Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Машиностроение
Размещена 15.10.2018. Последняя правка: 15.10.2018.

УПРАВЛЕНИЕ ТРЕНДОМ КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ В УСЛОВИЯХ АВТОКОЛЕБАНИЙ

Козлов Сергей Вадимович

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академи-ка М.Ф. Решетнева

Аспирант

Филиппов Юрий Александрович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева», кафедра «Технология машиностроения»


Аннотация:
При обработке фрезерованием возможно возбуждение автоколебаний из-за недостаточной жесткости детали или инструмента. Возбуждение автоколебаний во время обработки ухудшает ее качество и точность. В связи с этим поиск способов, направленных на повышение эффективности изготовления деталей в условиях вибрации, является актуальным. В настоящей работе рассмотрены некоторые методы обеспечения качества обработанной поверхности.


Abstract:
When machining, it is possible to initiate self-oscillations due to insufficient rigidity of the part or tool. Excitation of self-oscillations during processing degrades its quality and accuracy. In this regard, the search for ways to improve the efficiency of manufacturing parts in vibration, is relevant. In this paper we consider some methods to ensure the quality of the treated surface.


Ключевые слова:
фрезерование; автоколебания; подача; шероховатость поверхности

Keywords:
milling; self-oscillations; feed; surface roughness


УДК 67.05

Введение.

Обеспечение точности обработки и высокой производительности - две основные задачи, решаемые при изготовлении продукции в инструментальном производстве, а также в самолетостроении и производстве космических аппаратов. При этом основное внимание при их решении уделяется подготовительным этапам производства, когда затраты будут меньше. Это конструкторская и технологическая подготовка, при выполнении которой необходимо знать механизмы формирования профиля обработанной поверхности. При обработке фрезерованием возможно возбуждение автоколебаний, действие которых оказывает влияние на профиль обработанной поверхности. В настоящее время можно выделить 3 группы методов обеспечения качества процесса фрезерования. Во-первых, это определение устойчивых режимов обработки, которые обеспечивают высокое качество получаемой поверхности, низкий уровень вибраций и статических деформаций де­тали и инструмента, полученных на основе предварительного математического моделирования; здесь можно выделить работы, посвященные математическому моде­лированию во временной области [2,3,5,6,9,13], и работы, основанные на применении ап­парата динамической устойчивости к уравнениям с запаздыванием [7,10,11], прибли­жённо описывающим динамику процесса резания.

Во-вторых, введение в конструкцию станка устройств активного гашения вибраций [7,12]. Та­кие устройства включают датчик вибраций, систему обратной связи и актуатор, осуществляющий непосредственное силовое или кинематическое воздействие на колебательную систему.

В-третьих, управление режимами обработки - в основном, частотой вращения, - с целью ми­нимизации вибраций [14,15].

В настоящей работе проанализированы результаты экспериментальных данных о влиянии применения концевых цилиндрических фрез с разнонаклонными соседними зубьями, ленточки на задней поверхности зуба фрезы на подавление регенеративных автоколебаний, а также о влиянии подачи при концевом цилиндрическом фрезеровании в условиях автоколебаний на формирование профиля обработанной поверхности.

Влияние разнонаклонности режущих кромок фрезы на подавление регенеративных автоколебаний.

 При проведении экспериментов [1] были рассмотрены условия возбуждения автоколебаний при работе двузубой фрезой, у которой изменяли различие в углах наклона ∆ω между зубьями от ∆ω = 0° до ∆ω = 9°.

В обоих случаях (для встречного и попутного) фрезерования с увеличением угла разнонаклонности ∆ω размах автоколебаний снижался, причем для данных условий испытаний при попутном фрезеровании уменьшение параметра размаха автоколебаний в зоне измерения автоколебаний R2 достигал до 3-х раз. При встречном фрезеровании снижение параметра R2 было значительно меньше. Наибольшее снижение наблюдалось при начальных углах разнонаклонности ∆ω = 3°.

На рис.1 приведены результаты измерения параметра отклонения профиля Ra, из которых следует, что изменение угла наклона режущей кромки на угол ∆ω = 3° - 6° также снижает параметр профиля обработанной поверхности Ra в 1,5-2,5 раза.

Рисунок 1.  Параметр Ra отклонения профиля от разницы в углах наклона профиля ∆ω (п = 280 об/мин)

 
Таким образом, данные эксперименты однозначно подтверждают    положительное     влияние разнонаклонности соседних зубьев на подавление регенеративных автоколебаний, причем разница в углах наклона наиболее эффективно проявляется при не больших их значениях ∆ω= 3°- 6°.

Влияние ленточки на задней поверхности зуба фрезы на подавление регенеративных автоколебаний тонкостенного элемента детали.

 При исследовании проблемы подавления вибраций при концевом цилиндрическом фрезеровании тонкостенных элементов деталей, проводились эксперименты [1] по изучению влияния ширины и формы ленточки на задней поверхности винтового зуба на интенсивность возбуждения или подавления автоколебаний.

На рис. 2 показана схема геометрии возможной заточки задней поверхности зуба фрезы.

 Рисунок 2. Геометрия заточки задней поверхности винтового зуба концевой
цилиндрической фрезы:
1.   Зуб заточен наостро.
2.    Зуб заточен с ленточкойfл.
АВ- цилиндрическая ленточка (ЦЛ), СВ - плоская ленточка (ПЛ)

Зуб не затылованный имеет двойную плоскую заточку с углами α1 = 11 - 16° и α2 = 24 - 30°. Первый зуб заточен наостро, а второй имеет ленточкуfл. Причем в зависимости от способа заточки этой ленточки она может быть цилиндрической (ЦЛ) - АВ или плоской (ПЛ) - СВ. Форма ленточки определяет условие трения задней поверхности зуба с поверхностью резания.

При движении вершины зуба А (по окружности dфр) цилиндрическая ленточка касается этой окружности и в каждой ее точке по длине АВ задний угол α = 0°. При движении вершины зуба С (по окружностиdфр') плоская ленточка СВ касается этой окружности, причем задний угол α в этом случае становится отрицательным, и в области точки В задняя поверхность зуба может иметь пластический контакт с поверхностью резания. Изменение условий контактирования задней поверхности зуба с ленточкой не может не отразиться на условиях возбуждения или демпфирования регенеративных автоколебаний.

Исследования по влиянию ширины цилиндрической и плоской ленточек fл, на задней поверхности зуба на подавление автоколебаний проводили на однозубой экспериментальной фрезе dфр= 55 мм в условиях возбуждения интенсивных автоколебаний (n= 280 об/мин, аe = 0,5 мм, аp = 4 мм, Sz = 0,1 мм/зуб). Рассматривали три схемы заточки задней поверхности зуба фрезы:

1. Зуб заточен наостро (без ленточки) fл = 0 мм.

2. Зуб заточен с ленточкой шириной fл = 0,05 мм.

З. Зуб заточен с ленточкой шириной fл = 0,1 мм.

На рис. 3 показано, что снижение размаха автоколебаний R2 при заточке плоской ленточки шириной fл = 0,05 мм при встречном фрезеровании составляет 2 раза, а шириной fл = 0,1 мм - 3,5 раз. При попутном фрезеровании снижение параметра R2 составляет более 3-х раз. Заточка цилиндрической ленточки тоже снижает параметр R2, но это снижение несколько ниже, чем при заточке плоской ленточки. Величина отклонения профиля Ra также снижается и при ширине ленточки fл = 0,1 мм, уменьшение Ra для встречного фрезерования составляет 1,7 раза, а для попутного 1,5 раза.

Рисунок 3. Влияние ширины цилиндрической и плоской ленточки fл на задней поверхности зуба концевой фрезы на размах автоколебаний R2 и отклонения профиля Ra для плоской ленточки. Условия фрезерования: dфр, = 55 мм, ω = 0°, n = 280 об/мин, ае = 0,5 мм, ар, = 4 мм, Sz = 0,1 мм/зуб

ЦЛ-цилиндрическая ленточка, ПЛ- плоская ленточка


Таким образом, ленточка на задней поверхности зуба фрезы шириной fл = 0,05 мм и 0,1 мм оказывает существенное положительное влияние на подавление регенеративных автоколебаний как при встречном, так и при попутном концевом цилиндрическом фрезеровании тонкостенных элементов деталей.

Влияние подачи при концевом цилиндрическом фрезеровании в условиях автоколебаний на формирование профиля обработанной поверхности.

В работе [4] экспериментально показано влияние подачи при концевом цилиндрическом фрезеровании в условиях автоколебаний на формирование профиля обработанной поверхности. Установлено, что при концевом цилиндрическом фрезеровании в условиях автоколебаний увеличение подачи приводит к уменьшению высоты и шага волнистости обработанной поверхности, что связано с уменьшением периода и амплитуды автоколебаний. Была выявлена корреляционная зависимость между подачей, периодом автоколебаний, шагом и высотой волнистости обработанной поверхности. Волнистый профиль поверхности резания при автоколебаниях во время движения подачи оказывает влияние на изменение толщины сечения срезаемого слоя на всех последующих резах. В начале резания, когда в толщину срезаемого слоя попадает впадина, амплитуда автоколебаний будет наибольшей из-за малого демпфирования. На каждом последующем резе при движении подачи толщина срезаемого слоя постепенно увеличивается за счет выступа на поверхности резания, сечение которого способствует снижению интенсивности автоколебаний.

 При срезании основания выступа его влияние на интенсивность автоколебаний меняется и достигает наибольшего значения на выходе перед второй впадиной. В этом месте глубина вырезаемой впадины получается наименьшая, т.к. происходит наибольшее демпфирование. На следующем резе в толщину срезаемого слоя попадает участок с впадиной, и интенсивность автоколебаний опять возрастает. Такой цикл изменения интенсивности автоколебаний периодически повторяется. В результате этого на поверхности резания вырезаются впадины различной глубины, которые при движении подачи остаются на обработанной поверхности, образуя на ней волнистый профиль. Шаг волнистости – Sw зависит от ширины основания срезаемого выступа (на базовом фрагменте его характеризует период автоколебаний – ТАК), величина которого определяет количество резов, необходимых для его удаления.

Для того, чтобы определить влияние подачи на формирование профиля после фрезерования, записывали профилограммы обработанных поверхностей с помощью специального устройства [1]. По ним измеряли шаг – Sw и высоту – Wz волнистости. В табл. 1 приведены средние значения измеренных величин этих параметров.

Таблица1. Средние значения шагов и высот волнистости поверхностей, полученных при фрезеровании с разными параметрами подач

Подача Sz, мм/зуб

0,05

0,1

0,2

0,3

0,6

Шаг волнистости Sw,мм

1,93

1,52

1,07

0,94

0,81

Высота волнистости Wz, мм

0,106

0,129

0,101

0,060

0,036

         

По данным табл. 1 видно, что при встречном фрезеровании с увеличением подачи величины шага и высоты волнистости обработанной поверхности уменьшаются.

Экспериментально установлена связь между подачей и параметрами волнистости. Коэффициент корреляции между подачей и высотой волнистости равен η = - 0,91, между подачей и шагом волнистости - η = - 0,83. Уравнения регрессии можно представить в виде:

Sw = -1,7737Sz +1,6974;                                                      (1)

Wz = - 0,1579Sz + 0,1259.                                                    (2)

 Чтобы объяснить эту закономерность были проанализированы базовые фрагменты осциллограммы, характеризующие поверхности резания, с которых начинаются периоды глубин впадин, формирующих обработанную поверхность (рис. 4).

Рисунок 4. Базовые фрагменты осциллограмм, записанные при фрезеровании с разными значениями подач: a-Sz=0,05 мм/зуб; b - Sz= 0,1 мм/зуб; c-Sz = 0,2 мм/зуб; d-Sz = 0,3 мм/зуб; e-Sz = 0,6 мм/зуб


В табл. 2 приведены значения времени резания - tрез, периодов и частот автоколебаний – ТAK/fAK, наибольшего отклонения от линии упругого равновесия - ∆max и глубины впадины в зоне профилирования – ∆проф. При фрезеровании с подачами свыше 0,2 мм/зуб для определения величины ∆проф на рис. 1 с, d, е дополнительно показан выступ, остающийся на обработанной поверхности от предыдущего реза, относительно которого измеряется глубина впадины.

Таблица 2. Результаты измерений

Подача Sz, мм/зуб

0,05

0,1

0,2

0,3

0,6

tрез, мс

8,22

10,74

13,2

16,02

16,23

ТАК/fАК, мс/Гц  

2,22/450

1,83/546

1,59/628

1,38/724

1,23/813

∆max, мм

0,168

0,294

0,427

0,461

0,561

∆проф, мм

 

0,113

0,125

0,099

0,080

0,041


По данным табл. 2 видно, что с увеличением подачи увеличивается максимальное отклонение от линии упругого равновесия - ∆max и, соответственно, время резания. Период автоколебаний, который определяет на поверхности резания ширину выступа, уменьшается. Это указывает на то, что количество резов зубом фрезы для его удаления с увеличением подачи уменьшается.

При сравнении данных табл. 1 и табл. 2 видно, что коэффициент корреляции между шагом волнистости – Sw и периодом автоколебаний – ТAK равен η = - 0,98, коэффициент корреляции между высотой волнистости – Wz и отклонением ∆проф равен η = - 0,97. Уравнения регрессии, описывающие эти взаимосвязи, можно представить в виде:

 

Sw =1,1726ТAK - 0,6807;                                                 (3)

 

Wz =1,1119∆проф - 0,0154.                                               (4)

 

На основании формул (1) - (4) можно сказать, что при встречном фрезеровании с автоколебаниями увеличение подачи влияет на уменьшение периода автоколебаний, который определяет ширину выступа, срезаемого на поверхности резания, и, как следствие, уменьшение шага волнистости на обработанной поверхности. Также подача влияет на формирование глубины впадины, остающейся на обработанной поверхности.

Полученные уравнения регрессии могут быть использованы на этапе проектирования технологического процесса для оценки влияния назначаемой подачи на обработанную поверхность [4].

Заключение.

При подведении итогов рассмотрения экспериментальных исследований можно сделать вывод, что применение концевых цилиндрических фрез с разнонаклонными соседними зубьями позволяет существенно снижать интенсивность возбуждения регенеративных автоколебаний путем срезания волны от предыдущего зуба последующим, имеющим разницу в наклоне режущей кромки на величину ∆ω.

Рассмотрение влияния цилиндрической и плоской ленточки – fл на задней поверхности зуба фрезы также показали положительные результаты значительного подавления регенеративных автоколебаний, но только за счет изменения условий трения задней поверхности зуба с поверхностью резания.

Таким образом, можно утверждать, что подавление регенеративных автоколебаний возможно при реализации совершенно различных механизмов воздействия на них. Во-первых, при разрушении регенерации волн на поверхности резания. Во-вторых, при изменении условий трения задней поверхности зуба с поверхностью резания.

Также установлено, что обработанные поверхности, полученные при фрезеровании в условиях автоколебаний при разных значениях подач, имеют волнистый профиль, отличающийся шагом и высотой. С увеличением подачи шаг и высота волнистости уменьшаются.

При движении подачи срезание первого выступа на поверхности резания сопровождается изменением толщины сечения срезаемого слоя, увеличение которого снижает интенсивность автоколебаний и, соответственно, уменьшает глубину впадины, вырезаемой инструментом на поверхности резания и остающейся на обработанной поверхности. При этом периодическое повторение изменения глубины впадины формирует волнистый профиль.

Библиографический список:

1. Внуков Ю.Н. Автоколебания при фрезеровании тонкостенных элементов деталей / Ю.Н. Внуков, С.И. Дядя, Е.Б. Козлова, В.А. Логоминов, Н.Н. Черновол // Запорожье. 2017. – 208 с.
2. Воронов С.А. Комплексная математическая модель динамики пространственного фрезерования податливых сложнопрофильных деталей / С. А. Воронов, И. А. Киселев // Проблемы механики современных машин: материалы 5 междунар. конф. / ВСГУТУ. – Улан-Удэ, 2012. – Т. 2. – С. 91-94.
3. Воронов С.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Алгоритм изменения поверхности и определения толщины срезаемого слоя / С. А. Воронов, И. А. Киселев // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия "Машиностроение" 2012. – Спец. выпуск № 6 «Современные проблемы прикладной механики, динамики и прочности машин». – С. 70 - 83 .
4 Дядя С.И. Влияние подачи на формирование профиля обработанной поверхности при фрезеровании в условиях автоколебаний / С.И. Дядя, Е.Б. Козлова, В.С. Штанкевич, А.Е. Зубарев // Вестник ИрГТУ. – 2018. – том 22, №6. – С. 10-18.
5. Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Методика описания поверхности заготовки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия "Машиностроение" 2012. – Спец.выпуск № 6 «Современные проблемы прикладной механики, динамики и прочности машин». – С. 158 – 175.
6. Киселёв И.А. Моделирование динамики процесса фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей: дисс. канд. техн. наук. Москва, 2013. 243 с.
7 Altintas Y., Stepan G., Merdol D., Dombovari Z. Chatter stability of milling in frequency and discrete time domain // CIRP J. of Manufacturing Science and Technology. 2008. Vol. 1. Iss. 1. Pp. 35-44.
8. Brecher C, Manoharan D., Ladra U., Kopken H.-G. Chatter suppression with an active workpiece holder // Production Engineering: Research and Development. 2010. Vol. 4. Iss. 2. Pp. 239-245.
9. Campomanes M.L., Altintas Y. An improved time domain simulation for dynamic milling at small radial immersions // Transactions of the ASME. J. of Manufacturing Science and Engineering. 2003. Vol. 125. Iss. 3. Pp. 416-422.
10. Insperger Т., Stepan G., Bayly P.V., Mann B.P. Multiple chatter frequencies in milling processes //J. of Sound and Vibration. 2003. Vol. 262. Iss. 2. Pp. 333-345.
11. Merdol S.D., Altintas Y. Multi frequency solution of chatter stability for low immersion milling // Transactions of the ASME. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2004. Vol. 126. Iss. 3. Pp. 459-466.
12. Monnin J., Kuster F., Wegener K. Optimal control for chatter mitigation in milling - Part I: Modeling and control design // Control Engineering Practice. 2014. Vol. 24. Pp. 156-166.
13. Peigne G., Paris H., Brissaud D., Gouskov A. Impact of the cutting dynamics of small radial immersion milling operations on machine surface roughness // Intern. J. of Machine Tools and Manufacture. 2004. Vol. 44. Iss.l 1. Pp. 1133-1142.
14. Smith S., Tlusty J. Stabilizing chatter by automatic spindle speed regulation // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 1992. Vol. 41. Iss. 1. Pp. 433-436.
15. Van Dijk N. Active chatter control in high-speed milling processes. Doct. diss. Eindhoven: Eindhoven Univ. of Technology, 2011. 181 p.




Рецензии:

16.10.2018, 8:02 Петрухин Геннадий Михайлович
Рецензия:  Рассмотрена актуальная задача подавления регенеративных колебаний в станочной системе при фрезеровании концевыми цилиндрическими фрезами.Предложен механизм их подавления путем применения специальной конструкции фрез и выбора режима резания. Приведены результаты экспериментальных исследований. Статья рекомендуется к опубликованию. с Уважением!

16.10.2018, 19:59 Феофанов Александр Николаевич
Рецензия: Рецензия на статью Козлова Сергея Вадимовича «Управление трендом качества обработанной поверхности при фрезеровании в условиях автоколебаний» Данная статья посвящена рассмотрению снижения амплитуды автоколебаний при фрезеровании различных поверхностей, которая является ключевым моментом при изготовлении продукции в инструментальном производстве, а также в самолетостроении и производстве космических аппаратов. В статье указано, что в настоящее время можно выделить 3 группы методов обеспечения качества процесса фрезерования: - определение устойчивых режимов обработки, которые обеспечивают низкий уровень вибрации, высокое качество обрабатываемой продукции и получены на основе предварительного математического моделирования; - введение в конструкцию станка устройств активного гашения вибраций; - управление режимами обработки с целью минимизации вибраций. В работе автор анализирует результаты экспериментальных данных о влиянии применения концевых цилиндрических фрез с разнонаклонными соседними зубьями, ленточки на задней поверхности зуба фрезы на подавление регенеративных автоколебаний, а также о влиянии подачи при концевом цилиндрическом фрезеровании в условиях автоколебаний на формирование профиля обработанной поверхности. Были рассмотрены условия возбуждения автоколебаний при работе двузубой фрезой, при изменении различии в углах наклона между зубьями. Было выявлено, что изменение угла наклона режущей кромки на угол, равный 3° - 6° также снижает параметр профиля обработанной поверхности в 1,5-2,5 раза. Также автор в статье рассматривает влияние ленточки на задней поверхности зуба фрезы на возникновение автоколебаний, и отмечает, что ленточка на задней поверхности зуба фрезы шириной 0,05 мм и 0,1 мм оказывает существенное положительное влияние на подавление регенеративных автоколебаний как при встречном, так и при попутном концевом цилиндрическом фрезеровании. Так же автор отмечает, что существует корреляционная зависимость между подачей, периодом автоколебаний, шагом и высотой волнистости обработанной поверхности. Автор по результатам проведенных экспериментальных исследований делает вывод, что применение концевых цилиндрических фрез с разнонаклонными соседними зубьями позволяет существенно снижать интенсивность возбуждения регенеративных автоколебаний. Кроме того, автор указывает, что снижение регенеративных автоколебаний достигается как путем разрушения регенерации волн на поверхности резания, так и при изменении условий трения задней поверхности зуба с поверхностью резания. Также автором установлено, что обработанные поверхности, полученные при фрезеровании в условиях автоколебаний при разных значениях подач, имеют волнистый профиль, отличающийся шагом и высотой. С увеличением подачи шаг и высота волнистости уменьшаются. Автор в статье полностью раскрывает суть рассматриваемой проблемы. Статья изложена грамотным техническим языком, и может быть принята к публикации. Д.т.н., профессор Феофанов А.Н.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх