В статье описан стенд для изучения механических колебаний при фрезеровании маложестких деталей концевыми фрезами. Стенд позволяет измерять силы, которые составляют колебание, восстанавливающие силы и силы диссипирующие энергию.The article describes a stand for research mechanical oscillations in end milling of flexible workpieces. The stand allows to measure exciting force, restoring force and dissipating force

Внуков, Юрий Николаевич

Каморкин, П. А.

Логоминов, В. А.

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 32 УДК 534.1  Ю.Н. Внуков, д-р техн. наук, В. А. Логоминов,  П.А. Каморкин, канд. техн. наук, Запорожье, Украина  СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ КОНЦЕВЫМИ ФРЕЗАМИ  У статті описаний стенд для вивчення механічних коливань при фрезеруванні маложорс-тких деталей кінцевими фрезами. Стенд дозволяє вимірювати сили, що змушують коливання, відновлювальні сили та сили, що дисипують енергію.  В статье описан стенд для изучения механических колебаний при фрезеровании маложор-стких деталей концевыми фрезами. Стенд позволяет измерять силы, которые составляют колебание, восстанавливающие силы и силы диссипирующие энергию.  JU.N. VNUKOV, V. A. LOGOMINOV, P.A. KAMORKIN STAND FOR RESEARCH MECHANICAL OSCILLATIONS IN END MILLING OF FLEXIBLE WORKPIECES BY END MILL The article describes a stand for research mechanical oscillations in end milling of flexible work-pieces. The stand allows to measure exciting force, restoring force and dissipating force.  Появление и широкое внедрение в практику многокоординатных фре-зерных станков с высокоскоростными шпинделями и CNC системами управ-ления движением детали относительно инструмента, открывают новые воз-можности получения сложных поверхностей концевыми фрезами. Примером тому служат значительное по многообразию типоразмеров и форм количест-во моноколес авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), получаемых по этой технологии. Механическая обработка маложесткого элемента моноколе-са – лопатки, сопровождается рядом негативных явлений приводящих к от-клонению размеров и формы, а также ухудшению качества обработанной по-верхности. Причиной этому являются появление недопустимых механиче-ских колебаний, которые возбуждаются в упругой системе маложесткой де-тали под действием вынуждающей силы.  Вынуждающая сила при концевом фрезеровании является сила отталки-вания маложесткой детали от фрезы, которая появляется в процессе срезания припуска. Моноколесо авиационного ГТД является чрезвычайно дорогой деталью, поэтому для установления основных закономерностей концевого фрезерова-ния маложестких деталей разработан стенд, позволяющий всесторонне ис-следовать этот специфический вид обработки. Принципиальная схема стенда приведена на рис.1. Стенд состоит из сле-дующих элементов. К массивному основанию 1, которое может быть уста-новлено на рабочий стол любого фрезерного станка, прижимом 3 крепится  33 прямоугольная пластина 2. Эта пластина моделирует упругую систему мало-жесткой детали. Так как у пластины толщина H  является наименьшим раз-мером, механические колебания будут возбуждаться в направлении x . В этом случае можно считать, что рассматриваемая система обладает одной степенью свободы.   Рисунок 1 – Принципиальная схема стенда для исследования  механических колебаний при фрезеровании маложестких деталей  В верхней части упругой пластины 2 закрепляется образец 8 из обраба-тываемого материала. Разделение упругой системы и обрабатываемого об-разца, т.е. зоны резания (фрезерования), позволяет отдельно изучать все типы сил, действующих на механическую систему: вынуждающую, восстанавли-вающую (силу упругости) и диссипирующую (силу трения) [1]. В качестве концевой фрезы используют жесткую оправку 6, в которой закреплен режу-щий элемент 7. Однозубая фреза при исследовании динамики процесса фре-зерования имеет ряд преимуществ перед многозубой. Постоянные характери-стики среза (из-за отсутствия биения и неточности заточки разных зубьев),  34 однозначный размер  – радиуса округления режущей кромки и ç  – площадки износа на задней поверхности, позволяет избежать дополнитель-ных неточностей в быстропротекающих процессах контактирования инстру-мента с обрабатываемым образцом. Силы, возникающие в механической системе, измеряют датчиками 10 и 12. Индуктивный проксиметр XS1 M18AB120 фирмы IFM Electronic 10, за-крепляют на стойке 11, жестко связанной с основанием 1. Этим датчиком фиксируется изменение зазора   между торцом датчика и обрабатываемым образцом. В отличие от акселерометра проксиметр не крепится на упругой пластинке и не изменяет ее динамические характеристики. Амплитудно-частотная характеристика индуктивного датчика XS1 M18AB120 определя-лась в работе [4]. В ней установлено, что амплитуда выходного сигнала прак-тически не изменяется в диапазоне частот 0-1300 Гц, и начинает снижаться при частотах более 1300 Гц. Ослабление сигнала в диапазоне частот 0-3500Гц не превышает 14%. Проволочные тензодатчики 12 наклеены непосредственно на упругую пластинку 2. Они позволяют оценивать все силы, возникающие в упругом элементе, по деформации его поверхности. Сигнал с тензодатчиков 12 усиливается усилителем и оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя Е-140 Е-140 фирмы L-Graph. Результаты измерений записываются и запоминаются на компьютере. Частота дискретизации составляет 50 кГц при использовании двух каналов. Такой частоты вполне достаточно для измерений колебаний упругого элемента, час-тота собственных колебаний которого, при толщине 8H  мм и вылете 80L  мм составляет 750 Гц. Тарировка датчиков производится в два этапа. На первом этапе опреде-ляется зависимость выходного сигнала датчиков в зависимости от прилагае-мой к упругому элементу статической нагрузки. Нагружение осуществляется образцовым динамометром ДОСМ-3-0,2. На втором этапе  определяется же-сткость упругого элемента. Отклонение измеряется с помощью микронного индикатора часового типа. Для изучения роли восстанавливающих упругих сил в стенде преду-смотрено 3 сменных упругих элемента 2 с различными толщинами 41H =  мм, 62H =  мм, 83H =  мм. Восстанавливающая сила упругости пропор-циональна отклонению системы, при этом упругие свойства системы харак-теризуются коэффициентом жесткости – C , который представляет собой коэффициент пропорциональности между внешней силой P , статически нагружающей систему, и вызываемой этой силой перемещением X . При этом восстанавливающая сила противоположна по направлению внешней  35 силе P . На рис. 2 приведены результаты измерения коэффициента жестко-сти упругих пластин разной толщины и шпинделя станка модели FWD-32J с концевой фрезой (оправки с одним зубом). Из рис.2 можно видеть, что система позволяет изучать механические ко-лебания при коэффициенте жесткости упругой системы 237,01C  Н/мкм (пластина 41 H  мм), 899,02 C  Н/мкм (пластина 62 H  мм), 240,23 C  Н/мкм (пластина 83 H  мм). Коэффициент жесткости шпин-деля с однозубой фрезой равен 2,20ôðC  Н/мкм. Таким образом жест-кость инструмента значительно превышает жесткости упругих элементов, что является необходимым условием при изучении колебаний в системе, где до-минирующими являются колебания маложесткой детали.   Рисунок 2 – Зависимость перемещения упругой системы от нагрузки при вылете пла-стины 80H  мм  Для изучения роли диссипативных сил трения приводящих к рассеи-ванию мехаической энергии, в стенде предусмотрена возможность установки демпфирующих прокладок 14 между упругим элементом и массивным осно-ванием 1, вязкоупругой среды 13, в которой может рассеиваться энергия, и возможность подключения различных демпферов 4. Для изучения колебаний, когда упругая система способна изменять массу, момент инерции и жесткость, предусмотрена возможность присоединять допол-нительную массу 5 к упругому элементу 2, а также изменять его вылет L . Для изучения роли вынуждающих сил имеется возможность изменять режимы резания в соответствии с паспортом станка мод. FWD-32J на котором  36 числа оборотов nфр могут изменяться от 56 до 1800 об/мин. Для однозубой фрезы диаметром 35D =фр мм, скорость резания изменяется от 6,2 до 197,9 м/мин, минутная подача sмин  – от 11,2 до 1120 мм/мин. Сменный режущий элемент позволяет изменять геометрию режущего зуба, а также  – радиус округления режущей кромки, ç  – площадку из-носа по задней поверхности. Возможность быстрой смены обрабатываемого образца без изменения упругих и диссипатирующих свойств механической системы позволяет по новому рассмотреть роль обрабатываемого материала на формирование вы-нуждающей силы. Измерительные возможности стенда приведены на рис.3, где в коорди-натах сила-время, можно изучать динамику поведения механической системы при концевом фрезеровании.  а – Фрезерование в условиях, когда время успокоения механической системы τ умс меньше, чем время холостого хода . .τх х (т.е. время между выходом предыдущего зуба и входа следующего) τ умс<. .τх х. б – Фрезерование в условиях когда τ умс > . .τх х . Рисунок 3 – Изменение сил в механической системе при концевом фрезеровании  37 Циклом фрезерования считаем время между началом фрезерования со-седних зубьев. Для однозубой фрезы это время одного оборота. Цикл фрезе-рования состоит из времени резания τ рез – когда зуб снимает припуск с пере-менной толщиной среза и времени холостого хода – . .τх х  между точкой выхо-да из зоны резания предыдущего зуба и точкой входа в зону резания после-дующего зуба. Во время резания τ рез на механическую систему действует переменная вынуждающая сила, представляющая собой составляющую силы резания по направлению действия – x  (см. рис.1). После выхода зуба фрезы из зоны обработки, на механическую систему действуют упругие силы восстановления, причем направление их действия при колебании меняет знак. Время успокоения механической системы – τумсзависит от сил трения, приводящих к диссипации (рассеиванию) энергии вызывающих ее свободных колебаний. Обычно способность системы к дис-сипации оценивают логарифмическим декрементом колебаний. Если время успокоения механической системы τумс , меньше времени холостого хода . .τх х  – то можно считать, что механическая система не ока-зывает или мало оказывает влияние на условия начала резания очередного зуба фрезы, рис. 3а. Если же τумс > . .τх х , то каждый новый зуб начинает кон-тактировать с деталью, которая продолжает находится в колебательном про-цессе, рис. 3б. В этом случае становится чрезвычайно важным, в какой мо-мент колебательного цикла детали начинает резать зуб (зона А, рис. 3) и как согласуются место начала нового толчка вынуждающей силы для каждого последующего режущего зуба. Разработанный стенд и возможности современной системы цифровой обработки и запоминания результатов измерения открывают новые возмож-ности установления наиболее эффективных путей повышения виброустойчи-вости при концевом фрезеровании маложестких деталей.  Список использованных источников: 1. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара / Я.Г. Пановко. – М.: Машиностроение, 1976. – 320 с. 2. Емельяненко С.С. Повышение эффективности концевого фрезерования путем обеспечения динамической устойчивости техно-логической системы: дис. канд. техн. наук : 05.03.01 / Сергей Сергеевич Емельяненко. – Сумы, 2008. – 205 с.  Поступила в редколлегию 11.04.2011  Bibliography (transliterated): 1. Panovko Ja.G. Osnovy prikladnoj teorii kolebanij i udara / Ja.G. Panovko. – M.: Mashinostroenie, 1976. – 320 s. 2. Emel'janenko S.S. Povyshenie jeffektivnosti koncevogo frezerovanija putem obespechenija dinamicheskoj ustojchivosti tehnologicheskoj sistemy: dis. kand. tehn. nauk : 05.03.01 / Sergej Sergeevich Emel'janenko. – Sumy, 2008. – 205 s. 

Stand for research mechanical oscillations in end milling of flexible workpieces by end mill

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/18199/1/RITS_2011_80_Vnukov_Stend_dlya_izucheniya.pdf

Stand for research mechanical oscillations in end milling of flexible workpieces by end mill

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository