Влияние жесткости механической части привода и параметров резания на управление упругими деформациями формообразования

Введение. Одно из направлений повышения точности изготовления деталей резанием связано с управлением упругими деформациями инструмента и заготовки. Особенно это относится к деталям малой жесткости, закон изменения которой вдоль траектории движения инструмента является заданным. При этом управляющим параметром, как правило, выступает величина оборотной подачи, влияющая на силы резания, изменение которых вызывает вариации упругих деформаций. Для обеспечения заданной точности диаметра необходимо согласовать управляемую траекторию частоты вращения привода подачи с величиной подачи и априорно заданным законом изменения жесткости заготовки или законом изменения параметров процесса резания. Для этого необходимо определить закон преобразования частоты вращения двигателя в величину подачи и в конечном счете в упругие деформации. Этот закон зависит от жесткости механической части привода подачи и изменяющихся параметров процесса резания.

Материалы и методы. В статье приводится математическое моделирование и на его основе — анализ преобразования скорости подачи в силы резания с учетом конечного значения жесткости механической части привода и эволюционно изменяющихся параметров процесса резания.

 Результаты исследования. Показано, что начиная с некоторого критического значения закон преобразования скорости подачи в силы резания становится принципиально зависящим от жесткости механической части привода. При этом наблюдается увеличение времени установления нового значения силы при варьировании скорости подачи, что влияет на точность обеспечения сил, согласованных с законом изменения жесткости детали. В статье приводятся алгоритмы вычисления упругих деформаций при заданном законе изменения жесткости, а также алгоритмы вычисления траектории скорости подачи, при которой деформации остаются постоянными. Показано, что на закон преобразования влияют и вариации параметров резания.

Обсуждение и заключение. Обсуждаются частотные и временные характеристики преобразования. Делается заключение о точности формируемого резанием диаметра в зависимости от жесткости механической части привода подачи и от некоторых параметров процесса резания. 

1. Haken, H. Information and Self-Organization: A Macroscopic Approach to Complex Systems / H. Haken. — Amsterdam: Elsevier, 2006. — 251 p.

2. Prigogine, I. The second law as a selection principle: The microscopic theory of dissipative processes in quantum systems / I. Prigogine, C. George // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1983. — Vol. 80 (14). — P. 4590−4594. https://doi.org/10.1073/pnas.80.14.4590

3. Эбелинг, В. Физика процессов эволюции. Синергетический подход / В. Эбелинг, А. Энгель, Р. Файстель ; [перевод с немецкого Ю. А. Данилова]. — Москва : Эдиториал УРСС, 2001. — 328 с.

4. Моисеев, Н. Н. Расставание с простотой (Путь к очевидности) / Н. Н. Моисеев. — Москва : Аграф, 1998. — 472 с. ISBN 5-7784-0050-0.

5. Николис, Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное представление / Дж. Николис, Ю. А. Данилов. — Москва : Мир, 1989. — 488 с.

6. Заковоротный, В. Л. Модель управления современным предприятием на основе системносинергетического подхода / В. Л. Заковоротный, М. Б. Флек, Е. А. Угнич // Экономическая наука современной России. — 2016. — № 4 (75). — С. 112–128.

7. Колесников, А. А. Прикладная синергетика: основы системного синтеза / А. А. Колесников. — Таганрог : ТТУ ЮФУ, 2007. — 384 с.

8. Заковоротный, В. Л. Динамика транспортных трибосистем / В. Л. Заковоротный, В. В. Шаповалов // Сборка в машиностроении, приборостроении. — 2005. — № 12. — С. 19–24.

9. Рыжкин, А. А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке / А. А. Рыжкин. — Ростов-на-Дону : Донской гос. техн. ун-т, 2019. — 289 c.

10. Оптимизация режима резания при лезвийной обработке / А. А. Рыжкин, Д. В. Моисеев, А. И. Боков [и др.]. — Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2017. — 34 с.

11. Старков, В. К. Физика и оптимизация резания материалов / В. К. Старков. — Москва : Машиностроение, 2009. — 640 с.

12. Мигранов, М. Ш. Исследования изнашивания инструментальных материалов и покрытий с позиций термодинамики и самоорганизации / М. Ш. Мигранов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2006. — № 11. — С. 65–71.

13. Базров, Б. М. Основы технологии машиностроения / Б. М. Базров. — Москва : Машиностроение, 2005. — 736 с.

14. Мелентьев, Г. А. Резание материалов ; учебник / Г. А. Мелентьев, А. Г. Схиртладзе, В. П. Борискин. — Старый Оскол : Тонкие наукоемкие технологии, 2019. — 512 с.

15. Кузнецов, В. А. Системный анализ и моделирование технологических методов изготовления деталей / В. А. Кузнецов, А. А. Черепахин, А. В. Смирнов. — Москва : КноРус, 2019. — 248 с.

16. Лапшин, В. П. Взаимосвязь температуры и силы резания с износом и вибрациями инструмента при токарной обработке металлов / В. П. Лапшин, В. В. Христофорова, С. В. Носачев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). — 2020. — Т. 22, № 3. — С. 44–58. http://dx.doi.org/10.17212/1994-63092020-22.3-44-58

17. Моделирование влияния температуры в зоне контакта инструмента и детали на динамику деформационных движений инструмента при точении металлов / В. П. Лапшин, И. А. Туркин, В. В. Христофорова, Т. С. Бабенко // СТИН. — 2019. — № 10. — С. 31–37.

18. Лапшин, В. П. Пример экспериментальной оценки износа на составляющие силы резания при точении металлов / В. П. Лапшин, И. А. Туркин, В. В. Христофорова // СТИН. — 2020. — № 4. — С. 41–44.

19. Колесников, А. А. Синергетическая теория управления (инварианты, оптимизация, синтез) / А. А. Колесников. — Таганрог : Таганрогский государственный радиотехнический университет Москва : Энергоатомиздат, 1994. — 343 с.

20. Колесников, А. А. Синергетическая теория управления / А. А. Колесников. — Москва : Энергоатомиздат, 1994. — 344 с.

21. Колесников, А. А. Метод АКАР и теория адаптивного управления в задачах синтеза нелинейных систем управления / А. А. Колесников, Ал. А. Колесников, А. А. Кузьменко // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2017. — Т. 18, № 9. — С. 579–589. https://doi.org/10.17587/mau.18.579-589

22. Колесников, А. А. Методы АКАР и АКОР в задачах синтеза нелинейных систем управления / А. А. Колесников, Ал. А. Колесников, А. А. Кузьменко // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2016. — Т. 17, № 10. — С. 657–669. https://doi.org/10.17587/mau.17.657-669

23. Заковоротный, В. Л. Синергетическая концепция при построении систем управления точностью изготовления деталей сложной геометрической формы / В. Л. Заковоротный, М. Б. Флек, Фам Динь Тунг // Вестник Донского государственного технического университета. — 2011. — Т. 11, № 10 (61). — С. 1785–1797.

24. Заковоротный, В. Л. Синергетический подход к управлению процессом обработки на станках токарной группы / В. Л. Заковоротный, В. Е. Гвинджилия // Наукоемкие технологии в машиностроении. — 2019. — № 11 (101). — С. 29–38. https://10.30987/article_5d9dc9b8e6bdd8.19855459

25. Заковоротный, В. Л. Свойства формообразующих движений при сверлении глубоких отверстий малого диаметра / В. Л. Заковоротный, Е. Ю. Панов, П. Н. Потапенко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2001. — Т. 1, № 2. — С. 81–93.

26. Азаров, А. С. Высокопроизводительная обработка валов в машиностроении / А. С. Азаров. — Ленинград : Машгиз, 1951. — 224 с.

27. Бобровский, А. В. Технология механической обработки маложестких осесимметричных деталей / А. В. Бобровский, О. И. Драчев // Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2019. — № 9 (232). — С. 15–17.

28. Драчев, О. И. Система автоматического управления эксплуатационной точностью длинномерных валов / О. И. Драчев // Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2017. — № 5 (200). — С. 18–20.

29. Жолобов, А. А. Прогнозирование и обеспечение точности токарной обработки ступенчатых валов / А. А. Жолобов, А. В. Казаков // Вестник Белорусско-Российского университета. — 2014. — № 1 (42). — С. 6–14.

30. Плотников, А. Л. Управление системами и процессами / А. Л. Плотников. — Волгоград : ВолгГТУ, 2010. — 167 с.

31. Михеев, Ю. Е. Системы автоматического управления станками / Ю. Е. Михеев, В. Л. Сосонкин. — Москва : Машиностроение, 1978. — 264 с.

32. Легаев, В. П. Повышение эффективности токарной обработки на основе автоматического контроля показателей процесса резания / В. П. Легаев, Л. К. Генералов // Вестник машиностроения. — 2011. — № 1. — С. 44–46. https://doi.org/10.3103/S1068798X1101014X

33. Максимов, С. П. Современное состояние и перспективы развития систем ЧПУ / С. П. Максимов, В. Э. Колосов, К. Н. Морозов // Инновации в науке. — 2014. — № 40. — С. 40–45.

34. Адаптивное управление станками / Б. М. Базров [и др.]. — Москва: Машиностроение, 1973. — 688 с.

35. Заковоротный, В. Л. Влияние флуктуаций на устойчивость формообразующих траекторий при точении / В. Л. Заковоротный, В. Е. Гвинджилия // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2017. — № 2 (194). — С. 52–61. https://doi.org/10.17213/0321-2653-2017-2-52-61

36. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. — Москва : Наука, 1968. — 720 с.

37. Крутько, П. Д. Обратные задачи динамики управляемых систем: линейные модели / П. Д. Крутько. — Москва : Наука, 1987. — 304 с.

38. Галиуллин, А. С. Методы решения обратных задач динамики / А. С. Галиуллин. — Москва : Наука, 1986. — 224 с.