Исследование трансформации динамических воздействий технологическими системами с многозвенными шарнирно-упругими связями

Развитие современного машиностроения невозможно без адекватного развития технологии машиностроения. Одной из важных проблем отечественной технологии машиностроения является необходимость повышения производительности и конкурентоспособности способов обработки деталей машиностроительного комплекса. Особую сложность представляет обработка деталей полученных ковкой, литьем, штамповкой, прокатыванием. Их обработка сопровождается возникновением динамических воздействий вплоть до критических, что приводит к повышенному износу режущего инструмента.

Известны инструменты, повышающие производительность обработки таких деталей, разработанные на основе теории трансформации динамических воздействий. Под трансформацией понимается изменение во времени направления, длительности переднего фронта и амплитуды вектора динамического воздействия вследствие малых относительных смещений заготовки, инструмента, инструментодержателей и других звеньев технологической системы. Эффективность трансформации обусловлена конструкцией технологической системы и, в первую очередь, способом соединения её деталей и узлов.

Комбинация различных способов соединений звеньев технологических машин и инструмента позволяет повышать стойкость режущих элементов и эффективность обработки. Известны соединения деталей машин с помощью подвижных связей (шарниры, подшипниковые связи) и упругих связей, как, например, упругие элементы в упругих муфтах. Использование в конструкциях технологических систем шарнирно-упругих связей режущего элемента с корпусом позволяет существенно снизить динамические нагрузки на режущие элементы и увеличить период их стойкости. Однако, теоретических и экспериментальных исследований технологических систем с шарнирно-уЦругими связями, в отличие от инструментальных систем с линейнозависимыми и независимыми связями, выполнено недостаточно.

В связи с вышеизложенным, в работе ставится ряд задач, связанных с разработкой методов исследования технологических систем с многозвенными шарнирно-упругими связями, совокупность которых составляет актуальную научную проблему, имеющих важное научно-техническое значение. Постановка задач предполагает разработку теоретических методов и графо-аналитической методики исследования, а также экспериментального способа оценки эффективности трансформации динамических воздействий.

Методами решения поставленной проблемы является выполнение теоретических исследований на базе современного научного потенциала технологии машиностроения и обработки деталей машин методами резания. Использованы ранее разработанные положения теории трансформации динамических воздействий технологическими системами с независимыми и линейно зависимыми связями. Применен аппарат уравнений Лагранжа в обобщенных координатах, прямое и обратное преобразование Лапласа.

Совокупность новых научных результатов, выносимых на защиту:

1. Основы теории и методов исследования технологических систем с многозвенными шарнирно-упругими связями, разработанные на основе новой параметрической модели.

2. Математические модели технологических систем с многозвенными шарнирно-упругими связями, полученные на базе аппарата уравнений Лагранжа.

3. Результаты решения задач трансформации для технологических систем с шарнирно-упругими связями, включая аналитические выражения угла поворота режущего звена, составляющих динамического воздействия и коэффициента трансформации по направлению.

4. Результаты экспериментальных исследований трансформации и моделирования технологических систем, полученные на основе графоаналитического метода и устройства с качающимся резцом.

Практическое значение работы состоит в возможности оценки эффективности трансформации динамического воздействия как существующих, так и проектируемых технологических систем с многозвенными шарнирно-упругими связями.

Цель и методы исследования обусловили как теоретический характер диссертации и полученных результатов, так и особенности реализации работы. Наибольшую экономическую эффективность следует ожидать при внедрении результатов прикладных научных исследований, выполненных с применением разработанных методов.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на трех научно-технических конференциях и двух семинарах. По результатам исследований опубликовано в печати десять работ.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения с общими выводами, приложения и списка использованных источников из 50 наименований. Работа содержит 112 страниц текста и 51 рисунок.

Выводы.

1. Разработана графоаналитическая модель технологической системы с? парнирно-упругой связью" которая позволяет варьировать в эксперименте не только параметрами режима резания" но и геоштри-ческшзи и динамическими характеристиками инструментальной системы и системы заготовки. Предложен метод эквивалентного преобразования технологических систем с шарнирно-упругой связью.

2. Исследование технологических систем с. подвижной жесткой заготовкой и неподвижной инструментальной системой нежесткой в ортогональном направлении выявило следующие свойства. При полояса-тельном эквивалентном ортогональном смещении на передней поверхности режущего элемента существует область с отрицательными величи-наш ортогональной составляющей силы резания. Отрицательному эквивалентно?.^ ортогональному смещению соответствует строго положительный закон распределения ортогональной составляющей силы резания по передней поверхности.

3. Исследована графо-аналитическая модель технологической системы с неподвижной однозвенной инструментальной системой с упругим шарниром низкой жесткости и подвижной жесткой заготовкой. Установлено, что эффективность трансформации вектора силы резания по направлению определяется радиусом и углом координации. Построены области + и — Трансформации Лектора силы резания в полярно! системе координат (угол и радиус координации).

4. Исследована графо-аналитическая модель технологической системы с неподвижной однозвенной инструментальной системой с жестким упругим шарниром и подвижной жесткой заготовкой. Выявлены закономерности изменения границ областей эффектишой и неоэ£ фектиЕНОй трансформации в зависимости от жесткости инструшнтальцг ной системы ¦ Результаты станочного эксперимента, полученные с помощью экспериментальной опытной конструкции вращающегося резца для некоторых точек благоприятных областей (77 ?) свидетельствуют о положительной трансформации вектора динамического воздействия по направлению в указанных точках #.

5. С помощью графо-атлитичесЕйх одвозвешшх моделей технологических систсн исследована трансформация динамического воздействия задней поверхностью режущего элемента • Наибольший положительный эффект трансформации обнаружен в четвертом квадранте — за счёт внедрения в обрабатываемую поверхность главной опорной кромки «Для достижения положительного эффекта трансформации следует уменьшать радиус координации и задний угол 9 а также выполнять на задней поверхности «искусственную * фаску износа под утлом ^"0°. зштшш И ОБЩЕ выводы.

1. Веяное значение имеет ршшие научной проблеш, связанной с разработкой основ теории трансфоршции динамических воздействий технологичесашш еистешш с шогозвепнши шрнирно-уп-ругши связяш. Под трансфоршцией динашческого воздействия технологическими систешш с ншгозвешши оарнирно-упругиш связа-ш понишстея изшненио во врешни направления вектора, длительности переднего фронта и амплитуды его вследствие шлих относительных смещений режущих элементов, инструментов, инструшшто-дерватслей, обрабатываемой заготовки, приспособлений, патронов я др. деталей и устройств технологической систеш. Трансформация динашческого воздействия является эффективной, если следствием её является повшение стойкости резущих элементов и (шш) производительности обработки".

2. Решение проблемы вшоднено на основе теоретических и граро-аншштотоехшх экспершентальнш: исследований транарорш-цпи динаьических воздействий технологичесшши систсшшз с многозвенными шарнирно-упругиш связяш, а такие апробации экспери-шнталышх результатов — тшенерной датодшш зкепресс-оценки эфт фективности трана^оршцш дишшческих воздействий существующих и разрабатываемых конструкций инструментальных систем.

3. Теоретическая часть работы содержит основы методов исследования траосфоршцш динамических воздействий технологическими систешш на основе систеш нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений Яагранш, методику х^^о-аналитических исследований трансфоршции дишшческих воздействий технологичео-кши систешш, а также способ экспериментальной оценки транс-форшции динамических воздействий инструментальными конструкци-ш*.

Основные положения теории трансформации динамических воздействий базируются на паршетричсской модели технологической систеш с шрнирнотупругиш связяш.

Поде ль состоит из кинематически движущейся систеш заготовки и инструментальной систеш, звенья которой последовательно соединены упруго-вязкими шарнирами. Вид траектории режущего лезвия инструментального звона определяется иараметраш технологической систеш. Составлены четыре укороченные параметрические модели с одаозвенной инструментальной системой. Они характеризуются расположением вершины инструнентального звена в первой, втором, третьем или четвертом квадрантах.

Для трехзвенной и всех одеозбонншс моделей составлены на базе аппарата уравнений Лаграшга да^ферепциалыше уравнения двизения. Кинетическая энергия системы вычислена координатным методом. Потенциальная энергия и функция рассеяния динамического воздействия получены интегрированием по эквивалентный первт шщеншш упругих и вязких составляющих динашчеекого воздействия.

5. Применение основных полакений теории трансформации позволило получить следующие результаты.

Для оценки эффективности технологических систем выбран коэффициент тхшефоршцйи динамического воздействия по направлению. Установлено, что для положительной трансформации этот во? эффициент должен быть больие нудя и меньше единицы. Из решения задач трансформации одаозвенныш моделями с применением преобразований Лапласа получены конечные выражения коэффициентов трансфоршции в первш* втором, третьем и четвертом квадрантам.

Для повыпешш эффективности трансформации динамических воздействий необходимо располагать главную режущую кройку отш сительно упругого шарнира во внутренних областях первого, второго, третьего или четвертого квадрантов, отдавая предпочтение найденный особым точкам второго и четвертого квадрантов. Уста*" новлено, что особые точки характеризуются углами координации ?0 = 125°. 150° во втором квадранте и ?0 = 305°. 330° в четвертом квадранте. Больше значения в указанных диапазонах со-ответствуш пелес пластичному материалу припуска и неньшей степени износа posymero элеиента. Для эффективной трансформации следует* кроью того, уыеньаать параметры /77, Rm %.

6. Предложена методика проверки адекватности штештических моделей технологическим си стеши. Установлено* что кинетическая энергия трехзвенной системы может вырокдаться в корректное 1 вы-pasoinie для одного звена. Подтверждена справедливость вырааений центра тсс звена /77 и смещений ревущей кромки для диапазонов параметров ???[0, 2п lfii>? = {д, fc т}.

7. Методика экспериментальных исследований базируется на разработанной теории трансформации динамических воздействий." Разработана новая нетодика графо-аналитических исследований многозвенных технологических систем, вкдшавдая в себя метод эквивалентных преобразований. Разработана новая экспериментальная техника — устройство с качающимся резцш да моделирования одно-звешшх технологических систем.

8. При выполнении экспериментальных исследований получены сдедущие результаты.

Установлено, что трансформация динамических воздействий в технологических систешх с многозвенными шаршрно-упругшй связями возникает вследствие изменения знака и величины ортогональной составляющей. На трансформацию вектора существенное влияние оказывают величины смещения корня стружки относительно передней поверхности и внедрения главной режущей и опорной кромок задней поверхности в обрабатываемую заготовку.

Определены гашегрическпе шага точек вершни ивсгрудоаза"' лыгого звена сяносэшшдо его шршра, соответствуйте эффекта-НОЙ 33 ЯОЭКЮКТШЗНОЙ ТредааЗДШЦЙЙ дшзшвдкзсшго воздействия, но вдщодлешш. % заввешоехг от п&ршлетров технолагшюсзсй систе-ш. Во внутренних областях первого, второго" третьего и четвертого шедхштов вшвлеш сеЕТорообразшю зож эффективней трансформации вектора сшш розошш, но шшравлешт".

Ускшошшо, что благопршшшс области распиряттся с увеличением неешхя®дарщшой свази* а с ростда радиуса коордаа-щт эфОахтшюсть {гранофоршян ¦дщшичесаяах воздействий ослабевает, Наблюдался рост зф^ктттшости традсуоршда с ушнызшшш заднего угла и увеличшшш раэбора фаезш износа.

Поворот пекущего звена, расположенного в благоприятных областях относительно трща визшает пашэзитозшшВ эффект трапе-уоршщш дшшшчес&оге воздейезшя по щправясшю (увеличение отвшешя Р^/Р)• При такой транафоршщйй увеличивается стойкость ревущих эяшшхов, есть возшикость пешшать производительность обработки Однако вэ-за эффекта «выхода* вектора цшш-ческого воздействие через шредаш поверхность, сопровоздащеи-ея ипюззннш рвзрушензш решдаго одешнта, следует предостеречь от использошшш тлтге отридаеяышх углов 8 в сочетшши е шш1 радпуеш координации V «.

Результаты гра11к>-слал1шгчес12-к исследований подтверждают и дшодшшт разре? отшлшс основи теории трешароршцш дшшшчеашх воздействий" Па основе ашюршентшшх йсследавшшй устройства с шттшл. резгда усжшошюао, что при щюршшетеш резшшк в ш" рскш двапазоао иода С 5, 0,096. 0,34 щ/об) во внутренних областях первого, второго, третьего к четвертого квадрантов при.

147 радиусах координации, но превосходящих 0,5 ми реализуется устойчивое розаше. Выставка вершины на границе третьего и четвертого квадрантов приводит к мгновенному разрушению рекущей пластины при шшдеши в припуск.

Это апробирует результаты, валенные в теоретических исследованиях,.

10, Прикладное значение разработанных методики храфсншааи-тичеекого исследования и метода эквивалентных преобразований выходит за рамии использования применительно к технологоческим сис-теша с многозвенными щршрно-уцругиш свяаяш. Метода рекомендуется использовать для исследования трансформации динамических водайстшй технологическими система?,®различных классов (токарного, расточного, строгального, Озерного и пр.- инструментов, оснастки, присхюсоблешШ, узлов станков я др").