Sevastopol', Sevastopol, Russian Federation
Sevastopol', Sevastopol, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The analysis of oscillation for cases of single-cutter and twin-cutter shaped turning with the cutters opposite location is shown. An unstable form of “cutter-blank” system oscillation during turning is con-sidered. The dependences allowing the assessment of an oscillation value during processing are presented. The solution of the problem offered for a specific case con-firming theoretical suppositions is shown.
twin-cutter turning, single-cutter processing, collector, shaped surface, cutters opposite location, oscillation, surface quality, accuracy
Работа посвящена совершенствованию методов обработки профильных щеточных канавок токосъемных колец коллекторов малого диаметра высокоточных электрических микромашин с использованием двухрезцового фасонного точения и конструктивных решений технологических элементов подсистемы «инструмент - деталь», которые позволяют обеспечить точность и качество поверхности на операции чистового фасонного точения.
Рассматриваемые типы коллекторов имеют малые габаритные размеры и сложную конструкцию. На рис. 1а показана схема осевого сечения коллектора. Коллектор состоит из контактных колец 1, которые опрессованы и залиты компаундом (изолятором) 3, предотвращающим электрический контакт между кольцами. Под каждое кольцо 1 в месте пайки 5 подпаян медный токопровод 4. Основанием конструкции служит центральный валик 2. Сборка и последующая обработка узлов коллектора характеризуется повышенной сложностью и занимает много времени, следовательно, производительность их изготовления очень низкая.
а) б)
Рис. 1. Схема конструкции коллекторов ГК-11, ГК-12 (а) и профиль поперечного сечения
щеточной канавки (б): 1 - контактное кольцо; 2 - центральный валик; 3 - компаунд
(электроизоляция); 4 - контактные провода; 5 - пайка провода под кольцо
При чистовой обработке фасонных поверхностей щеточных канавок, функционально являющихся исполнительными (рабочими) поверхностями, необходимо обеспечивать не только точность размера и формы, но также точность взаимного расположения их осей по отношению к наружным базовым поверхностям и качество обработки.
Известно, что точность обработки и шероховатость поверхности, а следовательно, и износ резцов в значительной степени зависят от виброустойчивости технологической системы [1; 2]. Увеличение виброустойчивости технологической системы способствует повышению производительности обработки, так как в этом случае можно повысить и режимы резания, не опасаясь возникновения вибраций.
При традиционном однорезцовом фасонном точении (рис. 2а) действие радиальной составляющей силы резания 
не компенсируется, виброустойчивость технологической системы не повышается и повышение точности и качества обработки достигается с помощью малоэффективных способов, не позволяющих добиться повышения производительности.
а) б) в)
Рис. 2. Рассматриваемые технологические схемы фасонного точения:
а - однорезцовая обработка резцом сложной формы; б - двухрезцовая совмещенная
обработка чистовыми резцами различного профиля, расположенными оппозитно
Применение двухрезцового чистового фасонного точения с разделением удаляемого объема материала кольца для образования щеточной канавки на два объема (рис. 2в), распределенных между двумя резцами (с обеспечением при этом равенства радиальных составляющих сил резания 
и 
(рис. 2б)), устраняет прогибы коллектора, а следовательно, повышает виброустойчивость технологической системы.
В процессе фасонного чистового точения неустойчивая форма колебаний чаще всего представляет собой колебания системы «резец - заготовка». Для описания подобных колебаний системы достаточно ограничиться одной степенью свободы в направлении действия вектора равнодействующей силы 
, где 
- тангенциальная, а - радиальная составляющая силы резания [3; 4]. В работе принята расчетная схема с одной сосредоточенной приведенной массой, т.е. с одной степенью свободы.
При колебаниях на рассматриваемую систему действуют следующие силы: сила инерции; восстанавливающая сила, равная силе упругости; сила вязкого сопротивления; внешняя сила 
, которая является функцией времени 
[5].
Дифференциальное уравнение движения системы [5]:
,
где 
- приведенная масса системы; 
- вязкое сопротивление; 
- жесткость системы.
Решение уравнения, определяющего динамическое смещение резца при начальных условиях 
и 
, имеет вид
,
где 
- собственная частота колебаний системы; 
- декремент затухания колебаний; 
- время, которое изменяется в пределах от 
до 
.
Сила 
для одного резца изменяется во времени 
по следующему закону:
,
где 
- частота вращения шпинделя; 
- коэффициент пропорциональности между силой резания и глубиной резания; 
- минимальный объем срезаемого материала; 
- изменение величины среза,
.
Такой закон изменения внешней силы характерен в практике для случая смещения оси предварительно обработанной заготовки в процессе последующей чистовой обработки. В этом случае величина динамического смещения инструмента в любой момент обработки определяется согласно выражению [5]
.
В случае двухрезцовой обработки внешняя сила для первого резца будет изменяться во времени так же, как и в случае однорезцовой [6; 7]:
.
Для второго резца, расположенного оппозитно, т.е. под углом 180° по отношению к первому, внешняя сила
,
или
Так как векторы сил от обоих резцов направлены противоположно друг другу, то суммарная внешняя сила, действующая на систему «резец - заготовка», определяется разностью сил 
и 
, т.е.
,
или
.
Тогда для двухрезцового точения
.
Применение двухрезцового точения не только снижает (примерно в 2 раза) амплитуды колебаний, но и возвращает обрабатываемую деталь в исходное положение квазистатического равновесия. Графики колебаний при однорезцовом и двухрезцовом точении изображены на рис. 3.
Как следует из анализа приведенных выше формул для 
и 
, в случае двухрезцовой обработки амплитуды колебаний инструмента определяются не полным припуском на обработку, как при однорезцовом точении, а лишь величиной смещения , что подтверждает уменьшение амплитуды колебаний.
В результате обработки канавки двумя резцами одновременно можно свести к минимуму негативное влияние деформаций. Это способствует повышению точности и уменьшению высоты микронеровностей обработанной поверхности [8; 9].
|
Рис. 3. Амплитуды колебаний при однорезцовом
(
(t)) и двухрезцовом (
(t)) точении
Использование технологической схемы двухрезцового чистового фасонного точения может обеспечить существенное уменьшение высоты микронеровностей по сравнению с однорезцовым. Возможно повышение показателей точности формы продольного и поперечного сечений канавок, что подтверждает эффективность применения метода в условиях фасонного точения [10].
1. Gulin, A.V. Vvedenie v chislennye metody v zadachah i uprazhneniyah / A.V. Gulin, O.S. Mazhorova, V.A. Morozova. - M.: Infra-M, 2017. - 368 s.
2. Mazur, M.P. Osnovi teorії rіzannya materіalіv / M.P. Mazur, Yu.M. Vnukov, V.L. Dobroskok, V.O. Zaloga, Yu.K. Novos'olov, F.Ya. Yakubov; pіd zag. red. M.P. Mazura. - L'vіv: Noviy Svіt-2000, 2010. - 422 s.
3. Solomencev, Yu.M. Adaptivnoe upravlenie tehnologicheskimi processami / Yu.M. Solomencev, V.G. Mitrofanov, S.P. Protopopov [i dr.]. - M.: Mashinostroenie, 1980. - 536 s.
4. Vozhzhov, A.A. Modelirovanie processa dvuhrezcovogo tocheniya fasonnyh poverhnostey / A.A. Vozhzhov, E.V. Pashkov // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2017. - № 6 (72). - S. 25-30.
5. Kolev, K.S. Tochnost' obrabotki i rezhimy rezaniya / K.S. Kolev, L.M. Gorchakov. - Izd. 2-e, pererab. i dop. - M.: Mashinostroenie, 1976. - 144 s.
6. Petrakov, Yu.V. Avtomatichne upravlіnnya procesami obrobki materіalіv rіzannyam / Yu.V. Petrakov. - Kiїv: UkrNDІAT, 2004. - 383 s.
7. Petrushin, S.I. Osnovy formoobrazovaniya rezaniem lezviynymi instrumentami / C.I. Petrushin. - Tomsk: Izd-vo TGU, 2003. - 172 s.
8. Stukanov, V.A. Materialovedenie / V.A. Stukanov. - M.: Forum, Infra-M, 2015. - 368 s.
9. Burcev, V.M. Tehnologiya mashinostroeniya. V 2 t. T. 2. Proizvodstvo mashin / V.M. Burcev, A.S. Vasil'ev, O.M. Deev [i dr.]; pod red. G.N. Mel'nikova. - Izd. 2-e, pererab. i dop. - M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2001. - 640 s.
10. Vozhzhov, A. Twincutter form turning of commutator rings using cutters’ progressive motion piezoelectric engines / A. Vozhzhov, E. Pashkov, V. Golovin, P. Florya // International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2017). - MATEC Web of Conferences 129, 01071 (2017).
