RU2267381C1

RU2267381C1 - Auto-oscillation suppression method at part turning

Info

Publication number: RU2267381C1
Application number: RU2004123319/02A
Authority: RU
Inventors: Наталь Александровна Афонина (RU); Наталья Александровна Афонина; Александр Александрович Афонин (RU); Александр Александрович Афонин; Александр Борисович Орлов (RU); Александр Борисович Орлов
Original assignee: Тульский государственный университет
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-01-10

Abstract

FIELD: metal cutting processes and equipment, possibly rough turning processes.

SUBSTANCE: method comprises steps of changing revolution number of rotating blank; in order to enhance quality of worked surface and strength of cutting tool, changing revolution number according to sine law at random variation of amplitude and frequency.

EFFECT: improved quality of turned surface, enhanced strength of cutting tool.

6 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может использоваться для повышения технологической стойкости режущего инструмента и улучшения качества обработанной поверхности, например при черновых режимах обработки.The invention relates to the processing of metals by cutting and can be used to increase the technological stability of the cutting tool and improve the quality of the processed surface, for example, in rough processing conditions.

Известен способ обработки резанием, согласно которому изменяют частоту вращения заготовки по синусоидальному закону, смещенному по фазе на 180° относительно подачи режущего инструмента, изменяющейся также по синусоидальному закону (ст. SU 1117125, В 23 В 1/00, 1983).A known method of machining, according to which the speed of the workpiece is changed according to a sinusoidal law, phase shifted 180 ° relative to the feed of the cutting tool, also changing according to a sinusoidal law (Art. SU 1117125, 23 V 1/00, 1983).

Использование данного способа обработки резанием для повышения технологической стойкости резца не всегда эффективно ввиду того, что процесс резания часто сопровождается вибрациями, приводящими к изменению динамической составляющей силы резания, вследствие чего инструмент меняет толщину срезаемого слоя. При последующих проходах след, оставляемый резцом на поверхности заготовки, приводит к усилению контакта резца и заготовки за счет того, что частота волн на поверхности заготовки может быть близка или кратна частоте колебания резца. Изменение силы резания в случае совпадения или кратности синусоидального изменения частоты вращения заготовки может привести к развитию амплитуды автоколебаний.The use of this method of cutting processing to increase the technological stability of the cutter is not always effective due to the fact that the cutting process is often accompanied by vibrations leading to a change in the dynamic component of the cutting force, as a result of which the tool changes the thickness of the cut layer. In subsequent passes, the trail left by the cutter on the surface of the workpiece leads to increased contact between the cutter and the workpiece due to the fact that the wave frequency on the surface of the workpiece can be close to or a multiple of the oscillation frequency of the cutter. Changing the cutting force in case of coincidence or multiplicity of a sinusoidal change in the rotation frequency of the workpiece can lead to the development of an amplitude of self-oscillations.

Целью изобретения является повышение качества обработанной поверхности за счет подавления автоколебаний и, как следствие, повышение стойкости режущего инструмента.The aim of the invention is to improve the quality of the processed surface by suppressing self-oscillations and, as a result, increasing the durability of the cutting tool.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки резанием изменяют частоту вращения заготовки по синусоидальному закону со случайным изменением амплитуды и частоты.This goal is achieved by the fact that in the cutting method, the rotation frequency of the workpiece is changed according to a sinusoidal law with a random change in amplitude and frequency.

Изменение скорости резания V на некоторую величину ΔV, как следствие, ведущее к изменению частоты вращения привода, приведет к выходу инструмента из контакта с заготовкой и при условии, если фазовый сдвиг между колебаниями таков, что движение вершины резца будет происходить с отличной, не кратной собственным частотам колебаниям. Изменение силы резания P(t) в этих условиях окажет демпфирующее действие на колебание, вызываемые неуправляемыми возмущениями, не пополняя рассеиваемую энергию, как в неустойчивой системе, а наоборот увеличивая это рассеяние. В результате изменения колебания резца относительно заготовки произойдет частичное срезание волн на поверхности детали. В условиях обработки последующий характер припуска приобретет менее гармонический характер. Это приведет к тому, что амплитуда колебаний снизится, в рельефе припуска будут присутствовать гармоники высших порядков и, как следствие, снизится частота колебаний резца. Тем не менее, с течением времени станут преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний может возродиться вновь. Для устранения данного эффекта необходимо постоянно изменять амплитуду и частоту вращения шпинделя.A change in the cutting speed V by a certain value ΔV, as a result leading to a change in the rotational speed of the drive, will lead to the tool coming out of contact with the workpiece and provided that the phase shift between the oscillations is such that the movement of the tip of the cutter will occur with an excellent, not a multiple of its own frequency fluctuations. A change in the cutting force P (t) under these conditions will have a damping effect on the oscillations caused by uncontrolled disturbances, not replenishing the dissipated energy, as in an unstable system, but rather increasing this scattering. As a result of changes in the oscillation of the cutter relative to the workpiece, partial cutting of the waves on the surface of the part will occur. Under processing conditions, the subsequent character of the stock will acquire a less harmonious character. This will lead to the fact that the amplitude of the oscillations decreases, higher-order harmonics will be present in the relief relief and, as a result, the oscillation frequency of the cutter will decrease. However, over time, the intrinsic resonant frequencies will become dominant and the process of self-oscillations may revive again. To eliminate this effect, it is necessary to constantly change the amplitude and frequency of rotation of the spindle.

Управление частотой вращения заготовки (девиацией) на уровне системы ЧПУ на основе персонального компьютера позволяет программно реализовать любой, в том числе и достаточно сложный алгоритм девиации. При этом возможны следующие новые способы управления девиацией, фиг.1, 2:Management of the workpiece rotation speed (deviation) at the level of the CNC system on the basis of a personal computer allows you to programmatically implement any, including a rather complicated deviation algorithm. In this case, the following new methods of controlling deviation are possible, FIGS. 1, 2:

- девиация с переменной частотой изменения параметров;- deviation with a variable frequency of parameter changes;

- девиация с переменной частотой и амплитудой изменения параметров.- deviation with a variable frequency and amplitude of change of parameters.

Естественно, что при девиации частоты вращения заготовки на токарных станках зависимость частоты от времени должна удовлетворять условию ограничения углового ускорения, величиной, обеспечиваемой используемым приводом главного движения. Кроме того, выбор оптимальной формы зависимости частоты вращения от времени в процессе девиации должен обеспечивать отсутствие частотных составляющих, совпадающих или кратных собственным частотам технологической системы.Naturally, when the rotation speed of the workpiece on lathes is deviated, the dependence of the frequency on time must satisfy the condition for limiting angular acceleration, the value provided by the main drive used by the drive. In addition, the choice of the optimal form of the dependence of the rotational speed on time in the process of deviation should ensure the absence of frequency components that coincide or are multiple of the natural frequencies of the technological system.

Это может быть обеспечено на основе анализа спектральных характеристик собственных частот технологической системы.This can be achieved by analyzing the spectral characteristics of the natural frequencies of the technological system.

При исследовании динамической составляющей силы резания применялась схема обработки цилиндрической заготовки с высоким уровнем колебаний припуска.In the study of the dynamic component of the cutting force, a cylindrical billet processing scheme with a high level of stock fluctuations was used.

Эксперименты проводились при точении заготовок из двух типов широко распространенных сталей 45 и 40Х. Резцы применялись со сменными твердосплавными пластинами и сечением державки В×Н=25×25 мм. Вылет резца составлял 60 мм для всех экспериментов. Закрепление заготовок производилось в трехкулачковом клиновом патроне без поджима задним центром. Датчик уровня автоколебаний закреплялся на нижней грани оправки резца в 10 мм от переднего края.The experiments were carried out when turning blanks of two types of widespread steel 45 and 40X. Cutters were used with interchangeable carbide inserts and a tool holder section B × H = 25 × 25 mm. The overhang of the cutter was 60 mm for all experiments. The workpieces were secured in a three-jaw wedge cartridge without pressing by the rear center. The self-oscillation level sensor was fixed on the lower edge of the mandrel mandrel 10 mm from the front edge.

Автоколебания возбуждались при использовании заготовки с большими колебаниями припуска, в процессе резания применялся затупленный резец.Self-oscillations were excited when using a workpiece with large fluctuations in stock, a blunt cutter was used in the cutting process.

Режимы обработки: S=1 мм/об; f=580 об/мин; t=3 мм.Processing Modes: S = 1 mm / rev; f = 580 rpm; t = 3 mm.

Для обеспечения идентичности условий обработки при точении каждой заготовки производилось включение и выключение адаптивной системы. Протачивался участок заготовки шириной 15 мм с и без включения адаптивной системы. Затем производились измерения параметров поверхности соседних участков на измерительном микроскопе.To ensure the identity of the processing conditions during the turning of each workpiece, the adaptive system was turned on and off. A workpiece section was machined with a width of 15 mm with and without the inclusion of an adaptive system. Then, the surface parameters of neighboring areas were measured using a measuring microscope.

Проведенные экспериментальные исследования позволили получить семейство динамических характеристик для различных условий резания графики 2.-5. Эксперименты проводились группами, а значение графиков вычислялось среднеарифметические значения для каждой серии исследований.The conducted experimental studies made it possible to obtain a family of dynamic characteristics for various conditions of cutting graphics 2.-5. The experiments were carried out in groups, and the value of the graphs was calculated arithmetic mean values for each series of studies.

На фиг.3 представлены графики эффективности подавления автоколебаний при синусоидальном алгоритме управления девиацией скорости резания (1 - при f=5 Гц; 2 - при f=15 Гц; 3 - при f=20 Гц).Figure 3 presents graphs of the efficiency of suppressing self-oscillations with a sinusoidal algorithm for controlling the deviation of the cutting speed (1 - at f = 5 Hz; 2 - at f = 15 Hz; 3 - at f = 20 Hz).

На фиг.4 представлены графики эффективности подавления автоколебаний при модулированном синусоидальном алгоритме управления девиацией скорости резания (1 - при (f1-f2)=(1-10) Гц; 2 - при (f1-f2)=(1-20) Гц; 3 - при (f1-f2)=(5-10) Гц; 4 - при (f1-f2)=(5-20) Гц, где f1 - несущая частота, f2 - основная частота).Figure 4 presents graphs of the effectiveness of suppressing self-oscillations with a modulated sinusoidal algorithm for controlling the deviation of the cutting speed (1 - at (f1-f2) = (1-10) Hz; 2 - at (f1-f2) = (1-20) Hz; 3 - at (f1-f2) = (5-10) Hz; 4 - at (f1-f2) = (5-20) Hz, where f1 is the carrier frequency, f2 is the fundamental frequency).

На фиг.5 представлены графики эффективности подавления автоколебаний при стохастическом синусоидальном алгоритме управления девиацией скорости резания (1-Δf=(5-15) Гц; 2-Δf=(1-20) Гц; 3-Δf=(1-10) Гц; 4-Δf=(1-15) Гц, где Δf - диапазон изменения частоты).Figure 5 presents graphs of the efficiency of suppressing self-oscillations with a stochastic sinusoidal algorithm for controlling the deviation of the cutting speed (1-Δf = (5-15) Hz; 2-Δf = (1-20) Hz; 3-Δf = (1-10) Hz ; 4-Δf = (1-15) Hz, where Δf is the frequency range).

На фиг.6 представлены графики эффективности подавления автоколебаний при модулированном стохастическом синусоидальном алгоритме управления девиацией скорости резания (1-(Δf1-Δf2)=(0.5-1-1-15) Гц; 2-(Δf1-Δf2)=(1-5-1-15) Гц; 3-(Δf1-Δf2)=(0.5-1-1-22) Гц; 4-(Δf1-Δf2)-(1-5-1-10) Гц; 5-(Δf1-Δf2)=(0.5-1-1-22) Гц; 6-(Δf1-Δf2)=(1-5-1-22) Гц, где Δf1 - диапазон изменения несущей частоты, Δf2 - диапазон изменения основной частоты).Figure 6 presents graphs of the efficiency of suppressing self-oscillations with a modulated stochastic sinusoidal algorithm for controlling the deviation of the cutting speed (1- (Δf1-Δf2) = (0.5-1-1-15) Hz; 2- (Δf1-Δf2) = (1-5 -1-15) Hz; 3- (Δf1-Δf2) = (0.5-1-1-22) Hz; 4- (Δf1-Δf2) - (1-5-1-10) Hz; 5- (Δf1- Δf2) = (0.5-1-1-22) Hz; 6- (Δf1-Δf2) = (1-5-1-22) Hz, where Δf1 is the range of variation of the carrier frequency, Δf2 is the range of variation of the fundamental frequency).

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать выводы о том, что самыми эффективными алгоритмами девиации скорости резания являются стохастические. Более того, как показали эксперименты, стохастический синусоидальный и модулированный стохастический синусоидальный алгоритмы по реакции привода очень близки по форме. Это связано с тем, что при повышении частоты девиации уменьшается ее амплитуда.An analysis of the obtained dependences allows us to conclude that the most effective cutting speed deviation algorithms are stochastic. Moreover, experiments have shown that stochastic sinusoidal and modulated stochastic sinusoidal algorithms are very close in form to the response of the drive. This is due to the fact that with an increase in the frequency of deviation, its amplitude decreases.

При осмотре участка заготовки с вибрациями, т.е. обработанного при выключенном блоке управления девиацией, на поверхности детали отчетливо видны следы автоколебаний. Волнистость составляет 25 мкм, а при осмотре участка поверхности обработанного с включенным блоком управления вибрациями отмечено существенное снижение волнистости не более 1 мкм. При осмотре участка с дефективным закреплением заготовки в кулачках волнистость составляет 11 мкм.When examining a section of the workpiece with vibrations, i.e. processed with the deviation control unit turned off, traces of self-oscillations are clearly visible on the surface of the part. The waviness is 25 μm, and when examining a surface area treated with the included vibration control unit, a significant decrease in the waviness is not more than 1 μm. When examining a site with defective fastening of the workpiece in the cams, the waviness is 11 μm.

Проведенные эксперименты позволяют заключить, что применение адаптивной системы позволяет снизить волнистость на обработанной поверхности в среднем в 25 раз в зависимости от режимов резания, а при дефективном функционировании ТС больше чем в два раза.The experiments carried out allow us to conclude that the use of an adaptive system can reduce the undulation on the treated surface by an average of 25 times depending on the cutting conditions, and with defective functioning of the vehicle more than twice.

Claims

A cutting processing method comprising changing a workpiece rotation frequency, characterized in that the workpiece rotation frequency is changed according to a sinusoidal law with a random change in amplitude and frequency.