Динамика фрезерования измерение силы: Исследование сил резания при фрезеровании цветных металлов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

alexxlab | 07.12.1980 | 0 | Разное

Исследование сил резания при фрезеровании цветных металлов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИЗВЕСТИЯ

Ч ОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 133 1965

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ РЕЗАНИЯ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

А. М. РОЗЕНБЕРГ, Г. Л. КУФАРЕВ, Ю. А. РОЗЕНБЕРГ, А. А. КОЗЛОВ, С. И. ТАХМАН

По вопросам динамики фрезерования цветных металлов до настоящего времени исследовательских работ проведено не было.

Создание высокоскоростных станков типа 6М12Б с максимальным числом оборотов шпинделя п = 5000 –:- 6000 об/мину предназначенных в основном для обработки цветных металлов, требует точных сведений о силах резания при фрезеровании этих металлов, так как иначе не представляется возможным определить необходимую мощность, которая на высоких скоростях резания будет достигать значительных величин.

В настоящей работе рассматриваются вопросы динамики фрезерования семи марок цветных металлов. Механические свойства их приведены в табл. 1.

Таблица 1

№№ пп Марка металла Предел прочности при растяж. а в кг ¡мм1 Относительное удлинение при разрыве Твердость ЯБ

1 Л62 32,2 46 65—69

2 ЛС59-1 37,5 30 85- 89

3 БрАЖ9-4 58,4 33,8 149-156

4 Д-1 28 13 79—80

5 Ал-10 8 0 95—103

6 Ал-4 11,7 0 60-65

i Медь 21 46,8 49—52

Исследования проводились на горизонтально-фрезерном станке ~ 6Н83 и вертикально-фрезерном станке 6Н1ЗГ1, оснащенных упруго-электрической аппаратурой с индуктивными датчиками, что позволяло в процессе опыта одновременно измерять крутящий момент на шпинделе и силу подачи.

Температура в зоне резания измерялась с помощью естественной термопары. В качестве режущего инструмента использовались цилиндрические фрезеры быстрорежущие (PI8) и твердосплавные (Т15К6), а также торцевые быстрорежущие (Р18) и твердосплавные (ВК8).

9. Заказ 6120.

129

Изменение основных геометрических параметров фрез приведено в табл. 2.

В работе изучалось влияние на силы резания следующих факторов: скорости резания, подачи на зуб, глубины фрезерования, ширины фрезерования, переднего угла, износа зубьев фрезы, угла в плане и относительного расположения торцевой фрезы и заготовки.

Таблица 2

В и Д фрезерования Геометрические пара-метры Цилиндрическое Торцевое

Диаметр фрезы И мм 27 -ь 125 мм 100 — 200 мм

Передний угол 70 0-^29° 0 ч- + 30°

Угол в плане <р° — 30° – 90°

Обычно принято выражать зависимость сил резания при фрезеровании от различных параметров в виде степных уравнений.

Наиболее полные и теоретически обоснованные уравнения выведены А. М. Розенбергом [1] и имеют следующий вид1)

Средняя суммарная окружная сила на цилиндрической фрезе

/с+2

—В-гэ«*1!—) 2 Vй кГ. (1)

и V £>/

Средняя суммарная окружная сила на торцевой фрезе

к г> * + 2

р = 2~7— 1 — —*г> <2)

где ср — коэффициент, показывающий влияние угла подъема спирали режущей кромки на силу резания; Ь — глубина фрезерования в мм; В — ширина фрезерования в мм; з2 — подача на 1 зуб фрезы в мм; г — число зубьев фрезы; О — диаметр фрезы в мм; •о — скорость резания в м\мин; ¿¿ — показатели степеней;

^ — постоянный коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и условий обработки. и показатели степеней и для исследуемых металлов.

Как показали многочисленные эксперименты (в работе проведено более 8000 опытов), разница в значениях сил, полученных по приборам и по уравнениям (1) и (2), лежит в пределах 10%, и только для

!) В уравнениях А. М. Розенберга влияние скорости не учитывалось, так как все исследования были проведены при малых скоростях, где влияние скорости несущественно; в уравнениях 1 и 2 влияние скорости учтено.

малых подач, когда абсолютные значения сил невелики, эта разница доходит до 15—20%. Следует отметить, что степенное одночленное уравнение и не может дать более высокой точности расчетов, о чем будет сказано ниже.

Влияние скорости резания и подачи на силы резания

Одним из основных факторов, влияющих на силы резания, является скорость резания.0,503 лш/зуб. На основании этих опытов получены значения постоянных коэффициентов X и показателей степеней „К” и „И”, необходимых для расчета сил по уравнениям (I) и (2). Значения этих величин приведены в табл. 3—6.

Влияние переднего угла на силы резания

При изменении переднего угла изменяются условия стружкооб-разования, усадка стружки, а следовательно, и силы резания на передней грани. Силы на задней грани при этом остаются постоянными.

Для малых подач, когда силы на передней грани сравнительно невелики по сравнению с силами на задней грани, изменение переднего угла, влияющего только на силы на передней грани, приводит к очень незначительному изменению суммарной окружной силы. При фрезеровании с большими подачами силы на передней грани оказываются значительно большими, чем на задней грани, и их изменение

Цилиндрическое фрезерование быстрорежущими фрезами

Марка металла к а А

Л 62 -0,15 —0,1 164

ЛС59-1 —0,22 0 55

БрАЖ9-4 К = — 0,4 +0,1 26,4

5г>0,08 К = — 0,5 +0,1 100

Д-1 -0,27 0 44

Ал-10 —0,27 +0,1 32

А л-4 -0,15 +0,1 41

Медь -0,22 -0,2 307

Таблица 4

Цилиндрическое фрезерование твердосплавными фрезами

Марка металла к и X

Л 62 —0,22 -0,1 164

ЛС59-1 -0,22 0 69

БРАЖ9-4 —0,15 а – — — 0,065 при V 75 м\мин 342

и = 0 при V < 75 м!мин 214 44

Д-1 -0,3 0

Ал-10 — 0,22 0,1 и = +0,1 33

£г<0,1 и — 0 56

Ал-4 ^ ^разд*) * =-—0,22 и = + 0,26 18

5г<0,1 и — +0,6 30

» > ^разд к = – 0,5 —0,25 148

Медь —0,3 0,2 322

д0,2

*) ^разд = 47 2 м\мин, (2)

02 ‘ I ‘

где й — диаметр фрезы в мм\

— подача на зуб в мм\зуб\ I—глубина резания в мм.>0 а = 0 8г <0,15 мм\зуб 52

Медь -0,36 -0,17 203

Таблица 6

Торцевое фрезерование твердосплавными фрезами

Марка металла к и X

Л 62 —0,22 V < 200 м\мин и = — 0,14 200

V > 200 м\мин и = 0 92

ЛС59-1 —0,18 0 60

БРАЖ9-4 —0,18 0 107

Д-1 —0,18 0 66

Ал-10 —0,36 V > 75 м1мин и — — 0,25 181

V < 75 м\мин а — 0 55

Ал-4 -0,36 г; > 75 м1мин и = — 0,25 200

у < 75 м\мин и = 0 65

Медь —0,36 —0,25 327

при постоянстве сил на задней грани приводит к существенному уменьшению средней окружной силы по мере увеличения переднего угла.

В табл. 7 приведены значения поправочных коэффициентов для различных подач при фрезеровании цилиндрическими твердосплавными фрезами.

Таблица 7

Подача мм ¡зуб 5г к(

Марка металла 7 = 0° 1 = 10° 7 20°

0,02 1,12 0,88

0,05 1,16 0,84

Л62 0,125 1,16 1 0,85

0,317 1,14 0,84

0,02 1 1

0,05 1,06 – 0,95

ЛС59-1 0,125 1,1 1 0,9

0,317 1,2 0,8

0,02 1,14 0,86

Д-1 0,05 1,19 1 0,8

0,125 1,2 0,81

0,317 1,21 0,79

0,02 1,0 1

0,05 1,1 0,9

Ал-10 0,125 1,13 1 0,87

0,317 . 1,27 0,73

0,02 1,1 0,89 *

0,05 1,43 1 0,58

Ал-4 0,125 1,5 1 0,5

0,317 1,43 0,6

0,02 1,4 0,6

0,05 1,4 0,6

Медь 0,125 1,4 1 0,6

0,317 — —

Для остальных видов фрезерования в табл. 8 приведены средние значения поправочных коэффициентов кл для всех подач.

Для т = 10° поправочный коэффициент для всех видов фрезерования равен = 1. Как видно из таблиц, наибольшее влияние переднего угла наблюдается при фрезеровании наиболее пластичного металла, красной меди, что полностью соответствует вышеуказанным предпосылкам.Тср

Марка металла Цилиндрическая быстрорежущая фреза Торцевая быстрорежущая фреза Торцевая твердосплавная фреза

7 = 0 7 = 20° 7 = 30° 7 = 20° 7 – 30° 7 = 0 7 — 20°

Л62 1,2 0,88 0,8 0,9 0,82 1,14 0,87

ЛС59-1 1,15 0,9 0,85 0,92 0,83 М 0,92

БрАЖ9-4 1,2 0,84 0,72 0,88 0,78 1,14 0,87

Д-1 1,14 0,9 0,85 0,88 0,76 1,26 0,75

АЛ-10 1,15 0,85 0,79 0,89 0,78 1,14 0,85

АЛ-4 1,18 0,89 0,82 0,87 0,76 1,37 0,65

Медь 1,42 0,76 0,56 0,75 0,57 1,25 0,74

задним граням. При этом увеличивается площадь контакта зубьев фрезы с поверхностью резания, что приводит к росту сил на задней грани, тогда как силы на передней грани остаются практически неизменными.

Так как силы на задней грани не зависят от подачи, то добавка к окружной силе должна быть постоянной при определенном износе для всех подач. Это хорошо подтверждается графиком на рис. 3, где

Рис. з.

изменение силы от износа выражено параллельными линиями для всех подач.

Аналогичные результаты получены и при других условиях фрезерования торцевыми фрезами.

136

Степенные уравнения не отражают этой характерной особенности изменения сил от износа, так как в них износ учитывается сомножителем кь, тогда как правильнее было бы учитывать прирост сил при износе вторым слагаемым в уравнении, т. е. уравнение сил резания должно состоять из двух слагаемых, что и намечается сделать при дальнейшей разработке этого вопроса.

При цилиндрическом фрезеровании, когда толщина стружки измеряется сотыми долями миллиметра и доля сил на задней грани в суммарной окружной силе велика, влияние износа на силы резания оказывается еще более существенным (рис. 4). Аналогичные резуль-

Рис. 4.

таты получены и при фрезеровании других металлов цилиндрическими фрезами.

Следует отметить также, что при фрезеровании изношенными фрезами значительно сильнее оказывается влияние скорости на силы резания, особенно на силу подачи.

Так, при цилиндрическом фрезеровании острой твердосплавной фрезой латуни ЛС59-1 силы резания в широком диапазоне изменения скоростей (V — 20 -ь 450 м!мин) остаются практически постоянными, тогда как при фрезеровании этой же латуни изношенной фрезой при некоторой скорости наблюдается резкий рост сил резания (рис.-5, причем меньшие значения

Рис. 5.

поправочных коэффициентов соответствуют максимальным подачам, а большие —минимальным подачам.

Широкие пределы изменения величины Ь еще раз подчеркивают необходимость расчета сил с учетом разделения сил на передней и задней гранях.

Влияние угла в плане на силы резания

Влияние угла в плане на силы резания изучалось при фрезеровании торцевыми твердосплавными фрезами латуней Л62 и ЛС59-1. Исследования показали, что уменьшение угла в плане приводит к увеличению длины режущей кромки, что, в свою очередь, приводит к росту сил на задней грани и, следовательно, к росту суммарной окружной силы резания.

Средние значения поправочного коэффициента к9 приведены в табл. 9.

Таблица 9

Марка металла

9 = 90° 9 = 60° 9 – 45° 9 — 80°

Л62 ЛС59-1 1 1 1,04 1,12 1,06 1,18 1,08 1,25

Влияние глубины и ширины фрезерования на силы резания

Исследование влияния глубины и ширины фрезерования проводилось как для цилиндрического, так и для торцевого фрезерования. Опыты показали, что при фрезеровании торцевыми фрезами цветных металлов силы резания прямо пропорпиональны глубине фрезерования и показатель степени при глубине „/” можно считать равным нулю. Ширина фрезерования при торцевом фрезеровании, а также ширина и глубина резания при цилиндрическом фрезеровании в уравнениях (1) и (2) учтены правильно.

Помимо вышеперечисленных факторов, влияющих на силы резания, в работе исследовано влияние взаимного расположения торцевой фрезы и заготовки. При симметричном фрезеровании окружная сила имеет наименьшее значение.

При смещении оси фрезы относительно оси заготовки силы на передней грани не изменяются, зато силы на задней грани увеличиваются за счет увеличения числа зубьев, одновременно находящихся

под стружкой, что приводит к росту окружной силы (рис. 6). р

кг

100

80

Б8

4а 20

О _ _

I м Ш ¡1 У

Рис. 6.

Расчет силы подачи

Сила^подачи может быть найдена либо по степенным уравнениям,

подобным (!) и (2), либо через отношение —. = 1 ± 10% . (3)

Р

При попутном фрезеровании отношение — = 0,8 + 10%. (4)

Р

При торцевом фрезеровании отношение — имеет более сложную

Р

зависимость, чем при цилиндрическом фрезеровании. Для симметричного фрезерования торцевыми быстрорежущими и твердосплавными

фрезами отношение для всех исследуемых металлов в зависимости

Р

от подачи приведено на рис. 7 и 8.

Л62, ВМ8; $=10 ■ 2=16; t =3л7*г7

-от У 7

N 125 ‘—ч

05 )-с )—— с > ;

*—* ^-1 г000*

^Д^__^ I __ | | | 2 1 1 1 1

ВН8, +

B-?07jnm-t 2=3; V^OO^/jnuH. от взаимного расположения фрезы и заготовки Р

исследована при фрезеровании латуни Л62 (рис. 9). Анализ этого исследования показал, что как для быстрорежущих, так и для твердосплавных торцевых фрез отношение — выражается уравнением (5)

Р

+ 2/, (5)

Р Р

где —(О при симметричном фрезеровании и определяется из

Р Р

графиков на рис. 7 и 8.

I е

г = —. определяется в зависимости от взаимного расположения

фрезы и заготовки, при этом / — расстояние между осями фрезы и заготовки, О — диаметр фрезы.

Знак „ + ” берется тогда, когда резание начинается с меньшей толщины и заканчивается на большей.

Знак „ —когда резание начинается с большей толщины и заканчивается на меньшей.

Ввиду того, что влияние скорости резания и ширины фрезеровать

ния, на отношение — невелико, его можно не учитывать.

Р

ЛИТЕРАТУРА

1. А. М. Р о з е н б е р г. Дипгмика фрезерования. .Москва, Государственное издательство „Советская наука”, 1У45.

7. Режимы фрезерования. Силы резания. Возможности фрезерования.

Режим резания. К режиму резания при фрезеровании относят скорость резания V, подачу S, глубину резания t, ширину фрезерования В.

Скорость резания – окружная скорость вращения фрезы в м/мин

где D – диаметр фрезы, мм; n – частота вращения фрезы, об/мин.

Подача – величина перемещения обрабатываемой заготовки относительно вращающейся фрезы. Различают три размерности подачи: подачу на один зуб фрезы S_z в мм/зуб; величину перемещения заготовки относительно фрезы за время ее углового поворота на один зуб; подачу на один оборот фрезы S₀ – величину перемещения заготовки относительно фрезы за один ее оборот; минутную подачу S, величину перемещения заготовки в минуту. Эти подачи связаны между собой зависимостями: S_М = S_0· n = S_z·Z·n, Z – число зубьев фрезы.

Глубина резания в мм показана на Рис.5.

Ширина фрезерования В (в мм) – величина обрабатываемой поверхности, измеренная в направлении, параллельном оси фрезы при цилиндрическом фрезеровании и перпендикулярном к направлению, подачи при торцовом фрезеровании.

Силы резания. В процессе фрезерования каждый зуб фрезы преодолевает силу сопротивления металла резанию. Фрезы должны преодолеть суммарные силы резания, которые складываются из сил, действующих на зубья, находящиеся в контакте с заготовкой.

Рис.13 Силы резания при работе цилиндрической фрезой

При фрезеровании цилиндрической фрезой с прямыми зубьями равнодействующую сил резания R, приложенную к фрезе в некоторой точке А, можно разложить на окружную составляющую силу Р, касательную к траектории движения точки режущего лезвия, и радиальную составляющую силу Р_у, направленную по радиусу (рис.13,а). Силу R можно также разложить на горизонтальную составляющую силу Р_Н и вертикальную составляющую силу Р_V.

В зависимости от способа фрезерования (против подачи или по подаче) направление и величина сил изменяются. При фрезеровании цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями в осевом направлении действует осевая сила Р₀ (рис.13,б). Чем больше угол наклона винтовых канавок ω, тем больше будет сила Р₀. При больших значениях силы Р₀ применяют две фрезы с разным направлением наклона зубьев. В этом случае осевые силы направлены в разные стороны и взаимно уравновешиваются.

Окружная сила Р производит основную работу резания. По этой силе определяют эффективную мощность N_e и рассчитывают детали и узлы механизма коробки скоростей на прочность. Радиальная сила Р_у=(0,6÷0,8) Р действует на подшипники шпинделя и изгибает оправку, на которой крепят фрезу. Горизонтальная составляющая сила Р_н действует на механизм подачи станка и элементы крепления заготовки.

Осевая сила Р₀ = (0,35÷0,55) Р действует на подшипники шпинделя станка и механизм поперечной подачи стола; вертикальная составляющая сила Р_V – на механизм вертикальной подачи стола. При встречном фрезеровании сила Pv прижимает фрезу к заготовке, а сила peaкции Pv^’, действующая на заготовку и направленная вверх, стремится оторвать заготовку от стола. При попутном фрезеровании, наоборот, сила Pv отжимает фрезу от заготовки, а сила реакции Pv^’, действующая на заготовку и направленная вниз, прижимает- ее к столу.

Сила резания Р вычисляется по эмпирической фрмуле

Равномерность фрезерования. Для обеспечения безвибрационной работы при фрезеровании необходимо стремиться к постоянству нагрузки фрезы усилиями резания. Это возможно, когда суммарная длина режущих лезвий фрезы, находящихся в работе, остается постоянной, и, таким образом, суммарное сечение срезаемого слоя материала остается также постоянным.

Условие равномерности фрезерования цилиндрическими фрезами с винтовыми зубьями будет выполняться при постоянстве суммарного сечения срезаемого материала.

Рис.14 Схема работы цилиндрической фрезы при равномерном фрезеровании

На рис.14 показан момент, в котором зуб I начинает свою работу, зуб II, пройдя некоторый путь по поверхности резания, выполнил лишь часть среза материала, а зубья III, IV и V уже выходят из работы, зуб VI выполнил срезание материала на участке, дополняющим работу зуба II до полного прохода зубьев по поверхности резания. Нетрудно видеть, что при дальнейшем повороте фрезы площадь сечения среза снимаемого всеми одновременно участвующими в работе зубьями, останется постоянной. Площадь поперечного сечения среза будет постоянной, если ширина фрезерования равна или кратна осевому шагу фрезы. Поэтому для осуществления равномерности фрезерования необходимо, чтобы соблюдалось условие

,

где К – целое число зубьев, работающих одновременно (2 или 3).

Одним из наиболее ответственных моментов работы торцовой фрезы является врезание зуба в материал заготовки. Симметричная установка фрезы в большинстве случаев не может обеспечить оптимальных условий резания зуба, так как при этом имеет место перегрузка зуба в первоначальный момент (удар). Поэтому необходимо несколько уменьшить сечение среза в момент врезания зуба. Это может быть осуществлено при асимметричной установке фрезы (рис.4,в), у которой со стороны врезания зуба величину смещения С рекомендуется выдерживать равной 0,1D_ф при D_ф/В = 1,40÷1,7, а при D_ф/В > 2 и при γ = 10° следует принимать С = (0,5÷0,6)D_ф.

Возможности фрезерования. Фрезерование разделяют на черновое, получистовое, чистовое и тонкое.

Черновое фрезерование применяют для предварительной обработки заготовок, припуск на предварительную обработку которых превышает 3 мм. Черновое фрезерование плоскостей обеспечивает шероховатость Rz = 250÷12,5 мкм и отклонение от прямолинейности 0,15÷0,3 мм на 1 м длины.

Получистовое фрезерование применяют с целью уменьшения погрешностей геометрических форм и пространственных отклонений. Оно обеспечивает шероховатость поверхности Rа = 25÷6,3 мкм, отклонение от плоскостности 0,1÷0,2 мм на 1 м длины.

Чистовое фрезерование применяют для окончательной обработки или перед отделочной обработкой. Оно обеспечивает шероховатость поверхности Rа = 10-1,25 мкм и отклонение от плоскостности 0,04-0,08 мм на 1 м длины.

Тонкое фрезерование применяют как метод отделочной обработки плоских поверхностей торцевыми фрезами. Оно обеспечивает шероховатость Rа = 2,5÷0,63 мкм и отклонение от плоскостности 0,02-0,04 мм на 1 м длины.

Применение скоростных режимов фрезерования позволяет получить шероховатость поверхности при черновом Rz = 80 – 20 мкм, при получистовом Rz =40 до Rа = 2,5 мкм, при чистовом Rа = 2,5-0,63 мкм.

15.5. Сила резания и мощность при фрезеровании

При работе фрезой со спиральными зубьями так же, как и при точении, на инструмент и заготовку действует сила Р, которая как диагональ параллелепипеда раскладывается на три взаимно перпендикулярные составляющие силы P_z,P_yиP_x (рис. 15.19).

Для осуществления процесса резания к фрезе необходимо приложить силу R₁, преодолевающую сопротивление обрабатываемого материала. Эту силу можно разложить на окружную силу P_z, касательную к траектории движения точки режущей кромки, и радиальную Р_y, направленную по радиусу (см. рис. 15.19,а). Силу R₁ можно также разложить и на горизонтальную Р_н и вертикальную Р_v составляющие. У фрез с винтовыми зубьями в осевом направлении действует еще осевая сила Р_x (см. рис. 15.19,б). Из схемы следует, что Р_x =P_z tg.

а) б) в)

Рис. 15.19. Силы резания при работе

цилиндрической фрезой:

а) силы P_z и Р_у; б) силы Р_x и P_z; в) силы P_N и Т

Однако согласно исследованиям профессора А. М. Розенберга у фрез с винтовыми зубьями, помимо нормальной силы Р_N, вдоль зуба действует еще сила трения Т (см. рис. 15.19,в), производящая дополнительное осаживание стружки по направлению зуба фрезы. Равнодействующая Р’ сил P_N и Т, будучи разложена на касательную и осевую силы, образует с направлением силы Р_z угол меньше угла , вследствие чего P_z = tg. Величинуtgможно принять равной 0,28tg, а потому

Р_x = 0,28P_z tg.

Отсюда следует, что чем больше угол , тем больше величина силы Р_x. Когда сила Р_x достигает очень больших величин, применяют фрезы с разным направлением наклона зубьев (рис. 15.20). В этом случае осевые силы направлены в разные стороны и уравновешивают друг друга.

Наиболее важной является окружная сила Р_z. По этой силе подсчитывают крутящий момент на шпинделе и эффективную мощность N_э, а также производят расчет на прочность механизмов главного движения.

Рис. 15.20. Набор фрез с разноименным направлением винтовой канавки

Осевая сила Р_x = (0,35…0,55)Р_z действует на подшипники шпинделя станка, на крепление заготовки и элементы механизма подачи станка.

Радиальная сила Р_у = (0,6…0,8)Р_z действует на опоры шпинделя станка, создает дополнительный момент трения и изгибает оправку, на которой крепится фреза.

Горизонтальная составляющая Р_н нагружает механизм подачи станка и элементы крепления заготовки.

При встречном фрезеровании Р_н = (1,0…1,2)Р_z, а при попутном фрезеровании Р_н = (0,3…0,9) Р_z.

Для подсчета средней окружной силы, Н, существует экспериментальная формула

. (15.12)

Значения коэффициентов и показателей степеней приведены в справочниках по режимам резания. Например, при фрезеровании стали с = 750 Н/мм² цилиндрическими и концевыми фрезами

.

Из формулы (15.12) следует, что с увеличением B, ,t и z средняя окружная сила увеличивается, а с увеличениемD уменьшается. Увеличение силы c увеличениемB, ,t и z объясняется тем, что с увеличением этих параметров возрастает число зубьев, одновременно находящихся в работе, и суммарная площадь поперечного сечения среза. К увеличению силы приводит также увеличение отрицательного переднего угла, увеличение износа фрезы, прочности обрабатываемого материала, так как при этих условиях увеличивается работа деформации и трения.

Уменьшение силы с увеличением диаметра фрезы объясняется тем, что при большихD одновременно в работе будет находиться меньшее число зубьев, а также будет уменьшаться толщина среза и площадь поперечного сечения среза. Например, при увеличении D со 100 до 150 мм сила уменьшится примерно на 35…40 %. К уменьшению средней окружной силыприводит также и увеличение угла в плане в диапазоне= 30…60° у торцовых фрез (увеличивается при этом толщина среза).

Характер изменения силы при фрезеровании с изменением скорости резания зависит от тех же факторов, что и при точении.

Зная среднюю окружную силу, кН, и скорость резания, м/мин, можно определить мощность, кВт, затрачиваемую на фрезерование:

.

Для подсчета мощности при фрезеровании пользуются обобщенной формулой

.

Например, для подсчета мощности при фрезеровании цилиндрическими, концевыми и дисковыми быстрорежущими фрезами (Р18) заготовок из стали с =750 МПа и ковкого чугуна с твердостью 150 НВ эта формула приобретает вид:

.

Составляющие силы резания и мощность при фрезеровании

Для отделения стружки необходимо приложить силу. Отделяющаяся стружка при точении будет воздействовать на резец в виде равнодействующей силы R (рис. 255). Эту силу можно разложить на три составляющие: окружную Рz, радиальную Рy и осевую Рx.  Окружная (тангенциальная) составляющая сила резания Р z (ее иногда называют тангенциальной, окружной или касательной составляющей) направлена вертикально вниз. Эта составляющая является наиболее важной. Она влияет на мощность, необходимую для осуществления процесса резания. Величина силы Рz зависит от ряда факторов: ширины и толщины среза (глубины резания и подачи), свойств обрабатываемого материала, износа инструмента и др.  Радиальная составляющая Ру направлена горизонтально, перпендикулярно оси вращения обрабатываемой заготовки. Она отжимает резец от обрабатываемой заготовки. Эта сила оказывает большое влияние на точность обработки и на вибрации, возникающие в процессе резания. Осевая составляющая Рx действует параллельно оси вращения обрабатываемой заготовки в направлении, противоположном направлению подачи, и определяет силу, необходимую для осуществления подачи суппорта с закрепленным в нем резцом.  Для прямозубой цилиндрической фрезы равнодействующую силу резания R всех одновременно режущих зубьев фрезы можно разложить на следующие составляющие: окружную (тангенциальную) составляющую Рz направленную по касательной к траектории движения точки на лезвии фрезы (перпендикулярно радиусу), и радиальную составляющую Рy, направленную по радиусу (рис. 256).  Равнодействующую силу R можно разложить по правилу параллелограмма на две взаимно перпендикулярные составляющие: горизонтальную Рh, и вертикальную Рv. Окружная составляющая силы резания Рz, как и при точении, оказывает влияние на эффективную мощность резания. С учетом этой силы производят расчет звеньев механизма главного движения на прочность. При цилиндрическом фрезеровании радиальная составляющая силы резания отжимает фрезу от обрабатываемой заготовки, изгибает оправку и оказывает давление на подшипники шпинделя станка. Горизонтальная составляющая силы резания Ph воздействует на механизм подачи стола фрезерного станка. С учетом максимальной величины этой силы рассчитывают звенья механизма подачи и элементы крепления заготовки в приспособлении. Вертикальная составляющая силы резания Рv при фрезеровании против подачи стремится приподнять стол фрезерного станка над его направляющими (рис. 256, а), а при фрезеровании по подаче – прижать стол к направляющим (рис. 256, б). При фрезеровании цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями действует еще осевая составляющая силы резания Рх. Она стремится сдвинуть фрезу вдоль оправки. Резание праворежущими фрезами предпочтительнее, так как в этом случае осевая составляющая силы резания направлена в сторону заднего конца фрезерного шпинделя, т. е. в сторону жесткой опоры.  Составляющие силы резания измеряют с помощью динамометра. Существуют приборы для измерения только какой-либо одной составляющей (например, окружной) или двух, трех составляющих силы резания одновременно. Иногда применяют динамометры-месдозы. Прибор должен быть обязательно протарирован, т. е. снимаются показания прибора прн воздействии определенной приложенной силы. По этим данным строится тарировочный график. Желательно, чтобы прибор тарировался до проведения экспериментов и после их окончания. Оба тарировочных графика должны совпадать между собой.  Эксперименты по определению составляющих сил резания проводятся по заранее разработанной методике в определенной последовательности, при строгом соблюдении постоянства всех факторов, кроме исследуемого. Допустим, требуется определить влияние ширины фрезерования на окружную силу резания. В таком случае надо произвести измерение силы при различной ширине фрезерования. Все прочие факторы (геометрические параметры фрезы, марка обрабатываемого инструментального материала режущей части фрезы, условия охлаждения, станок, приспособление, величина износа зубьев фрезы и т. д.), а также параметры режимов резания (скорость резания, подача на зуб, глубина фрезерования) должны быть неизменными. После экспериментов обрабатывают результаты. Обработка сводится к построению соответствующих графиков, получению математических зависимостей и т. д. Тангенциальная (окружная) составляющая силы резания Pz при точении выражается следующей формулой: Pz=сpbа0,75, (66) где ср – постоянный коэффициент, зависящий от физико-механических свойств обрабатываемого материала.  Из формулы (66) следует, что ширина среза влияет на Pz в большей степени, чем толщина среза.  Если в формулу (66) подставить вместо а и b их выражения по формулам, то получим Pz = cp/(sinφ)0,25*ts0,75 = Cts0,75, (67) Таким образом, легко перейти от выражения тан ген циальной составляющей силы резания р~ через физические параметры процесса резания (ширину среза и толщину среза) к выражению через технологические параметры процесса (глубину резания и подачу). Формула окружной составляющей силы резания pz при фрезеровании может быть выражена также через ширину и толщину среза, а именно: Pz = cp(Bz’)а0,75. (68) Если в формулу (68) подставить вместо а и Bz’ их выражения по формулам (58) и (61) – для цилиндрического фрезерования, и по формулам (55) и (60) – для торцового фрезерования, то получим формулу для Pz Pz = cpBzsz0,75 * (t/D)q где q – показатель степени при t/D.  Формулу для силы Pz можно найти в справочниках по режимам фрезерования и в справочниках технолога.  Эффективная мощность Ne – мощность, необходимая для осуществления процесса резания (без учета к.п.д. станка). Она равна произведению окружной (тангенциальной) составляющей силы резания Pz(кГ) на скорость резания v (м/мин).  В технике за единицу мощности принимают лошадиную силу, которая равна 75 кГ*М/сек или 60*75 кГМ/мин.  В этом случае формула для вычисления мощности имеет вид Ne = Pzv/75*60 л.с. (69) Одна лошадиная сила (л. с.) равна 0,736 киловатта (квт), или 1 квт равен 1,36 л. с. Следовательно, эффективная мощность резания, выраженная в киловаттах, будет Ne = Pzv/1.36*75*60 = Pzv/6120 квт.   По величине Pz подсчитывают необходимый для осуществления процесса резания крутящий момент М:  М = PzD/2 кГ*мм, где D – диаметр фрезы, мм.  Удельное давление р представляет собой отношение силы резания Pz к площади поперечного сечения среза F:  p = Pz/F кГ/мм2.   Если известно значение удельного давления, то можно приближенно определить окружную силу резания Pz, по формуле  Pz= р * F.  Величина удельного давления зависит главным образом от физико-механических свойств обрабатываемого материала, толщины среза и геометрических параметров инструмента. Так, например, для стали σв =75 кГ/мм2 удельное давление р составляет 400 – 550 кГ/мм2, для чугуна р=200 – 300 кГ/мм2.

Фрезерование пантеры | Пример использования продукции | HAIMER

Команда немецкой хоккейной лиги (DEL) «Аугсбургер Пантер» — самые известные «пантеры» в Германии. Их верный болельщик, партнер и спонсор — компания Haimer GmbH, расположенная в г. Игенхаузене всего в получасе езды от Аугсбурга. HAIMER — семейное предприятие, которое является лидером рынка и разрабатывает, производит и продает высокоточные зажимные приспособления для металлорежущего инструмента. В компании возникла идея выточить в испытательном центре алюминиевую пантеру. Эта выставочная деталь наглядно демонстрирует, что 5-осевое фрезерование с использованием зажимных приспособлений HAIMER и цельных твердосплавных фрез ничем не уступает хоккею по скорости, силе и динамикe.

Руководитель испытательного центра Константин Бродовски видит и другие параллели: «В хоккее важны не только скорость и жесткая игра. Не меньшую роль играет высокое техническое мастерство каждого хоккеиста и его взаимодействие с другими игроками. Так и здесь: высокотехнологичное оборудование HAIMER должно стопроцентно подходить к самым современным станкам и программному обеспечению CAD/CAM высшего класса».

Двойной пас от металлообработки к программированию

В поисках товарищей по команде для реализации проекта «Пантера» компания HAIMER обратилась к разработчику программного обеспечения CAD/CAM OPEN MIND из г. Весслинга, с которым она сотрудничает уже давно. Многие металлообработчики считают систему CAM hyperMILL^® от OPEN MIND ведущим решением для 5-осевой обработки и, следовательно, это ПО оптимально подходит для программирования деталей свободной формы. В ответ на вопрос, готов ли инженер OPEN MIND запрограммировать необычную деталь и вырезать ее на оборудовании HAIMER, прозвучало уверенное «Да». Кристиан Нойнер, менеджер по глобальным услугам инжиниринга, поясняет: «Такая модель — отличная возможность продемонстрировать многообразие и гибкость нашего программного обеспечения. Ведь пантера может символизировать и нашу работу. hyperMILL^®имеет множество функций, позволяющих пользователю CAM вывести станки на максимальную производительность, чтобы быстро достичь желаемого результата».

Поэтому инженер по прикладным задачам Якоб Нордман на пару недель переместился в Игенхаузен, чтобы совместно с технологом HAIMER Даниэлем Свободой оптимально запрограммировать и изготовить фигуру пантеры. Для фрезерования в испытательном центре HAIMER был выбран станок для пятиосевой обработки DMG MORI HSC70 linear. Он работает быстро и точно, поэтому оптимально подходит для фрезерования алюминия и качественной обработки поверхностей.

(PDF) Determination of the optimal cutting speed for milling of complex-profile thin-walled elements of parts

Серія: Технічні науки

16

5. Внуков Ю.Н. Стенд для изучения механических колебаний при фрезеровании маложестких деталей

концевыми фрезами / Ю.Н. Внуков, В.А. Логоминов, П.А. Каморкин // Резание и инструмент в

технологических системах : междунар. науч.-техн. сб. – Харьков : НТУ «ХПИ», 2011. – Вып. 80. – С. 32–37.

6. Устройство для исследования условий контактирования инструмента с деталью при цилиндрическом

фрезеровании тонкостенных деталей / А.И. Гермашев, С.И. Дядя, Е.Б. Козлова, Ю.Н. Внуков // «Инженерия

поверхности и реновация изделий» : тезисы доклада XV Международной научно-технической

конференции, 1–5 июня 2015 г., г. Затока. – К. : АТМ Украины, 2015. – С. 45–47.

7. Пат. 94974 Україна, МПК (2006) G01h21/00, G01M7/02. Стенд для дослідження коливань при кінцевому

циліндричному фрезеруванні тонкостінних елементів деталей / В.О. Логомінов, А.І. Гермашев, С.І. Дядя,

О.Б. Козлова ; заявник та власник патенту Запорізький національний технічний університет. – № 201405981 ;

заявл. 02.06.14 ; опубл. 10.12.14, Бюл. № 23. – 6 с.

8. Kitagawa T. Temperature and wear of cutting tools in high-speed machining of Inconel 718 and Ti 6Al 6V 2Sn /

T.Kitagawa, A.Kubo, K.Maekawa // Wear. – 1997. – Vol. 202. – № 2. – Pр. 142–148.

9. Simulation on Cutting Temperature during High-Speed Milling Aluminum Alloy 7055 / L.Tan, C.F. Yao, W.Zuo,

D.X. Wu // Applied Mechanics and Materials. – Trans Tech Publications, 2013. – Vol. 328. – Pр. 486–490.

10. Temperature on flank face of cutting tool in high speed milling / T.Ueda, A.Hosokawa, K.Oda, K.Yamada // CIRP

Annals-Manufacturing Technology. – 2001. – Vol. 50. – № 1. – Pр. 37–40.

References:

1. Baranovskij, Ju.V., Brahman, L.A, Gdalevich, A.I. and Korchemkin, A.D. (1995), Rezhimy rezanija metallov,

spravochnik, NIITavtoprom, Moskva, 456 p.

2. Baranchikov, V.I., Zharinov, A.V., Judina, N.D. and Sadyhov, A.I. (1990), Progressivnye rezhushhie instrumenty i

rezhimy rezanija metallov, spravochnik, Mashinostroenie, Moskva, 400 p.

3. Belikov, S.B., Germashev, A.I., Logominov, V.A., Kozlova, E.B. and Krishtal’, V.A. (2017), «Osobennosti

koncevogo frezerovanija slozhno-profil’nyh tonkostennyh detalej», Novі materіali і tehnologії v metalurgії ta

mashinobuduvannі, No. 2, pp. 15–22.

4. Vnukov, Ju.N., Germashev, A.I., Djadja, S.I. and Kozlova, E.B. (2015), «Metodika opredelenija uslovij

kontaktirovanija instrumenta s tonkostennoj detal’ju pri ee koncevom frezerovanii», Rezanie i instrument v

tehnologicheskih sistemah, mezhdunarodnyj nauchno-tehnicheskij sbornik, Vol. 85, NTU «HPI», Har’kov, pp. 48–55.

5. Vnukov, Ju.N., Logominov, V.A. and Kamorkin, P.A. (2011), «Stend dlja izuchenija mehanicheskih kolebanij pri

frezerovanii malozhestkih detalej koncevymi frezami», Rezanie i instrument v tehnologicheskih sistemah,

mezhdunarodnyj nauchno-tehnicheskij sbornik, Vol. 80, NTU «HPI», Har’kov, pp. 32–37.

6. Germashev, A.I., Djadja, S.I., Kozlova, E.B. and Vnukov, Ju.N. (2015), «Ustrojstvo dlja issledovanija uslovij

kontaktirovanija instrumenta s detal’ju pri cilindricheskom frezerovanii tonkostennyh detalej», XV Mezhdunarodnaja

nauchno-tehnicheskaja konferencija «Inzhenerija poverhnosti i renovacija izdelij», tezisy doklada, ot 1–5 ijunja,

Zatoka, ATM Ukrainy, Kiev, pp. 45–47.

7. Logomіnov, V.O., Germashev, A.І., Djadja, S.І. and Kozlova, O.B., Zaporіz’kij nacіonal’nij tehnіchnij

unіversite (2014), MPK (2006) G01h21/00, G01M7/02. Stend dlja doslіdzhennja kolivan’ pri kіncevomu

cilіndrichnomu frezeruvannі tonkostіnnih elementіv detalej [A stand for the study of oscillations in the finite

cylindrical milling of thin-walled elements of parts], State Register of Patents of Ukraine, Kiїv, UA, Pat. № 94974.

8. Kitagawa, T., Kubo, A. and Maekawa, K. (1997), «Temperature and wear of cutting tools in high-speed machining

of Inconel 718 and Ti 6Al 6V 2Sn», Wear, Vol. 202, No. 2, pр. 142–148.

9. Tan, L., Yao, C.F., Zuo, W. and Wu, D.X. (2013), «Simulation on Cutting Temperature during High-Speed Milling

Aluminum Alloy 7055», Mechanics and Materials, Vol. 328, Trans Tech Publications, pр. 486–490.

10. Ueda, T., Hosokawa, A., Oda, K. and Yamada, K. (2001), «Temperature on flank face of cutting tool in high speed

milling», CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 50, No. 1, pр. 37–40.

Гермашев Антон Игоревич – кандидат технических наук, докторант кафедры «Технологии

машиностроения» Запорожского национального технического университета.

Научные интересы:

– концевое фрезерование тонкостенных деталей;

– динамика фрезерования;

– обработка сложнопрофильных поверхностей.

E-mail: [email protected].

Логоминов Виктор Алексеевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии

машиностроения» Запорожского национального технического университета.

Научные интересы:

– концевое фрезерование тонкостенных деталей;

– динамика процессов лезвийной обработки;

– качество фрезерования тонкостенных деталей.

E-mail: [email protected].

Фрезерный станок с ЧПУ: ПОЛНЫЙ разбор, виды комплектация

На фрезерном станке производят изделия из металла, оргстекла, пластика, древесины и многих других. На фрезере возможна, как поперечная резка, так и создание сложных криволинейных рисунков на поверхности материала.  Не важно, хотите вы гравировать огромные памятники из камня или изготавливать небольшие шкатулки из фанеры – для любой задачи найдётся подходящий фрезерный станок с ЧПУ.  

В этой статье мы расскажем о том, как выбрать такой станок и на что обратить внимание. В первую очередь нужно отталкиваться от задач: какие изделия вы будете изготавливать на фрезерном станке? Каков объём вашего производства – штучное  или потоковое? С каким материалом вы планируете работать? От ответов на эти вопросы зависят многие характеристики станка.

Содержание:

1. Рабочее поле
2. Типы фрезерных станков в зависимости от обрабатываемого материала
3. Жёсткость конструкции
4. Параметры точности станка
5. Комплектация
6. Управление станком
7. Автоматическая смена инструмента
8. Как закрепить заготовку на рабочий стол?
9. Инструмент
10. Элементы механических перемещений
11. Система удаления стружки
12. Чем различаются фрезеры A1 и M1?
13. Многоосевые станки
14. Рекомендации по выбору фрезерного оборудования

Рабочее поле фрезерного станка

Его размер зависит от вида изготавливаемой продукции и площади рабочего помещения. 

И в зависимости от этого выделяют два типа фрезерных станков ЧПУ:

Напольные фрезеры

Например, именно такой тип станка потребуется для фрезеровки дверей. Мы можем вам порекомендовать для этой задачи, к примеру, Wattsan A1 1325 или M1 1325. Его рабочее поле соответствует размеру заготовки – 1300х2500 миллиметров. 

На станках большего формата стол всегда неподвижен, а портал перемещается по оси Y.

Настольные фрезерные аппараты

Для производства небольших деревянных коробочек подойдут компактные варианты фрезеров – Wattsan 0404 и 0609. Кроме того, их можно использовать в небольшом мебельном производстве, для изготовления сувениров, отделки интерьера и экстерьера. 

Например, размер рабочего поля Wattsan 0404 – 400х400 мм., он поместится в небольшой мастерской. А в базовой комплектации этого станка есть всё, что потребуется для небольшого штучного производства – шпиндель 1,5 Квт и водяная помпа.  

Типы фрезерных станков в зависимости от обрабатываемого материала

Кроме того, выделяется несколько типов фрезерного оборудования в зависимости от обрабатываемого материала:

Высокоскоростные фрезерные ЧПУ станки 

Они предназначены для резки и раскроя металлов, дерева, двухслойного пластика, оргстекла, ПВХ, гипса. А кроме того, на них можно фрезеровать гранит и мрамор, что часто используется в ритуальном бизнесе для обработки плит и памятников.

Например, Wattsan M2S 1325. Он оснащён вакуумным столом, системой аспирации и подачи смазки, поворотным устройством и системой СОЖ. Он подойдёт, как для 3d фрезеровки, гравировки и резки дерева, оргстекла, ПВХ, алюминия и обработки плит из гранита и мрамора.

Фрезерно-гравировальные станки 

Максимальный размер размер рабочего поля такого станка 2000х4000 мм. Имеено поэтому на них обычно работают с листовыми материалами. 

К примеру, Wattsan M1 2040. На нём можно работать с заготовками больших размеров. Он предназначен для фрезерной 3d резки, гравировки и резки дерева, оргстекла, ПВХ, композита, алюминия. 

Больше всего Wattsan M1 2040 используется в промышленном производстве композитных материалов, где требуется раскрой крупных заготовок. 

Граверы

На них возможны различные виды фрезеровки, как 2d, так и 3d. 

Например, для 3d фрезеровки широко используется станок Wattsan M1 6090.

А засчёт установки 4-х осевой поворотки возможна 4d обработка. О том, какое для этого потребуется программное обеспечение мы расскажем позже. 

Узкопрофильные станки 

Они предназначены для работы с одним материалом. 

Например, Wattsan M1 1325 RD преимущественно применяется в деревообработке. Его используют для производства мебели, элементов декора для дизайна интерьеров и сувенирного производства.

На этом станке можно работать, как с мягкой, так и твёрдой древесиной. К слову, если в первом случае станок не оставляет задиров, то на твёрдом материале он будет фрезеровать ещё лучше. 

Компактные станки с ЧПУ

Wattsan 0404 mini, Wattsan 0609 mini – небольшие настольные и функциональные фрезерно-гравировальные станки. 

На них можно выполняют фрезерную 3d резку и гравировку дерева, МДФ, ДСП, оргстекла, ПВХ, композита, алюминия. Компактные станки используются для деревообработки, лёгкой промышленности, сувенирной пормышленности, отделки интерьера и экстерьера. 

Жёсткость конструкции

Это один из главных параметров, на который нужно обратить внимание при выборе станка.  Ведь иначе скорость обработки будет низкой, и, как следствие, уменьшится производительность. 

Так же, при недостаточной жёсткости в процессе работы станок будет вибрировать, что может привести, например, к поломке инструмента и сократит срок службы самого станка. Особенно это касается граверов. 

Кроме того, жёсткость конструкции станка критична при обработке твёрдых материалов. Если, например, для фрезеровки дерева это не так важно, то для обработки металла потребуется очень жёсткий станок. 

У тех станков, где меньше меньше соединений деталей посредством болтов, конструкция более жёсткая. 

Имейте ввиду, что у станков с недостаточно жёсткой конструкцией может ухудшаться точность позиционирования, так как оборудование будет вибрировать при работе. 

К примеру, если заявленная точность вашего станка 0,0001 мм, то на самом деле она может доходить до 0,1 мм. 

Параметры точности станка фрезерного станка

Точность позиционирования

Этот показатель означает, насколько точно рабочая голова станка окажется в точке с заданными координатами. Если в управляющей программе будет задана точка 150,150, станок, в зависимости от его точности позиционирования, может приехать, как точно в заданную точку, так и, например, в точку 150.1, 149.9. 

Чем больше рабочее поле станка, тем сложнее добиться точности позиционирования. Кстати, при большой длине на этот показатель влияет ещё и температура в помещении, так как под воздействием тепла материал станка расширяется. Это так же влияет и на жёсткость станка.

Кроме того, есть ещё несколько факторов, влияющих на позиционирование станка — класс точности направляющих, система передачи движения, шаговые двигатели, у которых разница между шагами может быть до 30%. 

Точность позиционирования нашего фрезерного оборудования составляет от 0,01 до 0,05 мм. 

Повторяемость

Под этим параметром имеется в виду погрешность, с которой станок приезжает в одну и ту же точку. 

Допустим, если вы задали станку команду приехать в определенную точку, затем отправили обратно и вернули назад, и повторили несколько раз. При хороших показателях повторяемости, станок будет приезжать точно в те же координаты, с небольшим разбросом. 

Как правило, у всех станков она от 0,02-0,05 мм, что считается неплохо. 

И именно этот показатель обычно указывается в параметре “точность” у станка.

Комплектация фрезерного станка с ЧПУ

При выборе фрезерного станка этот параметр не такой важный, как, например, жёсткость конструкции и точность позиционирования. Однако, комплектующие нужно подбирать правильно.

Итак, давайт разберёмся, из чего состоит фрезерный станок. 

Как устроен шпиндель?

Шпиндель – это мощный компактный электродвигатель. Фреза зажимается в шпинделе при помощи патрона с цанговым зажимом. Цанга обжимает хвостовик фрезы со всех сторон, в отличие от того же трёхкулачкового патрона. Это важно, потому что фреза испытывает боковые нагрузки, а цанга помогает равномерно их распределить и обеспеивает более плотный зажим. 

От мощности шпинделя зависит, с каким усилием он будет фрезеровать материал. Если она мала, то будут падать обороты, уменьшится производительность, а станок может деформироваться. 

Например, на настольных станках мощность шпинделя, как правило, невелика, поэтому толстый материал он будет резать очень медленно.

У нас есть два настольных станка – Wattsan 0404 mini и 0609 mini. Мощность шпинделя у них обоих составляет 1,5 Квт.  Их, как правило, используют для 3d фрезеровки небольших изделий – клише для тиснения, пломбираторов, медалей, икон, картин, фресок.  

В этих видах обработки не требуется особое силовое воздействие.

А вот у сверхмощного станка Wattsan M9 1325 c мощностью шпинделя 7,5 Квт область применения иная – раскрой больших и толстых заготовок МДФ, ДСП, древесины в производстве мебели, наружной рекламы и многого другого. 

Кроме того, его можно использовать в ритуальном бизнесе для фрезеровки памятников из камня. 

При выборе шпинделя обратите внимание на его характеристики, указанные в техническом паспорте – мощность и количество оборотов в минуту. Выбор этих параметров зависит от материала, с которым вы будете работать.  

К примеру, для обработки листовой фанеры потребуется мощность от 800 Вт, для твёрдой древесины, лёгких металлов и пластиков – от 1500 Вт, а для фрезеровки камня – от 3000 Вт. 

Охлаждение шпинделя фрезерного станка

Поскольку шпиндель работает на полную мощность, а КПД у него, как и у любого двигателя, не 100%, он быстро нагревается и нуждается в интенсивном охлаждении. Существуют два вида систем охлаждения шпинделя:

Водяное

Оно осуществляется засчёт циркуляции воды. Для водяного охлаждения шпинделя можно использовать помпу или чиллер. 

Из плюсов такой системы охлаждения – отсутствие шума, возможность работы на минимальных оборотах и надёжное теплоотведение. 

Рассмотрим на примере гравировки магния, при которой совершается 12000-15000 об/мин. При этом для шпинделя до 3 Квт требуется подключение к сети 220V ±10% 50Hz. А если мощность шпинделя выше 3 Квт, то потребуется подключение 380 вольт.

Недостаток водяного охлаждения шпинделя состоит в сложности конструкции, так как требуется резервуар для охлаждающей жидкости. Кроме того, если это помпа, охлаждающие свойства воды будут зависеть от температуры воздуха в помещении. За то помпы компактные.

Кроме того, шпинделю с водяным охлаждением свойственна слабая антикоррозионная стойкость внутренних деталей.

Воздушное

Это система самоохлаждения шпинделя – либо крыльчатка сверху на валу электродвигателя, которая вращается вместе с ротором шпинделя, либо бесперебойный вентилятор наверху. 

Плюсы такой системы в компактности и простоте. 

А минус в том, что если вы, к примеру, фрезеруете дерево, то крыльчатка и вентилятор будет часто загрязняться пылью, и их необходимо будет менять. 

Направляющие фрезерного станка

От них зависит точность обработки и жёсткость конструкции фрезерного станка. 

Направляющие бывают:

Круглые рельсовые

 Они, как правило, идут в комплектации бюджетных станков. На них можно обрабатывать дерево, пластики, ювелирный воск и многое другое.

Прямоугольные профильные рельсовые

Это более качественные направляющие таких брендов, как AMT, PMI, Hiwin, THK. Они применяются для обработки, которая требует наибольшей точности. 

Централизованная система смазки фрезерного станка

Она упрощает смазку направляющих и подшипников. С автоматической системой смазки вам не придётся ходить с масленкой и смазывать каждую направляющую и подшипник отдельно.

Достаточно просто наполнить маслом небольшой бак и отогнать портал по диагонали в одну сторону и обратно. И всё смазано! Система смазки значительно экономит время на техобслуживание. 

Кроме того, её можно настроить по таймеру. 

Автоматическая система смазки ставится на станки с рабочим полем от 1200х1200 мм. 

СОЖ фрезерного станка

Это смазочно-охлаждающая жидкость. Она есть во всех станках, которые предназначены для обработки металлов. СОЖ охлаждает место фрезеровки. 

В состав смазочно-охлаждающей жидкости могут входить эмульсии с добавлением дисульфида и молибдена, масла с противоизносными присадками, добавками йода, серы, хлора и фосфорорганических соединений, а так же масла с добавками серы, хлора, фосфорорганических соединений. 

СОЖ выглядит таким образом. 

Кроме того существует ещё одна система охлаждения зоны обработки металла – “масляный туман”. Она оснащена компрессором, нагнетающим масло под давлением, благодаря чему при выходе СОЖ можно наблюдать туман. 

Таким образом, СОЖ не только охлаждает зону фрезеровки, но и, смазывая инструмент, предотвращает его натирание. 

Двигатели для перемещения портала фрезерного станка

Их выбор зависит от размера рабочего поля фрезерного станка. До 1200х1200 мм — достаточно шаговых двигателей, к станку с рабочим полем 2000х3000 мм — подойдут как шаговые двигатели, так и серводвигатели. Чем они различаются между собой?  

 Шаговые двигатели

Они бюджетные и простые в управлении.  Их можно использовать для многих небольших производств — шкатулки, иконы, фрески и т.д.

Но шаговые двигатели шумят и с ростом скорости могут работать неправильно. Поэтому они не используются на производстве, где нужна высокая скорость работы, например, при резке на промышленных машинах. 

Сервоприводы

У серводвигателей есть обратная связь с управляющей программой. Это исключает вероятность сбоя шагов, не сбиваются координаты на высоких скоростях, динамика работы выше, а позиционирование более точное. 

Для работы на высокой скорости на крупном производстве рекомендуем вам оснащать станок серводвигателями. 

Сравнение шаговых двигателей и сервопривода:

• Скорость перемещения: ШД (шаговый двигатель) – 20-25 м/мин, сервопривод может перемещаться от 60 м/мин и более.
• Скорость разгона: ШД – до 120 об/мин за 1 секунду, сервопривод – до 1000 об/мин за 0,2 секунды. 

Управление станком

Как устроена управляющая программа? 

Она представляет из себя текстовый txt-файл, где каждая строка задаёт новое перемещение фрезы по оси X, Y или Z. А инструмент в свою очередь переходит из одной точки в другую. 

Управляющая программа задаёт не только координаты движения фрезы, но и команды для шпинделя – раскрутить или остановить, а также, скорость движения инструмента и вращения шпинделя. 

Из совокупности этих программ формируется G-код. 

Он передаётся на контроллер, который отвечает за дальнейшие действия станка. Существует огромное множество систем управления станком – DSP-контроллеры, NC Studio, Mach4, Moriseiki, Syntec, Weyhong, Fanuc, HAAS, Seikos, Heidenhain и др.

Программное обеспечение

Как правило, векторный чертёж для фрезеровки создаётся в Vectric Aspire. Но есть и другие программы, например, ArtCAM, Vcarve, SheetCAM и многие другие.

Выбор программного обеспечения зависит в том числе и от того, какую вы хотите делать фрезеровку. Она бывает контурной и 3d, рассмотрим их особенности.

Различия контурной фрезеровки и 3d

2d фрезеровка

Векторный макет для плоской фрезеровки можно сделать в AutoCAD или CorelDraw. 

А настройки УП для неё не отличаются множеством команд, ведь фреза идёт в одну сторону, затем, скругляется и направляется в другую. Размер макета для 2d фрезеровки обычно весил несколько килобайт.  

3d фрезеровка

В этом случае макет создаётся в специализированных программах – 3ds Max и Solidworks.

В отличие от 2d, при 3d фрезеровке инструмент, кроме движения по двум плоскостям, меняет ещё и высоту положения.  Также, при 3d обработке дерева чаще меняется рельеф, чем при 2d. 

В управляющей программе каждое такое изменение отмечается, как точка. Соответственно фреза переходит из одной точки в другую, при этом не только двигаясь влево-вправо, но и повышаясь и понижаясь. Так создаётся 3d модель. 

Размер макета для 3d фрезеровки составляет несколько мегабайт. 

Структурно эти два вида фрезеровки ничем не различаются.  Есть отличия только в поведении станка, и они являются следствием особенностей чертежа в управляющей программе. 

Автоматическая смена инструмента во фрезерном станке

Бывает так, что фрезеровку нужно делать в несколько этапов – сначала снять верхний слой толстой фрезой, а затем нанести тонкий рисунок, для чего большая фреза точно не годится.

В процессе резки больше не нужно менять фрезу вручную, потому что есть система автоматической смены инструмента, которая представляет из себя, так называемую, станцию, расположенную над шпинделем.

На ней закрепляется несколько необходимых для работы инструментов. А управляется она в программе, где задаётся, что и какой фрезой резать. Перед каждой сменой инструмента шпиндель возвращается к станции. 

Станки с размером рабочего поля от 1500х3000 мм обычно идут с автоматической сменой инструмента, они  используются на циклах обработки 5-15 мин для контурной резки. 

Исключение – станок Wattsan M4 S 1325 с 4-мя фрезами. У него нет автосмены фрезы, зато есть сразу 4 шпинделя и функция измерения длины инструмента за одну операцию для каждого из них. То есть, каждый шпиндель со своим инструментом подъезжает к специальному датчику, где проходит калибровку, после чего инструменты работают на одной высоте. 

Порядок и очерёдность работы каждого инструмента задаётся в управляющей программе. 

Как заготовка крепится на рабочем столе фрезерного станка?

Существуют различные способы – струбцина или саморезы на столе с Т-образными пазами или – вакуумный стол. Рассмотрим два этих вида столов. Итак, 

Вакуумный стол

Он закрепляет заготовку на рабочем столе силой вакуумного насоса. К нему прилагается уплотнительный шнур, который позволяет отсекать части заготовки, не влезающие на рабочее поле станка. 

У вакуумного стола есть несколько недостатков:  

• Не получится закрепить небольшие заготовки;
• Он несовместим с системой охлаждения инструмента, системой удаления стружки;
• Для закрепления дерева, МДФ, ДСП потребуется насос мощностью от 5 Квт, вследствие чего будут большие затраты на  электроэнергию. 

Но для фрезеровки больших заготовок других материалов вакуумный стол будет оптимальным выбором. 

Стол с Т-образными пазами

А вот МДФ, ДСП и дерево надёжно закрепится при помощи стола с Т-пазами. 

Обычно на него устанавливаются накладки из ПВХ, которые иногда меняются вследствие износа. Другое название этого стола – “жертвенный”. 

Инструмент для фрезерного станка

Это фреза, и она выбирается в зависимости от задач, обрабатываемого материала и его толщины. 

Фрезы изготавливаются из быстрорежущей стали (HSS) или карбида вольфрама. Стальные фрезы быстро тупятся под нагревом. А карбидные не так сильно тупятся, они острее, но более хрупкие.  

Давайте рассмотрим основные виды фрез:

“Кукуруза”

Внешне похожа на напильник. Даёт мелкую пылевидную стружку на композитах – стеклостолите и карбоне. 

Спиральная 

Такие фрезы удаляют стружку засчёт движений вверх/вниз. Они бывают, как с одной, так и несколькими кромками. И чем их больше, тем фреза жёстче.

Однозаходными фрезами режут мягкие материалы, например, фанеру. А длинная фреза позволяет разрезать толстое дерево, но при этом, может погнуться и сломаться. Фрезы с несколькими кромками используют для обработки металла.

Если, к примеру, вы режете много деталей при отсутствии вакуумного стола, то лучше оставлять стружку. Таким образом, она будет закреплять маленькие детали на листе. Это гораздо удобнее, чем оставлять между ними перемычки, ведь так они могут выскочить и прыгать по всему рабочему столу, попадая под фрезу. 

Прямая фреза

Имеет прямую режущую кромку и оставляет стружку в поле реза.

Алмазная фреза

На её поверхность нанесена алмазная крошка. Такой фрезой можно резать и гравировать стекло и камень. Но не рекомендуем работать алмазной фрезой “на сухую”, иначе она быстро испортится и оставит после себя много пыли.

Граверная фреза

 Представляет из себя срезанную наполовину иголку с очень хрупким кончиком. Будьте осторожны, если вы режете граверной фрезой под малым углом. 

 Они применяются для нанесения надписей и тонких углублений.

Спиральная фреза с полусферическим наконечником

 У неё полусферический кончик, который оставляет едва заметные “ступеньки”, в отличие, от фрез с плоским концом. Таким инструментом режут чистовой слой у ЗД барельефов. 

Элементы механических перемещений

Рассмотрим плюсы и минусы различных способов:

Шарико-винтовая передача (ШВП)

Она применяется только для станков с небольшим рабочим полем до до 1200х1200 мм. На больших станках корпус будет расположен в средней части винта, поэтому возможен прогиб. 

Максимально допустимая длина ШВП 1,5 м.

Давайте сравним два варианта станков с ШВП с размером рабочего поля 900х600 мм. Допустим, на одном из них установлена ШВП 8 мм, а на втором 16 мм. При высокой скорости работы на тонкая шагово-винтовая передача будет вибрировать по всей длине, что может привести к поломке узлов станка и инструмента. 

А ШВП диаметром 16 мм при той же скорости будет исправно перемещать узлы станка. Это позволит увеличить производительность. 

Если вы работаете на высокой скорости, рекомендуем комплектовать станок толстой ШВП. 

Зубчатая рейка

Она используется на малых и средних скоростях на станках с рабочим полем от 1200х2400 мм  и никогда не ставится на станок с сервоприводом.  

Зубчатая передача даёт большую скорость перемещения и высокую точность позиционирования. 

Система удаления стружки

При изготовлении мебельных фасадов, гравировке декора и барельефа обычно остаётся много пыли и стружки. 

Избавится от пыли поможет система вакуум-аспирации. Она похожа на большой мешок, который при помощи гофры, присоединяется к шпинделю. Гофра ограждена специальной щёткой, защищающей от стружки. Так же, рядом со станком стоит отдельный мешок, который всасывает пыль. 

Дополнительно можно заказать систему удаления стружки, которая представляет из себя строительный пылесос. Например, у Wattsan M1 1325 она есть. 

Таким образом, при резке фанеры стружка полетит в этот пылесос. 

Обязательно ли устанавливать систему удаления стружки? Конечно, нет. Но тогда будьте готовы стоять в стружке по колено. 

А при обработке карбона и стеклотекстолита рекомендуем её не вдыхать. Поэтому устанавливайте пылесос с хорошими фильтрами. Обычный бытовой пылесос не подойдёт. 

Чем различаются фрезеры A1 и M1?

Станки с конфигурацией M1 считаются более профессиональными, чем A1. 

Линейка M1 имеет высоту портала по оси z – 300 мм, что позволяет обрабатывать высокие заготовки. Кроме того, на таких моделях есть планетарные редукторы. 

 Так же, модели М1 оснащены мощными шаговыми двигателями и качественными драйверами Leadshine. Рельсы таких станков увеличены, и возможен их выход за пределы рабочего поля. 

Станки M1 отличаются устойчивостью конструкции, отсутствием вибраций на высокой скорости работы, хорошей производительность и долгим сроком службы. 

Многоосевые фрезенрные станки

Это отдельная линейка станков для профессионалов. 

Например, станки с 4-ой осью, на которую можно поставить изделие, и оно будет обрабатываться по кругу.  

Кроме того, бывают 5-ти координатные фрезеры с 5-ю степенями свободы, и они  универсальны. На таком оборудовании можно выполнять 2d и 3d резку или гравировку на любых материалах. 

Фрезер с 5-ю степенями свободы даёт возможность работать, как на большом мебельном производстве, так и с мелкими деталями. Из достоинств такого оборудования – высокое качество и скорость работы, и он полное исключение человека из производственного процесса. 

Бывает ЧПУ оборудование и с ещё большим количеством степеней свободы – роботизированные манипуляторы. 

Рекомендации по выбору фрезерного оборудования

При выборе фрезерного станка нужно учесть множество нюансов в зависимости от вашей задачи. Поэтому перед покупкой оборудования рекомендуем вам:

Уточнять у менеджеров данные о модели

В частности, информацию о том, с какими материалами работает станок.  

Всё наше оборудование проходит тройной контроль качества. И этот процесс записывается на видео, которое можно попросить у менеджеров перед покупкой станка. 

Посетить демонстрацию

Это можно сделать бесплатно перед покупкой любого оборудования. На демонстрацию можно принести свою заготовку, посмотреть, как на ней работает станок и задать вопросы по поводу его эксплуатации. 

Проверьте комплектацию

Когда вы определились с выбором станка, обязательно проверьте комплектацию узлов оборудования. Должен присутствовать блок программного управления станком, шнуры с разъёмами соответствующей конфигурации и диски с ПО. 

Всё это и не только можно сделать в процессе пусконаладочных работ, которые проводятся в нашем сервисном центре квалифицированными инженерами. 

Мы надеемся, что помогли вам в выборе фрезерного ЧПУ станка.

Измерение сил резания при фрезеровании

Под силой резания при фрезеровании понимается сила резания Fc, которая является тангенциальной и одной из наиболее важных сил (например, Рис. 1 и Рис. 3 ниже). Его можно рассчитать по-разному, в зависимости от того, какой тип динамометра применяется для измерения сил и какое усилие можно измерить напрямую.

Как измерить силы резания при фрезеровании?

Для измерения сил во время фрезерования могут использоваться как стационарные, так и вращающиеся динамометры (УЗО).

Как измерить силы резания в процессах фрезерования с помощью стационарного динамометра?

Стационарный динамометр устанавливается на столе станка, а заготовка располагается на нем. Чтобы уменьшить массу динамометра и, таким образом, минимизировать негативное влияние на его динамику, заготовка привинчивается непосредственно к динамометру; это устраняет необходимость в тяжелых (и часто нежестких) тисках.

Как показано на рис. 1 и рис. 2 ниже, при фрезеровании ортогональных составляющих силы подачи усилия Ff, нормальной силы подачи FfN и пассивной силы Fp можно измерять непосредственно с помощью стационарного динамометра.Активная сила Fa может быть рассчитана на основе измеренных Ff и FfN. Сила резания Fc и нормальная сила резания FcN также могут быть рассчитаны с использованием измеренных Ff, FfN и Fz.

Зачем измерять силы резания в процессах фрезерования

Вращающийся динамометр (УЗО) вставляется непосредственно в шпиндель станка, а инструмент соединяется с УЗО с помощью подходящих державок (см. Рис. 3 и Рис. 4). Поскольку он подключен к шпинделю станка, УЗО вращается вместе с ним во время работы.Установленный многокомпонентный датчик позволяет измерять момент шпинделя Mz непосредственно на протяжении всего измерения.

При измерении сил с помощью УЗО ось координат также вращается, но она остается устойчивой при выполнении измерений с помощью стационарного динамометра. См. Рис. 3, где силы Fx и Fy, измеренные с помощью стационарного динамометра, представлены оранжевыми векторами, а компоненты силы Fx и Fy, измеренные с помощью УЗО, представлены синими векторами.

При использовании УЗО активная сила Fa, действующая на рабочую плоскость, может быть вычислена из сил Fx и Fy. Действующая сила резания Fc и нормальная сила резания FcN могут быть рассчитаны с помощью момента шпинделя Mz, радиуса инструмента и активной силы Fa.

Процесс фрезерования является высокодинамичным процессом и поэтому предъявляет высокие требования к стабильности машинного процесса. Измеряя силы резания, можно:

• Понимать и оптимизировать производительность инструмента
• Отслеживать и сокращать отклонения от нормы машинного процесса
• Понимать и сравнивать обрабатываемость различных материалов
• Путем мониторинга и управления силами, производственными ключевыми показателями эффективности (такими как стоимость, срок поставки, качество, воздействие на окружающую среду) могут быть улучшены

«Динамометр на основе смещения для измерения усилия фрезерования» Майкла Ф.Гомес

Орхидея ID

https://orcid.org/0000-0002-8614-4528

Название степени

Доктор философских наук

Major

Машиностроение

Майор, профессор

Тони Л. Шмитц

Члены комитета

Бретт Г. Комптон, Брэдли Х. Джаред, Кевин С. Смит, Тони Л. Шмитц

Абстрактные

В рамках этого проекта будет изучена конструкция и испытание недорогого динамометра для измерения динамической силы фрезерования.Монолитная конструкция основана на кинематике на основе ограниченного движения / изгиба, где сила выводится из смещения, измеренного с помощью недорогого оптического прерывателя (то есть острие, которое частично прерывает световой луч в паре излучатель-детектор). Зависящее от времени смещение движущейся платформы динамометра, вызванное силой фрезерования, преобразуется в частотную область, умножается на обратную функцию частотной характеристики (FRF) динамометра с идеально одной степенью свободы (SDOF) и преобразуется обратно во время. -область для получения зависящей от времени силы резания.Основная наука, которую необходимо изучить, – это динамика процесса и вибрационное поведение инновационной конструкции динамометра, а также способность измерять динамические силы резания путем применения техники структурной деконволюции. Таким образом, датчик вибрации с высоким разрешением, отношением сигнал / шум и линейностью может точно вывести динамические силы из измеренного смещения с использованием FRF динамометра. Этот динамометр обеспечивает точное и воспроизводимое измерение статической и динамической силы при фрезеровании; однако этот подход можно распространить также на токарную обработку, шлифование и сверление.Динамометр SDOF с ограниченным движением будет спроектирован, изготовлен и оценен по сравнению с коммерчески доступной пьезоэлектрической динамометрической системой для проверки подхода силы резания на основе смещения. Модель процесса измельчения будет реализована путем решения дифференциальных уравнений движения второго порядка с запаздыванием, описывающих поведение при измельчении [1]. Будут проведены эксперименты для определения критического предела устойчивости для различных динамометрических систем и коэффициентов механической силы резания

.

Выбор датчика, монолитная конструкция с ограниченным движением и сопутствующий метод структурной деконволюции обеспечат инновационный, недорогой и точный динамометр силы резания для использования как в производственных, так и в исследовательских средах. Этот подход предлагает потенциал для уменьшения погрешности измерения силы резания и значительный прогресс метрологии для операций механической обработки, включая оценку износа инструмента в процессе обработки и соответствующего состояния процесса обработки.

Рекомендуемое цитирование

Гомес, Майкл Ф., «Динамометр на основе смещения для измерения силы фрезерования». Докторская диссертация, Университет Теннесси, 2021 г.
https://trace.tennessee.edu/utk_graddiss/6654

Файлы размером более 3 МБ могут открываться медленно. Для достижения наилучших результатов щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Сохранить как …»

СКАЧАТЬ

С 6 августа 2021 г.

МОНЕТЫ

Исследование по корректировке измерения силы резания с помощью настольного динамометра

% PDF-1.7 % 1 0 объект > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 2 0 obj > транслировать application / pdf10.1016 / j.procir.2016.10.035

Исследование по корректировке измерения силы резания с помощью настольного динамометра

Мин Ван

Вэй Инь

Вэй-Хун Чжан

Настольный динамометр

Фильтр Калмана

Сила резания

Процедуры CIRP, 56 (2016) 119-123. DOI: 10.1016 / j.procir.2016.10.035

Elsevier B.V.

journalProcedia CIRP © 2016 Авторское шоу Опубликовано Elsevier BV Все права защищены. 2212-82715620162016119-12311912310.1016 / j.procir.2016.10.035 http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2016.10.035VoR6.510.1016/j .procir.2016.10.035noindexElsevier2016-11-16T16: 12: 01 + 05: 302016-11-16T15: 45: 30 + 05: 302016-11-16T16: 12: 01 + 05: 30TrueAcrobat Distiller 10.0.0 (Windows) uuid : 5ee1c4e5-923d-41e8-85ae-11e65830beaeuuid: 2eb3e404-4bcc-4936-a049-506478df7c6c

http: // creativecommons.org / licenses / by-NC-nd / 4.0 /

конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > транслировать HdUˎ8 + HDGn fLaE & mfer “cw? _N’6`j6dox ~ H8ϙPʂ) U)./% & XuUJUIV6xMe * HEj ڮ Pv: uhG8T] 6hk \ @ = 2 (J Jr.paʲL \ (97 “

Контроль вибрации при обработке на основе измерения динамического усилия зажима при фрезеровании тонкостенных компонентов

1.

Luo M, Hah C, Hafeez HM (2019) Четырехосное трохоидальное планирование траектории для чернового фрезерования блиски с авиационными двигателями. Chin J Aeronaut 32 (8): 2009–2016. https://doi.org/10.1016/j.cja.2018.09.001

Артикул Google ученый

2.

Urbikain G, Olvera D, de Lacalle LNL (2017) Карты контуров устойчивости с бочкообразными фрезами с учетом ориентации инструмента.Int J Adv Manuf Technol 89: 2491–2501. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9617-x

Артикул Google ученый

3.

Yao Q, Luo M, Zhang D, Wu B (2018) Определение коэффициентов силы резания в процессе обработки с учетом вибрации фрезы. Сигнальный процесс Mech Syst 103: 39–59. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.09.038

Артикул Google ученый

4.

Sorrentino L, Turchetta S, Bellini C (2017) В процессе мониторинга температуры резки во время сверления ламината FRP. Compos Struct 168: 549–561. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.02.079

Артикул Google ученый

5.

Lee KM, Huang Y, Ji J, Lin CY (2018) Метод онлайн-мониторинга температуры инструмента, основанный на физических характеристиках инфракрасного изображения и искусственной нейронной сети для сухой резки. IEEE Trans Autom Sci Eng 15: 1665–1676.https://doi.org/10.1109/TASE.2018.2826362

Артикул Google ученый

6.

Denkena B, Litwinski KM, Boujnah H (2016) Обнаружение отклонения инструмента при фрезеровании с помощью сенсорного суппорта оси для станков. Мехатроника 34: 95–99. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.09.008

Артикул Google ученый

7.

Yu P, Liu W, Gu C et al (2016) Гибкая матрица пьезоэлектрических тактильных датчиков для динамического измерения силы по трем осям.Датчики 16: 819. https://doi.org/10.3390/s16060819

Артикул Google ученый

8.

Лю М., Чжан З., Чжоу З. и др. (2015) Новый метод, основанный на датчике с оптоволоконной решеткой Брэгга для измерения усилия фрезерования. Мехатроника 31: 22–29. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.03.007

Артикул Google ученый

9.

Jauregui JC, Resendiz JR, Thenozhi S. et al (2018) Частотный и частотно-временной анализ сигналов силы резания и вибрации для мониторинга состояния инструмента.IEEE Access 6: 6400–6410. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2797003

Артикул Google ученый

10.

Кимото А., Шимада С. (2013) Предложение нового многофункционального датчика давления на основе пленок ПВДФ. IEEE Trans Instrum Meas 62: 2870–2877. https://doi.org/10.1109/TIM.2013.2261611

Артикул Google ученый

11.

Möhring H-C, Wiederkehr P, Lerez C et al (2016) Интегрированные в датчик структуры из углепластика для интеллектуальных светильников.Методические процедуры 26: 120–128. https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.08.017

Артикул Google ученый

12.

Nee AYC, Senthil Kumar A, Tao ZJ (2000) Интеллектуальное приспособление с динамической схемой зажима. Proc Inst Mech Eng Часть B J Eng Manuf 214: 183–196. https://doi.org/10.1243/0954405001517577

Артикул Google ученый

13.

Denkena B, Dahlmann D, Kiesner J (2016) Контроль производства на основе чувствительных зажимных элементов.Методические процедуры 26: 235–244. https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.08.032

Артикул Google ученый

14.

Юн Х., Юн Б.Д. (2019) Анализ надежности системы сбора энергии пьезоэлектрической вибрации с учетом нескольких событий безопасности в условиях физической неопределенности. Smart Mater Struct 28. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaf116.

15.

Li X, Yu K, Upadrashta D, Yang Y (2019) Многопоточный сэндвич-пьезоэлектрический комбайн: математическое моделирование и проверка.Smart Mater Struct 28. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaf8bf

16.

Лю И, Ву Б, Ма Дж, Чжан Д. (2017) Идентификация процесса фрезерования с учетом динамики тонкостенной заготовки. Int J Adv Manuf Technol 89: 1765–1773. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9190-3

Артикул Google ученый

17.

Feng J, Sun Z, Jiang Z, Yang L (2016) Идентификация вибрации при фрезеровании тонкостенных заготовок из титанового сплава Ti-6Al-4V на основе сигналов силы резания и топографии поверхности.Int J Adv Manuf Technol 82: 1909–1920. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7509-0

Артикул Google ученый

18.

Liu Y, Liu Z, Song Q, Wang B (2016) Разработка державки для демпфирования ограниченного слоя для повышения устойчивости к вибрации при концевом фрезеровании. Int J Mech Sci 117: 299–308. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.09.003

Артикул Google ученый

19.

Zhou X, Zhang D, Luo M, Wu B (2014) Подавление вибрации в зависимости от траектории при многоосевом фрезеровании полых лопастей вентилятора с помощью фрезы со сферическим концом. Int J Adv Manuf Technol 72: 643–651. https://doi.org/10.1007/s00170-014-5698-6

Артикул Google ученый

20.

Калински К.Дж., Галевски М.А. (2014) Наблюдение за вибрацией, поддерживаемое аппаратным моделированием при фрезеровании гибких деталей. Мехатроника 24: 1071–1082. https: // doi.org / 10.1016 / j.mechatronics.2014.06.006

Артикул Google ученый

21.

Fang B, DeVor RE, Kapoor SG (2002) Влияние демпфирования трения на динамику системы заготовка-крепление и стабильность обработки. J Manuf Sci Eng Trans ASME 124: 226–233. https://doi.org/10.1115/1.1459086

Артикул Google ученый

22.

Mittal RO, Cohen PH, Gilmore BJ (1991) Динамическое моделирование системы приспособление-деталь.Robot Comput Integr Manuf 8: 201–217. https://doi.org/10.1016/0736-5845(91)

-N

Артикул Google ученый

23.

Линессио Р.П., Де Мораис С.К., Да Силва Т. и др. (2016) Мониторинг вибрации асинхронных двигателей с помощью двухосного оптоволоконного акселерометра. Датчики IEEE J 16: 8075–8082. https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2604850

Артикул Google ученый

24.

Nishino ZT, Chen K, Gupta N (2014) Оптический датчик на основе модуляции мощности для высокочувствительных измерений вибрации. Датчики IEEE J 14: 2153–2158. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2300332

Артикул Google ученый

25.

Xie Z, Li J, Lu Y (2018) Встроенный держатель инструмента с беспроводным датчиком вибрации для мониторинга состояния фрезерного инструмента. Int J Adv Manuf Technol 95: 2885–2896. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1391-x

Артикул Google ученый

26.

Филиппов А.В., Рубцов В.Е., Тарасов С.Ю., Подгорных О.А., Шамарин Н.Н. (2018) Обнаружение перехода в дребезжащий режим при безпиковом точении инструмента путем мониторинга сигналов вибрации и акустической эмиссии. Int J Adv Manuf Technol 95: 157–169. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1188-y

Артикул Google ученый

27.

Баккер О.Дж., Папастатис Т.Н., Попов А.А., Ратчев С.М. (2013) Активное закрепление: обзор литературы и направления будущих исследований.Int J Prod Res 51: 3171–3190. https://doi.org/10.1080/00207543.2012.695893

Артикул Google ученый

28.

Huang CY, Lee RM, Yang SK (2016) Внедрение недорогих акселерометров MEMS для мониторинга вибрации в процессе фрезерования. Int Conf Appl Syst Innov IEEE ICASI 2016: 5–8. https://doi.org/10.1109/ICASI.2016.7539864

Артикул Google ученый

29.

Ма Л., Мелкоте С. Н., Касл Дж. Б. (2013) Расчетно эффективный метод, основанный на модели, для он-лайн обнаружения вибрации при фрезеровании.J Manuf Sci Eng Trans ASME 135: 1–11. https://doi.org/10.1115/1.4023716

Артикул Google ученый

30.

Luo M, Liu D, Luo H (2016) Мониторинг прогиба в режиме реального времени для фрезерования тонкостенной заготовки с использованием тонкопленочных датчиков PVDF с консольной балкой в ​​качестве датчиков примера (Швейцария) 16 :. https://doi.org/10.3390/s16091470

31.

Алтинтас Ю. (1994) Автоматизация производства. Manuf Eng 73: 271–273.https://doi.org/10.1049/me:19940612

Артикул Google ученый

32.

Toh CK (2004) Анализ вибрации при высокоскоростном черновом и чистовом фрезеровании закаленной стали. J Sound Vib 278: 101–115. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2003.11.012

Артикул Google ученый

33.

Zhang Z, Li H, Liu X et al (2018) Снижение вибрации при фрезеровании тонкостенных заготовок.Int J Mech Sci 138-139: 262–271. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.02.014

Артикул Google ученый

34.

Luo M, Luo H, Axinte D et al (2018) Беспроводная инструментальная фрезерная система со встроенными датчиками PVDF. Сигнальный процесс Mech Syst 110: 556–568. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.03.040

Артикул Google ученый

Характеристика станков и измерительной системы для фрезерования

% PDF-1.4 % 1 0 объект > поток sciencedirect.comↂ005B2ↂ005D> 2010-04-236.5truenoindex10.1016 / j.npe.2019.03.006elsevier.comↂ005B1ↂ005D> 2019-05-28T11: 19: 41 + 08: 00Elsevier2021-10-28T17: 55: 10-07: 002021-10-28T17: 55: 10-07: 00application / pdf

Нанотехнологии и точное машиностроение, 2 (2019) 23 -28. DOI: 10.1016 / j.npe.2019.03.006

Андреа Абени

Характеристики станков и измерительной системы для фрезерования

Микрофрезерование; Тест производительности станка; Биение инструмента; Силовой анализ; Модальный анализiText 4.2.0 от 1T3XTuuid: 499e297b-739d-43a9-84ec-a4104dce8077uuid: 79781dab-288f-45fe-b717-d25d20425a3d

Micromilling

Испытание производительности станка

Износ инструмента

Анализ силы конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > поток xXɎ7WX $ s3 | JdL.PYRmѨ> Rz] ~ dT

Датчики силы MARPOSS

ОПИСАНИЕ

Тензометрические датчики:

Датчики на основе тензодатчиков подходят для всех случаев, связанных с любой упругой деформацией, такой как скручивание, сила подачи или поверхностное натяжение. Они обеспечивают превосходную линейность и повторяемость в течение продолжительных периодов времени. Доступны три варианта:

• FFR (Feed-Force-Ring / Wheatstone) для интеграции в шпиндели и ось подачи
• FFP (Feed-Force-Plate / Wheatstone) для установки под револьверными головками
• STS-11 / STS-17 / STS-23 (технология поверхностного тензодатчика) для крепления с помощью 2 винтов на подходящие детали машины для определения упругости и механического напряжения

Датчик подключается к измерительному усилителю для тензодатчиков (BA-01) или напрямую к модулю GENIOR MODULAR (GEM GP ).Эти комбинации обеспечивают высокую чувствительность для обнаружения небольших изменений силы и деформации (контакт инструмента, прокатка, чистовая обработка и твердое точение), так что отклонения отображаются в начале .

Ротор DDU – это еще одно приложение для тензодатчиков , которое обеспечивает долгосрочную стабильность сигнала и используется для калибровки диапазонов усилия и крутящего момента во время нарезания резьбы и чистовой обработки.

Пьезоэлектрические датчики силы:

Пьезоэлектрические датчики обычно используются для обнаружения динамических сил, например.грамм. Коллизии . Они даже более мощные, чем тензодатчики, но подходят только для коротких циклов резки. Кольцевые датчики используются на револьверах или шпинделях:

• RS-M10 / RS-M12 / RS-M16: этот кольцевой датчик силы со встроенным усилителем заряда обычно устанавливается под винтами M10, M12 или M16 непосредственно на револьверную головку или шпиндель
• CFW: датчик силы, аналогичный датчику серии RS, но без встроенного усилителя заряда. В этом случае необходимо подключить цифровой усилитель заряда: CMD-600 (IP65)
• AKS-1 / AKS-3: датчики силы с одной, двумя или тремя осями измерения силы обычно устанавливаются между элементами машины.Встроен усилитель заряда.
• ADS-31: датчик для измерения поверхностного натяжения металлических конструкций. Этот датчик необходимо подключить к измерительному преобразователю (CFM-4 или FM-01)

ПРЕИМУЩЕСТВА

• Высокая чувствительность для обнаружения мельчайших изменений технологического усилия
• Простой монтаж
• Подходит для всех систем мониторинга Artis

ВЕРСИИ

Все датчики силы подходят для систем мониторинга процессов CTM (с измерительным преобразователем CFM-4) и GENIOR MODULAR (с измерительным преобразователем FM-01).

• ADS-31
• АКС-1 / АКС-3
• CFW
• DDU-Ротор
• FFR
• FFP
• RS-M10 / RS-M12 / RS-M16
• СТС-11 / СТС-17 / СТС-23

Измерение силы непрямого резания и регулировка силы резания с использованием Ток двигателя шпинделя

Измерение силы косвенного резания и регулирование силы резания с использованием Ток двигателя шпинделя

Измерение силы косвенного резания и резка

Регулирование силы с использованием тока двигателя шпинделя

Ги D.Ким *

Вон Т. Квон **

Чонг Н. Чу ***

* Ученый-исследователь Ги-даэ Ким, Школа механики и Аэрокосмическая техника, Сеульский национальный университет, Сеул 151-742, Корея. Тел .: + 82-2-880-1678 Факс: + 82-2-880-7259

Эл. Почта: [email protected]

** Доцент Вон Тхэ Квон, кафедра Машиностроение, Сеульский университет, Сеул 130-743, Корея. Тел: + 82-2-2210-240 Факс: + 82-2-2248-5110

Эл. Почта: kwon @ uoscc.uos.ac.kr

*** Доцент Чонг-Нам Чу, Школа механики и аэрокосмической техники, Сеульский национальный университет, Сеул 151-742, Корея. Тел: + 82-2-880-7136 Факс: + 82-2-875-2674

Эл. Почта: [email protected]

РЕФЕРАТ

Квазистатическое изменение силы резания в процессе фрезерования было измеряется косвенно с помощью тока двигателя шпинделя. Квазистатическая чувствительность ток двигателя шпинделя выше при более высоком диапазоне скорости шпинделя.Двигатель шпинделя ток не зависит от направления подачи. Линейная зависимость между сила резания и среднеквадратичный ток двигателя шпинделя при различных оборотах шпинделя. скорости была получена. Напряжение преобразователя частоты в напряжение (F / V) было измерено для определения скорости вращения шпинделя и определения силы резания при различных скорости шпинделя. На основании этих измерений сила резания регулировалась на постоянный уровень за счет контроля скорости подачи. Практичность силы резания система регулирования с использованием тока двигателя шпинделя была показана

в ФМС.

Ключевые слова: среднеквадратичный ток двигателя шпинделя, Квазистатическая чувствительность, преобразователь F / V,

Регулировка силы резания, Контроль скорости подачи

СПИСОК ЦИФР

Рис. 1:

Модель силы резания.

Рис. 2: График Боде текущего датчика Холла.

Рис. 3: Квазистатическая чувствительность корма и системы привода шпинделя.

(a) Система привода подачи

(b) Система привода шпинделя

Рис. 4: Взаимосвязь между вращением шпинделя скорость и напряжение, измеренные преобразователем F / V

Рис. 5: Зависимость силы резания и тока двигателя шпинделя. скорость подачи.

(Станок: MCH-10, DOC: 3 мм, Скорость шпинделя: 1000 об / мин,

Инструмент: твердосплавная концевая фреза, 2 зуба, диаметр = 20 мм, Заготовка: SM45C)

(a) Сила резания vs.скорость подачи

(b) Зависимость тока двигателя шпинделя от скорости подачи

Рис. 6: Зависимость тока двигателя шпинделя от силы резания.

(Станок: MCH-10, DOC: 3 мм, Скорость шпинделя: 1000 об / мин,

Инструмент: твердосплавная концевая фреза, 2 зуба, диаметр = 20 мм, Заготовка: SM45C)

(a) При повышенном передаточном числе

(b) На низком передаточном числе

Рис. 7: Эксперименты при различных скоростях резания в TCH-80 обрабатывающий центр.

(Станок: TCH-80, Переключение передач: 1400 об / мин, DOC: 0 мм ~ 5 мм,

Скорость подачи: 200 мм / мин, Инструмент: плоская концевая фреза из быстрорежущей стали, 4 зубца, Диаметр = 25 мм,

Заготовка: GC30)

Рис. 8: Экспериментальная установка для управления скоростью подачи.

Рис. 9: Блок-схема управления скоростью подачи.

Рис. 10: Схема регулировки силы резания в соответствии с пропорциональное усиление (K _p ).

Рис.11: Обработка конуса композитного материала (DOC: 1 мм ~ 4 мм, 600 об / мин).

1. Скорость подачи фиксированная (160 мм / мин)
2. Регулировка скорости подачи

Рис.12: Форма заготовки и траектория инструмента для кругового механическая обработка.

Рис.13: Обработка конусов круглого сечения (DOC: 2 мм ~ 5 мм, 3000 об / мин).

1. Скорость подачи фиксированная (170 мм / мин)
2. Регулировка скорости подачи

НОМЕР

F _T : Касательная сила, действующая на орудие труда.

F _R : Радиальная сила, действующая на инструмент.

K _T : Удельное давление резания.

a: Осевая глубина резания.

h (): Мгновенная толщина необрезанной стружки.

Угловое положение зуба.

S _t : Подача на зуб.

r ₁ : отношение радиальной силы к тангенциальной.

R: Радиус фрезы.

T _c : Момент резания.

T _{c_max} : Максимальный крутящий момент резания на оборот.

F _{c_max} : Пиковая сила резания на оборот.

I _rms : среднеквадратичное значение переменного тока ток двигателя.

I _f : Подача тока двигателя.

I _s : Ток двигателя шпинделя.

F _x : Сила подачи.

DOC: Глубина резания.

K _p : Пропорциональное усиление.

1. Введение

Оператору станка необходимо отслеживать внезапную неисправность во время обработки, например, перегрузка инструмента, отказ инструмента, станок болтовня и т. д. Было проведено множество исследований для мониторинга и диагностики неисправности при механической обработке. Сигналы силы резания, сигналы AE и сигналы ускорения использовались для контроля процесса резания [1-6].это известно, что процесс резания хорошо идентифицируется по сигналам силы резания измеряется динамометрическим станком. Однако инструментальный динамометр непрактичен для использование в промышленных средах. Другие датчики, такие как датчик AE и акселерометр чувствителен к шуму и показывает разные результаты в зависимости от прикрепленное положение. Кроме того, они могут мешать нормальной обработке. операция.

Ток двигателя можно использовать для измерения силы резания. Мотор ток пропорционален выходному крутящему моменту двигателя и, следовательно, сила резания.Таким образом, датчик измерения тока может использоваться для контроля процесс резки аналогичен динамометрическому станку. Потому что текущий измерительный датчик физически удален от ограничительной и жесткой резки сайт, он прочнее, гибче и дешевле инструмента динамометр. Stein et al. расчетное усилие резания и крутящий момент резания с использованием постоянного тока и токи серводвигателя переменного тока [7-8]. Park и Settineri контролировали процесс резки с использованием мощности двигателя шпинделя [9]. Altintas et al. использовала модель AR (1) для обнаружения инструмента обрыв по сигналу тока двигателя подачи [10].Ли и др. обнаружена поломка инструмента с использованием усовершенствованной модели тока двигателя подачи AR (1) [11]. Лю и др. под наблюдением сверлить трещины с использованием тока трехфазного асинхронного двигателя [12].

В процессе фрезерования, особенно при черновой обработке, перегрузка инструмента может привести к поломке инструмента или вибрации станка, и повредить заготовку и сам станок. Поэтому скорость подачи обычно устанавливается на низкий уровень, чтобы избежать перегрузки. Иногда операторы вручную уменьшают скорость подачи при тяжелых условиях резания и увеличить ее при легком резании состояние.Следовательно, необходимо обнаружить перегрузку инструмента и регулировать силу резания на постоянном уровне во время обработки, чтобы Повысить продуктивность. В этой статье сила резания измерялась косвенно от ток двигателя шпинделя горизонтальных обрабатывающих центров. Трудно использовать ток двигателя подачи для контроля многоосевой обработки из-за различных фазовые задержки каждой оси. С другой стороны, ток двигателя шпинделя не зависит. направления резания. После измерения силы резания на шпинделе ток двигателя, он регулировался на постоянном уровне с помощью регулятора скорости подачи.В Система регулирования силы резания была внедрена в настоящую FMS.

2. Момент резания, усилие резания и среднеквадратичный ток шпинделя

Момент резания можно рассчитать по модель силы резания, как показано на рис. 1. Сила резания может быть описана как функция давления резания, действующего на мгновенную неразрезанную площадь стружки [13].

(1)

(2)

где и тангенциальные и радиальные силы, действующие на инструмент; является удельное давление резания; a – осевая глубина резания; ч () это мгновенная толщина неразрезанной стружки; S _t – подача на зуб;  это угловое положение зуба; и является отношением радиальная сила к тангенциальной силе.Момент резания,, составляет рассчитывается из тангенциальной силы и радиуса фрезы, R .

T _c = R _* F _{T (3)}

Рис. 1: Модель силы резания.

Пиковый крутящий момент резания на зуб возникает, когда Толщина необрезанной стружки ( h () ) является максимальной. Для резки с полным погружением с четырьмя или менее зубьями на инструмент максимальный крутящий момент резания будет направлен по оси y сила резания, измеренная динамометром инструмента, умноженная на радиус фрезы при угловом положении инструмента 90 ^o .

T _{c_max} = R _* F _Y (при  = 90 ^или ) (4)

Кроме того, пиковая сила резания на зуб для резка полным погружением

(5)

Рис. 2: График Боде текущего датчика Холла.

Из уравнения. 4 и уравнение. 5, пиковая сила резания на зуб пропорционально пиковому режущему моменту.

(6)

RMS (среднеквадратичное) значение двигателя переменного тока ток эквивалентен постоянному току, который пропорционален двигателю. крутящий момент.

(7)

3. Характеристика тока двигателя шпинделя

Станки, используемые в данной работе, относятся к горизонтальной обработке. центры (модели MCH-10 и TCH-80 производства TONG-IL Heavy Industry Co.). Синхронные двигатели с постоянными магнитами используются для приводов подачи по осям x и y. а для привода шпинделя используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Шпиндель ток двигателя и двигателя питания измерялся датчиками Холла. и сила резания измерялась динамометрическим станком.Измеренные данные были хранится в компьютере через AD2200 AD преобразователь. Отношения между ток двигателя шпинделя и сила резания были получены из сохраненных данных.

Когда периодическая сила резания оценивается путем измерения ток двигателя, полоса пропускания датчика Холла должна быть выше, чем частота приложенного усилия резания, то есть частота прохождения зуба. Были проведены предварительные эксперименты по определению пропускной способности зала. датчик, как показано на рис.2.

Показано, что текущий сигнал датчика Холла не будет искажены до частоты прохождения зуба 1 кГц. Для устранения высокого частотный шум, ток двигателя измерялся через аналоговый фильтр с 50 Частота отсечки Гц для двигателя подачи и 260 Гц для двигателя шпинделя.

Как правило, известно, что полоса пропускания привода подачи система составляет около 40 Гц, а полоса пропускания системы привода шпинделя ниже чем 5 Гц [14].Пропускная способность системы важна для измерения динамического действия станка, такие как поломка инструмента и вибрация. Однако для регулировка силы резания, требуется только пиковая сила резания. Чтобы определить квазистатическая чувствительность системы привода подачи, отношение пиковых среднеквадратичных значений подавать ток двигателя ( I _f ) до пикового усилия подачи ( F _x ) за оборот. Аналогично для определения квазистатической чувствительности системы привода шпинделя, отношение пикового среднеквадратичного значения тока двигателя шпинделя ( I _s ) к пиковому крутящему моменту резания ( T _c ) на оборот.

(где, Ред. – количество оборотов инструмента)

Квазистатическая чувствительность

На рис. 3 показано изменение квазистатической чувствительности. системы подачи и привода шпинделя при увеличении скорости шпинделя. К минимизировать шумовой эффект, использовались скользящие усредненные данные. Каждая точка представляет среднее отношение силы тока к силе подачи или резания крутящий момент при увеличении скорости вращения шпинделя

с 300 об / мин до 3000 об / мин. В этих экспериментах подача на зуб был зафиксирован на 0.15 мм / мин, глубина резания – 4 мм при обработке твердосплавной концевой фрезой. имеющий 2 флейты. По мере увеличения скорости вращения шпинделя квазистатическая чувствительность система привода подачи уменьшается, а система привода шпинделя увеличивается.

Рисунок 3

Обрабатывающий центр, использованный в этом исследовании, меняет передаточное число шпинделя при 900 об / мин от высокого передаточного числа (1: 4,81) до низкого передаточного числа (1: 1.157). Из-за влияния на двигатель другой зубчатой ​​муфты. крутящий момент, квазистатическая чувствительность системы привода шпинделя показывает разрыв при 900 об / мин.

Главный недостаток использования тока двигателя при оценке резания сила заключается в том, что соотношение между током двигателя и статическим резанием сила изменяется при изменении скорости вращения шпинделя. Чтобы преодолеть эту проблему

, Напряжение преобразователя частоты в напряжение (F / V) пропорционально шпинделю Скорость вращения измерялась, как показано на рис.4.

Рис. 4: Взаимосвязь между скоростью вращения шпинделя и напряжение, измеренное от преобразователя F / V.

Напряжение, измеренное преобразователем F / V, при каждом передаточном числе. показано, что пропорционально скорости шпинделя. По измеренному напряжению Скорость вращения шпинделя можно определить.

Из предварительных экспериментов связь между пиковое усилие резания и среднеквадратичный ток шпинделя на оборот. при различных условиях резания. На рис.5 показаны вариации пика усилие резания и среднеквадратичный ток шпинделя при изменении скорости подачи от 30 мм / мин до 500 мм / мин.Скорость шпинделя была зафиксирована на уровне 1000 об / мин. Когда скорость подачи низкая, размерный эффект вызывает нелинейность [15]. Среднеквадратичный ток шпинделя показывает то же самое поведение, как показано на рис. 5.

Рис.5: Зависимость силы резания и тока двигателя шпинделя от скорости подачи (Станок: MCH-10, DOC: 3 мм, Скорость шпинделя: 1000 об / мин, Инструмент: твердосплавная концевая фреза, 2 зубьев, Диаметр? = 20 мм, Заготовка: SM45C).

Линейная зависимость между силой резания и Среднеквадратичный ток шпинделя был получен независимо от скорости подачи, как показано на рис.6.

Рис.6: Зависимость тока двигателя шпинделя от силы резания

(Станок: MCH-10, DOC: 3 мм, Скорость шпинделя: 1000 об / мин,

Инструмент: твердосплавная концевая фреза, 2 зубца, диаметр? = 20 мм,

Заготовка: SM45C).

Для получения более надежной связи между пиком сила резания и среднеквадратичный ток шпинделя, другие эксперименты проводились с другой обрабатывающий центр при разных режимах резания. Результаты изображенный на рис.7. По мере увеличения глубины резания при фиксированной скорости подачи пик сила и среднеквадратичный ток шпинделя увеличивались линейно. Как скорость шпинделя изменяется, линейная зависимость между силой резания и среднеквадратичным значением шпинделя ток изменился.

Рис.7 Эксперименты при различных скоростях резания в ТЧ-80 обрабатывающий центр (Станок: TCH-80, Переключение передач: 1400 об / мин, DOC: 0 мм ~ 5 мм, Скорость подачи: 200 мм / мин, Инструмент: плоская концевая фреза из быстрорежущей стали, 4 зубца, диаметр = 25 мм, Заготовка: GC30).

8.Контроль скорости подачи

На рисунке 8 показана конфигурация система контроля скорости подачи. Программа программируемого контроллера станка была изменена таким образом, чтобы что компьютер и плата DSP могут контролировать скорость подачи. Порт DIO на плата DSP TMS320C32 использовалась для управления процентом коррекции скорости подачи от 0% до 255%. Датчики на эффекте Холла измеряют фазу U и V токи шпиндельного двигателя.

Путем измерения напряжения преобразователя F / V шпинделя и получая линейную зависимость между силой резания и среднеквадратичный ток шпинделя из предварительных экспериментов, сила резания может быть оценивается независимо от условий резания.

Рис. 8: Экспериментальная установка для управления скоростью подачи

Блок-схема системы управления скоростью подачи показана на рис. 9. (в конце статьи).

Плата DSP

использовалась для обработки измеренного тока и выполните следующие расчеты. Во-первых, среднеквадратичный ток двигателя шпинделя равен получены и сопоставлены с максимальным и минимальным порогом, определенным в предварительные эксперименты. Если значение больше максимального порога или меньше минимального порога, разница между измеренным током и рассчитывается порог.Затем скорость подачи уменьшается на величину пропорционально разнице, когда действующий ток шпинделя больше, чем максимальный порог. Скорость подачи увеличивается, когда среднеквадратичный ток шпинделя равен меньше минимального порога. Когда скорость подачи контролируется пропорционально разнице между максимальным и минимальным порогом и величине пропорциональное усиление ( K _p ) определяется методом проб и ошибок путем предварительных экспериментов. Когда разрыв между максимальным и минимальным порогом равен меньше, чем текущий шум, или когда пропорциональное усиление велико, система управления имеет тенденцию быть нестабильной, и сила резания расходится.Когда разрыв между максимальным и минимальным порогом велик или пропорциональное усиление невелико, система стабильна, но сила резания не регулируется на постоянном уровне. В влияние контроля скорости подачи на шероховатость поверхности в этом исследовании не учитывалось, потому что предотвращение перегрузки инструмента и сокращение времени резания больше важно при черновой обработке.

Рис.9 Блок-схема системы контроля подачи

Влияние пропорционального усиления на регулирование сила резания и ток двигателя шпинделя показаны на рис.10. В этом эксперименте глубина резания увеличилась с 1 мм до 5 мм с шагом 1 мм. Инструмент был твердосплавная плоская концевая фреза, материал заготовки – SM45C. Когда глубина резания достиг 3 мм, ток двигателя шпинделя стал больше максимального порога и был начат контроль скорости подачи. Пропорциональное усиление и Максимальный пороговый зазор был установлен на 0,5 и 0,4 А соответственно. Внезапный Приращение силы резания на входе или на ступеньке было неизбежным.

Фиг.10: Схема регулировки силы резания согласно пропорциональному усилению (K _p ).

На рис. 11 (а) показано усилие резания и изменения тока шпинделя при изменении материала заготовки с SM45C на Алюминий во время механической обработки. Глубина резания постепенно увеличивалась с 1 мм до 4 мм при скорости вращения шпинделя 600 об / мин. Как видно на рис. 11 (б), сила резания регулировалась на постоянном уровне.

Рис.11: Обработка конуса из композитного материала

(DOC: 1 мм ~ 4 мм, 600 об / мин)

На рисунке 12 показана форма заготовки и траектория инструмента для обработки конусов круглых сечений.Инструмент перемещался от A к B линейно. движение. Глубина резания составляла 2 мм при прямолинейном перемещении, а частота вращения шпинделя составляла 3000 об. / Мин. Затем инструмент перемещался к C круговыми движениями с глубиной резания. постепенно увеличиваясь от 2 мм до 5 мм. Он вернулся в B с глубиной резания постепенно уменьшается с 5 мм до 2 мм.

Рис.12: Форма заготовки и траектория движения инструмента для круговой обработки

На рисунке 13 показано изменение силы резания, среднеквадратичный ток шпинделя и контролируемая скорость подачи при круговом конусе механическая обработка.Показано, что даже при многоосевой обработке с высоким шпинделем скорость вращения, сила резания может быть надежно оценена и отрегулирована используя ток двигателя шпинделя. Следует отметить из рис. 13 (а), что ток шпинделя внезапно снизился в области B из-за замедления двигателя подачи. Из-за внезапного уменьшения тока шпинделя скорость подачи внезапно увеличилась когда скорость подачи регулируется, как показано на рис. 13 (b).

(a) Скорость подачи фиксированная (170 мм / мин)

Фиг.13: Обработка круглого конуса (DOC: 2 мм ~ 5 мм,

3000 об / мин).

В случае, если двигатель шпинделя запускается или ускоряется, большой ток течет в двигатель шпинделя. Большой ток, индуцированный во время ускорение следует отличать от большого тока шпинделя из-за перегрузка инструмента. В этом исследовании большим током пренебрегают, если он в течение 3 секунд после того, как двигатель шпинделя начнет вращаться.

Представленный метод успешно внедрен в механическую обработку. центр в ФМС отрасли.Плата DSP имеет собственный ЦП и используется для получать текущие сигналы и контролировать скорость подачи. Это не только позволяет в режиме онлайн управления, но также позволяет избежать конфликта между управляющим компьютером машины и главный компьютер в центре УФМС во время связи.

5. Выводы

1. Ток двигателя шпинделя использовался для косвенного измерения силы резания. Было показано, что среднеквадратичное значение трехфазных токов пропорционально сокращению сила.
1. Квазистатическая чувствительность тока двигателя шпинделя к резанию усилие выше в диапазоне высоких скоростей шпинделя.Ток двигателя шпинделя также имеет преимущество для оценки силы резания над током двигателя подачи во время многоосное движение, такое как круговое движение.
2. Отношение линейности между силой резания и двигателем шпинделя. ток меняется при изменении скорости резания. Частота к напряжению (F / V) напряжение преобразователя было измерено для определения скорости вращения шпинделя и определить линейную зависимость между током двигателя шпинделя и сила резания при различных скоростях вращения.
3. Сила резания регулировалась на постоянном уровне с помощью контроля скорости подачи. Когда сила резания регулируется, среднеквадратичный ток шпинделя остается между максимальный и минимальный порог, определенный в предварительных экспериментах при различных скоростях вращения шпинделя.
4. Представленный метод был реализован на обрабатывающем центре действующего FMS. Плата DSP использовалась для импорта сигналов тока от обрабатывающего центра и для управления скоростью подачи путем отправки сигналов коррекции на станок контроллер.

ССЫЛКИ

1. J. Tlusty, Y. S. Tarng. Обнаружение поломки фрезы при фрезеровании. Летопись CIRP 1988; 37: 45-51.
2. Я. Алтинтас, И. Йеллоули, Дж. Тласти. Обнаружение поломки инструмента в Фрезерные операции. Журнал ASME по проектированию для промышленности 1988; 110: 271-277.
3. Ю. Алтынтас. Обнаружение поломок инструмента в процессе работы с использованием временных рядов Мониторинг режущих сил. Int. J. Mach. Инструменты Производство. 1988; 28 (2): 157-172.
4. Ю. Алтынтас, И. Йеллоули. Обнаружение отказа инструмента в процессе фрезерования с использованием моделей силы резания. Журнал ASME по проектированию для промышленности 1989; 111: 149-157.
5. Д. Ян, Т. И. Эль-Вардани, М. А. Эльбестави. Мультисенсорная стратегия для инструмента Обнаружение отказов при фрезеровании. Int. J. Mach. Производство инструментов 1995; 35 (3): 383-398.
6. С. К. Линь, М. Р. Ху. Система контроля низкой вибрации при токарной обработке. Int. J. Mach. Инструменты Производство. 1992; 32 (5): 629-640.
7. Дж.Л. Штейн, Д. Колвин, Г. Клевер, К. Х. Ван. Оценка сервопривода постоянного тока Приводы подачи станков как датчики силы. Журнал ASME по динамическим системам Измерение и контроль 1986; 108: 279-288.
8. J. L. Stein, C. H. Wang. Анализ контроля мощности на асинхронном приводе переменного тока Системы. Журнал ASME по измерению и управлению динамическими системами, 1990; 112: 239-248.
9. Дж. Дж. Парк, Л. Сеттинери. Оценка момента резания с использованием мощности шпинделя Измерения. Сделки НАМРИ МСП 1994; 24: 85-90.
10. Ю. Алтынтас. Прогнозирование сил резания и поломки инструмента при фрезеровании от Измерение тока привода подачи. Журнал ASME по инженерии для промышленности 1992; 114: 386-391.
11. J. M. Lee, D. K. Choi, J. Kim, C. N. Chu. Мониторинг поломки инструмента в реальном времени для процесса фрезерования с ЧПУ. Летопись CIRP 1995; 44: 59-62.
12. Х. С. Лю, Б. Ю. Ли, Ю. С. Тарнг. Мониторинг разрушения бурового Измерение тока трехфазного асинхронного двигателя. Int. J. Mach. Инструменты Производство.1996; 36 (6): 729-738.
13. М. Э. Мартелотти. Анализ процесса фрезерования. Журнал ASME Машиностроение для промышленности 1941; 63: 667.
14. К. Мацусима, П. Берток, Т. Сата. Обнаружение поломки инструмента в процессе Контроль тока двигателя шпинделя станка. Измерение и контроль для серийного производства, Зимнее ежегодное собрание ASME 1982: 14-19.
15. В. А. Клайн, Р. Э. ДеВор, Дж. Р. Линдберг. Прогнозирование режущих сил в торцевом фрезеровании с применением для угловых пропилов.Int. J. Mach. Инструмент Des. Res. 1982; 22 (1): 7-2

.