Способ управления процессом совмещенной обработки резанием и поверхностно-пластическим деформированием

 

Использование: на предприятиях машиностроения при точении, растачивании и фрезеровании заготовок. Сущность изобретения: предварительно определяют суммарную силу трения суппорта станка, наибольшую и наименьшую величины радиальной составляющей силы резания, а стабилизирование отжатий осуществляют путем ведения обработки с выдерживанием соотношения: const≅ P_у+P_дcosα≅ const+2F и обеспечения оптимального усиления деформирования в промежутки времени, соответствующие изменению радиальной составляющей силы резания от P_{у min} до (P_{у max}-2F), где P_у - радиальная составляющая силы резания, Н; P_д - усилие деформирования, приложенное к деформирующему элементу, Н; α - угол установки деформирующего элемента относительно резца, град; F - суммарная сила трения суппорта Н; P_{у max} и P_{у min} - соответственно наибольшее и наименьшее значения радиальной составляющей силы резания, Н. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на предприятиях при точении, строгании, растачивании и фрезеровании заготовок из конструкционных и труднообрабатываемых материалов.

Известны способы управления процессом при совмещенной обработке резанием и поверхностно-пластическим деформированием [1] Известен способ обработки наиболее близкий по технической сущности к изобретению [2] в котором стабилизирование отжатий осуществляют путем приложения к деформирующему элементу дополнительного усилия деформирования, равного изменению радиальной составляющей силы резания, при этом величину усилия деформирования принимают в диапазоне от 0,7 Р_опт до 1,3 Р_опт, где Р_опт усилие деформирования.

Недостатком известного способа управления является то, что способ управления не учитывает силы трения в системе станка и не может быть осуществлен, когда изменения силы резания превосходят указанный выше диапазон изменения силы деформирования, что снижает точность обработки. Кроме того, увеличенный диапазон изменения силы деформирования от Р_д1 до Р_д2 предопределяет получение неоднородной по качеству обработанной поверхности, величина которой будет изменяться в широких пределах от R_a1до R_а2.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей за счет повышения качества и точности обработки.

Это достигается тем, что предварительно определяют суммарную силу трения суппорта станка, наибольшую и наименьшую величины радиальной составляющей силы резания и характер изменения ее во времени при обработке резцом, а стабилизирование отжатий осуществляют путем ведения обработки с выдерживанием соотношения const ≅ P_y+P_дcosα ≅ const + 2 F, и обеспечения оптимального усилия деформирования в промежутке времени, соответствующие изменению радиальной составляющей силы резания от Р_уminдо Р_уmax 2F, где Р_у радиальная составляющая силы резания, Н; Р_д усилие деформирования, приложенное к деформирующему элементу Н; α угол установки деформирующего элемента относительно резца, град; F суммарная сила трения суппорта, Н; Р_уmax, P_ymin соответственно наибольшее и наименьшее значения радиальной составляющей силы резания, Н.

Кроме того, стабилизирование отжатий осуществляют путем приложения к деформирующему элементу дополнительного усилия деформирования, изменяя его значения в противофазе по отношению к изменению радиальной составляющей силы резания при сохранении неизменным угла α с выдерживанием соотношения Р_уmax P_ymin ≥ P_доп cos α≥ P_ymax P_ymin 2F, где Р_доп дополнительное усилие деформирования, прикладываемое к деформирующему элементу, Н.

Кроме того, обработку ведут с обеспечением совпадения во времени действия оптимального усилия деформирования и радиальной составляющей силы резания равной Р_ср (P_ymax + P_ymin) F, где Р_ср. среднее значение радиальной составляющей силы резания, Н.

Кроме того, обработку осуществляют с изменением угла α в противофазе по отношению к изменению радиальной составляющей силы резания и с выдерживанием соотношения Р_уmax P_ymin ≥ P_опт (cos α_min-cosα_max) ≥ P_ymax P_ymin 2F, где Р_опт оптимальное усилие деформирования, Н; α_min,α_max наименьший и наибольший угол установки деформирующего элемента, град.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для управления процессом по предлагаемому способу; на фиг. 2 то же, вид сбоку показывающий взаимное расположение резца и деформирующего элемента при обработке вала (α≅± 90^о); на фиг. 3 графики изменения шероховатости поверхности в зависимости от величины проекции усилия деформирования на направление радиальной силы резания; на фиг. 4 график перемещений суппорта при его нагрузке и разгрузке радиальной силой; на фиг. 5 график изменения радиальной силы резания и усилия деформирования во времени.

Способ управления процессом совмещенной обработки осуществляется следующим образом.

При обработке детали 1 резцом 2 вследствие колебания припуска, твердости обрабатываемого материала и т.д. сила резания изменяется. Предположим, что ее радиальная составляющая Р_у, как наиболее влияющая на точность обработки, изменяется от Р_уmin до Р_уmax. Переменность во времени силы Р_у определяет различные упругие отжатия корпуса 3 суппорта 4, как наиболее податливого узла системы станка, непосредственно связанного с получением детали определенной точности.

В результате размер обрабатываемой поверхности детали будет колебаться, что снижает точность обработки. Кроме того, деформирующий элемент, например ролик 5, производящий обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД) и расположенный после резца, будет иметь разный натяг относительно обрабатываемой поверхности, т.е. обработка будет происходить с разным усилием деформи- рования, что, учитывая гиперболический характер зависимости от усилия деформирования, приведет к разбросу ее величины.

Вначале экспериментально или аналитически определяют наибольшую и наименьшую величины радиальной состав- ляющей силы резания и характер изменения ее во времени при обработке резцом и суммарную силу трения наиболее податливого узла системы станка суппорта, в котором крепятся инструменты. Для исключения или значительного уменьшения упругих колебаний суппорта вместе с резцом обработку ведут с выдерживанием соотношения const ≅ P_y + P_д cos α≅ const + 2F, (1) Силы Р_у и Р_д равны: Р_у Р_мин + Δ Р_д (2) где Р_уmin наименьшее значение радиальной составляющей силы резания (постоянная часть силы Р_у); Δ Р_у переменная часть силы.

Р_д Р_опт + Р_доп, (3) где Р_опт оптимальное усилие деформирования, обеспечивающее минимальную величину шероховатости обработанной поверхности (постоянная часть силы Р_д); Р_доп дополнительное усилие деформирования (переменная часть силы Р_д).

Тогда соотношение (1) перепишем в виде const ≅ P_ymin + Δ P_y + P_опт cosα + + P_доп cos α≅ const + 2F. (4) Соотношения (1) и (4) могут быть выполнены за счет: периодического изменения силы Р_доп при неизменном значении угла α; периодического изменения угла α при неизменном значении Р_д Р_опт (Р_доп 0); за счет изменения и Р_доп и угла α
Рассмотрим первый вариант.

Тогда Р_min + P_опт cos α const и выражение (4) можно представить в следующем виде
0 ≅Δ Р_у + Р_доп cos α≅ 2F (5) или
-ΔP_y≅ P_доп cos α≅ 2F Δ P_y (6)
Из выражений (5) и (6) следует, что дополнительное усилие деформирования Р_доп должно изменяться в противофазе по отношению к изменению радиальной составляющей силы резания при сохранении неизменным угла α
Так как (Δ Р)_max P_ymax P_ymin и учитывая вышесказанное, выражения (5) и (6) можно представить в виде: P_ymax P_ymin ≥ P_доп сos α≥ P_ymax P_ymin
2F, (7) где
(Р_доп cos α)_max P_ymax P_ymin;
(P_доп cos α)_min P_ymax P_ymin 2F, где Р_ymax, P_ymin соответственно наибольшее и наименьшее значения радиальной составляющей силы резания; Р_доп дополнительное усилие деформирования, прикладываемое к деформирующему элементу. Т. е. для улучшения колебаний радиальной составляющей силы резания Р_у к деформирующему элементу 5, например ролику, посредством регулировочного механизма 6 (фиг. 1) прикладывают дополнительное усилие Р_доп, уменьшающее колебания силы Р_у. Дополнительное усилие деформирования Р_доп на детали создается винтом, кулачком и т.д. и передается посредством пружины 7 (фиг.1).

Для определения величины регулировочного воздействия регулировочного механизма 6 на деформирующий ролик 5 корпус 3 имеет выступ 8, контактирующий с упругой балкой 9. По показаниям индикатора 10, фиксирующего отклонение (прогиб) балки 9, поворачивают ручку регулировочного механизма 6, изменяя величину радиального усилия на ролик и поддерживая показания индикатора в определенном диапазоне, тем самым обеспечивается выполнение соотношения (7).

Для определения суммарной силы трения F суппорта строят графики упругих перемещений инструмента вместе с суппортом от радиальной нагрузки Р_у (фиг.4) при их нагружении (кривая 11, фиг.4) и разгружении (кривая 12). Величина силы 2F показана на графике фиг.4. При изменении силы от Р_уmax до Р_уmin (разгрузка) суппорт вместе с резцом 2 и корпусом 3 переместится на деталь на величину Δ у₁ у₂. Линия перемещений резца при разгрузке (при уменьшении силы Р_у) представлена участком АВ кривой 12. При увеличении нагpузки от Р_уmin до Р_уmax суппорт также переместится на ту же величину Δ у₁ у₂. Линия перемещения резца при нагрузке (при увеличении Р_у) представлена участком СЕ кривой 11.

Как видно из фиг.4, уменьшение нагрузки на суппорт от Р_уmax до Р_уmax 2F не приводит к перемещению суппорта, т.е. он при этом изменении нагрузки неподвижен. Поскольку резец и ролик расположены с одной стороны детали, то за счет изменения силового влияния ролика на суппорт станка можно поддерживать нагрузку в указанном диапазоне, т.е. догружаем суппорт при уменьшении радиальной нагрузки при резании, что повышает точность обработки вследствие отсутствия упругих перемещений суппорта. Поэтому к деформирующему элементу ролику 3 прикладывают дополнительное усилие Р_доп, изменяющееся в противофазе с радиальным усилием резца и дополняющее минимальную радиальную силу до величины, равной или большей Р_ymax 2F.

Рассмотрим второй вариант стабилизирования отжатий. Тогда Р_уmin const и выражение (4) при Р_доп 0 можно представить в виде:
0 ≅Δ P_y + P_опт cos α≅ 2F (8) или
ΔP_y≅ Р_опт cos α≅ 2F Δ P_у (9)
Из выражений (8) и (9) следует, что проекция оптимального усилия деформирования на направление радиальной составляющей силы резания должна изменяться в противофазе по сравнению с изменением переменной части радиальной составляющей силы резания. Поскольку Р_опт const, то это можно достигнуть только за счет изменения угла от α_min до α_max. Так как Δ Р_max P_ymin и учитывая вышесказанное, выражения (8) и (9) можно представить в виде:
P_ymax P_ymin ≥ P_опт (cos α_min
cos α_max) ≥ P_ymax P_ymin 2F, (10) где Р_опт оптимальное усилие деформирования; α_min,α_max наименьший и наибольший углы установки деформирующего элемента относительно оси детали в процессе обработки соответственно.

Наибольшая проекция усилия деформирования
Р₃ Р_опт cos α_min (11)
С точки зрения получения наименьшего диапазона изменения угла Р₁ Р₃ (Р_max P_min 2F) P_опт cos α_max;
(12)
cos α_max P₁/P_опт (13)
Второй вариант более сложно осуществить конструктивно, но он обеспечивает наилучшее качество обработанной поверх- ности.

Таким образом, используя предложенные варианты, изменение суммарной радиальной силы, действующей на суппорт со стороны резца и деформирующего элемента, при условии выполнения соотношений (1), (7) и (10) будет ограничено пределами Р_уmax и Р_уmax 2F (отрезок АЕ на фиг.4), а радиальное перемещение суппорта с резцом, равное у₁, меняться не будет, т.е. резец останется неподвижным. Если принять допуск на погрешность обработки по диаметру равным δ то можно допустить разность показаний индикатора 10 (фиг.1) на величину δ/2, т.е. У₃ У₁ δ/2 (фиг.4). Следя за показанием индикатора 10, через регулировочный механизм 6 добиваются выполнения соотношения (1) с погрешностью, равной δ/2.

После первого этапа управления процессом совмещенной обработки, когда достигнута точность обработки, необходимо выполнить второй этап управления, обеспечивающий получение наилучшей чистоты обработанной поверхности. Зависимость шероховатости поверхности от усилия деформирования носит параболический характер и поэтому имеется оптимальное усилие деформирования Р_опт, которое обеспечивает наименьшую шероховатость обработанной поверхности. С другой стороны, с увеличением амплитуды колебаний Р_доп неоднородность поверхности по величине ее шероховатости увеличивается, поэтому необходимо стремиться к минимальному диапазону изменения Р_доп. Эти условия обеспечиваются, если момент действия во времени проекции оптимального усилия деформирования на направление радиальной составляющей силы резания располагается в пределах интервала времени изменения этой силы, определяемого минимальным Р_уmin и максимальным, уменьшенным на двойную величину суммарной силы трения, Р_уmax 2F ее значениями.

На фиг. 5 изменение радиальной составляющей силы резания во времени представлено кривой 16, а изменение усилия деформирования кривой 17. Этот интервал времени расположен между временем τ₁ и τ₂,τ₂ и τ₃ на графике (фиг. 5) изменения радиальной силы Ру f(τ). Точки А и В, В₁ и А₁ крайними точками интервалов.

Возможны два предельных случая и множество промежуточных, один из которых является оптимальным.

В первом случае обработка происходит при изменении проекции усилия деформирования на направление радиальной составляющей силы резания от Р₁до Р₃ (фиг.3, 5), где усилие Р₁ Р_опт cos α соответствует минимальной шероховатости обработанной поверхности, равной R_a3. Шероховатость обработанной поверхности меняется от R_a3 R_amin до R_a1 (кривая 13, фиг.3), а Р_доп cos α P_ymax P_ymin 2F.

Во втором случае обработка происходит при изменении проекции усилия деформирования на направление радиальной составляющей силы резания тоже от Р₁ до Р₃ (фиг. 3,5), где усилие Р₃ Р_опт cos α соответствует минимальной шероховатости обработанной поверхности, равной R_a3. Шероховатость обработанной поверхности меняется от R_а1 до R_а3 (кривая 14), а Р_доп cos α P_ymax P_ymin 2F.

В третьем, оптимальном случае обработка происходит при изменении усилия Р_доп cos α также от Р₁ до Р₃ (фиг.3), но наименьшая шероховатость поверхности достигается при расположении момента действия проекции оптимального усилия деформирования на направление радиальной составляющей силы резания, совпадающим с моментом времени наступления переменной радиальной составляющей силы резания, равной (фиг.5)
Р_ср Р_уmin + (P_ymax 2F P_ymin),
P_cp (P_ymax + P_ymin) F. (11) Т.е. имеет место совпадение во времени действия оптимального усилия деформирования и радиальной составляющей силы резания, определяемой из выражения (11). Величина отклонения проекции дополнительной силы оптимального значения Р₂ составляет половину величины для первого и второго случаев и равна
(Р_доп cos α)' (P₃ P₂) (P_ymax P_ymin 2F).

Шероховатость обработанной поверхности меняется от R_a2 < R_a1 до R_a3= R_amin (кривая 15), т. е. обработка обеспечивает самый минимальный разброс величины шероховатости обработанной поверхности.

Способ автоматического регулирования процессом совмещенной обработки резанием и ППД осуществляется следующим образом.

Колебания радиальной составляющей силы резания Р_у при обработке вызывает упругие колебания корпуса 3, которые затем передаются через выступ 8 на балку 9 и контролируются датчиками Д₁ и Д₂. Сигналы от датчиков Д₁ и Д₂ усиливаются усилителем и подаются на сравнивающее устройство СУ, где они сравниваются с сигналами задающего устройства ЗУ. В случае рассогласования сигналов по величине и знаку подается команда на исполнительный механизм ИМ, который управляет регулировочным механизмом 6, регулирующим перемещение деформирующего ролика 5 до установления допустимого рассогласования сигналов задающего и сравнивающего устройств. Тем самым во время обработки постоянно поддерживается условие выполнения соотношения (1).

П р и м е р 1. Изготавливают вал из стали марки 45 диаметром 80^-0,03 мм длиной 400 мм. Деталь обрабатывается комбинированным инструментом (КИ), состоящим из круглого резца диаметром 42 мм и профильным роликом диаметром 42 мм. Режимы обработки: V 125 м/мин; S 0,28 мм/об; t 0,4 мм; Р_опт 800 Н. Угол установки ролика α 0. Перед обработкой определяют значение суммарной силы трения F 50 Н, значения радиальной составляющей силы резания: P_ymax 900 Н; _Руmin 600 Н. Производят стабилизирование отжатий за счет приложения дополнительного усилия деформирования.

Первый случай.

Р₁ Р_опт cos α 800 ˙ cos0^o 800 H;
P_доп^min P_ymax P_ymin 2F 900 600
100 200 Н;
Р₃ Р₁ + Р_доп^min P₁ + (P_ymax P_ymin 2F) 800 + (900 600 100) 1000 Н;
R_a3 0,3 мкм; R_a1 1,0 мкм.

Второй случай.

Р₃ Р_опт cos α 800 H; P₁ P₃ Р_доп^min 800 (900 600 100) 600 Н;
R_a3 0,3 мкм; R_а1 1,0 мкм.

Третий случай.

Р₂ Р_опт cos α 800 H; P_доп^min P_ymax 2F P_ymin 900 600 100 200 Н.

R_a3 0,3 мкм; R_а2 0,4 мкм.

Оттарировав величину прогиба балки 9 (фиг.1) на определенное усилие Р₁ и Р₃ с помощью индикатора 10 (цена деления 0,001 мм) и регулировочного механизма 6, обработку ведем по выбранным условиям случая. Результаты обработки сведены в таблицу.

П р и м е р 2. Для условий обработки вала примера 1 произвести стабилизирование отжатий за счет изменения угла α. Определить изменение угла α если α_min 20^о.

Р₃ Р_опт ˙ cos α_min 800 ˙ cos 20^o 752 Н.

Р₁ Р₃ Р_доп^min; P_доп^min P_max P_min 2F 900 600 100 200 Н.

Р₁ 752 200 552 Н.

Р₁ Р_опт ˙ cos α_max; cos α_max 0,69.

α_max 46,37^о.

Изменением угла α от 20 до 46,37^о добиваются стабилизирования отжатий резца.

Предложенный способ обработки прост в осуществлении, расширяет технологические возможности применения совмещенной обработки. Испытания предложенного способа показали его эффективность при обработке валов. Способ обеспечивает повышение в 1,5-2 раза точности по сравнению с известными методами, учитывает состояние оборудования при совмещенной обработке КИ и уменьшает разброс шероховатости обработанной поверхности в связи с уменьшением дополнительного усилия деформирования по сравнению с амплитудой колебаний радиальной составляющей силы резания.

Формула изобретения

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ И ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ, включающий определение оптимального усилия деформирования, обеспечивающего наименьшую шероховатость, измерение отклонений упругих отжатий технологической системы, возникающих в результате изменения радиальной составляющей силы резания и усилия деформирования, и стабилизирование этих отжатий при одновременной обработке детали режущим и деформирующим элементами, расположенными с одной стороны детали, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем повышения качества и точности обработки, предварительно определяют суммарную силу трения суппорта станка, наибольшую и наименьшую величины радиальной составляющей силы резания и характер изменения ее во времени при обработке резцом, а стабилизирование отжатий осуществляют путем введения обработки с выдерживанием соотношения
const ≅ P_у+ P_дcosα ≅ const +2F
и обеспечения оптимального усилия деформирования в промежутки времени, соответствующие изменению радиальной составляющей силы резания от

где P_у радиальная составляющая силы резания, Н;
P_д усилие деформирования, приложенное к деформирующему элементу, Н;
α угол установки деформирующего элемента относительно резца, град;
F суммарная сила трения суппорта, Н;
соответственно наибольшее и наименьшее значения радиальной составляющей силы резания, Н.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизирование отжатий осуществляют путем приложения к деформирующему элементу дополнительного усилия деформирования, изменяя его значения в противофазе по отношению к изменению радиальной составляющей силы резания при сохранении неизменным угла α с выдерживанием соотношения

где P_доп дополнительное усилие деформирования, прикладываемое к деформирующему элементу, Н.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку ведут с обеспечением совпадения во времени действия оптимального усилия деформирования и радиальной составляющей силы резания, равной

где P_ср среднее значение радиальной составляющей силы резания, Н.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку осуществляют с изменением угла α в противофазе по отношению к изменению радиальной составляющей силы резания и с выдерживанием соотношения

где P_опт оптимальное усилие деформирования, Н;
α_min, α_max наименьший и наибольший угол установки деформирующего элемента, град.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6