Параметрами

При разработке экспериментальных установок к ним предъ­являлись следующие требования: конструктивно они должны впи­сываться в параметры базовых станков; максимальная простота в эксплуатации и обслуживании; динамические параметры должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к САУ; измерительно-регистрирующий комплекс должен иметь индивидуальные каналы усиления для обеспечения записи.

Конструктивно-функциональная схема САУ содержит три ос­новных комплекса:

1. Установка, оснащенная гидравлическими устройствами системы управления, в которую входят: токарный станок; насос­ная станция; управляемые дроссели (эти элементы общие для двух контуров управления ПРС и ПДО); электрогидравлический золотниковый преобразователь; гидравлическое исполнительное устройство; привод малых перемещений; самоцентрирующий люнет.

2. Контуры систем управления динамическими параметрами СПИЗ содержат: первичные преобразователи линейных перемещений, усилители первичных преобразователей, блок управления, задатчики программы, электромагнитные преобразователи.

3. Измерительно-регистрирующий комплекс, включающий в себя электронно-регистрирующий комплекс, самописец, прибор для визуального наблюдения за статическими перемещениями, ви­братор, амперметр переменного тока, усилитель мощности, гене­ратор задающей частоты, частотомер, милливольтметр переменно­го тока, фазочувствителъный вольтметр, первичный преобразователь регистрации амплитуд.

Принцип функционирования контуров управления для стаби­лизации оси детали и вершины инструмента следующий: первичный преобразователь линейных перемещений - датчик контролирует перемещение - отжатие резца или оси заготовки по оси Y, относительно базы. Базой может быть сам суппорт, направляющие станины станка, или искусственная база, закрепленная вне станка на отдельном фундаменте. Выходной электрический сигнал с датчика, пропорциональный механической величине, усили­вается в усилителе и поступает на дифференциальный усилитель, где сравнивается с сигналом задатчика программы. Выра­ботанный сигнал управления поступает на электромагнитный преобразователь, который преобразует электрический сигнал в механическое перемещение золотника, последний перераспределяет давление в рабочих плоскостях гидравлического исполнительного механизма, и, тем самым, управляет положением резца люнета или суппорта в процессе резания. Основные звенья кон­туров управления положением вершины резца и оси заготовки: первичный преобразователь-датчик линейных перемещений, электромагнитный преобразователь, гидропривод малых перемещений были взяты стандартными.

При работе одноконтурного электромагнитного преобразователя - ЭМП использовался блок управле­ния, выполненный как магнитно-транзисторный усилитель, выход которого нагружен обмотками ЭМП. Блок управления работает по дифференциальной схеме, сигнал с задатчика сравнивается с сигналом первичного преобразователя и сигнал рассогласования - сигнал управления подается на ЭМП. Разработанный блок управ­ления при незамкнутом контуре имеет коэффициент усиления бо­лее 300, при максимальном токе на выходе 100 мА и полосой пропускания частот в диапазоне 0…200 Гц.

С целью улучшения динамических характеристик блока управления был разработан дифференциальный усилитель для двух и трехконтурной САУ рассчитанный на работу с индуктивными и токовихревыми датчиками. При переходе датчиков одного типа на другой в дифференциальном преобразователе производится соответствующее переключение.

Для проведения динамических исследований в процессе ре­зания и работы при различных вариантах включения датчиков в САУ дифференциальный усилитель работает в трех режимах: с од­ним датчиком, в данном случае система управления обеспечивает стабилизацию объекта управления относительно какой-либо базы; с двумя датчиками, при перемещении контролируемого объекта, САУ управляет синфазно положением инструмента и осью детали; с двумя датчиками, но с той разницей, что из технологических соображений один из датчиков устанавливают с противоположной стороны одного из контролируемых объектов (например детали).

Работа блока управления может осуществляться вручную и по программе от ЭВМ в зависимости от серийности обрабатывае­мых изделий, от сложности продольного и поперечного профиля готовой детали.

Снятие статических и динамических характеристик с элек­тромагнитного преобразователя и гидропривода малых перемеще­ний резца или самоцентрирующего люнета, проводилось как с единого звена контура управления - электрогидропривода - ЭГП малых перемещений. Здесь следует отметить, что рабочее давление ЭГП 3,4…28 МПа, номинальный расход 60 л/мин, входной сигнал 8…200 мм, частота при сдвиге по фазе 90° при 60 Гц, не­чувствительность 0,5% и гистерезис 3% соответственно. Как следует из приведенных тяговых характеристик, наибольшим коэффициентом усиления и линейностью обладают хара­ктеристики при давлении 4…6 МПа. Последнее было принято для работы САУ ОК при проведении экспериментов.

Для оценки динамических характеристик рассматриваемого узла с него были сняты АЧХ и АФЧХ. Диапазон исследуемых час­тот соответствовал 0…100 Гц. При этом в ЭГП подавалось давление равное 4…6 МПа. Анализ динамических характеристик по -казал, что принятые выше допущения математического описания вполне правомерны, комплекс ЭМП и ГП с достаточной степенью точности можно рассматривать как апериодическое звено перво­го порядка с коэффициентом передачи К =2,1 н/в и Т_у = 0,04…0,08 с в зависимости от массы резцедержателя или суппорта. Таким образом узел электрогидравлического привода САУ при изменении управляющего сигнала в пределах U =1,0…30 в и рабочего давления 4…6 МПа, с удовлетворительным приближением может приниматься линейным звеном в диапазоне частот ¦=0…20 Гц.

Теоретически обоснована возможность сущест­венного повышения точности обработки путем введения САУ в технологическую систему СПИЗ, а в главе 2.1 приведены фун­кциональные схемы новых способов обработки. Ниже экспериментально проверяется достоверность полученных в теории ре­зультатов. Эксперименты с использованием САУ проводились в трех вариантах: первый - когда датчик регистрировал амплиту­ду колебаний относительно обработанной поверхности детали до прохода резца; второй после него; третий - датчик регистрировал колебания и отжим резца относительно суппорта. Для ре­ализации первого варианта необходима предварительно обработанная деталь, поверхность которой является измерительной базой. При этом САУ обеспечивает воспроизведение формы изде­лия с учетом глубины резания. Последняя определяется задатчиком. Такой режим функционирования создает предпочтительность использования САУ на чистовых финишных операциях обра­ботки деталей слоеной формы, в поперечном и продольном сече­ниях. Соответственно при выглаживании, чистовой расточке, на­резке резьбы и т.д. достигается максимальный эффект.

В случае функционирования САУ по второму варианту для нее необходима специально созданная искусственная измерительная база (в начальный момент резания). Подобная система наиболее эффективна для повышения точности обработки цилинд­рических деталей, типа ступенчатых валов. Работа по третьему варианту обеспечивает стабилизацию вершины резца при любых способах точения. Наиболее типичные осциллограммы процесса точения на базовом станке и оснащенном контуром управления положением вершины инструмента приведены в приложении 3. Сле­дует отметить, что встройка контура управления в технологическую систему СПИЗ обеспечивает снижение амплитуды относительных колебаний от 4 до 20 раз, в зависимости от скорости и приращения глубины резания. Точность обработки повышается в 3…4 раза только за счет стабилизации вершины резца. Приведен­ные эксперименты по исследованию влияния контура управления положением инструмента специально проводились при обработке жестких заготовок . Третий контур стабилизации оси заготовок аналогичен второму контуру управления, только вмес­то резца на деталь действует опора-призма, выполненная в ви­де двух подвижных роликов. Эксперименты, проведенные на лабо­раторном образце выявим слабые стороны такой опоры: точная установка опоры-призмы до момента касания с заготовкой, невозможность фиксации заготовки по оси Z, т.к. в процессе резания ось заготовки перемещается под углом к оси и касание опоры-призмы осуществляется одним верхним роликом. Еще одна особенность работы опоры призмы, выявленная в процессе эксперимента: если опора-призма устанавливалась до зоны резания, относительно необработанной поверхности заготовки на данном проходе, то устойчивость процесса возрастала в десятки раз; если опора-призма размещалась после зоны резания, то устойчивость процесса резания была "нулевая". Заготовку диаметром 40 мм и длиной 2400 мм можно было точить 200…300 мм от задан­ного центра, далее возникали автоколебания, приводящие к по­рче поверхности заготовки. Такие явления объясняются волновыми процессами, происходящими при точении маложестких длин­номерных заготовок.

Первый контур стабилизации поперечного суппорта по всем параметрам и принципу работы аналогичен второму и третьему, здесь первичный преобразователь-датчик линейных перемещений закреплялся на корпусе суппорта относительно искусственной базы, последняя помещалась вне станка (на японском токарном станке РВ-102, РВ-104) и в его функции входило обеспечить ме­ханическую базу отсчета для положения инструмента и заготов­ки в процессе резания. САУ позволяла исключить все погрешно­сти технологической системы станка, влияющие на точность и производительность обработки.

Положительный эффект САУ, полученный в результате ее экспериментальной апробации при точении длинномерных валов, позволил разработать промышленный образец САУ (рис.2.29) при­менительно к станку РВ-104, PB-106. В то же время контур стабилизации оси заготовки модернизировать; опору-призму за­менить на самоцентрирующий люнет - СЦЛ.

Рис.2.29. Результаты экспериментов в 3-х контурной САУ

А конструкцию электрогидропривода - ЭГП усовершенствовать с точки зрения технологии изготовления, электромагнитные преобразователи взяты стандартными. Модернизация САУ позволила снизить вес конструкции, повысить быстродействие, расширить технологиче­ские возможности - точить заготовки размером от 10…120 мм при точности форсирования оси в процессе резания не более 8 мкм, в независимости от расположения самоцентрирующего лю­нета. Управление рабочим давлением в самоцентрирующим люнете, согласно разработок, приведенных в главах 3 и 4, позволило резко повысить демпфирующие способности подсистемы "деталь-опоры", т.е. виброустойчивость повысилась в 3…4 раза (экспе­римент проводился по предельной глубине резания) в зависимос­ти от геометрических параметров заготовки и режимов резания. Первая серия экспериментов при работе САУ состояла в том, что задавалась амплитуда биения детали на заготовки, и проводилась обработка на базовом станке и на том же станке, с тем же заданным значением амплитуды биения со встроенной САУ (рис.2.30) и измерялось отношение амплитуды биения заготовки до и после обработки.

Рис.2.30. Результаты экспериментальных исследований

Здесь по ординате значение подачи на оборот, а по оси абсцисс - отношение амплитуды биения заготовки при резании на базовом станке к амплитуде биения детали при рабо­те САУ. Анализ полученных зависимостей показывает, что введение САУ в технологическую систему СПИЗ уменьшает амплитуду колебаний заготовки, а, следовательно, повышает точность в поперечном сечении в 4…20 раз. Это определяется величиной эксцентриситета и режимами резания, что хорошо согласуется с общими теоретическими разработками, проведенными в третьей и четвертой главах.

По мере роста подачи при скоростях (V =50…80 м/мин) амплитуда колебаний обрабатываемой детали увеличивается, а при скоростях (V =100…200 м/мин) существует ее экстремум-минимум (при S =0,54 мм/об). Как следует из графика, с во­зрастанием величины эксцентриситета, при всех режимах точения, точность обработки вследствие введения САУ повышается. При этом шероховатость поверхностей уменьшается, как минимум, на один класс.

Перед началом проведения экспериментов анализировалась работа САУ при холостых оборотах. Как показала практика работы в САУ, в процессе резания амплитуда относительных колебаний меньше, чем при холостом режиме. Практически процесс резания не влия­ет на работу САУ.

Дополнительно был проведен эксперимент для определения внешнего импульсного воздействия на контур управления верши­ной резца. Предварительно протачивался ступенчатый вал с пе­репадом 1…4 мм по диаметру, рис.2.31 и проводилась обработка на базовом станке и с САУ.

Рис.2.31. Круглограммы поперечных сечений

Для оценки некруглости маложестких деталей с соотношением из сталей 40Х13 и 12Х18Н10T протачивались по заводской технологии и с использованием САУ. Замерялись круглограммы в восьми сочетаниях с шагом 200 мм, начинал от задней бабки. Наиболее характерные круглограммы представлены на рис.2.32. Результаты измерения шероховатости обработанной поверхности детали при использовании САУ и без нее показали, что качество поверхности улучшается минимум в два раза, а ге­ометрические параметры микропрофиля уменьшились в 3,1…4 раза.

Анализ полученных результатов показывает, что точность обработки определяется не состоянием технологической системы СПИЗ, а динамическими параметрами контуров управления, особенно электрогидропривода, т.к. электронные блоки управления практически безынерционны и не имеют фазовых сдвигов, их по­стоянные времени меньше, чем на два порядка, постоянных вре­мени гидропривода.

Рис.2.32. Модернизированная трехконтурная САУ стабилизации сил резания

Особенностью разработанной технологии является то, что в процессе изготовления заготовки на всех операциях снижает­ся и выравнивается по длине уровень остаточных напряжений. Для механической обработки выравнивание остаточных напряжений связано со стабилизацией и минимизацией сил резания. Разработанная ранее трехконтурная САУ была модернизирована на рис.2.33. Контур стабилизации вершины резца дополнился двумя каналами управления. Первый канал, согласно разработан­ной системы управления, (см. рис.2.25) обеспечивал стабилизацию площади срезаемого слоя в течении одного оборота, а следовательно, стабилизировал постоянную и переменную состав­ляющие силы резания , что приводит и к стабилизации осталь­ных составляющих сил резания, т.е. к равнонапряженному по величине и направлению поверхностному слою, что особенно важно при формировании стабильного уровня остаточных напряжений. Сформированный равнонапряженный слой металла на поверх­ности детали приводит и к стабилизации оси последней в пространстве.

Для повышения качества обработки поверхности и снижения уровня постоянных составляющие сил резания, а такие повышения точности обработки управляемого сигнала и устойчивости рабо­ты первого канала, параллельно ему работает второй канал.

Рис.2.33. Зависимости размерного износа резцов от

продолжительности работы: а – при t =0,5 мм, S =0,11 мм/об;

б – при t=0,5 мм, V =84 м/мин

Ка­нал работает по разомкнутой схеме. С блока нормирования каче­ства обрабатываемой поверхности формируется осциллирующий сигнал управления с определенным уровнем по амплитуде и час­тоте колебаний. Частота и амплитуда колебаний определяется экспериментально в зависимости от физических и механических свойств обрабатываемого материала заготовки. Впервые качест­во поверхности и геометрии детали функционально связаны с остаточными напряжениями на поверхности, обработанной на данном проходе. Эксперименты, проведенные на лабораторном образце установки рис.2.33, показали, что сила резания пада­ет в 1,6…1,8 раза, и имеет экстремальную зависимость функции "сила резания - частота осцилляции". Опыты проводились на тех же режимах, что и с трехконтурной САУ. Искривление оси обработанных гладких валов в пространстве, после тридцатидневной выдержки не превышало 10 мкм. Применение разработан­ной САУ, как показали эксперименты, целесообразно для деталей малой жесткости осесимметричных, но небольших по весу и длине (не более 1500 мм). Стабилизация оси заготовки осущест­вляется только в зоне резания, а опорами является задний центр и патрон (или центр). В таком случае неуравновешенность заготовки в процессе резания сильно влияет на уровень вибра­ций, что приводит к снижению режимов обработки, увеличению осевой силы поджатия и, как следствие, появлению неравномерных остаточных напряжений.

На основании анализа работ по вопросу обработки нежест­ких осесимметричных деталей наиболее перспективной для дальнейшего усовершенствования с целью повышения производительности и улучшения качества обработки-стабилиза­ции остаточные напряжений на поверхности заготовок при черновом точении является двухрезцовая обработка. Здесь следует отметить, что точение самоустанавливающими резцами не имеет ограничений при обработке жестких деталей и по точности, и по производительности. Однако при точении маложестких деталей, как показали эксперименты, существуют ограничения, связанные со статическим прогибом от собственного веса заготовки и, как следствие, прецессия при точении. Следовательно, двухрезцовое точение целесообразно применять, как и в случае с использованием САУ, для систем с сосредоточенными параметра­ми, т.е. для заготовок длиной до 1200…1500 мм и диаметром 30…60 мм. В отличие от ранее исследуемых САУ, в работу кото­рых вводилась отрицательная обратная связь по положению для любых подсистем (ПРС и ПДО и т.д.), в установке с самоустанавливающими резцами роль обратной связи выполняет сам процесс резания. Апробация разработок проводилась без систем управления. Два резцедержателя, установленные на корпусе по­перечного суппорта, с возможностью радиального перемещения - настройки на размер с индивидуальным приводом имеют возможность самоустанавливаться в процессе резания. Сам же корпус поперечного суппорта установлен на основание с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через ось заготовки и связан с основанием посредством торсионного зала. Основание жестко крепится к суппорту базового станка.

Если сопротивление движению первого резца, закрепленного на резцедержателе, возрастает по сравнению с сопротивлением движению второго резца, то в этом случае корпусом поперечно­го суппорта разворачивается относительно вертикальной оси, проходящей через ось торсионного вала и ось детали. При этом изменяется толщина срезаемого слоя металла, происходит выра­внивание осевых составляющих сил резания и , действую­щих на резцы, закрепленные в резцедержателях. При уменьшении сопротивления движению резца, закрепленного в резцедержателе, корпус поперечного суппорта под действием силы торсионного вала смещается в обратном направлении и осуществляется само­установка корпуса поперечного суппорта, а вместе с ним и ре­зцов.

При исследовании работоспособности установки для черно­вого точения заготовок (материал в поставке) из стали 12X18Н10 и 40XH длиной 1200 мм, диаметром 30…60 мм принимались за основы стандартные трех- и четырехгранные пластинки со стандартными углами и механическим креплением из твердого сплава Т15К6. Одна из целей эксперимента - исследовать влия­ние технологических условий обработки валов малой жесткости на размерный износ резцов. Обработка проводилась по методу деления подачи. Неравномерность припуска колебалась в преде­лах 0,1…0,4 мм. Заготовки перед точением рихтовались. Измерение размерного износа осуществлялось через каждые 5 мин. и как среднее значение по трем результатам заносилось в табли­цу. Зависимость размерного износа резцов от продолжительнос­ти работы представлена на рис.2.34.

Рис.2.34. Профилограммы осевых сечений, полученные с помощью прибора TAYLOR-HOBSON

Анализ построенных графиков позволяет заметить, что раз­ность размерного износа противоположно расположенных резцов не превышает 15…17 мкм при точении на протяжении 30 мин. На­ибольшая разность размерного износа наблюдалась при точении на высоких скоростях. Однако, такое явление наблюдалось кра­тковременно, потому что через некоторый период наступило са­мовыравнивание износа резцов. Как видно из приведенного анализа, разность размерного износа не может вызвать дополните­льна погрешностей или неустойчивости двурезцовой обработки деталей малой жесткости. Полученные данные исследования раз­ности размерного износа двухрезцозой обработки свидетельствуют, что износ инструмента при однорезцовой и двухрезцовой обработке идентичен. Разность износа резцов не превышает 18 мкм за период стойкости инструмента, и не вызывает допол­нительных упругих отжатий подсистемы "деталь-опоры".

С целью выявления степени влияния технологических факто­ров - скорости подачи и глубины резания на точность обработ­ки нежестких валов были поставлены эксперименты (материал заготовок, что и в предыдущем эксперименте) на партиях заго­товок по 15 штук в каждой, длиной 1200 мм, диаметром 45 мм с неравномерном припуском не более 0,3…0,4 мм. После первого прохода неравномерный припуск составлял 0,025…0,030 мм, а по­сле второго прохода 0,08…0,012 мм. Точность двухрезцозой обработки заготовок малой жесткости снижается порядка 16% с повышением скорости резания (75…81 м/мин) или подачи (0,15…0,52 мм/об). Результаты исследования точности обработки от глубины резания указывают на несущественное ее повышение в пределах 5…10 %. С увеличением глубины резания от 0,5 до 2,5 мм приращение разности осевых сил резания не может вызвать прецессии оси заготовки, а существенное приращение раз­ности тангенциальных сил резания повышает натяг система и уменьшает погрешность обработки. Следует заметить, что метод настройки суппорта - делением подачи или глубины резания, не оказывают существенного влияния на точность обработки. В про­цессе самоустановки резцов, особенно при тяжелых режимах при черновом точении, их колебание относительно оси качения, рез­ко снижает качество обрабатываемой поверхности (шероховатость и ниже) в зависимости от величины эксцентриситета и некруглости заготовок. Переходный процесс выравнивания осевых сил и приводит к снижению качества поверхности.

Этот недостаток не дает возможность использовать процесс двухрезцового точения для получистовых и чистовых режимов. Кроме того, при малых силах резания, особенно это заметно при глубинах резания менее 1 мм, инерционность резцедержате­лей такова, что резцы точат с перекосом, т.е. сила резания не преодолевает силу трения в подвижном стыке суппорта.

Основным достоинством двухрезцовой обработки маложестких деталей с самоустанавливающими резцами является большая производительность обработки, в два 2,5…3 раза больше однолезвийной, при сохранении точностных размеров. Это достигает­ся за счет сокращения вспомогательного времени, увеличения режимов резания.

При увеличении веса и длины заготовок система управления, предназначенная для объектов с сосредоточенными пара­метрами, явно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым готовым деталям такого класса, т.е. обработке деталей с рас­пределенными параметрами, какими являются заготовки длиной от 1,5 до 4 м и диаметром от 30 до 60 мм.