Диссертация (1025147)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. БауманаНа правах рукописиНиколаев Сергей МихайловичИдентификация параметров моделей динамики сложнопрофильныхдеталей при обработке фрезерованиемСпециальность:01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н., профессорВоронов Сергей АлександровичМосква, 20172СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..6ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ИУТОЧНЕНИЯМОДЕЛЕЙДИНАМИКИМЕХАНИЧЕСКИХКОНСТРУКЦИЙ……………….…………………………………………..151.1. Расчетный и экспериментальный модальный анализ……………….151.2.
Неточности в КЭ-моделировании и модальных испытаниях……….161.3. Методы экспериментального модального анализа………………….181.4. Задача уточнения конечно-элементной модели по результатаммодальных испытаний……………………………………………………….1.5.ПрименениеметодовуточненияКЭ-моделейдля23выборарациональных режимов обработки сложнопрофильных деталей………1.5.1. Последовательность разработки технологического процесса….30301.5.2. Структура комплексной математической модели динамикифрезерования …………………………………………………………………341.5.3.
Методика выбора рациональных режимов обработки …………371.5.4. Необходимость идентификации и уточнения расчетных моделейдинамики узлов технологической системы для выбора рациональныхрежимов обработки………………..…………………………………………381.6. Методы детектирования «чаттера» и выбора виброустойчивыхрежимов обработки…………………………………………………………..401.7. Выводы по первой главе……………………………………………….44ГЛАВА2.ИДЕНТИФИКАЦИЯДИНАМИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМ….462.1. Задача идентификации модальных параметров………………………463Стр.2.2. Ударное тестирование…………………………………………………472.3. Программное обеспечение для проведения модальных испытаний всреде LabView………………………………………………………………..492.4.
Методы идентификации модальных параметров механическойсистемы……………………………………………………………………….512.4.1. Метод ширины пика……………………………………………522.4.2. Метод стохастической идентификации подпространств…….532.5. Апробация алгоритмов идентификации модальных параметров натестовом примере ……………………………………………………………592.6. Сопоставление результатов идентификации модальных параметровпри использовании различных типов датчиков…………………………….692.7.
Идентификация модальных параметров заготовки лопатки ГТД спомощью ударного тестирования…………………………………………...742.7.1. Результаты анализа изменения собственных частот колебаний впроцессе обработки…………………………………………………………..782.7.2. Результаты анализа изменения коэффициентов демпфированиязаготовки в процессе обработки……………………………………………812.8. Выводы по второй главе………………………………………………84ГЛАВА3.УТОЧНЕНИЕКОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙМОДЕЛИЗАГОТОВКИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ……873.1. Анализ чувствительности собственных частот механическойсистемы к изменению приведенных параметров упругости и плотности...873.2. Итерационная процедура уточнения КЭ-модели …………………...…903.3.
Структура разработанного ПО для уточнения модели………………913.3.1. Стабилизация процедуры уточнения……………………………934Стр.3.3.2. Кластеризация параметров……………………………………….943.4. Уточнение модели заготовки лопатки газотурбинного двигателя …953.5.Уточнениемоделилопаткивторойступеникомпрессорагазотурбинного двигателя АЛ-31Ф…………………………………………. 1023.6. Выводы по третьей главе………………………………………………107ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ВЫБОРА ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ РЕЖИМОВОБРАБОТКИ ФРЕЗЕРОВАНИЕМ ………………………………………… 1084.1. Метод выбора рекомендуемых диапазонов частоты вращенияшпинделя на основе диаграммы устойчивости……………………………1084.2. Метод выбора режимов на основе детектирования «чаттера», прифрезеровании податливых деталей…………………………………………1184.3.
Применение метода сингулярного спектрального анализа кдетектированию «чаттера» при фрезеровании…………………………….. 1194.4. Метод детектирования «чаттера» при фрезеровании………………… 1234.5. Построение «карты режимов» обработки на примере фрезерованияподатливой заготовки………………………………………………………..1254.6. Выводы по четвертой главе…………………………………………...135ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ИДЕНТИФИКАЦИИПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ НА ПРИМЕРЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХРЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ЛОПАТКИ ГТД ……………………………… 1375.1. Моделирование процесса фрезерования лопатки ГТД……………...1375.2. Многовариантное моделирование процесса обработки и построениекарты режимов……………………………………………………………….1415.3. Выбор оптимальных режимов обработки ……………………………1435Стр.5.4. Анализ влияния коэффициентов модального демпфированиязаготовки на диаграмму режимов…………………………………………...
1445.5. Выводы по пятой главе………………………………………………..148ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ…...…………………………..150СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………...………152ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………… 1656ВВЕДЕНИЕВ настоящее время во многих отраслях машиностроения наблюдаетсятенденция к увеличению автоматизации циклов разработки, проектирования ипроизводства изделий.
Все большее распространение получает использованиечисленных моделей на всех стадиях проектирования и производства.Автоматизация проектирования особенно актуальна в аэрокосмической,оборонной,автомобильной,энергетическойпромышленности,гдепредъявляются повышенные требования к качеству изделий. В настоящее время,отечественные предприятия, вовлеченные в разработку и производствовысокотехнологичныхизделий,такжестремятсяповыситьстепеньавтоматизации и компьютеризации производства.
Данная тенденция приводит ктому,чтонабольшинствевысокотехнологичныхмашиностроительныхпредприятий активно внедряются современные программные комплексыавтоматизированногопроектированияCAD/CAM/CAE.Использованиеподобных комплексов облегчает взаимодействие инженеров-конструкторов,инженеров-технологов и инженеров-расчётчиков, а также позволяет сократитьколичество итераций цикла доводки изделия за счет применения современныхметодов оптимального проектирования. К численной модели изделия илипроцесса, при этом, предъявляются требования адекватного описания поведениясоответствующей конструкции. Для этого необходимо, чтобы результатыматематическогомоделирования,например,механическиенапряжения,прогибы, собственные частоты колебаний соответствовали результатамэкспериментальных исследований.
Таким образом, задача верификациичисленных моделей изделий и процессов является крайне важной, так как отнадёжности используемых моделей зависит эффективность подхода в целом.Необходимость верификации и уточнения численных моделей по результатамэкспериментальных исследований приводит к развитию комплексных расчётноэкспериментальных методик проектирования.7Ярким примером процесса, который требует применения комплексногоподхода к проектированию является производство высокотехнологичныхизделийаэрокосмическойпромышленности,ккоторымпредъявляютсяповышенные требования качества. Одним из наиболее сложных и важныхпроцессов в рамках производства является механическая обработка податливых,сложнопрофильныхдеталей,выполненныхизтруднообрабатываемыхматериалов (лопатки газотурбинных двигателей, импеллеры, корпусные деталилетательных аппаратов).
Наиболее трудоёмким этапом механической обработкисложнопрофильных деталей является обработка поверхности детали с помощьюфрезерования. Из-за прерывистого характера процесса резания, при обработкефрезерованием податливых деталей, неизбежно возбуждаются вибрации.Следствием повышенных вибраций при фрезеровании детали являетсяухудшениекачестваповерхности,иувеличениебрака.Вибрации,возбуждающиеся в процессе обработки имеют различные механизмы:вынужденные колебания, возникающие вследствие периодического характерасил резания, происходят на частоте прохождения режущих кромок и её кратныхгармониках.
Минимизировать амплитуды вынужденных вибраций можно спомощью отстройки частоты прохождения режущих кромок от собственныхчастот колебаний заготовки и/или инструмента. Второй тип вибраций связан спроцессом, возникающим за счет механизма запаздывания в системеинструмент-деталь. Колебания инструмента/детали отражаются на формеобрабатываемой поверхности и оказывают влияние на динамическое поведениесистемы при резании следующим зубом фрезы.
В этом случае колебания всистеме происходят на частоте, стремящейся к одной из собственных частотсистемы, называемой также частота «чаттера». Следствием данного эффектаявляетсямногократное увеличение сил резания, амплитудколебаний,повышение температуры в зоне резания, ускоренный износ инструмента иухудшение качества поверхности детали. Проявление данного типа вибраций8свидетельствует о динамической неустойчивости процесса резания и являетсянаиболее опасным для качества обработки.Условия проявления данного эффекта зависят как от режимов обработки(скорость подачи, скорость вращения инструмента, глубина резания, углынаклона и опережения инструмента), так и от параметров динамической системы(собственные частоты колебаний, коэффициенты демпфирования, динамическаяжёсткость заготовки и инструмента).
Поэтому выбор рациональных режимовпространственного фрезерования податливых деталей требует особого подхода,учитывающего нелинейный характер поведения системы инструмент-деталь сучетом эффекта запаздывания. В работах, опубликованных авторами Y. Altintas,S. Gabor, А. Гуськов, С. Воронов, М. Козочкин, J. Tlusty, F. Klocke, T. Insperger,и др.
были выявлены основные механизмы возбуждения вибраций при резании,разработан ряд математических моделей динамики процесса, созданы различныеприспособления,позволяющиеминимизироватьнегативныйэффектотвибраций [4, 5, 6, 10, 16-19, 44-47, 78, 89].На сегодняшний день в практику большинства машиностроительныхпредприятий, занимающихся производством податливых сложнопрофильныхдеталей внедрен подход численного моделирования процесса фрезерования наоснове CAD/CAM – систем (Delcam PowerMill, Siemens NX, Гемма3D и др.).Разработка технологического процесса в данных системах включает в себяподготовку геометрической модели в CAD-модуле, моделирование кинематикиинструмента для расчета маршрута обработки в CAM-модуле, проверкапрограммы обработки на наличие ошибок и столкновений и генерация кода длястанка с ЧПУ.
Стоит отметить, что ни в одном коммерческом программномкомплексе нет возможности учитывать динамические эффекты, описанныевыше. При работе со сложными изделиями, выпуске новых изделий и/илиизготовлении деталей из новых материалов режимы, выбранные специалистомтехнологом на основе собственного опыта, могут оказаться неэффективнымиили небезопасными. Таким образом, отладка управляющей программы может9занимать много времени и существенно снизить производительность труда.Кроме того, отладка управляющей программы не гарантирует достижениянеобходимого качества поверхности детали.Для решения данной проблемы в процедуру подготовки технологическогопроцесса фрезерной обработки необходимо включить дополнительный этапвиртуальной отработки управляющей программы для станка с ЧПУ вспециализированномпрограммномобеспечении,осуществляющемимитационное численное моделирование динамики процесса обработки.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
