СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВКИ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ

Название	СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВКИ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ
Разработчик (Авторы)	Либерман Яков Львович, Мухлынина Екатерина Дмитриевна
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2736129
Дата регистрации	11.11.2020
Правообладатель	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Область применения (класс МПК)	B23Q 15/00 (2006.01) B23B 25/06 (2006.01)

Описание изобретения

Предлагаемый способ относится к области машиностроения и может быть использован при эксплуатации токарных, фрезерных и им подобных металлорежущих станков.

В настоящее время широко известны различные способы обработки металлов резанием, когда специальным инструментом создают изделие требуемой формы путем снятия стружки. Простейший вариант такой обработки − это обработка вручную (www. telenir.net Слесарные работы/Работы по металлу). В этом случае инструмент удерживается руками рабочего и с помощью этих рук совершает движение относительно заготовки. Главным показателем качества обработки при этом является точность формообразования изделия, и настройка на обработку выражается в выборе инструмента и закреплении заготовки изделия в установочном приспособлении.

Ручная обработка крайне непроизводительна и имеет весьма ограниченные технологические возможности. Более широкими технологическими возможностями обладает обработка на металлорежущих станках – машинах, обеспечивающих механизированное движение инструмента и заготовки относительно друг друга с помощью электро- или гидроприводов.

Всякий станок типа токарного или фрезерного имеет механизм подачи с приводом и исполнительным органом, совершающим поступательное движение, и шпиндель, также имеющий привод, но совершающий вращательное движение. При обработке на токарных станках исполнительный орган механизма подачи – суппорт с резцом; на фрезерных станках – стол с приспособлением. Шпиндель имеется у того и другого, только на токарных станках в нем закрепляют заготовку, а на фрезерных – фрезу.

Обработка на станке, как правило, включает в себя придание исполнительному органу механизма подачи станка поступательного движения со скоростью S и шпинделю станка – вращательного движения с частотой вращения n, обусловленных требуемой производительностью и приемлемой стойкостью режущего инструмента («Г.И. Грановский, В.Г. Грановский. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985, стр.10−11»). Однако, исходя из требуемой производительности обработки и приемлемой стойкости инструмента, в процессе работы станка можно столкнуться с явлением резонанса. Резонанс обычно возникает, если частота собственных колебаний  технологической системы станка ТСС (о ТСС см., например, книгу: М.П. Журавлев. Исследование и испытание технологических систем. Екатеринбург: УрФУ, 2017) совпадает с частотой вынужденных колебаний , действующих на ТСС при резании. Но частота , как показывает опыт эксплуатации станков, существенно зависит от n и S, поэтому, придавая последним при настройке станка значения, не учитывающие возможность резонанса, его и можно вызвать. В результате ухудшается качество обработки изделия, снижаются стойкость инструмента и долговечность станка.

Проблемой, решаемой предлагаемым способом, является недостаточная виброзащищенность прототипа и предотвращение (или, по крайней мере, снижение вероятности) резонанса при работе станка, что будет способствовать повышению качества обработки изделий, увеличению периода стойкости инструмента и продлению времени безотказной эксплуатации станка.

Технически решение указанной проблемы обеспечивается за счет того, что способ обработки заготовки на металлорежущем станке, включающий придание исполнительному органу механизма подачи станка поступательного движения с заданной скоростью  и шпинделю станка вращательного движения с заданной частотой вращения , отличающийся тем, что предварительно устанавливают численное значение  частоты собственных колебаний технологической системы станка и численные значения  частот вынужденных колебаний, действующих на технологическую систему при всех значениях  и  в диапазонах соответственно от  до  и от  до  согласно паспортным характеристикам станка, при этом в декартовых координатах , принимая ось  в качестве абсциссы, ось  в качестве ординаты и ось  в качестве аппликаты, строят графическое изображение функции  в зависимости от переменных  и плоскость, параллельную плоскости , с аппликатой, равной значению , и находят проекцию на плоскость  линии пересечения упомянутых графического изображения функции  и плоскости с аппликатой , причем скорость подачи  и частоту вращения шпинделя  задают из области упомянутых диапазонов значений за исключением значений, совпадающих с координатами линии упомянутой проекции.

На фиг. 1 – 3 показаны иллюстрации приемов, составляющих предлагаемый способ. На фиг. 1 – пример построения графика функции  = F(n,s) , на фиг. 2 – изображение на нем плоскости  с аппликатой , на фиг. 3 – проекция линии пересечения графика  с плоскостью .

Способ осуществляют следующим образом. На станке, используемом для изготовления требуемой детали, закрепляют режущий инструмент и заготовку. Затем известными методами (например, описанными в книге «Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. В 3-х томах. Т.1: Проектирование станков/ А.С. Проников и др. М.: Машиностроение, 1994» или в книге Я.Г. Пановко Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1980) устанавливают частоту собственных колебаний  полученной технологической системы. После этого по паспорту станка определяют диапазон частот вращения шпинделя станка от  до  и возможные промежуточные значения n в этом диапазоне: ,  и т.д. Аналогично, также по паспорту станка, определяют диапазон подач от  до  и возможные промежуточные значения S. Далее, используя экспериментальные методы (например, по числу заострений на поверхности стружки [см. «Г.И. Грановский, В.Г. Грановский. Резание металлов»]) или путем теоретического расчета (см., например, Я.Г. Пановко, Введение в теорию механических колебаний») устанавливают зависимость частот вынужденных колебаний , действующих на технологическую систему в функции от n и S. (Полученные данные могут быть систематизированы в форме таблицы). После этого, используя классические методы построения графиков (см., например, «И.М. Гельфанд и др. Функции и графики. М.: Наука, 1971»), строят график  = F(n,s), где F(n,s) – функция от переменных n и S, в декартовых координатах , , , , принимая ось  в качестве абсциссы,  в качестве ординаты и ось  в качестве аппликаты. Затем в этой же системе координат изображают плоскость с аппликатой, равной значению , параллельную плоскости , и находят линию пересечения этой плоскости с графиком  = F(n,s). Далее строят проекцию полученной линии на плоскость .

Выполнив перечисленные действия, на плоскости выбирают точку, смещенную от проекции линии пересечения, и ее координаты по осям  и принимают за настроечные значения n и S. Поскольку таких точек может быть множество, из них можно выбрать такую, которой соответствуют n и S, удовлетворяющие каким-либо дополнительным требованиям. Например, требованиям к производительности обработки и стойкости режущего инструмента. Указанные требования могут быть учтены так, как это делается обычно, в частности в соответствии со «Справочником технолога-машиностроителя. В 2-х томах. Т.2, М.: Машиностроение, 1986. Стр. 261-303». Выбрав точку, смещенную от проекции линии пересечения графика  = F(n,s) и плоскости с аппликатой , и определив ее координаты по осям  и далее частоту вращения шпинделя станка настраивают на численное значение n, соответствующее координате по оси , а подаче придают численное значение S, соответствующее координате по оси .

Покажем применение способа на примере. Пусть имеется бесконсольный вертикально-фрезерный станок, у которого = 50 об/мин,= 3500 об/мин, = 20 мм/мин ,= 2000 мм/мин, причем n может изменяться с шагом 230, а S – с шагом 132 . В шпинделе закреплена концевая фреза с параметрами z = 10 ,= 120 мм ,38°, где z – число зубьев фрезы, D – диаметр фрезы,  – угол наклона зубьев фрезы. Масса шпиндельного узла станка = 1000 кг, жесткость этого узла , масса инструмента = 5 кг , жесткость инструмента  .

Пользуясь известными соотношениями, имеющими в данном случае вид

и

с достаточной для инженерных расчетов точностью получим частоту собственных колебаний технологической системы =65 Гц. Установим частоты вынужденных колебаний , действующих на технологическую систему, используя также известное соотношение

где B – ширина фрезерования,  – коэффициент жесткости системы «заготовка – приспособление». Приняв =1 на основании данных, приведенных в упоминаемом выше «Справочнике технолога-машиностроителя…», и полагая B = 80 мм, получим

Построим график  в координатах ,  и  (фиг. 1). Изобразим в этих же координатах плоскость с аппликатой, равной =65 Гц и найдем линию пересечения графика F(n,s) и плоскости, соответствующей  (фиг. 2). Построим проекции линии пересечения на плоскость  (фиг. 3). Выберем на этой плоскости точку А, смещенную от этой проекции и определим её координаты: по оси  – 1100, по оси  – 600. Придадим далее полученные числовые значения n и S, соответственно, частоте вращения шпинделя станка (настроим частоту вращения шпинделя на найденную величину n) и скорости поступательного перемещения исполнительного органа (в данном случае стола) механизма подачи станка (настроим эту скорость на найденную величину S). При эксплуатации станка в рабочем режиме после такой настройки явление резонанса либо вообще будет предотвращено, либо будет маловероятно. Для обеспечения наиболее надежного предотвращения резонанса смещение точки А от проекции линии пересечения плоскости с аппликатой  и графика F(n,S) целесообразно смещать примерно на 25% от расстояния этой проекции от начала координат, в которых построен график F( n,S).

Техническим результатом предложенного способа будет повышение стойкости режущего инструмента, долговечности механизмов станка и точности производимой на нем обработки, что непосредственно следует из невозникновения резонанса.

Формула изобретения

Способ обработки заготовки на металлорежущем станке, включающий придание исполнительному органу механизма подачи станка поступательного движения с заданной скоростью S и шпинделю станка вращательного движения с заданной частотой вращения n, отличающийся тем, что предварительно устанавливают численное значение f_c частоты собственных колебаний технологической системы станка и численные значения f_в частот вынужденных колебаний, действующих на технологическую систему при всех значениях n и S в диапазонах соответственно от n_min до n_max и от S_min до S_max согласно паспортным характеристикам станка, при этом в декартовых координатах ОnSf, принимая ось Оn в качестве абсциссы, ось ОS в качестве ординаты и ось Оf в качестве аппликаты, строят графическое изображение функции f_в в зависимости от переменных n, S и плоскость, параллельную плоскости ОnS, с аппликатой, равной значению f_c, и находят проекцию на плоскость ОnS линии пересечения упомянутых графического изображения функции f_в и плоскости с аппликатой f_c, причем скорость подачи S и частоту вращения шпинделя n задают из области упомянутых диапазонов значений за исключением значений, совпадающих с координатами линии упомянутой проекции.

Изобретение "СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВКИ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ" (Либерман Яков Львович, Мухлынина Екатерина Дмитриевна) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога