Влияние деформации ползуна многоцелевого станочного комплекса серии VM на точность обработки

Статья посвящена проблемам повышения экономического роста Российской Федерации, развитию высокотехнологичных наукоемких отраслей обрабатывающей промышленности на базе принципиально нового технологического уклада, новых безлюдных технологий. Предлагаются мероприятия по повышению точности изготовления сложных и крупногабаритных изделий, деталей. В настоящее время технический уровень многих отраслей народного хозяйства в значительной мере определяется уровнем производств средств производства. Базой производств средств производства является станкостроение. На основе развития станкостроения осуществляется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях. Выполнен комплексный анализ погрешностей, влияющий на точность изготовления деталей. Предлагаются мероприятия повышения точности изготовления на базе многоцелевого станочного комплекса серии VM 32. Выполнен анализ влияния сил резания и формы сечения ползуна на его деформацию при различных видах обработки. Определена оптимальная форма сечения ползуна для увеличения жесткости и уменьшения деформации ползуна при резании металлов Ключевые слова: технологический уклад, точость изготовления, станок, ползун, суппорт, поперечина, привод, система управления, технологический уклад, станочный комплекс, точность позиционирования, изготовление, деталь крупногабаритный высокотехнологичный промышленность Основой экономического роста Российской Федерации является развитие высокотехнологичных наукоемких отраслей обрабатывающей промышленности на базе принципиально нового технологического уклада.

По оценке экспертов, в настоящее время, станкостроение, приборостроение и производство высокотехнологичного оборудования России оказались в зоне «некомпенсируемого технологического отставания». Спад производства в высокотехнологичных отраслях оказался намного больше среднего по промышленности. К сожалению, на мировых рынках сегодня высокотехнологичная продукция России занимает 0,3 процента от общего объема, это более чем на два порядка меньше чем в США, на порядок меньше чем в Мексике, втрое меньше, чем на Филиппинах.

Для реализации экономического и технологического прорыва необходимо обеспечить полное техническое перевооружение, создание и развитие импортозаменяющих средств машиностроительного производства, которые относятся к технологиям двойного назначения и наиболее востребованы стратегическими организациями станкостроительного, машиностроительного и оборонно-промышленного комплексов (авиастроительного, ракетно-космического, судостроительного и энергомашиностроительного).

Эволюцию развития станочного парка России в механической обработке изделий можно выразить в виде шести технологических укладов [3] (ТУ).

Таблица 1 Эволюция технологических укладов в механической обработке.

Технологический уклад — комплекс станков, приспособлений, инструментов, измерительных систем, управление комплексом при изготовлении изделия. Первый ТУ имел базу станков, агрегатов с ручным управлением и универсальное назначение. Второй ТУ базируется на универсальных полуавтоматах и автоматах большой производительности, но с малой мобильностью, специализированных автоматах для строго определённой продукции, лишённых мобильности и на агрегатных станках созданных путём компоновки унифицированных механизмов. Третий ТУ базируется на автоматических линиях из агрегатных станков и машин, или на универсальном оборудовании, обладающим высокой производительностью и возможностью переналадки, или на базе специального оборудования узкого профиля для выпуска массовой однотипной продукции. Четвёртый ТУ, в основе которого находятся станки, машины с числовым программным управлением (ЧПУ), обрабатывающие центры позволяющие автоматизировать производственные процессы с возможностью быстрой перенастройки. Пятый ТУ — участки и линии гибких автоматизированных производств, технологические комплексы и обрабатывающие центры, обладающие комплексной автоматизацией всех производственных процессов, единой системой управления и гибкой переналадкой на выпуск новых изделий. Шестой ТУ — безлюдные технологии, использование всего оборудования всех ТУ, и системы управления ЭВМ без применения и ручного и умственного труда при изготовлении изделия.

Передовые предприятия станкостроения России в данный момент находится на четвертом ТУ. Для реализации перехода станкостроения России к новому, пятому ТУ, необходимо осуществить прорыв и перейти от ТУ на базе обрабатывающих центров к ТУ на базе технологических комплексов и обрабатывающих центров и, в дальнейшем, к применению безлюдных технологий.

Переход к новым технологическим укладам — единственный выход из сложившейся ситуации в станкостроении и в промышленности России в целом.

При переходе к новым ТУ необходимо выполнить обработку крупногабаритных изделий, с высокой точностью и создавать различные принципиально новые многоцелевые обрабатывающие центры. При этом обеспечить: безопасную работу, применение систем управления станком с высоким уровнем интеллекта, использование новых технологий, изготовление заготовок с минимальным припуском, максимальное применение современных элементов, как в механических системах, так и в системах контроля и управления, автоматический контроль состояния и смены инструмента, размеров обрабатываемой детали, систему очистки СОЖ и ее утилизацию, удаление стружки и аэрозолей и т. п.

Повышение точности обработки изделий на многоцелевых обрабатывающих комплексах можно обеспечить двумя путями:

• — изменением кинематики станочного комплекса;
• — повышением качества инструментальной оснастки.

Кинематика станочного комплекса играет важную роль особенно при обработке и изготовлении крупногабаритных деталей, так как при работе с большими массами возникают значительные маховые (инерционные) моменты, которые могут привести к поломке и выходу из строя самого оборудования.

Одним из важных факторов, влияющих на точность изготовления является жесткость исполнительных органов, в частности жесткость ползуна многоцелевого станочного комплекса серии VM, относящегося к VI технологическому укладу.

Рисунок 1 Многоцелевой станочный комплекс VM 32.

1-привод главного движения; 2-поперечина; 3 — инструментальный магазин; 4-устройство ЧПУ; 5-сверлильно — фрезерный привод; 6-ползун; 7 — портал; 8- суппорт; 9-привод перемещения по координатным осям На деформацию ползуна влияет сила резания R [1, 2] при различных видах обработки. Сила резания R (рис. 2) раскладывается на составляющие силы — тангенциальную P_z, радиальную P_x и осевую P_y.

Рисунок 2 Силы резания при токарной обработке на многоцелевом станочном комплексе При точении, растачивании, отрезании заготовки, прорезании пазов и фасонном точении тангенциальную составляющую P_z, рассчитывают [2] по формуле:

P_z=10· C_p·t^x·S^y·V_фⁿ·K_p; (1).

где: С_p — постоянный коэффициент, отражающий влияние условий обработки, поддерживаемых постоянными в ходе эксперимента;

x; y; n — показатели степени, характеризующие интенсивность влияния соответствующего элемента режима резания;

K_p — коэффициенты, учитывающие влияние свойств обрабатываемого материала, геометрию инструмента Коэффициенты при получистовой обработке:

С_p =300; x=1,0; y=0,75; n=-0,15.

При чистовой обработке:

С_p =247; x=1,0; y=1,0; n=0.

При отделочной обработке:

С_p =212; x=1,0; y=0,75; n=0.

t — глубина резания, мм; (при получистовой t=2,0 мм, чистовой t=0,5 мм, отделочная обработка t=0,2мм);

s — подача мм/об, (при получистовой s=0,8мм/об, чистовой s=0,5мм/об, отделочная обработка s=0,2мм/об);

V — скорость резания, м/мин; (при получистовой V=100м/мин, чистовой V=150м/мин, отделочная обработка V=200м/мин);

K_p=KMp· Kцp·K?p·Kлp·Krp — поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия резания, K_p=0,53.

Для определения сил P_y и P_x существуют аналогичные эмпирические формулы. Однако для упрощения и ускорения расчётов величины сил P_y и P_x рекомендуется [2] определять по следующим соотношениям:

P_y=(0,1…0,25)· Pz (2).

P_x=(0,25…0,5)· Pz (3).

Подставив численные значения в зависимость (1, 2, 3) рассчитаем Р_z, P_x, P_y для получистовой, чистовой и финишной обработки. Численные значения сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Силы резания.

В настоящее время в многоцелевом станочном комплексе VM32 применяется ползун [1] квадратного сечения 250×250мм с отверстием по центру диаметром 200 мм. По расчетам для квадратного сечения ползуна [1] прогиб y=450мкм, угол наклона упругой линии ?=0,025 град. и угол закручивания ц=0,0038 град. при получистовой обработке.

Задача определить оптимальную форму сечения ползуна для увеличения жесткости и уменьшения его деформации при различных видах обработки.

При определении деформации ползуна рассматривают два отдельных его участка [4] - консольная часть длинной L и часть лежащая на основании длинной Н (рис. 3). Нагрузку на ползун в каждой из главных плоскостей изгиба можно представить в виде сосредоточенной силы Р и изгибающего момента М на конце ползуна, кроме этого в следствии несовпадения вершины резца с осью ползуна h действует крутящий момент Т_кр.

Рисунок 3 Схема нагружения ползуна Так как ползун в точке, А находится в защемлении [5], то принимаем его начальный прогиб y₀, угол наклона упругой линии ?₀ и угол закручивания ц₀ равным нулю.

Силы действующие в плоскости ХУ:

Р=Р_у; М=P_y· h; М_А= P_y· h — P_х· L.

Силы действующие в плоскости ZУ:

Р=Р_z; М=0; М_А=P_z· L; Т_кр = P_z· h.

Перемещения y, угол наклона? упругой линии и угол закручивания ц у вершины резца определяется по следующим формулам:

; (5).

(6).

где Е=2,0•10⁶ МПа — модуль упругости материала ползуна 1 рода;

G=0,804•10⁶ МПа — модуль упругости материала ползуна 2 рода;

J — момент инерции площади поперечного сечения ползуна относительно рассматриваемой главной оси инерции сечения, (м⁴⁾);

J_кр — угловое сопротивление закручиванию ползуна, (м⁴⁾);

L — вылет ползуна, (мм);

h=200 мм — расстояние по оси Х от вершины резца до оси ползуна;

Вылет ползуна L меняется в зависимости от сложности заготовки, его интервалы могут варьироваться от 0,58 м до 2,78 м.

Так как ползун в сечении имеет вид прямоугольника со сторонами a и b (а=0,25 м, b=0,28 м) и расположенным в центре окружности диаметром d (d=0,20 м), то момент инерции J площади поперечного сечения ползуна относительно рассматриваемой [6, 8] главной оси инерции сечения рассчитывается по формуле:

; (7).

2,8608· 10^-4, (м⁴);

Угловое сопротивление закручиванию ползуна J_кр определяется по формуле:

J_кр=0,141•а⁴ — 0,1•d⁴ (6).

J_кр=0,141•0,25⁴ — 0,1•0,2⁴ = 3,9078· 10^-4, (м⁴);

Подставив численные значения (4) определим максимальный прогиб y при максимальном вылете ползуна и получистовой обработке:

Расчеты прогиба у ползуна при разном вылете L и разных видах обработки (получистовая, чистовая и отделочная) приведены в таблице 3.

Таблица 3 Прогибы ползуна у при разном вылете L и разных силах P_z, в мкм.

Подставив численные значения (5) определим максимальный угол наклона упругой линии? при максимальном вылете ползуна и получистовой обработке:

(град.);

Расчеты угла наклона упругой линии? при разном вылете L и разных видах обработки приведены в таблице 4.

Таблица 4 Углы наклона упругой линии? при разном вылете L и разных силах P_z, в градусах.

Подставив численные значения (6) определим максимальный угол закручивания ц при максимальном вылете ползуна и получистовой обработке:

(град.).

Расчеты угла закручивания ц при разном вылете L и разных видах крутящих моментах Т_кр в таблице 5.

Таблица 5 Углы закручивания ц при разном вылете L и разных крутящих моментах Т_кр.

Замена квадратной формы сечения ползуна на прямоугольную форму позволит увеличить его жесткость, уменьшить прогиб при максимальном вылете с 450мкм до 341мкм, что в значительной мере повышает точность обработки изделий всего многоцелевого станочного комплекса. Уменьшение погрешностей прогиба и увеличение жесткости исполнительных органов в станочном комплексе позволит осуществить переход к новому ТУ с применение безлюдных технологий.

В связи с вышеизложенным, целесообразно заменить квадратную форму сечения ползуна многоцелевого станочного комплекса VM32 на прямоугольную форму сечения.

• 1. Руководство по эксплуатации станочного многофункционального комплекса VM 32, ООО «СП Седин-Шисс» 2008 г.
• 2. Барановский Ю. В., Режимы резания металлов. Справочник. — М.: Машиностроение, 1972. — 497 с.
• 3. Чумак П. В., Технологические возможности многоцелевых станочных комплексов серии VM; С. Б. Бережной, П. В. Чумак; Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник) № 3 2014г., г. Краснодар Издательский Дом — Юг,. с. 61−67
• 4. Каминская В. В., Левина З. М., Решетов Д. Н. Станины и корпусные детали металлорежущих станков: Москва 1960.
• 5. Решетова Д. Н. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2-х т.- М.: Машиностроение, 1972. 66З с.
• 6. Левина З. М. Расчет и выбор конструктивных параметров направляющих качения: Руковод. материалы.- М.: ЭНИМС, I96I.-104 с.
• 7. Меницкий И. Д. Повышение несущей способности направляющих качения.- Станки и инструмент, 1978, № 1, с. 22.
• 8. Пинегин С В. Контактная прочность и сопротивление качению./ Изд.2-е, перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1969. 242 с.