТИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИХ

ОБРАБОТКИ

формообразования высокоточных глубоких глухих отверстий при их растачивании. Разработана компьютерная модель шпиндельного узла позволяющая оценить упругие деформации при различных условиях резания. Разработано устройство повышенной жесткости для консольного растачивания глубоких отверстий.

IMPROVED ACCURACY OF CONSOLE BORING OF DEEP APERTURES

BASED ON MODELING OF PROCESSING

The dissertation is devoted to research the mechanism of formation of highprecision deep blind apertures in processing. A computer model of spindle assembly to assess the elastic deformation under different conditions of cutting was developed.

The device of increased rigidity for the console boring deep apertures was developed.