IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Для выполнения безопасного и качественного сверления отверстий, глубина которых превышает 100 диаметров сверла, требования к качеству и анализу управления процессом резанья довольно велики. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечения гладкости стенок отверстий при минимальном износе инструмента и высокой скорости сверления.

Существует множество факторов, влияющих на ход процесса сверления глубоких отверстий, наиболее важные из них - это качество режущего инструмента, формирова­ние и удаление стружки, эффективный подвод смазочно-охлаждающей жидкости.

Однако этих факторов недостаточно для предъявления высоких требований к качеству свер­ления. Обеспечить высокое качество обработки отверстия можно за счет однократности процесса сверления и исключения высокотемпературных режимов резки металла. Однако, при сверлении глубоких отверстий очень сложно обеспечить такие условия. Частично эта проблема решается применением специальных, дорогостоящих типов сверл, материалов и различных методов сверления, но проблема сверления спиральными сверлами остается до конца не решенной. Такое сверление требует учета динамических процессов, формирующихся в зоне резания. Например, как контроль за критическим моментом, зависящий от прочности сверла, температура в зоне резания, координата заглубления и количество стружки в стружкоотводящих каналах.

Таким образом, сделаем вывод, что создание новых и усовершенствованных систем управления процессом сверления для различных станков остается актуальными вопросами для металлообработки.

1. Основные определения и положения

Фазовое пространство это такая область, в котором состояние сколь угодно сложной системы представляется одной единственной точкой, а эволюция этой системы - перемещением этой точки. Кроме того, в механике движение этой точки определяется сравнительно простыми уравнениями Гамильтона, анализ которых позволяет делать заключения о поведении сложных механических систем. В случае механических систем это пространство четной размерности, координатами в котором являются обычные пространственные координаты (или обобщённые координаты) частиц системы и их импульсы (или обобщённые импульсы).

Стационарная точка - это точка (кривая), в которой дифференциал функции (вариация функционала) обращается в ноль. Для функции одного переменного y = f(x) касательная в с.т к графику функции параллельна оси Ох, касательная плоскость к поверхности Z = f (x, y) в с.т. функции двух переменных f (x, y) параллельна плоскости xOy.

Система называется устойчивой, если:

1) После снятия воздействия по окончании переходного процесса система возвращается в исходное равновесное состояние;

2) После изменения воздействия на постоянную величину по окончании переходного процесса система приходит в новое равновесное состояние.

Понятие устойчивости относится к ситуации, когда входные сигналы системы равны нулю, т.е. внешние воздействия отсутствуют. При этом правильно построенная система должна находиться в состоянии равновесия (покоя) или постепенно приближаться к этому состоянию. В неустойчивых системах даже при нулевых входных сигналах возникают собственные колебания и, как следствие, - недопустимо большие ошибки.

Понятие точности связано с качеством работы управляемых систем при изменяющихся входных сигналах. В правильно спроектированных системах управления величина рассогласования между заданным законом управления g(t) и выходным сигналом x(t) должна быть мала. Для характеристики влияния помех на системы управления используют дисперсию или среднее квадратичное отклонение составляющей ошибки за счет действия помех.

1.1 Описание процесса сверления

В зависимости от требуемых качества и количества обрабатываемых заготовок сверление отверстий производят по разметке или кондуктору. Основные правила выполнения операции сверления отверстий:

- при сверлении сквозных отверстий в заготовках необходимо обращать внимание на способ их закрепления; если заготовка крепится на столе, то нужно установить ее на подкладку, чтобы дать свободный выход сверлу после окончания обработки;

- сверло следует подводить к заготовке только после включения вращения шпинделя так, чтобы оно коснулось поверхности заготовки с небольшой нагрузкой, иначе могут быть повреждены режущие кромки сверла;

- не следует останавливать вращение шпинделя, пока сверло находится в обрабатываемом отверстии. Сначала надо вывести сверло, а затем прекратить вращение шпинделя или остановить станок, в противном случае сверло может быть повреждено;

- в случае появления во время сверления скрежета, вибраций, возникающих в результате заедания, перекоса или износа сверла немедленно вывести сверло из заготовки и после этого остановить станок;

- при сверлении глубоких отверстий (l>5d) необходимо периодически выводить сверло из обрабатываемого отверстия для удаления стружки, а также смазки сверла. Этим существенно уменьшается вероятность поломки сверла и преждевременного его затупления;

- отверстие диаметром более 25 мм в сплошном металле рекомендуется сверлить за два перехода (с рассверливанием или зенкерованием);

- сверление следует выполнять только по режимам, указанным в технологических картах или в таблицах справочников, а также по рекомендациям мастера (технолога);

- при сверлении отверстий (сверловке отверстий) в заготовках из стали или вязких материалов обязательно применять СОЖ для предохранения режущего инструмента от преждевременного износа и увеличения режимов резания.

Сверление по разметке применяют в единичном и мелкосерийном производствах, когда изготовление кондукторов экономически себя не оправдывает из-за малого количества обрабатываемых деталей. В этом случае к сверловщику поступают размеченные заготовки с нанесенными на них контрольными окружностями и центром будущего отверстия. В некоторых случаях разметку производит сам сверловщик.

Сверление по разметке производят в два этапа: предварительное сверление, затем окончательное сверление. Предварительное сверление (сверловку отверстий) производят с ручной подачей, высверливая небольшое отверстие (0,25d). После этого отводят обратно шпиндель и сверло, удаляют стружку, проверяют совпадение окружности надсверленного отверстия с разметочной окружностью. Если предварительное отверстие просверлено правильно, сверление следует продолжить и довести до конца. Если же предварительно просверленное отверстие ушло в сторону, производят соответствующую корректировку, которая заключается в прорубании узким зубилом 2-3 канавок 2 от центра с той стороны, куда нужно сместить сверло. Канавки направляют сверло в намеченное кернером место. После исправления смещения продолжают сверление до конца.

При сверлении в приспособлении-кондукторе, для направления режущего инструмента и фиксирования заготовки соответственно требованиям технологического процесса применяют различные кондукторы. Постоянные установочные базы приспособления и кондукторные втулки, дающие направление сверлу, повышают точность обработки. При сверлении в кондукторах сверловщик выполняет небольшое число простых приемов (устанавливает в кондуктор и снимает заготовку, включает и выключает подачу шпинделя). Постоянные установочные базы приспособления и кондукторные втулки, обеспечивающие направление сверлу, повышают точность обработки. Сверление сквозных и глухих отверстий. В заготовках встречаются в основном два вида отверстий: сквозные, проходящие через всю толщину детали, и глухие, просверливаемые лишь на определенную глубину.

1.2 Сверловка отверстий

Процесс сверления сквозных отверстий отличается от процесса сверления глухих отверстий. Когда при сверлении сквозных отверстий сверло выходит из отверстия, сопротивление материала заготовки уменьшается скачкообразно. Если не уменьшить в это время скорость подачи сверла, то оно, заклиниваясь, может сломаться. Особенно часто это случается при сверлении отверстий в тонких заготовках, сквозных прерывистых отверстий и отверстий, расположенных под прямым углом одно к другому. Поэтому сверление сквозного отверстия производят с большой скоростью механической подачи шпинделя. В конце сверления нужно выключить скорость подачи и досверлить отверстие вручную со скоростью, меньшей, чем механическая.

При сверлении с ручной подачей инструмента скорость подачи перед выходом сверла из отверстия следует также несколько уменьшить, сверление необходимо производить плавно. Известны три основных способа сверления глухих отверстий. Если станок, на котором сверлят глухое отверстие, имеет какое-либо устройство для автоматического выключения скорости подачи шпинделя при достижении сверлом заданной глубины (отсчетные линейки, лимбы, жесткие упоры, автоматические остановы и пр.), то при настройке на выполнение данной операции необходимо его отрегулировать на заданную глубину сверления.

Если не требуется большая точность глубины сверления и нет указанного патрона, то можно использовать упор в виде втулки, закрепленный на сверле, или на сверле отметить мелом глубину отверстия. В последнем случае шпиндель подают до тех пор, пока сверло не углубится в заготовку до отметки.

Глубину сверления глухого отверстия периодически проверяют глубиномером, но этот способ требует дополнительных затрат времени, так как приходится выводить сверло из отверстия, удалять стружку и после измерения вновь вводить его в отверстие.

Рисунок 1− Схема изображающая процесс сверления

В представленной на рисунке 1 схеме изображены: двигатель главного движения, обеспечивающий вращение с заданной частотой рабочего инструмента (сверла), а в качестве подачи представлен частный случай стабилизированной по скорости подачи рабочего инструмента (Vn).

Примем в качестве допущения, что двигатель главного движения является двигателем постоянного тока и описывается известной системой уравнений:

где U- напряжение, подаваемое на коллектор двигателя;

i - ток, потребляемый двигателем;

R, L- параметры электрической части двигателя;

J-параметр, характеризующий инерционные свойство ротора двигателя;

- час­тота вращения ротора двигателя;

M(ω)- внешний момент сопротивления;

-механическая и электрическая постоянные двигателя.

В общем случае сила, действующая на инструмент в зоне резания, пропорциональна площади срезаемого слоя. В случае сверления сила резания может быть выражена следующим соотношением:

, (2)

где D- диаметр сверла;

S - путь, пройденный инструментом за оборот в течение времени Т = 1/ω, то есть величина подачи на оборот;

р - коэффициент пропорциональности.

Величина Sможет быть представлена в следующем виде:

(3)

Примем в качестве допущения, что скорость подачи V(t)- величина постоянная и не зависящая от параметров процесса резания. В этом случае сила, действующая на инструмент в зоне резания, будет определяться по формуле:

, (4)

гдеК = pD- коэффициент, характеризующий свойства сверла и заготовки.

В точке равновесия, характеризуемой стационарным значением частоты, уравне­ния (1) с учетом (4) преобразуются к виду:

(5)

Решая систему (5) относительно частоты, получим две возможные кривые, характеризующие зависимость частоты в точке равновесия от значения напряжения U:

, (6)

1.3 Описание станка

Возьмем для определенности параметры двигателя постоянного тока ДК2-5,2. Для оценки влияния рациональных параметров системы управления на динамику процесса резания (сверления) была проведена серия экспериментов. Экспериментальная установка разработана на базе токарного станка ТПК-125А1-1, фотография установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 − Внешний вид станка ТПК-125А1-1

Станок токарный патронный повышенной точности ТПК-125А1-1 с числовым программным управлением и предназначен для патронной обработки по программе, записанной на перфоленте Высокоточных деталей из различных материалов в условиях, соответствующих климатическому исполнения "УХЛ" и "4" категории размещения по ГОСТ 15150-69. На станке можно производить расточку и обточку цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, нарезание крепежной резьбы резцом, подрезку торцов, проточку канавок. Станок может быть оснащен роботом пневматическим MП-254, предназначенным для захвата заготовки из магазина, перемещения и установки в токарный патрон, а после обработки захвата обработанной детали в патроне, перемещения и укладки ее в тот же магазин.

Для обеспечения наивысшей точности обработки и увеличения времени сохранения параметров точности станка, рекомендуется глубину резания установить не более 0,5 мм на сторону. Программное управление станком позволяет обрабатывать детали сложного профиля с большим количеством переходов в автоматическом режиме, что является экономически выгодным для многономенклатурного серийного и мелкосерийного производства. Станок укомплектован одной из систем числового программного управления Н22-1МТ1, Н22-1МТ, Н22-1МТ-01, Н22-1МТ-01. В режиме автоматического управления станок может работать одновременно по двум координатам и автоматической сменой инструмента.

Станок предназначен для патронной и центровой обработки с высокой точностью малогабаритных деталей с большим количеством проходов и сложного профиля из различных материалов. На станке можно производить все виды токарной обработки, нарезание резьбы резцом. Конструкция станка позволяет производить обработку деталей с микронной точностью, что делает его практически незаменимым особенно при изготовлении малогабаритных деталей. В конструкции станка ТПК-125А1-1 применены: базовые детали повышенной жесткости, шпиндель выполнен на позиционных опорах качения, роликовые направляющие качения, высокоточные шариковые винтовые пары, револьверная головка, асинхронный двигатель с частотным регулированием в качестве привода главного движения.

Наличие на станке револьверной головки позволяет значительно расширить технологические возможности станка, увеличить производительность, повысить качество обрабатываемых деталей.

На станке ТПК-125А1-2 с пневмопатроном “AUTOBLOK” предусмотрен механизм захвата прутка, что позволяет обрабатывать детали из пруткового материала σ до 25 мм, l до 800 мм.

2 Расчет динамических характеристик

Система главного привода станка является основным источником энергии, необходимой для осуществления рабочего процесса резания металлов. Система главного привода передает и воспринимает наибольшие нагрузки при высоких скоростях ее элементов и звеньев. Для обеспечения надежности станка эта система должна обладать высокой прочностью как при постоянных, так и при переменных нагрузках. Для обеспечения устойчивого резания при интенсивных режимах, высокой точности обработки данная система должна обладать значительной жесткостью в статических и динамических режимах.

Система главного привода не должна быть чрезмерно металлоемкой и обеспечивать широкий диапазон изменения скорости, причем это изменение должно производиться бесступенчато. Комплекс разнообразных и противоречивых технических требований, предъявляемых к системам главного привода, ставит задачу расчетного определения динамических характеристик. Знание динамических характеристик позволяет правильно оценить нагрузки, действующие в системе главного привода, и выбрать конструктивные параметры системы так, чтобы ограничить эти нагрузки заданными пределами. Также эти знания необходимы для правильной оценки влияния процесса резания на устойчивость, так как эта система является элементом замкнутой динамической системы станка.

При расчете системы главного привода основное внимание уделяется крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах, обусловленных периодическим характером изменения момента силы резания, погрешностями изготовления зубчатых колес, монтажными погрешностями передач.

Паспортные параметры станка, которые будут использованы для моделирования процесса сверления: U = 220 В; R = 1.99 Ом; Ce = 0.48; Cm = 0.67; J = 0.042Кг*м²; L = 4.02 мГн; I=4.4A;

По уравнению движения создается модель в программной среде Matlab Simulink:

Анализ математической модели сверлильного станка позволит, в окрестностях стационарной точкиоценить устойчивость и работоспобность системы. По переходным характеристикам процесса сверления определим, как система будет устойчива и стабилизируется за минимальный отрезок времени (см. рис. 5,7,9). По фазовым характеристикам можно сказать о плавности режима сверлении (см. рис. 4,6,8,10).

Найдем наиболее выгодные параметры математической модели, варьируя начальные условия, а именно скорость сверла . По условию, что при сверлении сквозных отверстий сверло выходит из отверстия, сопротивление материала заготовки уменьшается скачкообразно. Если не уменьшить в это время скорость подачи сверла, то оно, заклиниваясь, может сломаться. Особенно часто это случается при сверлении отверстий в тонких заготовках, сквозных прерывистых отверстий и отверстий, расположенных под прямым углом одно к другому. Поэтому сверление сквозного отверстия производят с большой скоростью механической подачи шпинделя. В конце сверления нужно выключить скорость подачи и досверлить отверстие вручную со скоростью, меньшей, чем механическая.

3 Графическая часть

Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы.

Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени.

Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволят использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику.

Из среды MATLAB мы будем запускать модель в MATLAB Simulink:

Рисунок 3 − Модель системы управления приводом для построения фазовых портретов и переходного процесса

Переменные x и y обозначают глубину подачи и скорости вращения шпинделя, соответственно. Тогда x0 и y0 начальные состояния системы (начальные условия). Величина w01 – стационарная точка, в окрестностях которой, будет проводиться исследование.

Для запуска модели сверлильного станка с начальными условиями создадим программу запуска графической схемы:

clc; //очистка экрана

clear; //очистка значений

for x0=0:50:450 //начальные условия старт цикла

for y0=0:10:50 //начальные условия старт цикла

sim('rezanie',[0,7],[],[]); //запуск схемы simulink

hold on //начало рисования

plot(x,y); //построение фазового портрета

hold off //конец рисования

end //конец цикла

end //конец цикла

grid; //сетка графика

Программа запускается с различными параметрами x0 и y0, которые имеют вид:

− x0=0:50:450, y0=0:10:50

− x0=-100:50:450, y0=-100:10:50

− x0=-200:50:450, y0=-100:10:50

− x0=-500:50:450, y0=-100:10:50

Рисунок 4 − Фазовые портреты при значениях x0=0:50:450; y0=0:10:50

Рисунок 5 − Переходной процесс при значениях x0=0:50:450, y0=0:10:50

По переходным характеристикам процесса сверления видно, что система достаточно устойчива и стабилизируется за минимальный отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления осуществляется плавно.

Рисунок 6 − Фазовые портреты при значениях x0=-100:50:450, y0=-100:10:50

Рисунок 7 − Переходной процесс при значениях x0=-100:50:450, y0=-100:10:50

По переходным характеристикам процесса сверления видно, что система устойчива и стабилизируется за минимальный отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления продолжает осуществляться плавно.

Рисунок 8 − Фазовые портреты при значениях x0=-200:50:450, y0=-100:10:50

Рисунок 9 − Переходной процесс при значениях x0=-200:50:450, y0=-100:10:50

По переходным характеристикам процесса сверления видно, что система устойчива и стабилизируется за больший отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления все еще осуществляется плавно.

Рисунок 10 − Фазовые портреты при значениях

x0=-500:50:450, y0=-100:10:50

Фазовая характеристика потеряла устойчивость при значениях x0=-500:50:450, y0=-100:10:50.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе было проведено исследование математической модели сверлильного станка ТПК-125А1-2 в среде Matlab Simulinc. Регулирование скорости сверления в процессе работы и глубины подачи – главные параметры настройки сверления отверстий. При обработке металлических покрытий нам необходимо сохранять сверло в работоспособном состоянии, как можно долгое время, и для выполнения безопасного и качественного сверления отверстий, особенно таких отверстий, у которых глубина превышает 100 диаметров сверла. Требования к качеству и анализу управления процессом резанья довольно велики. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечения гладкости стенок отверстий при минимальном износе инструмента и высокой скорости сверления.

Существует множество факторов, влияющих на ход процесса сверления глубоких отверстий, наиболее важные из них - это качество режущего инструмента, формирова­ние и удаление стружки, эффективный подвод смазочно-охлаждающей жидкости. Однако этих факторов недостаточно для предъявления высоких требований к качеству свер­ления. Обеспечить высокое качество обработки отверстия можно за счет однократности процесса сверления и исключения высокотемпературных режимов резки металла.

При сверлении глубоких отверстий очень сложно обеспечить такие условия. Частично эта проблема решается применением специальных, дорогостоящих типов сверл, материалов и различных методов сверления, но проблема сверления спиральными сверлами остается до конца не решенной.

Такое сверление требует учета динамических процессов, формирующихся в зоне резания. Например, такие как: контроль над критическим моментом, зависящим от прочности сверла, температура в зоне резания, координата заглубления.

Варьируя параметры скорости вращения сверла, нами были получены следующие результаты:

• при значениях x0=0:50:450, y0=0:10:50 по переходным характеристикам процесса сверления видно, что система достаточно устойчива и стабилизируется за минимальный отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления осуществляется плавно.

• при значениях x0=-100:50:450, y0=-100:10:50 по переходным характеристикам процесса сверления видно, что система устойчива и стабилизируется за минимальный отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления продолжает осуществляться плавно.

• при значениях x0=-200:50:450, y0=-100:10:50 по переходным характеристикам процесса сверления видно, что система устойчива и стабилизируется за больший отрезок времени. По фазовым характеристикам можно сказать о том, что режим сверления уже осуществляется менее плавно.

• при значениях x0=-500:50:450, y0=-100:10:50 фазовая характеристика потеряла устойчивость.

Согласно полученным результатам исследования, можно сделать вывод, что система сохраняет достаточный запас устойчивости, и плавность сверления сохраняется при параметрах до x0=-100:50:450, y0=-100:10:50. При дальнейшем увеличении скорости вращения шпинделя наблюдается ухудшение плавности хода сверла, и система теряет устойчивость при параметрах x0=-500:50:450, y0=-100:10:50 и более.

Анализ полученных данных позволил выявить безопасный и устойчивый рабочий диапазон станка ТПК-125А1-2. Полученную систему можно использовать для дальнейшего управления и синтеза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бессекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бессекерский, Е.П. Попов. – М. : Наука, 1975. – 768 с.

2. Технология сверления и рассверливания отверстийРасчет динамических характеристик металлорежущих станков : учебное пособие / В.А. Ванин, А.Н. Колодин, Ю.В. Кулешов, Л.Х. Никитина. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 104 с.

3. Интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фазовое_пространство Дата обращения: 29.10.2016.

4. Справочник: Поставщики продукции СМЗ, ОАО (Савеловский машиностроительный завод) : Изд-во СМЗ., 1998. – 34 с.

5. Лапшин В.П., Туркин И.А.. «Моделирование динамики формообразующих движений при сверлении глубоких отверстий малого диаметра».

6. . Семко И.А., и др. Выбор двигателя постоянного и переменного тока и расчет их статических и динамических характеристик. Р/н/Д.: Изд. ДГТУ, 2014 - 164 с.

Код для цитирования: Скопировать