Способ управления обработкой детали резанием с одновременным пластическим деформированием

 

Использование: машиностроение. Деталь обрабатывают резанием с одновременным пластическим деформированием. К детали прикладывают силовое воздействие в радиальном направлении с изменением в противофазе по сравнению с изменением радиальной составляющей силы резания. Величину силового воздействия на деталь со стороны деформирующего элемента назначают с учетом максимального и текущего значений радиального усилия при обработке, действующего на деталь со стороны резца, и суммарной силы трения суппорта. 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на предприятиях при точении, строгании, растачивании и фрезеровании заготовок из конструкционных и труднообрабатываемых сталей и неметаллических материалов.

Известен способ управления процессом при совмещенной обработке резанием и поверхностно-пластическим деформированием [1] Особенностью способа является то, что стабилизирование отжатий системы осуществляется путем приложения к деформирующему элементу дополнительного усилия деформирования, равного изменению радиальной составляющей силы резания, при этом величину усилия деформирования принимают в диапазоне от 0,7 Р_оnm до 1,3 P_оnm, где Р_оnm усилие деформирования. Недостатком известного способа является то, что способ управления не учитывает силы трения и не может быть осуществлен, когда изменения радиальной составляющей силы резания превосходят указанный выше диапазон изменения силы деформирования, т.е. в этом случае точность обработки не может быть обеспечена. Кроме того, поддержание постоянной радиальной силы ΣР_y const предопределяет наличие очень чувствительной и быстродействующей системы автоматического регулирования, что сужает технологические возможности способа регулирования.

Целью изобретения является повышение точности обработки.

Цель достигается тем, что силовое воздействие к детали прикладывают в радиальном направлении с изменением в противофазе по сравнению с изменением радиальной составляющей силы резания, а величину силового воздействия P_g на деталь со стороны деформирующего элемента назначают из выражения Р_уmaх ≥ P_y + P_g ≥ P_ymaх 2F, где Р_ymaх, P_y соответственно максимальное и текущее значения радиального усилия при обработке, действующего на деталь со стороны резца; Р_g текущее значение радиального усилия, действующего на деталь со стороны управляющего элемента; F суммарная сила трения суппорта.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для управления процессом по предлагаемому способу, когда в качестве основного элемента используют один режущий элемент резец; на фиг.2 схема расположения дополнительного управляющего (деформирующего) элемента между основными элементами: резцом и деформирующим элементом; на фиг.3 cхема расположения дополнительного управляющего элемента (ДУЭ) перед основным режущим элементом (ОРЭ) резцом и основным деформирующим элементом (ОДЭ); на фиг. 4 cхема расположения ДУЭ перед ОДЭ, когда ОРЭ отсутствует; на фиг.5 график перемещений одного из узлов системы станка, например, суппорта при его нагрузке и разгрузке; на фиг.6 схема действия сил при нагрузке суппорта; на фиг.7 cхема действия сил при разгрузке суппорта; на фиг.8 величины сил при переходе от нагрузки к разгрузке в случае реверсивного перемещения суппорта; на фиг.9 график пределов изменения радиального усилия на ролик в зависимости от изменения радиального усилия резания.

Способ управления обработкой детали осуществляют следующим образом.

Во время обработки детали 1, например, одним основным элементом-резцом 2 (фиг.1) возникают переменные силы. Радиальная сила Р_y, действующая на деталь 1 и резец 2, непостоянна вследствие колебания припуска, твердости обрабатываемого материала, погрешности установки детали и т.д. Предположим, что она изменяется по периодическому закону от Р_{y min} до Р_{y maх}. Система СПИД под действием переменной силы резания все время находится в движении, и ее составные элементы: деталь, суппорт, передняя и задняя бабки меняют в процессе обработки свое местоположение в пространстве, что приводит к снижению точности при обработке. Для повышения точности обработки ограничивают колебания радиальной силы основного элемента резца 2 величиной, равной двойной величине суммарной силы трения в наиболее податливом узле системы станка, как наиболее влияющем на точность обработки. Для этого предварительно определяют наиболее податливый узел системы станка. Как правило, в обычном машиностроении этим узлом оказывается суппорт станка. Для ограничения колебаний действующего усилия вводят управляющий дополнительный элемент 3, например ролик (может быть и шарик), установленный в корпусе 4 со стороны расположения основного элемента-резца 2 (фиг.1), и нагружают его радиальным усилием Р_g, изменяющимся с той же частотой и в противофазе по сравнению с суммарным радиальным усилием Р_y, действующим на деталь со стороны резца с выдерживанием соотношения P_{у maх} ≥ P_y + P_g (1) где P_{y maх}, P_y соответственно максимальное и текущее значения радиального усилия при обработке резцом; P_g текущее значение радиального усилия управляющего элемента; F суммарная сила трения в наиболее податливом узле системы станка суппорте. Роль управляющего элемента 3 заключается только в управлении процессом обработки, функции деформирования обработанной или необработанной, как и поверхности резания, на него не возлагаются. Он может быть установлен по отношению к резцу под любым углом к направлению продольной подачи. Усилия управления Р_g cоздается винтом, кулачком или другим подобным устройством и передается посредством пружины 5 регулировочного механизма 6. Корпус 4 установлен на суппорте 7 станка.

Способ автоматического регулирования процессом механической обработки резанием осуществляют следующим образом.

Колебания радиальной силы резания Р_y при обработке вызывают упругие колебания корпуса 4, которые затем передаются на стержень 8 и контролируются датчиками D₁ и D₂ усиливаются усилителем и подаются на сравнивающее устройство (СУ), где они сравниваются с сигналами задающего устройства (ЗУ). В случае рассогласования сигналов по величине и знаку подается команда на исполнительный механизм (ИМ), который управляет регулировочным механизмом 6, регулирующим перемещение (деформирующего) управляющего элемента 3 до установления определенного допустимого рассогласования сигналов задающего и сравнивающего устройств. Тем самым во время обработки постоянно поддерживается условие выполнения соотношения (1).

Работа устройства может быть осуществлена и в ручном режиме. Для этого, следя за показаниями индикатора 9, фиксирующего отклонение (прогиб) стержня 8, поворачивают ручку регулировочного механизма 6, изменяя величину радиального усилия Р_g, действующего на ролик за счет сжатия или ослабления пружины 5. В качестве основных элементов могут быть: один резец 2 (фиг.1) (процесс резания), резец 2 и упрочняющий элемент 10 (фиг.2,3) (процесс резания с упрочнением ППД), один упрочняющий элемент 10 (фиг.4) (процесс упрочнения). По ходу движения дополнительный управляющий элемент 3 может быть установлен после основного элемента (фиг.1), между (фиг.2) и перед основными (2 и 10) элементами (фиг.4). Если в качестве основных элементов имеется режущий Х, т.е. резец 2, и деформирующий элемент 10 (фиг.2), то управляющим элементом 3 необходимо стабилизировать изменение суммарной радиальной силы ΣР_y, равной сумме радиальных сил резания и деформирования роликом (шариком). В этом случае соотношение (1) примет вид: Σ Р _ymaх ≥ Σ P_y + P_g ≥ Σ P _ymaх 2F, где Σ P _ymaх Σ P_y соответственно суммарные максимальное и текущее значения радиального усилия резания и деформирования основных элементов.

Если проследить за перемещением суппорта в направлении радиальной (поперечной) подачи S_p (фиг.1), возникающим от действия радиального усилия P_y, то получают кривую 11 нагрузки (фиг.5). В силу того, что приложенная к суппорту сила нагрузки P_н P_y должна преодолеть суммарную силу трения F и упругую силу контакта R_k суппорта с деталями станка (фиг.6), то можно записать: P_н R_k + F (2) При разгрузке суппорта, т.е. уменьшении силы P_н P_р, он под действием упругих сил в контакте R_k, которые в этом случае являются движущими (активными), будет перемещаться в противоположном первоначальному направлению, и общая сила при разгрузке в этом случае должна быть равна (фиг.7) R_k P_p + F, где P_p P_y Или (3) P_p R_k F Величина перемещений суппорта при разгрузке показана на фиг.5 кривой 12. Разница между усилием нагрузки Р_н и усилием разгрузки Р_р при смене направления перемещения суппорта равна (фиг.8) P_н P_p R_k + F (R_k F) 2F. То есть при колебаниях радиальной силы P_y от P_{y max} до P_{y min}, меньших 2F, суппорт будет оставаться на месте и его перемещение в радиальном направлении будет равно нулю (фиг.5). Если в процессе работы колебания радиальных сил Р_y от P_{y maх} до P_{y min} будут больше 2F, то необходимо приложить к суппорту дополнительную нагрузку Р_g, увеличивающую минимальную силу Р_{y min} до того значения Р_y1 (фиг.5), когда ее разница с максимальной нагрузкой на суппорт P_ymaх не превосходила бы величины, равной 2F, т. е. должно выполняться условие P_{y maх} 2F ≅ P_y + P_g ≅ P_{y maх} При изменении суммарного радиального усилия, например, резания от P_{y maх} до P_{y min} суппорт переместится на величину Δyy₂ y₁ (фиг.5). Δy в этом случае будет являться погрешностью обработки. При изменении радиального усилия от Р_{y maх} до P_{y min}, т.е. на величину, меньшую 2F, суппорт не будет перемещаться (фиг.8). Из (2) имеют R_k= P_н F. При сохранении этого равенства суппорт при нагрузке перемещается в направлении радиальной подачи S_p. При разгрузке, т.е. при уменьшении силы P_н, когда сила упругого контакта R_k (фиг.7) выступает движущей силой, для того, чтобы суппорт стронулся с места, необходимо выполнение условия (3), т.е. R_k P_p + F P_н + F. Как видно из фиг.8, силу разгрузки P_p P_н необходимо уменьшать на величину, равную 2F, после чего суппорт будет перемещаться в направлении радиальной подачи S_p1 -S_p (фиг.7). Таким образом, если измерение радиальной cилы P_y на суппорт и деталь не превышает величины 2F, то суппорт будет оставаться неподвижным и его перемещение будет равно нулю. Это повышает точность обработки и расширяет технологические возможности способа.

П р и м е р. Производится обработка вала диаметром D 80 мм, длиной l 300 мм на токарном станке IK62. Вал имеет установочное биение, так что возникают радиальные силы P_{y maх} 700 Н, P_{y min} 100 Н. Материал вала сталь 40Х. Режимы обработки: частота оборотов вала n 400 об/мин; подача S 0,4 мм/об; глубина резания t0,4 мм. Резец шаговый с радиусом режущей кромки 2r 30 мм. Суммарная сила трения суппорта F 100 Н. Податливость наиболее податливого звена системы СПИД суппорта равна ω_c= 0,812˙ 10^-6 P_н^0,55677, где P_н (Н), ω_c(мм/Н). Радиальная сила резания P_y A_p sinωt + P_cр, где A_p= (P_max-P_min), P_ср= (P_max+P_min) Тогда P_у= (P_{у max}-P_{у min}) + (P_{у max}-P_{у min})sinωt (5) Из (1) находят необходимое дополнительное радиальное усилие: (6) После подстановки (5) в (6) получают P_g < 0,5 (P_{y maх} P_{y min}) (1 sinωt) (7)
P_g > 0,5 (P_{y maх} P_{y min}) (1 sinωt) 2F.

В таблице и на фиг.9 с учетом заданных условий обработки и уравнения (5) показано изменение радиальной силы Р_y от угла ϕ=ω t поворота детали. Радиальная сила резания изменяется от P_{y min} 100 Н до P_{y maх} 700 Н.

В таблице и на фиг.9 показано необходимое изменение радиального усилия P_g на управляющем ролике 3 (фиг.1), определяемого по соотношению (7). Очевидно при ϕ=90^о имеют P_{g min}. Приняв нулевую линию отсчета сил для ϕ= 90^о, определяют дополнительную радиальную силу Р_g, которую необходимо приложить к деформирующему элементу (ролику) для выполнения соотношения (1). Очевидно P_g1 P_g + P_{g min,} где P_{g min} 2F. Тогда P (8) Значения P_g1 приведены в таблице и на фиг.9. Силы P_g и P_g1 изменяются в противофазе по сравнению с изменением силы Р_y. Изменение сил P_g и P_g1 может быть не плавным, но при этом соотношение (1) должно выполняться. Изменение силы P_g или P_g1 может быть осуществлено без автоматического регулирования, например, с ручным управлением механизма 6, фиксируя перемещения суппорта по индикатору, или с заранее запрограммированным изменением силы P_g или P_g1, если заранее известно изменение силы P_y как в пределах одного оборота детали, так и по длине обработки детали.

Точность обработки в случае обработки резцом равна y₁ y₂ ω_c R_k1 ω_c R_k2 ω_c ( R_k1 R_k2 ) 0,812 ˙ 10^-6 ( R_k1^1,55677 R_k2^1,55677 ) R_k1 P_{y maх} F 700 100 600 Н; R_k2 P_{y min} + F 100 + 100 200 Н. Тогда y₁ y₂ 0,812˙10^-6 (600^1,55677 200^1,55677)17,16 3,1 14,06 мкм. Диаметральная погрешность при обработке только резцом равна 2 (y₁ y₂) 28,12 мкм. При обработке с управляющим деформирующим элементом общая сила, действующая на суппорт, будет равна (таблица) P + P_g 700 (700 -200)= 700 500 Н, т.е. Р_maх 700 Н, P_min500 Н.

Тогда R_k1 P_maх F 700 100 600 Н; R_k2 P_min + F 500 + 100 600 Н и y₁ y₂0, т. е. погрешность обработки равна нулю. Практически она составила 2,5 мкм. Имеем десятикратное повышение точности обработки.

Предлагаемый способ обработки прост в осуществлении. Испытания предложенного способа показали его эффективность при обработке валов нормальной жесткости. Способ обеспечивает в 6-10 раз повышение точности обработки, расширяет технологические возможности механической обработки, поскольку он может быть осуществлен не только в режиме автоматического управления, но и в ручном режиме обработки, а также по предварительно определенной функциональной зависимости для управляющего усилия (в случае отсутствия обратной связи) в силу наличия силового допуска на управление, равного 2F.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ ДЕТАЛИ РЕЗАНИЕМ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ, включающий измерение упругих отжатий детали под действием радиальной составляющей силы резания и приложение к детали соответствующего силового воздействия по результатам измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности обработки, силовое воздействие к детали прикладывают в радиальном направлении, изменяющееся в противофазе по сравнению с радиальной составляющей силы резания, а величину силового воздействия P_д на деталь со стороны деформирующего элемента назначают из выражения
P_уmax≥P_у+P_д≥P_уmax-2F,
где P_уmax,P_у соответственно максимальное и текущее значения радиального усилия при обработке, действующее на деталь со стороны резца;
F суммарная сила трения суппорта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10