аспирант с 01.01.2016 по настоящее время
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ОКСО 15.02.08 Технология машиностроения
В статье рассмотрен метод получения поверхностей путем перемещения режущей кромки инструмента в поперечном направлении на токарных автоматах. Применение данного способа обработки позволяет по новому взглянуть на применение и модернизацию современного оборудования и расширить его технологические возможности, что позволяет увеличить производительность, расширить номенклатуру выпускаемых изделий. Рассчитаны перемещения инструмента за один оборот заготовки, построена модель перемещения траектории инструмента, с помощью программного пакета построен график перемещения резца при формировании плоскости, параллельной оси изделия. Установлено, что полученная модель перемещения инструмента позволяет анализировать изменение скорости от нулевого до максимального значения, т.к. для реализации метода перемещения резца в обратном направлении требуется решение проблемы реверса инструмента. Метод позволяет анализировать перемещения и траектории, для обеспечения реализации получения плоскостей и различных сложнопрофильных изделий на токарных автоматах
токарная обработка, токарный автомат, траектория инструмента, функциональная зависимость, адаптивное оборудование, моделирование траектории
Введение. Автоматы продольного точения или прутковые автоматы нашли своё применение в массовом и крупносерийном производстве. Обладая высокой производительности и гибкостью при переналадке на крупную партию продукции, они позволяют обеспечить массовый выпуск мелкоразмерных деталей с отличным качеством. Диаметры выпускаемых изделий составляют от десятых долей миллиметра, например, в приборной промышленности, до 20...30 мм, например, при производстве различных крепёжных изделий в строительстве.
Обработка заготовок в прутковых автоматах позволяет получать в массовом производстве изделия, обладающие высокими качественными характеристиками, имеющие при этом только форму тел вращения [1]. Трудности при получении детали вызывают имеющиеся плоскости, параллельные оси обработки [2], для получения которых требуется дооснащать оборудование фрезерными головками и использовать дополнительные фрезерные операции, что снижает темп производства изделий и приводит к удорожанию его производства. Авторы предлагают свою реализацию метода получения на этом же оборудовании плоскостей изделий, параллельных оси вращения заготовки [3, 4]. Теоретическое обоснование этого метода уже было изложено в различных работах авторов [5]. Подробная схема приведена на рис. 1.
Методика и оборудование. Метод основан на использовании токарного резца для снятия припуска не по окружности заготовки [6], а перемещением в процессе съема припуска в поперечном направлении fC, учитывая параметры полученной плоскости. При этом сам процесс уже нельзя рассматривать только как токарный, хотя съём припуска производится в продольном направлении оси вращения заготовки, но один из резцов (рис. 1) совершает дополнительно поперечные возвратно-поступательные движения, что приводит к появлению кривой профиля отличной от окружности [7, 8].
Заготовка в виде прутка подается цанговым патроном через люнетную втулку, расположенную на основании. На правом торце люнетной втулки располагается плоскость обработки, при этом резец совершает возвратно- поступательные движения.
Расчёт перемещения инструмента выполняется по методике, приведенной в [5]. Согласно этой методике вычислим перемещение резца за 1 оборот заготовки,
, (1)
где nS – частота вращения заготовки, об/мин.
Дальнейшие расчеты проведем в системе координат изделия, расположение которой (согласно рис. 2) принимается в соответствии с учетом расположения осей при токарной обработке, где ось вращения заготовки – Z, ось по нормали к оси вращения заготовки X [9]. Следовательно, в течении одного оборота резец совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси X, при этом происходит съем припуска на максимальную величину Δx. Таким образом, получается плоскость с углом φ, при этом положение вершины резца изменяется от R до (R–Δxmax) и от (R- Δxmax) до R в течении одного оборота [10, 11]. Т.е. резец успевает достигнуть максимальной глубины, а затем возвратиться в исходное положение.
Заготовка, вращаясь против часовой стрелки, перемещает свою наружную поверхность относительно оси Х, или режущей кромки резца для получения лыски [12].
Рис. 1. Схема получение плоскостей параллельных оси вращения заготовки
Рис. 2. Схема снятия припуска для получения плоскостей, параллельных оси изделия
На основе расчетных данных и методики, изложенной в [13], построим модель траектории перемещения инструмента, являющуюся функциональной зависимостью положения инструмента по оси Х, относительно получаемой плоскости.
Упростив, получим выражение:
, (2)
где Ds – диаметр заготовки, мм; X – текущая координата по оси X; Y – текущая координата по оси Y; φ – угол плоскости, градуса.
Рис. 3. Фрагмент расчета перемещения инструмента при формировании плоскости, параллельной оси изделия
С помощью программного пакета SMathStudio, выполним проверку модели и построим график перемещения резца при формировании плоскости, параллельной оси изделия [14, 15]. Расчеты, а также график перемещения резца отображены на рис. 3.
Для аналитической оценки перемещения режущего инструмента относительно поверхности заготовки вычислим цену одного градуса в секундах:
, (3)
где M – частота вращения заготовки, об/мин.
Аналогично модели перемещения резца по оси Х построим модель скорости резца [16]. На рисунке 4 показан график изменения расстояния по оси X в зависимости от времени t в течении одного оборота заготовки при следующих условиях: диаметр заготовки D=20 мм, частота вращения nS= 3000 об/мин, угол получаемой плоскости φ= 60°.
Старт режущего инструмента происходит с максимального значения скорости, а потом, в соответствии с тангенциальным законом скорость постепенно становится равной нулю [17]. После чего происходит полная остановка инструмента, включение реверса и постепенное увеличение скорости до максимальной. Скорость перемещения определяется как производная от выражения (2), отражающего модель перемещения инструмента при формировании плоскости [6]:
, (4)
где 
– изменение угла плоскости за время ее получения.
Рис. 4. График изменения расстояния по оси X от времени t в течении одного оборота заготовки
(D=20 мм, nS=3000 об/мин, φ=60°)
Основная часть. Общее время цикла получения изделия можно подсчитать по методике, изложенной в [9]. Но, следует отметить, что практическая реализация метода требует соблюдения некоторых особенных условий, для каждого способа реализации. Например, изложенная в статье остановка перед реверсом инструмента в стартовой точке требует определенного времени выстоя, в зависимости от используемого привода, что приводит к пропуску одного или нескольких оборотов заготовки. При этом обороты должны составлять целое число, в противном случае – отсутствует синхронизация движений, и получение плоскости не представляется возможным [18]. При реверсе в конечной точке траектории скорость перемещения режущего инструмента уменьшается плавно до нуля, а затем инструмент меняет направление движения. Один из вариантов решения задачи реверса в стартовые точки назначения дополнительного пути для торможения и разгона, т. к приводу не может стартовать с максимальной скорости, аналогично и нет возможности плавно затормозить [19]. Авторы видят, именно, назначение дополнительного пути разгона-торможения инструмента, а не включения уже разогнанного привода при помощи муфты на максимальную скорость [20]. Такой способ позволяет избежать ударов в технологической системе, что обеспечит точность получаемого конструктивного элемента.
Таким образом, резец на максимальной скорости возвращается в исходное положение с торможением, где происходит его выстой, а затем цикл повторяется с разгоном.
Выводы. Путь достижения цели, поставленной в начале настоящей работы, позволят получить модель траектории перемещения инструмента, дающую возможность управлять приводами для обеспечения заданной скорости перемещения инструмента на различных участках траектории, включая разгон-торможение, что обеспечивает требуемую точность конструктивного элемента в виде плоскости, получаемой при токарной обработке.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова № А-80/17.
1. Чепчуров М.С., Тюрин А.В. Технологические системы на базе автоматов продольного точения с использованием модульной компоновки оборудования // Технология машиностроения. 2013. № 7. С. 64-69.
2. Li Qiang, Ai Wu, Chen Bing. Variable angle compensation control of noncircular turning. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. No. 70. Pp. 735-736.
3. Чепчуров М.С., Тюрин А.В. Модернизация токарных автоматов продольного сечения с использованием мехатронных модулей // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2012. № 7. С. 10-13.
4. Максаров В.В. Теория и практика моделирования и управления в области прогнозирования динамических свойств технологических систем // Металлообработка. 2012. № 2. С. 7-13.
5. Chepchurov M.S., Tyurin A.V., Zhukov E.M. Getting flat surfaces in turning // World Applied Sciences Journal. 2014. Т. 30. № 10. С. 1208-1213.
6. Бабичева И.В., Болдовская Т.Е. Справочник по математике (в формулах, таблицах, рисунках): учебное пособие. 2-е изд., исп. и доп. Омск: СибАДИ, 2010. 148 с.
7. Zhu L., Jiang Z., Shi J. [et al] An overview of turn-milling technology // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. № 81. Pp. 493-505.
8. Лебедев В.Б. Структурный анализ систем управления: учебное пособие для вузов. Пенза: Изд-во ПензГУ, 2000. 100 с.
9. Табекина Н.А., Чепчуров М.С. Cнижение временных затрат при получении изделий на прутковых автоматах с устройством сортировки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 6 (113). С. 64-72.
10. Чепчуров М.С., Тюрин А.В. Управление технологической системой на базе токарного автомата, содержащей адаптивный инструментальный модуль // Информационные системы и технологии. 2014. № 5 (85). С. 81-87.
11. Погонин А.А., Чепчуров М.С., Хуртасенко А.В. Нестационарный станочный модуль с адаптивной системой управления // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2008. № 2. С. 72-75.
12. Хуртасенко А.В., Чепчуров М.С., Маслова И.В. Модернизация специального оборудования с использованием контроля и регистрации технологических параметров. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. 240 с.
13. Блудов А.Н., Чепчуров М.С., Жуков Е.М. Способы проекционной оценки геометрии объектов в машиностроении и их реализация. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 150 с.
14. Маслова И.В., Чепчуров М.С., Хуртасенко А.В. Автоматизированный контроль прогиба державки режущего инструмента при токарной обработке // Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 2. С. 13-16.
15. Manos N.P., Bedi S., Miller D. [et al] Single controlled axis lathe mill // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2007. № 32. Pp. 55-65.
16. Погонин А.А., Чепчуров М.С., Белянкина О.В. Моделирование параметров технологического процесса обработки с использованием метода Монте-Карло // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 2. С. 217-218.
17. Погонин Д.А., Чепчуров М.С., Старостин С.В. Определение оптимальных технологических параметров токарной обработки с ударом // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. № 10. С. 9-11.
18. Иванов М.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1991. 382 с.
19. Tabekina N.A., Chepchurov M.S., Evtushenko E.I., Dmitrievsky B.S. Solution of task related to control of swiss-type automatic lathe to get planes parallel to part axis В сборнике: Journal of Physics: Conference Series Сер. "International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 - Techniques and Technologies of the Automated Mechanical Engineering" 2018. Pp. 32.
20. Табекина Н.А., Чепчуров М.С., Вороненко В.П. Контроль геометрических параметров в технологической системе на базе автоматов продольного точения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 89-95.
