Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОПЕРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть использовано на операциях фрезерования дисковыми фрезами или шлифования плоскости при проведении анализа технологической системы (ТС) для прогнозирования высотных параметров качества обрабатываемых поверхностей.

Известен способ идентификации операции механической обработки резанием, включающий формирование полигармонического возбуждающего воздействия на входе ТС путем взаимодействия профиля заготовки с металлорежущим инструментом, в качестве которого используют резец, задание амплитуды и частоты полигармонического возбуждающего воздействия на входе ТС, регистрацию изменения амплитуды и частоты выходного сигнала и определение вида и коэффициента динамической модели ТС по отношению амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала соответствующих частот. При этом полигармоническое возбуждающее воздействие формируют для отдельных элементов с помощью генераторов периодических колебаний, а заготовку используют в виде валика (Камаев В.А. Математическое моделирование изделий и технологий / В.А. Камаев, В.А. Гришин. - Волгоград: ВолгПИ, 1986. - С.79-110).

К недостаткам описанного способа относятся длительность процесса идентификации, обусловленная необходимостью проведения большого количества экспериментов по определению коэффициентов динамической модели для отдельных элементов ТС в их статическом положении, а также сложность аппаратурной реализации вследствие использования генераторов периодических колебаний.

Указанные недостатки устраняются наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату способом (прототипом), в качестве которого выбран способ идентификации ТС механической обработки металлов резанием, включающий формирование полигармонического возбуждающего воздействия на входе технологической системы путем взаимодействия профиля заготовки, исполнив на ней продольные шлицы, с металлорежущим инструментом, регистрацию амплитуды и частоты полигармонического возбуждающего воздействия на входе технологической системы, регистрацию изменения амплитуды и частоты выходного сигнала, в качестве которого используют профилограмму детали, определение вида и коэффициентов динамической модели по отношениям амплитуд выходного сигнала к амплитуде возбуждающего воздействия. Заготовку используют в виде валика, с пазами пилообразного профиля, предварительно нарезав их на вертикально-фрезерном станке. В качестве металлорежущего инструмента используют резец (патент RU 2255318, МПК⁷ G01M 7/00, В23В 25/06).

Однако описанный способ имеет следующие недостатки:

- узкие функциональные возможности, так как идентификация ТС допустима лишь для операций точения и растачивания, в то время как наряду с операциями токарной группы все более широко применяют операции фрезерования и шлифования, в ряде случаев обеспечивающих весь цикл обработки заготовка - деталь;

- повышенная трудоемкость, так как получение исходного профиля заготовки пилообразной формы требует применения дополнительного оборудования - вертикально-фрезерного станка с делительной головкой, при четком позиционировании режущего инструмента - фрезы - под углом, обеспечивающим нанесение исходного профиля, соответствующего заданным параметрам.

Предлагаемым изобретением решатся задача идентификации ТС для сравнения выполнения технологических операций фрезерования дисковыми фрезами и шлифования абразивным инструментом.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и уменьшение трудоемкости процесса идентификации операции механической обработки.

Для достижения такого технического результата в предлагаемом способе идентификации операции механической обработки, включающем формирование полигармонического возбуждающего воздействия на входе технологической системы путем взаимодействия профиля заготовки, исполнив на ней шлицы, с металлорежущим инструментом, регистрацию амплитуды и частоты полигармонического возбуждающего воздействия на входе технологической системы, регистрацию изменения амплитуды выходного сигнала, в качестве которого используют профилограмму детали, определение вида и коэффициентов динамической модели по отношениям амплитуд выходного сигнала к амплитуде возбуждающего воздействия, согласно изобретению используют заготовку в виде пластины с пазами прямоугольного профиля, а в качестве металлорежущего инструмента используют шлифовальный круг или дисковую фрезу.

Расширение функциональных возможностей обусловлено обеспечением идентификации ТС для операций фрезерования и шлифования, в ряде случаев обеспечивающих весь цикл обработки заготовка - деталь.

Снижение трудоемкости процесса обусловлено формированием полигармонического возбуждающего воздействия на входе технологической системы путем взаимодействия прямоугольного профиля заготовки, исполнив на ней поперечные шлицы, с металлорежущим инструментом, при получении такого профиля на единственном оборудовании без применения вспомогательных устройств при идентификации операций фрезерования дисковыми фрезами или плоского шлифования.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена развертка поперечного профиля заготовки; на фиг. 2 - экспериментальная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) операции механической обработки детали; на фиг. - 3 - асимптотические ЛАЧХ звеньев 2-го порядка операции механической обработки детали; на фиг. 4 - суммарная ЛАЧХ операции механической обработки детали, а также таблицей, в которой приведены значения коэффициентов передаточной функции, полученных методом наименьших квадратов.

Кроме того, на чертеже дополнительно обозначено следующее:

- 2l - период функции, описывающей профиль заготовки;

- h - высота шлицев исходного профиля;

- l₁ - размер впадины профиля;

- l₂ - размер выступа профиля;

- w - частота колебаний;

- L₁, L₂, L₃, L₄, L₅ - ЛАЧХ пяти звеньев второго порядка.

Предлагаемый способ идентификации операции механической обработки осуществляется следующим образом.

ТС рассматривают как систему для преобразования профиля заготовки, являющегося входным сигналом, в профиль детали, являющийся выходным сигналом.

На входе ТС формируют полигармоническое возбуждающее воздействие путем взаимодействия профиля заготовки с металлорежущим инструментом, в качестве которого используют шлифовальный круг или дисковую фрезу. Заготовку используют в виде пластины с пазами прямоугольного профиля. Для этого на заготовке нарезают поперечные шлицы, высоту которых определяют по формуле

где h - высота шлицев;

t - заданная глубина резания;

Δ - погрешность обработки;

а количество шлицев определяют из расчета не менее двух периодов функции, описывающей профиль заготовки.

Наличие поперечных шлицев на заготовке приводит в процессе обработки заготовки к изменению фактической глубины резания t_f, а следовательно, к изменению силы резания, которая пропорциональна фактической глубине резания:

где P_rad - радиальная составляющая силы резания;

Кр - коэффициент резания;

t_f - фактическая глубина резания.

Регистрируют амплитуду и частоту полигармонического возбуждающего воздействия на входе ТС. За счет изменения силы резания в ТС возникают упругие отжатия и колебания, вызывающие изменение профиля детали.

Заготовку с поперечными шлицами устанавливают на станок и обрабатывают. Регистрируют изменения амплитуды выходного сигнала, в качестве которого используют профилограмму детали. Для этого после механической обработки поверхности заготовки снимают профилограмму детали.

На первом этапе идентификации операции механической обработки производится гармонический анализ исходного профиля заготовки. Его разложение в ряд Фурье в общем случае имеет вид (Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев К.А. - 13 изд. исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1986. - с. 744-755).

где а ₀/2 - постоянная составляющая;

а _к и b_k - коэффициенты разложения исходного профиля;

k - номер гармоники, соответствующей амплитуде и частоте колебаний профиля заготовки;

l - половина периода функции, описывающей исходный профиль;

х - текущая координата профиля.

Коэффициенты разложения а _к, b_k определяют при разложении полученного профиля заготовки в ряд Фурье по формулам:

где k=1, 2, 3 и т.д.;

х - текущая координата профиля;

l - половина периода функции, описывающей исходный профиль;

l₂ - длина выступа на профиле заготовки;

h - высота шлицев исходного профиля.

Амплитуду исходного профиля для соответствующей выбранной частоты колебаний определяют по формуле:

Постоянная составляющая определяется следующим выражением:

Наряду с общим методом разложения исходного профиля в ряд Фурье, изображенного на фиг. 1, существует его частный случай, если l₂=l. Такой профиль описывается нечетной функцией, то есть в разложении присутствуют только нечетные гармоники, при этом коэффициент разложения амплитуды колебаний исходного профиля а _к=0, а коэффициент а ₀=h.

С учетом замены разложение исходного профиля в ряд Фурье (3) принимает вид:

При этом разложение исходного профиля заготовки в ряд Фурье имеет вид:

где h - высота шлицев;

l - половина периода функции, описывающей исходный профиль;

х - текущая координата профиля.

На втором этапе идентификации операции механической обработки производится обработка заготовки, после чего снимается профилограмма детали и производится его гармонический анализ, аналогично гармоническому анализу исходного профиля по выражениям (3)-(7).

На третьем этапе определяют вид и коэффициенты динамической модели по отношениям амплитуд выходного сигнала к амплитуде возбуждающего воздействия.

На основании расчета производят построение экспериментальной амплитудно-частотной характеристик (АЧХ) операции механической обработки по формуле:

При выполнении исходного профиля по условию l₂=l:

где A_det - амплитуда выходного сигнала соответствующей частоты;

A_zag - амплитуда входного сигнала соответствующей частоты;

a _kz и b_kz - коэффициенты разложения амплитуды колебаний исходного профиля;

a _kd и b_kd - коэффициенты разложения амплитуды колебаний профиля детали.

Вместо АЧХ можно использовать ее представление в логарифмических координатах L(ω)=20 lg А(ω). Зависимость L (ω) от lg ω называют логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ). Вместо Л АЧХ используют асимптотическую ЛАЧХ - аппроксимацию ЛАЧХ ломаной линией со стандартными углами наклона, кратными 20 дБ/дек. Вид графика асимптотической ЛАЧХ однозначно связан с видом передаточной функции динамической системы.

Коэффициенты аналитического представления АЧХ, а в равной степени и коэффициенты передаточной функции динамической системы определяют аппроксимацией по методу наименьших квадратов.

Пример выполнения способа для операции фрезерования. На вход ТС подают полигармоническое возбуждающее воздействие с заданной частой, которое формируют путем взаимодействия профиля заготовки с металлорежущим инструментом. В качестве металлорежущего инструмента используют фрезу дисковую. Для этого на заготовке, выполненной в виде пластины размерами 120×20×20 мм, материал - сталь 40, на горизонтально-фрезерном станке нарезают исходный прямоугольный профиль (фиг. 1).

Осуществляют регистрацию амплитуды и частоты полигармонического возбуждающего воздействия на входе ТС.

Характеристики профиля, выбранного в качестве исходного для проведения идентификации ТС:

- высота профиля, h - 1 мм;

- период функции, 2l - 20 мм.

Разложение исходного профиля заготовки в ряд Фурье определяется выражением (9).

Исходные данные операции механической обработки:

- вид обработки - чистовое фрезерование, при консольном закреплении фрезы;

- оборудование - горизонтально-фрезерный станок, модель 6М83;

- инструмент - фреза дисковая 2250-0011 ГОСТ 3964-69

- режимы резания: n=80 об/мин, V=25 мм/мин, t=1,1 мм.

Производят механическую обработку поверхности заготовки согласно заданным параметрам. Полученную поверхность детали фиксируют с помощью измерительных устройств, снимая профилограмму детали.

Производят регистрацию изменения амплитуды выходного сигнала, в качестве которого используют профилограмму детали. Используя выражения (3)-(7) производят обработку исходных значений и выполняют построение экспериментальной ЛАЧХ (фиг. 2). Определение вида динамической модели находят по отношениям амплитуд выходного сигнала к амплитуде возбуждающего воздействия с помощью ЛАЧХ. На основании анализа вида логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ) предложено аппроксимировать ее последовательным соединением пяти звеньев 2-го порядка:

Передаточные функции этих звеньев имеют вид:

где - T₁, T₂, T₃, Т₄, Т₅ - постоянные времени соответствующих звеньев;

- е₁, e₂, е₃, е₄, е₅ - декременты затухания соответствующих звеньев;

- s - аргумент передаточной функции;

- k - коэффициент передачи.

Асимптотические ЛАЧХ звеньев 2-го порядка приведены на фиг. 3.

Суммарная ЛАЧХ определяется выражением

и показана на фиг. 4. Коэффициенты передаточной функции определяют с помощью метода наименьших квадратов. Их значения приведены в таблице.

Выполнение способа для операции шлифования осуществляется аналогично:

- высота профиля выбирается близкой к глубине резания, например h=0,01 мм;

- период функции при тех же размерах пластин можно оставить без изменения: 2l=20 мм;

Исходные данные операции механической обработки:

- вид обработки - плоское шлифование периферией шлифовального круга;

- оборудование - плоско-шлифовальный станок;

- инструмент - шлифовальный круг прямого профиля;

- режимы резания: t=0,011 мм, скорость круга определяется моделью станка.

Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает расширение функциональных возможностей путем обеспечения идентификации ТС для операций фрезерования и шлифования, снижение трудозатрат на его выполнение, в том числе за счет использования заготовки в виде пластины с пазами прямоугольного профиля.