from 01.01.2016 until now
Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
OKSO 15.02.08 Технология машиностроения
This article describes the method of obtaining surfaces by moving cutting tool edge in the transversal direction on automatic lathes. The application of this handling method allows person to take a fresh look at the usage and modernization for state of the art equipment and improve its technological capabilities, which allows increasing capacity and extending the range of products. In this article tool movements are calculated for revolution of the workpiece, a model for moving the tool path is produced and with the help of using software package a tool movement graph is constructed when a plane is formed parallel to the product axis. It is established that the obtained model of tool movement allows a person to analyze velocity variation in speed from zero to maximum value, since the method’s implementation of moving the tool in the opposite direction it require to solve the tool’s reverse problem. The method allows a person to analyze movements and trajectories for ensuring the implementation of obtaining planes and various complex products on automatic lathes.
turning, automatic turning, tool path, functional dependence, adaptive equipment, trajectory modeling
Введение. Автоматы продольного точения или прутковые автоматы нашли своё применение в массовом и крупносерийном производстве. Обладая высокой производительности и гибкостью при переналадке на крупную партию продукции, они позволяют обеспечить массовый выпуск мелкоразмерных деталей с отличным качеством. Диаметры выпускаемых изделий составляют от десятых долей миллиметра, например, в приборной промышленности, до 20...30 мм, например, при производстве различных крепёжных изделий в строительстве.
Обработка заготовок в прутковых автоматах позволяет получать в массовом производстве изделия, обладающие высокими качественными характеристиками, имеющие при этом только форму тел вращения [1]. Трудности при получении детали вызывают имеющиеся плоскости, параллельные оси обработки [2], для получения которых требуется дооснащать оборудование фрезерными головками и использовать дополнительные фрезерные операции, что снижает темп производства изделий и приводит к удорожанию его производства. Авторы предлагают свою реализацию метода получения на этом же оборудовании плоскостей изделий, параллельных оси вращения заготовки [3, 4]. Теоретическое обоснование этого метода уже было изложено в различных работах авторов [5]. Подробная схема приведена на рис. 1.
Методика и оборудование. Метод основан на использовании токарного резца для снятия припуска не по окружности заготовки [6], а перемещением в процессе съема припуска в поперечном направлении fC, учитывая параметры полученной плоскости. При этом сам процесс уже нельзя рассматривать только как токарный, хотя съём припуска производится в продольном направлении оси вращения заготовки, но один из резцов (рис. 1) совершает дополнительно поперечные возвратно-поступательные движения, что приводит к появлению кривой профиля отличной от окружности [7, 8].
Заготовка в виде прутка подается цанговым патроном через люнетную втулку, расположенную на основании. На правом торце люнетной втулки располагается плоскость обработки, при этом резец совершает возвратно- поступательные движения.
Расчёт перемещения инструмента выполняется по методике, приведенной в [5]. Согласно этой методике вычислим перемещение резца за 1 оборот заготовки,
, (1)
где nS – частота вращения заготовки, об/мин.
Дальнейшие расчеты проведем в системе координат изделия, расположение которой (согласно рис. 2) принимается в соответствии с учетом расположения осей при токарной обработке, где ось вращения заготовки – Z, ось по нормали к оси вращения заготовки X [9]. Следовательно, в течении одного оборота резец совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси X, при этом происходит съем припуска на максимальную величину Δx. Таким образом, получается плоскость с углом φ, при этом положение вершины резца изменяется от R до (R–Δxmax) и от (R- Δxmax) до R в течении одного оборота [10, 11]. Т.е. резец успевает достигнуть максимальной глубины, а затем возвратиться в исходное положение.
Заготовка, вращаясь против часовой стрелки, перемещает свою наружную поверхность относительно оси Х, или режущей кромки резца для получения лыски [12].
Рис. 1. Схема получение плоскостей параллельных оси вращения заготовки
Рис. 2. Схема снятия припуска для получения плоскостей, параллельных оси изделия
На основе расчетных данных и методики, изложенной в [13], построим модель траектории перемещения инструмента, являющуюся функциональной зависимостью положения инструмента по оси Х, относительно получаемой плоскости.
Упростив, получим выражение:
, (2)
где Ds – диаметр заготовки, мм; X – текущая координата по оси X; Y – текущая координата по оси Y; φ – угол плоскости, градуса.
Рис. 3. Фрагмент расчета перемещения инструмента при формировании плоскости, параллельной оси изделия
С помощью программного пакета SMathStudio, выполним проверку модели и построим график перемещения резца при формировании плоскости, параллельной оси изделия [14, 15]. Расчеты, а также график перемещения резца отображены на рис. 3.
Для аналитической оценки перемещения режущего инструмента относительно поверхности заготовки вычислим цену одного градуса в секундах:
, (3)
где M – частота вращения заготовки, об/мин.
Аналогично модели перемещения резца по оси Х построим модель скорости резца [16]. На рисунке 4 показан график изменения расстояния по оси X в зависимости от времени t в течении одного оборота заготовки при следующих условиях: диаметр заготовки D=20 мм, частота вращения nS= 3000 об/мин, угол получаемой плоскости φ= 60°.
Старт режущего инструмента происходит с максимального значения скорости, а потом, в соответствии с тангенциальным законом скорость постепенно становится равной нулю [17]. После чего происходит полная остановка инструмента, включение реверса и постепенное увеличение скорости до максимальной. Скорость перемещения определяется как производная от выражения (2), отражающего модель перемещения инструмента при формировании плоскости [6]:
, (4)
где 
– изменение угла плоскости за время ее получения.
Рис. 4. График изменения расстояния по оси X от времени t в течении одного оборота заготовки
(D=20 мм, nS=3000 об/мин, φ=60°)
Основная часть. Общее время цикла получения изделия можно подсчитать по методике, изложенной в [9]. Но, следует отметить, что практическая реализация метода требует соблюдения некоторых особенных условий, для каждого способа реализации. Например, изложенная в статье остановка перед реверсом инструмента в стартовой точке требует определенного времени выстоя, в зависимости от используемого привода, что приводит к пропуску одного или нескольких оборотов заготовки. При этом обороты должны составлять целое число, в противном случае – отсутствует синхронизация движений, и получение плоскости не представляется возможным [18]. При реверсе в конечной точке траектории скорость перемещения режущего инструмента уменьшается плавно до нуля, а затем инструмент меняет направление движения. Один из вариантов решения задачи реверса в стартовые точки назначения дополнительного пути для торможения и разгона, т. к приводу не может стартовать с максимальной скорости, аналогично и нет возможности плавно затормозить [19]. Авторы видят, именно, назначение дополнительного пути разгона-торможения инструмента, а не включения уже разогнанного привода при помощи муфты на максимальную скорость [20]. Такой способ позволяет избежать ударов в технологической системе, что обеспечит точность получаемого конструктивного элемента.
Таким образом, резец на максимальной скорости возвращается в исходное положение с торможением, где происходит его выстой, а затем цикл повторяется с разгоном.
Выводы. Путь достижения цели, поставленной в начале настоящей работы, позволят получить модель траектории перемещения инструмента, дающую возможность управлять приводами для обеспечения заданной скорости перемещения инструмента на различных участках траектории, включая разгон-торможение, что обеспечивает требуемую точность конструктивного элемента в виде плоскости, получаемой при токарной обработке.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова № А-80/17.
1. Chepchurov M.S., Turin A.V. Technological systems based on automatic turning machines using modular equipment layout [Tekhnologicheskie sistemy na baze avtomatov prodol'nogo tocheniya s ispol'zovaniem modul'noj komponovki oborudovaniya]. Tekhnologiya mashinostroeniya. 2013. No. 7. Pp. 64-69. (rus)
2. Li Qiang, Ai Wu, Chen Bing. Variable angle compensation control of noncircular turning. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. No. 70. Pp. 735-736
3. Chepchurov M.S., Turin A.V. Modernization of longitudinal section automatic lathes using mechatronic modules [Modernizaciya tokarnyh avtomatov prodol'nogo secheniya s ispol'zovaniem mekhatronnyh modulej]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. 2012. No. 7. Pp. 10-13. (rus)
4. Maksarov V.V. Theory and practice of modeling and control in the field of forecasting the dynamic properties of technological systems [Teoriya i praktika modelirovaniya i upravleniya v oblasti prognozirovaniya dinamicheskih svojstv tekhnologicheskih sistem]. Metalloobrabotka. 2012. No. 2. Pp. 7-13 (rus)
5. Chepchurov M.S., Tyurin A.V., Zhukov E.M. Getting flat surfaces in turning. World Applied Sciences Journal. 2014. Vol. 30. No 10. Pp. 1208-1213.
6. Babicheva I.V., Boldovskaya T.E. Math reference [Spravochnik po matematike (v formulah, tablicah, risunkah)]. Tutorial. Vol. 2. Omsk: SibADI, 2010. 148 p. (rus)
7. Zhu L., Jiang Z., Shi J. [et al] An overview of turn-milling technology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. No 81. Pp. 493-505.
8. Lebedev V.D. Structural analysis of control systems [Strukturnyj analiz sistem upravleniya]. Tutorial. Penza: PenzGU, 2000. 100 p. (rus)
9. Tabekina N.A., Chepchurov M.S. Reduced time costs when receiving products on bar machines with a sorting device [Cnizhenie vremennyh zatrat pri poluchenii izdelij na prutkovyh avtomatah s ustrojstvom sortirovki]. Bulletin of Irkutsk State Technical University. 2016. No. 6 (113). Pp. 64-72. (rus)
10. Chepchurov M.S., Tyurin A.V. Control of a technological system based on a turning machine containing an adaptive tool module [Upravlenie tekhnologicheskoj sistemoj na baze tokarnogo avtomata, soderzhashchej adaptivnyj instrumental'nyj modul']. Informacionnye sistemy i tekhnologii. 2014. No. 5. Pp. 81-87. (rus)
11. Pogonin A.A., Chepchurov M.S., Khurtasenko A.V. Non-stationary machine module with adaptive control system [Nestacionarnyj stanochnyj modul' s adaptivnoj sistemoj upravleniya]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. 2008. No. 2. Pp. 72-75. (rus)
12. Khurtasenko A.V., Chepchurov M.S., Maslova I.V. Modernization of special equipment using monitoring and recording of technological parameters [Modernizaciya special'nogo oborudovaniya s ispol'zovaniem kontrolya i registracii tekhnologicheskih parametrov]. Belgorod: BGTU, 2012. 240 p. (rus)
13. Bludov A.N., Chepchurov M.S., Zhukov E.M. Methods of projection estimation of the geometry of objects in mechanical engineering and their implementation [Sposoby proekcionnoj ocenki geometrii ob"ektov v mashinostroenii i ih realizaciya]. Belgorod: BGTU, 2015. 150 p. (rus)
14. Maslova I.V., Chepchurov M.S., Khurtasenko A.V. Automated control of the deflection of the cutting tool holder during turning [Avtomatizirovannyj kontrol' progiba derzhavki rezhushchego instrumenta pri tokarnoj obrabotke]. Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2009. No. 2. Pp. 13-16 (rus)
15. Manos N.P., Bedi S., Miller D. Single controlled axis lathe mill. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2007. No. 32. Pp. 55-65.
16. Pogonin A.A., Chepchurov M.S., Belyankina O.V. Modeling of technological process parameters using the Monte Carlo method [Modelirovanie parametrov tekhnologicheskogo processa obrabotki s ispol'zovaniem metoda monte-karlo]. Mountain News and Analysis Bulletin. 2003. No. 2. Pp. 217-218. (rus)
17. Pogonin D.A., Chepchurov M.S., Starostin S.V. Determination of optimal technological parameters of turning with impact. [Opredelenie optimal'nyh tekhnologicheskih parametrov tokarnoj obrabotki s udarom]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. 2010. No. 10. Pp. 9-11. (rus)
18. Ivanov M.N. Machine parts. [Detali mashin]. Moscow. High school, 1991. Pp. 382 (rus)
19. Tabekina N.A., Chepchurov M.S., Evtushenko E.I., Dmitrievsky B.S. Solution of task related to control of swiss-type automatic lathe to get planes parallel to part axis. Journal of Physics: Conference Series. "International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 - Techniques and Technologies of the Automated Mechanical Engineering" 2018. Pp. 32 (rus)
20. Tabekina N.A., Chepchurov M.S., Voronenko V.P. Control of geometric parameters in a technological system based on longitudinal turning machines [Kontrol' geometricheskih parametrov v tekhnologicheskoj sisteme na baze avtomatov prodol'nogo tocheniya]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 4. Pp. 89-95. (rus)
