к вопросу расширения технологических возможностей

К ВОПРОСУ РАСШИРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ
СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ СХЕМЫ РЕЗАНИЯ
К.А. Дядюра, канд. техн. наук, доцент;
А.В. Прокопенко, аспирант;
О.В. Барыльник, студент,
Сумский государственный университет, г. Сумы
У статті розглянуті питання підвищення ефективності вертикальних верстатів з ЧПК на основі використання
методів механічної обробки різанням із тангенціальною схемою. Проаналізовані технологічні можливості такого
обладнання і перспективні конструкції.
Ключові слова: ЧПК, компонування, тангенціальна схема різання, вертикальні оброблювальні центри, механічна
обробка, різання.
В статье рассмотрены вопросы повышения эффективности вертикальных станков с ЧПУ на основе использования
методов механической обработки резанием с тангенциальной схемой. Проанализированы технологические возможности
такого оборудования и перспективные конструкции.
Ключевые слова: ЧПУ, компоновка, тангенциальная схема резания, вертикальные обрабатывающие центры,
механическая обработка, резание.
ВВЕДЕНИЕ
Происходящие в настоящее время изменения в экономике требуют от отечественных машиностроительных
предприятий принципиально новых подходов к повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции
[1]. Становится закономерным, что заказчик ориентирует производителя на краткосрочный выпуск изделий
необходимыми ему партиями с высоким уровнем качества при относительно невысокой стоимости [2].
Повышаются требования к совокупности различных свойств (геометрических, физических, технологических,
экологических и других), которые характеризуют машиностроительные изделия.
Появилось новое поколение многофункциональных металлорежущих станков с ЧПУ, в которых сочетаются
широкие технологические возможности, высокая производительность и гибкость, прецизионность и
автоматическое компьютерное управление.
В условиях единичного и мелкосерийного производства одним из наиболее перспективных направлений
повышения эффективности механической обработки металлов резанием является переход от дискретных
методов обработки, значительно растягивающих операции изготовления деталей во времени и пространстве, к
совмещению и непрерывному выполнению нескольких последовательных операций на одном станке,
работающем в автоматическом режиме. Реализовать такую схему позволяет круговое движение подачи
заготовок по касательной траектории к инструменту, например, роторное тангенциальное точение. В таких
обрабатывающих системах транспортное движение совпадает с технологическим и является формообразующим
[3, 4].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время концепция вертикальных токарных станков с ЧПУ получила широкое признание. Такое
оборудование изготавливают ведущие мировые производители (например, компоновки вертикальных
обрабатывающих центров фирмы ЕМАG (Германия) [5]).
В современном машиностроении при механической обработке резанием деталей типа: шестерни и валы
КПП, тормозные диски, поршни, кольца подшипников, детали ШРУСов, насосов, муфты, фланцы, вентили, ж.д.
буксы и многих других, вертикальные токарные станки стремительно вытесняют горизонтальные, на долю
которых остались, пожалуй, только валы длиной более 1000 мм.
Преимуществами такой конструкции являются:
–
высокая жесткость станка;
–
встроенные функции загрузки и выгрузки заготовок, встроенная система измерений;
–
экономия занимаемой производственной площади;
–
все рабочие органы портального суппорта, несущего главный шпиндель, находятся выше рабочей зоны
и надежно защищены от загрязнений и стружки;
–
наличие большого свободного пространства под шпинделем;
–
прямой привод без редуктора позволяет выполнять технологические процессы с очень высокими
требованиями к качеству регулирования и равномерности вращения, а также обеспечивает стабильный процесс
обработки с высоким качеством поверхности и жесткими допусками;
–
реализация на одном станке различных технологий обработки: токарная обработка, сверление,
шлифование, фрезерование.
Кроме того, предусмотрено жидкостное охлаждение всех узлов, влияющих на точность обработки:
шпинделей, револьверных головок и станины станка. При отсутствии межоперационных заделов отпадает
необходимость идентификации деталей и управления их перемещением между операциями. Результат прозрачная и четкая производственная логистика.
Анализ имеющейся в технической литературе информации о проблемах практической реализации
тангенциального точения (ТТ) показывает, что к настоящему моменту накоплена значительная база данных для
создания и проектирования прогрессивных высокопроизводительных обрабатывающих систем с
тангенциальной схемой резания [6, 7, 8]. Подробному изучению технологических возможностей этого процесса
механической обработки посвятили свои работы многие ученые из стран СНГ: Ю.В. Арутюнян, А.Я. Босинзон,
М.Б.
Гатовский,
Г.И.
Грановский,
А.Я.
Загородников,
В.А.
Залога,
В.М.
Каневцев,
М.А.
Карапетян,
В.Н.
Комаров,
А.М.
Лейн,
Dr
К.С.
Панченко,
Г.С.
Саркисян,
1
R0
И.П.
Соломенников,
Б.А
Усов,
П.М. Чернянский, А.О. Этин и многие другие.
Фундаментальные
экспериментальные
исследования
PVt

провели иностранные ученые: Fine L., Sakuta K., Duggan
Rt
O
C.K. и др.
P
Rmin
Обрабатывающие системы непрерывного действия с

тангенциальной схемой резания, в которых транспортное
B
A
движение
обрабатываемой
детали
совмещено

C
PVt

с
технологическим
(движением
подачи)
(например,
мод.
y
станка
P
2
z
КА-350 (рис. 1)), позволяют достигать высокой точности
L
обработки (IТ7-IТ8) и производительности (в 3-5 раз выше
по сравнению с традиционным оборудованием) [9]. При
DS
этом
обеспечиваются
высокая
экологичность
и
безопасность производства благодаря работе без СОЖ.
Рисунок 2 - Кинематическая схема
процесса ТТ с попутной прямолинейной
На рисунке 2 приведена кинематическая схема ТТ с
подачей [10].
прямолинейной попутной подачей. В процессе резания
1 – заготовка; 2 – инструмент
траекторией относительного движения инструмента
является циклоидальная кривая. Процесс попутного
тангенциального точения (ПТТ) характеризуют следующие специфические особенности: кратковременность
контакта инструмента с заготовкой (время цикла обработки, как правило, не превышает нескольких десятых
долей секунды), нестационарность процесса резания за счет непрерывной трансформации углов резания и
толщины среза [3], наличие участков проскальзывания со значительным их удельным весом в цикле обработки
[4].
Пt
Пt
1
3
5
6
4
2
Рисунок 1 - Компоновка станка мод. КА350 [9]:
1 – станина; 2 - блоки инструментов; 3 шпиндельный блок; 4 - шпиндель; 5 Рисунок 3 - Схема видов ТТ наружных и внутренних поверхностей [10]
устройство загрузки; 6 – устройство
выгрузки
Эти особенности позволяют рассматривать ПТТ с
резания,
характерного
процессов [3].
для
позиции прерывистого, кратковременного, периодического
фрезерования,
строгания,
протягивания
и
других
Для обработки наружных и внутренних поверхностей известны шесть схем ТТ, которые предопределили
различные
компоновки
станков
(рис. 3).
Инструментальная система токарных станков с тангенциальной схемой резания принадлежит к сложным
техническим системам. Каждая единица инструментальной системы эксплуатируется, как правило, на
постоянном режиме обработки независимо от других резцов. Опыт теоретических и экспериментальных
исследований [3, 4, 10] показывает, что в настоящее время имеется большой арсенал средств и методов
реализации условий рациональной работы инструмента с целью увеличения его ресурса и повышения
надежности функционирования обрабатывающей системы. Главной возможностью реализации оптимальных
условий эксплуатации инструмента является обеспечение конструктивной прочности и износостойкости
режущих лезвий и регулирование (в зависимости от заданных условий) режима нагружения их рабочих
поверхностей на всех стадиях создания и использования инструмента – проектирование, изготовление и
эксплуатация.
Целью данных исследований является рассмотрение технологических возможностей использования
известных схем тангенциального точения для обработки наружных и внутренних поверхностей деталей на
вертикальных станках с ЧПУ на основе разработки научно обоснованных рекомендаций расчета и назначения
необходимого числа инструментов в многоинструментальной наладке.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводились с использованием полученных экспериментальных зависимостей [4],
описывающих влияние параметров режима резания на основные характеристики процесса ПТТ.
Выбор оптимальных инструментальных материалов, геометрических параметров инструмента, параметров
режима резания, необходимого числа инструментов и распределения припуска между резцами на вертикальных
станках с тангенциальной схемой резания производился на основе комплексного критерия – функции
желательности Харрингтона с использованием граничных оценок обобщенного показателя.
В данной работе рассматриваются две обобщенные функции желательности. Одна из них включает в себя
физические критерии оптимальности и служит для оценки эффективности обработки при ПТТ с точки зрения
физических особенностей взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом.
DF  4 d( J )  d( PZ )  d( PY )  d( Θ) ,
(1)
где DF - обобщенная функция желательности Харрингтона физических критериев оптимальности; d(J), d(PZ),
d(PY), d() – желательности соответственно интенсивности изнашивания инструмента, главной составляющей
силы резания, радиальной составляющей силы резания и температуры резания.
Граничные оценки обобщенного показателя назначаются, учитывая, что количество тепла, выделяемое при
резании, составляет
Q 
PZ v
ккал/мин,
427
(2)
PZ v
,
60  1020
(3)
мощность резания рассчитывается по формуле
NP 
а закономерности изнашивания и разрушения инструмента в процессе резания определяются скоростью износа
режущего лезвия
γ  Pv ,
где
P 
PZ2  PY2
(4)
- сила резания, действующая при контактном взаимодействии инструмента с
обрабатываемым материалом в условиях ПТТ; PZ, PY - соответственно тангенциальная и радиальная
составляющие силы резания; v – скорость резания.
Другая обобщенная функция желательности включает в себя экономико-технологические целевые функции
и тем самым определяет оптимальный режим обработки в зависимости от организационно-технических
условий производства
D ET  5 d(QYD )  d(τ0 )  d(Ra)  d(δ )  d(Q v ar ) ,
(5)
где DET - обобщенная функция желательности экономико-технологических критериев оптимальности; d(QYD),
d(0), d(Ra), d(), d(Qvar) - соответственно желательности объема снимаемого материала в единицу времени,
основного времени обработки, шероховатости обработанной поверхности, отклонения от круглости,
коэффициент вариации объема снятого материала.
Степень влияния параметров режима резания (скорости резания v, подачи s и величины снимаемого
припуска ) на производительность процесса ПТТ оценивается объемом снимаемого материала в единицу
времени QYD, мм3/с:
QYD  1000  b  v  s   /
D.
(6)
Экономичность обработки оценивается через основное время обработки 0, с. Время обработки 0 для ПТТ
будет определяться из формулы
0 
0, 00314  D    ( D  )
L
; 0 
,
S0  n
S0  v
(7)
где L – путь, пройденный вершиной лезвия за цикл обработки ( L    (D   ), мм; S0 - тангенциальная
подача, мм/об; n – частота вращения заготовки ( n  1000  v /   D ); D – диаметр обрабатываемой заготовки,
мм.
Такой подход позволяет проанализировать с разных точек зрения физические, технологические и
экономические аспекты механической обработки резанием в условиях ПТТ. При этом оптимальное решение
при выполнении конкретной технологической операции может быть найдено как компромиссное, которое
отвечает требованиям производительности, экономичности, надежности и качества обработки.
Количество черновых проходных резцов определяется условиями оптимального силового и температурного
воздействия на режущую часть инструмента (ширина срезаемого слоя b).
Величину снимаемого припуска для черновых проходных резцов назначаем из условия обеспечения
оптимальных значений функций желательностей по производительности, основному времени обработки и
интенсивности изнашивания режущего инструмента.
Для чистовых проходных резцов уровень желательности должен быть очень высоким по качеству
обработанной поверхности, силам резания, температуре резания.
Математические
модели,
связывающие
параметры
режима
резания
(v, S, ) с основными характеристиками процесса ПТТ, позволили получить зависимость для обобщенной
функции желательности.
D  bo  b1  v  b2  s  b3    b12  v  s  b13  v    b23  s    b11  v2  b22  s2  b33  2 . (8)
Поиск оптимальных параметров в начале обработки (v0, s0, 0) осуществляется путем минимизации
функционала
U  ( 1  bo  b1  v  b2  s  b3    b12  v  s  b13  v    b23  s    b11  v2  b22  s2  b33  2) 2 . (9)
Минимизация функционала (9) осуществляется методом покоординатного спуска.
Такой подход позволяет определить в каждом конкретном случае оптимальные режимы резания и тем
самым выбрать необходимое число инструментов в наладке.
Результаты исследований использованы для изготовления внутреннего кольца подшипника 310/02.
Фасонный профиль подшипникового кольца 310/02 (рис. 4) разделен на участки простой формы с
образующей в виде прямой (торец, цилиндрические участки поясков, фаски). Согласно схеме срезания
припуска работу начинают резцы 1-4, которые последовательно снимают припуск по наружной поверхности и
по торцу кольца. Срезание припуска по торцу осуществляется по генераторной схеме со смещением резцов
относительно друг друга на величину снимаемого припуска , допускаемую трансформацией углов резания и
максимальной толщиной среза. По цилиндрической поверхности срезание припуска осуществляется по
прогрессивной схеме проходными резцами 5-12 на полную глубину и смещенными относительно детали на
одинаковое расстояние b0 (b0=сtg). Несколько желобных резцов (13-16) работают по профильной схеме
срезания припуска. Окончательно элементарные участки сложного профиля, образующие торец, внутреннюю и
наружную фаски, обрабатываются резцами 17-20.
Рисунок 4 - Схема срезания припуска при обработке
подшипникового кольца 310/02
Общий припуск на обработку для проходных резцов составляет
 
72, 1  69, 05
 1, 48 мм.
2
(10)
Общая величина припуска, снимаемого торцевыми резцами, составляет
T 
72, 1  49, 7
 11, 2 мм.
2
(11)
Величину снимаемого каждым торцевым резцом припуска выбираем из условия оптимального уровня
обобщенной функции желательности физических критериев оптимальности.
Общая величина снимаемого припуска на обработку для желобных резцов составляет
G 
69, 05  61, 25
 3, 9 мм.
2
(12)
Величину снимаемого припуска для черновых желобных резцов назначаем аналогично условию для
черновых проходных. Их режущие кромки будут смещены друг относительно друга на расстояния, равные
соответствующей величине припуска. Для чистового желобного резца припуск на обработку жчс будет
определяться из выражения
nhp
GC  G 

i 1
GPi
,
(13)
где nhp – количество черновых желобных резцов; GPi – припуск на обработку, снимаемый i-м черновым
желобным резцом.
Оптимальные параметры режима резания выбираем исходя из требований максимального уровня
желательности (D=0,6-1) для производительности, экономичности и качества обработки. Данным требованиям
отвечает следующий режим: v=284 м/мин; s=1,25 мм/об.
Величину снимаемого припуска для чистовых проходных резцов назначаем исходя из требований,
предъявляемых к формированию свойств поверхностного слоя детали – =0,08 мм.
Величину снимаемого припуска для черновых проходных резцов назначаем из условия влияния ее на
интенсивность изнашивания инструмента (4) и возможности срезания общего припуска на обработку за два
прохода (черновой и чистовой) - =1,4 мм.
Ширина срезаемого одним проходным резцом слоя b при =22составляет
b  1,4  ctg 22  3,6 мм.
(14)
Тогда количество проходных резцов при b  28,5 мм
n 
28,5
 8.
3,6
(15)
Для торцевых резцов припуск на обработку определяется условием оптимального силового и
температурного воздействия на режущую часть инструмента и составляет =2,8 мм. Количество торцевых
резцов – nT=4.
Величину снимаемого припуска для чистовых и черновых желобных резцов назначаем аналогично
требованиям, предъявляемым к проходным резцам. Для чистового желобного резца припуск на обработку
составит - Ж.чт=0,15мм. Для чернового желобного резца - Ж.чр=1,25 мм. Тогда количество черновых желобных
резцов будет 3. Их режущие кромки будут смещены друг относительно друга на расстояние, равное величине
припуска.
Предложенный метод механической обработки ТТ на станках с ЧПУ значительно уменьшит
подготовительно-заключительное время и расширит их технологические возможности. Разработка компоновок
с тангенциальной схемой резания является перспективным направлением развития современных конструкций
вертикальных обрабатывающих центров.
ВЫВОДЫ
Таким образом, эффективным направлением повышения производительности вертикальных станков с ЧПУ
является применение многорезцовых державок и комбинированного инструмента, работающих по методу ТТ и
обеспечивающих параллельную концентрацию технологических переходов, удобство в эксплуатации и
возможность гибкой переналадки.
Дальнейшие исследования будут связаны с разработкой перспективных конструкций станков на основе
применения компоновок с тангенциальной схемой резания, эффективность работы которых и повышение их
производительности в значительной степени будут зависеть от разработки рекомендаций по интенсификации
режимов резания, применения современного режущего и вспомогательного инструмента.
SUMMARY
TO QUESTION OF EXPANSION OF TECHNOLOGICAL POSSIBILITIES OF VERTICAL MACHINE-TOOLS WITH CNC BASED ON
THE USE OF THE TANGENTIAL
CHART OF CUTTING
K.A. Dyadyura, A.V. Prokopenko, O.V. Barylnik,
Sumy State University, Sumy
In the article the questions of increase of vertical machine-tools efficiency are considered with CNC on the basis of the use of methods of tooling
cutting with a tangential chart. Technological possibilities of such equipment and perspective constructions are analyzed.
Key words: CNC, arrangement, tangential chart of cutting, vertical processing centers, tooling, cutting.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Залога В.О. Моделювання синергетичної інтеграції процесів проектування, виготовлення і експлуатації в проектах машинобудування:
монографія / В.О. Залога, К.О. Дядюра, О.В. Ющенко. – Суми: Вид-во СумДУ, 2010. – 279 с.
2. Залога В.А. Методология повышения эффективности взаимозависимых процессов проектирования, изготовления и эксплуатации в
проектах
машиностроения
/
Залога В.А., Дядюра К.А., Прокопенко А.В. // Сучасні технології в машинобудуванні [Текст]: зб. наук. праць.– Харків: НТУ «ХПІ»,
2010. – Вип. 4. – С. 192-204.
3. Залога В.А. Разработка научных основ и принципов практического применения нестационарных видов обработки резанием на базе
попутного тангенциального точения: автореф. дис.… доктора технических наук: 05.03.01 / Харьковский государственный университет.
– Х., 2000. - 33 с.
4. Дядюра К.А. Повышение работоспособности металлорежушего инструмента при обработке стали ШХ15 в условиях попутного
тангенциального точения: дис.... канд. техн. наук: 05.03.01 / НТУ «ХПІ». - Харків, 2001. – 248 с.
5. http://www.emag-group.ru/section/31/10/
6. Ермаков Ю.М. Многоцелевые и многопозиционные автоматы непрерывного действия / Ю.М. Ермаков // СТИН. - 1999. - №2. - С. 9-13.
7. Ермаков Ю. М. Линии автоматизированного завода 21-го века / Ю.М. Ермаков // СТИН. - 1999. - №12. - C.3-7.
8. Ермаков Ю. М. Многошпиндельные и многопозиционные станки непрерывного действия / Ю.М. Ермаков // СТИН. - 1998. - №11. - C.39.
9. Протокол приемочных испытаний опытно-экспериментального образца 12-шпиндельного токарного автомата мод. КА-350 от 4. VI. 1974г.
КЗСА им. Горького. –Киев. – 1974. – 48 с.
Ермаков Ю.М. Технология и станки тангенциального точения / Ю.М. Ермаков. – М.: Машиностроение, 1979. - 152 с
1.