Высокопроизводительное точение тонкостенных закалённых цилиндрических заготовок

Современный этап развития техники требует точного изготовления тонкостенных труб. В настоящее время значительно увеличилось их количество в изделиях. Тонкостенные трубы, как и оболочковые конструкции, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности и, что особенно важно, в ответственных областях: нефтедобывающей, самолето — и ракетостроении, криогенной технике и холодильных установках, космических и военнопромышленных разработках. В специальных отраслях машиностроения находят широкое применение тонкостенные цилиндры с отношением длины к диаметру 8 .12, работающие в условиях силовых и температурных импульсных нагрузок. К деталям рассматриваемого класса предъявляются весьма высокие требования по точности выдерживаемых параметров. Предприятия, специализирующиеся на массовом выпуске тонкостенных цилиндров, испытывают определенные затруднения, обусловленные значительной протяженностью и низкой жесткостью обрабатываемых заготовок.

Одновременно с увеличением количества тонкостенных труб повышаются и технические требования к точности размеров поверхностей, формы и их взаимного расположения. В прецизионном машиностроении эти требования достигают порядка микрометров и долей микрометра. Для таких деталей важны все этапы изготовления, и законы технологической наследственности играют важную роль при разработке технологического процесса.

Вопросом технологической наследственности занимались A.M. Даль-ский [46,107], A.C. Васильев [111], А. Г. Суслов [107], A.C. Ямников [127], В. В. Семин [101] и другие ученые.

Наследственные связи как повышают, так и понижают показатели качества, поэтому важно на каждом этапе изготовления тонкостенных труб учитывать влияние их наследственности на характеристики детали. Явление технологической наследственности позволяет формировать оптимальные технологические среды и изменять свойства предмета производства в желаемом направлении. Некоторыми из важнейших факторов, влияющих на качество трубных деталей, являются исходные погрешности (овальность и кривизна оси), схема базирования и силы закрепления заготовки в технологическом приспособлении. Значимость этих факторов для качества детали отмечалась еще в работах основоположников технологии машиностроения: А. П. Соколовского [103], B.C. Корсакова [64,65].

Основное противоречие между процессами обработки тонкостенных трубных заготовок и качеством детали состоит в том, что базирование и закрепление происходят в условиях существования овальности, кривизны оси и низкой жесткости заготовки. Исходная овальность, кривизна оси заготовки и силы закрепления при любом технологическом воздействии влияют на деформацию заготовки и вызывают погрешность центрирования перед механической обработкой, сборкой или контролем. Для тонкостенных трубных деталей эти погрешности в ряде случаев превышают допуск и могут вывести деталь из разряда прецизионных.

Кроме этого, погрешности формы у труб еще оказывают влияние на последующие технологические процессы. Так, например, на одном из машиностроительных предприятий в среднем около 15−5-17% сборок тонкостенных труб не удовлетворяют требованию чертежа по радиальному биению, несмотря на то, что все детали проходят контроль ОТК. Такие сборки перебирают и подвергают ручному подбору с использованием большого количества слесарей-сборщиков высокой квалификации. Это увеличивает трудоемкость и снижает производительность сборки. Применяемые технологические процессы и оснастка не обеспечивают гарантированного обеспечения точности механической обработки при получении деталей из холоднотянутых, прогрессивных по форме заготовок, но имеющих погрешности формы и взаимного положения поверхностей в пределах 15−16 степени точности. На другом предприятии до 6% сборок не выдерживают заданного избыточного давления при гидроиспытаниях, а у 10% сборок односторонний зазор в стыке деталей при свинчивании их по резьбовому замку больше допустимого.

Для достижения требуемой точности при традиционно существующей однорезцовой обработке приходится существенно снижать режимы обработки, но и это не исключает значительных потерь от брака. В данном случае наиболее перспективным направлением является увеличение количества одновременно работающих резцов, расположенных с равномерным угловым шагом в плоскости, перпендикулярной продольной оси детали. Такую схему в дальнейшем будем называть точением многорезцовыми головками (МРГ).

Достижение высокой точности геометрических параметров при обработке тонкостенных цилиндров является весьма сложной задачей, зависящей от большого количества факторов, как при традиционной однорезцовой обработке, так и при переходе к обработке МРГ. Это послужило основанием для тщательного изучения точности изготовления тонкостенных цилиндров в условиях действующего массового производства (при однорезцовой обработке) с тем, чтобы результаты исследования в максимальной степени использовать для разработки процесса многорезцовой обработки. Результаты статистического анализа точности получения основных геометрических параметров показали, что наиболее низкой является точность наружного диаметра. Связано это с погрешностями формы в продольном и поперечном сечениях. Установление вида погрешностей с помощью гармонического анализа дало основание предположить, что причина, их вызывающая — деформации технологической системы. Исследование жесткости технологической системы показало, что наиболее «слабыми» звеньями системы являются заготовка и оправка, причем в суммарной погрешности обработки доминирующую роль играют деформации оси и стенок заготовок.

При измерении жесткости оправок было отмечено, что радиальная жесткость в различных направлениях имеет существенные отклонения. Подобное явление объясняет один из наиболее распространенных видов погрешности обрабатываемой детали, поперечное сечение которой имеет профиль неравно-фокусного эллипса.

Основываясь на полученных выводах, можно утверждать, что использование процесса точения многорезцовыми головками (МРГ), при котором радиальные составляющие силы резания взаимно компенсируют друг друга, будут способствовать повышению точности обработки.

Несмотря на очевидные преимущества процесса точения МРГ первые же попытки его осуществления привели к отрицательному результату, что объясняется возникающими вибрациями, которые оказывают вредное влияние на шероховатость поверхности, размерную точность, стойкость инструмента и долговечность станка. Наряду с этим неуправляемые механические колебания со сравнительно большой амплитудой являются ограничивающим фактором при увеличении производительности точения. Появление колебаний обусловлено наличием и взаимным влиянием технологических условий резания, внешних возмущающих сил и характеристик упругой технологической системы (ТС).

Предлагаемая работа является продолжением серии работ по виброустойчивости технологических систем (в том числе и при многорезцовом точении), выполненных в Тульском государственном университете (До-рохин Н.Б., Кузнецов В. П., Васин JI.A., Васин С. А., Чень Чжиган, Ямников A.C., Ямникова O.A.). В упомянутых работах были рассмотрены вопросы виброустойчивости технологической системы при точении, в том числе длинных валов.

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве деталей типа тонкостенных труб и технических требований, предъявляемых к их качеству. В конце главы формулируется цель работы и задачи исследования.

Цель работы: разработка научно обоснованных высокопроизводительных технологий точения тонкостенных закаленных заготовок при обеспечении заданных геометрических параметров детали (точности размеров, форм и относительного положения поверхностей) и виброустойчивости процесса.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1) Исследовать систематические погрешности, возникающие вследствие упругих деформаций тонкостенных заготовок, при точении одним резцом.

2) Исследовать влияние упругих деформаций станка и цанговых оправок.

3) Создать методику определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками на базе аналитической модели.

4) Исследовать систематические погрешности, возникающие, при точении многорезцовыми головками.

5) Разработать технологическую оснастку для высокопроизводительного безвибрационного точения многорезцовыми головками.

При решении поставленных задач использовались следующие методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

Во второй главе описываются результаты статистических исследований точности изготовления тонкостенных цилиндров в действующем производстве.

Установлено, что относительно невысокая точность получения цилиндрических поверхностей тонкостенных цилиндров связана с образованием погрешности формы в продольном и поперечном сечениях. Доминирующими видами погрешности в поперечном сечении являются: — для наружной поверхности: эллипсность и трехгранка. Указанные погрешности существенно меняются по длине детали: от незначимо малых величин в средней ее части до максимальных у торцов детали. Образование продольных погрешностей связано с переменной жесткостью стенок детали, изменяющейся от максимальной в местах контакта с зажимными элементами цанговых оправок до минимальной у торцов детали. Образование разностенности связано с погрешностями формы цилиндрических поверхностей и с погрешностями их взаимного положения. Доминирующее влияние в образовании последней погрешности оказывает копирование биения наружной поверхности заготовки.

Третья глава посвящена исследованию деформаций технологической системы. Экспериментальным путем исследовалась жесткость станков, приспособлений и заготовок. Установлено, что погрешности формы в продольном и поперечном сечениях образуются как результат совместного прогиба оси заготовки совместно с оправкой, а также прогиба стенки заготовки в процессе обработки. Степень влияния деформации оси и стенки заготовки на образование погрешностей существенно зависит от приведенной толщины стенки кк (с уменьшением кк это влияние увеличивается). Особенностью влияния оправки на точность обработки является образование в поперечном сечении такой специфической погрешности, как неравнофокусный эллипс. Подобное явление объясняется переменной жесткостью оправки в различных радиальных направлениях.

Величина погрешности формы детали зависит от следующих факторов: радиальной составляющей силы резания Ру, приведенной толщины стенки кк, погрешности формы и положения внутренней поверхности и типа применяемой оправки. Используя количественные зависимости указанных параметров, представляется возможным по разработанной методике прогнозировать ожидаемую величину погрешности формы в продольном и поперечных сечениях.

В четвёртой главе рассматриваются вопросы обеспечения виброустойчивости процесса точения тонкостенных трубных заготовок.

Создана аналитическая методика определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками точения тонкостенных трубных заготовок. Разработан аналитический критерий виброустойчивости Гаусса — Гурвица для одно и многорезцового точения, учитывающий параметры технологической системы (жесткость, демпфирующие способности, количество и расположение резцов, а также их геометрию, способ закрепления заготовки, конструктивные особенности цанговых оправок) в сочетании со свойствами заготовки (габариты, толщина стенки, физикомеханические свойства материала).

После того, как была решена задача борьбы с вибрациями, появилась возможность перейти к следующему этапу: исследованию точности процесса точения МРГ.

В пятой главе исследуется точность обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндров МРГ. Показано, что погрешность обработки в продольном направлении в значительной степени зависит от прогиба стенки заготовки под резцом. Данное утверждение справедливо как для однорезцовой, так и для многорезцовой обработки. В связи с этим повышение точности точения многорезцовыми головками за счет увеличения числа режущих кромок ограничено. Теоретически и экспериментально доказано, что существенное повышение точности может быть достигнуто за счет использования эффекта повышения жесткости самой деформированной заготовки в процессе ее обработки двумя группами чередующихся резцов — «тупых» и «острых», обеспечивающих существенное различие радиальных составляющих сил резания.

Излагается методика проектирования, позволяющая на основе заданных геометрических параметров детали и требований точности определить: количество резцов в блоке, схему срезания припуска, геометрию резцов и режимы обработки. Измерение детали опытной партии, обработанной резцовым блоком с рассчитанными параметрами, показало, что продольные погрешности, связанные с деформациями стенок, значительно снизились, а точность наружного диаметра повысилась в 2,2 раза. Точение МРГ позволяет повысить точность обработки также и за счет уменьшения погрешности формы в поперечном сечении, что достигается благодаря эффекту взаимной компенсации радиальных составляющих сил резания.

Внедрение результатов работы в производство на операции чистовой обработки наружной поверхности позволило повысить точность геометрических параметров, сократить потери от брака, повысить производительности данной операции, снизить расход твердосплавного инструмента. Создан комплекс технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности детали 1 изделия черт. 9−1 520.

Автор защищает:

1) Результаты статистических исследований точности точения тонкостенных трубных заготовок, показывающие, что основную долю продольной погрешности обработки даёт упругая деформация стенки заготовки, особенно между зажимными элементами цанги (примерно 60%), а погрешность в поперечном сечении максимальна в местах зажима и определяется воздействием цанги на стенку заготовки.

2) Результаты экспериментальных исследований, которые показали, что погрешности формы детали зависят от радиальной составляющей силы резания Ру, приведенной толщины стенки кк, погрешности формы и положения внутренней поверхности, а также типа применяемой оправки.

3) Структурный критерий виброустойчивости Гаусса — Гурвица для одно и многорезцового точения, учитывающий параметры технологической системы (жесткость, демпфирующие способности, количество и расположение резцов, а также их геометрию, способ закрепления заготовки, конструктивные особенности цанговых оправок) в сочетании со свойствами заготовки (габариты, толщина стенки, физикомеханические свойства материала).

4) Математическую модель процесса многорезцового точения тонкостенных труб, учитывающую динамические изменения составляющих силы резания при возникновении вибраций в системе.

5) Комплекс технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндрических деталей. Рекомендации по повышению виброустойчивости процесса точения многорезцовыми головками за счёт их оснащения разработанными специальными гидромеханическими виброгасителями.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Научная новизна состоит из следующих элементов:

— статистического и экспериментального выявления вида и характера систематических погрешностей, типичных для обработки тонкостенных трубных заготовок;

— выявления закономерностей образования систематических погрешностей, в частности влияния на них режимов резания, схемы базирования и жесткости технологической системы;

— аналитического определения условий безвибрационного точения тонкостенных заготовок.

Практическая значимость.

— Разработаны рекомендации по повышению точности и виброустойчивости процесса точения многорезцовыми головками за счёт их оснащения разработанными специальными гидромеханическими виброгасителями, рационального комбинирования геометрических параметров групп резцов.

— Создан комплекс технологической оснастки и модернизации станков на операции чистовой обработки наружной поверхности тонкостенных цилиндрических деталей.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552 900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ВНПК «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты», Тула, 2011 г. Материалы МНТК Автоматизация: проблемы, идеи, решения. «АПИР-15», Тула, 2011 г., а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009;2012г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, — 4- статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов — 4- из них статей без соавторства — 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации всесторонне исследованы операции чистовой обработки наружного диаметра тонкостенных цилиндров, осуществляемые единичным резцом и точением многорезцовыми головками, то есть несколькими резцами, радиально расположенными в плоскости, перпендикулярной продольной оси детали. Теоретически обоснована возможность повышения производительности и точности обработки при переходе к точению многорезцовыми головками. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили объективно оценить конкурирующие процессы по наиболее ответственному и важному для функционирования изделия критерию — точности обработки. Таким образом, можно считать, что в диссертации решена важная для машиностроения научная задача: повышение производительности токарной обработки наружных цилиндрических поверхностей тонкостенных заготовок при обеспечении их заданной точности и виброутойчивости процесса резания.

1. Показано, что низкая точность обработки тонкостенных цилиндров единичными резцами определяется погрешностями формы в продольном и поперечных сечениях, а также погрешностями взаимного положения цилиндрических поверхностей, образование которых в значительной степени связано с деформациями ТС. В общем балансе погрешностей наибольший удельный вес, примерно 60%, составляют погрешности, связанные с деформациями заготовки, а 30% - разжимной оправки. Наиболее существенные погрешности формы — в продольном направлении — возникают вследствие прогиба оси и стенок заготовки. Степень влияния каждого вида деформации на точность обработки зависит от приведенной толщины стенки.

2. Установлено, что вследствие деформаций разжимной оправки возникает специфическая для обработки тонкостенных цилиндров погрешностьнеравнофокусный эллипс. Непосредственной причиной образования нерав-нофокусного эллипса является неодинаковая жесткость оправки в различных радиальных направлениях.

3. Погрешности формы, характерные для тонкостенных цилиндров, возникают как при однорезцовой, так и при точении многорезцовыми головками. Однако в последнем случае погрешности могут быть существенно уменьшены за счет уравновешивания действующих радиальных сил резания.

4. Доказано, что удовлетворительные по точности результаты при обработке тонкостенных цилиндров точением многорезцовыми головками могут быть получены лишь в случае оснащения головки двумя группами чередующихся резцов с различной геометрией.

5. В диссертации разработана методика определения условий для безвибрационного точения многорезцовыми головками, включающая математический аппарат для качественной оценки виброустойчивости технологической системы и количественной оценки влияния упругих колебаний на динамические характеристики процесса многорезцового точения, который позволил построить алгоритм по выбору безвибрационных режимов. Для реализации структурного критерия определения виброустойчивости процесса точения была разработана программа для ЭВМ, определяющая численную зависимость минимально допустимой жесткости технологической системы от её логарифмического декремента и режимов резания при точении МРГ. При нарушении устойчивости системы следует менять режимы резания, геометрию резцов (задний угол на вспомогательной кромке) или применять дополнительные виброгасящие устройства.

6. Для внедрения процесса точения МРГ разработан комплекс технологической оснастки и проведена модернизация станков на операции чистовой обработки наружной поверхности детали 1 изделия черт. 9−1 520 и ствола охотничьего ружья Т03−34. Эффективность разработанного процесса точения МРГ подтверждена результатами внедрения, позволившими повысить точность получения геометрических параметров в 2,2 разаувеличить производительность операции чистовой обточки с 450 до 780 деталей в смену, сократить потери от брака на 60%.