close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности обработки прецизионных поверхностей упругих пластин на операциях шлифования и доводки

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Колесов Александр Геннадиевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ УПРУГИХ ПЛАСТИН НА ОПЕРАЦИЯХ
ШЛИФОВАНИЯ И ДОВОДКИ
Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование
механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Севастополь – 2017
2
Работа
выполнена
в
Федеральном
государственном
автономном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Севастопольский
государственный университет» (ФГАОУ ВО «СевГУ») на кафедре «Технология
машиностроения
Научный руководитель :
доктор технических наук, профессор
Братан Сергей Михайлович,
Официальные оппоненты: Хандожко Александр Владимирович,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Металлорежущие станки и инструменты»
ФГБОУ ВО «Брянский государственный
технический университет»
Ягъяев Эльмар Энверович, кандидат
технических наук, доцент, ГБОУ ВО РК
«Крымский инженерно-педагогический
университет», заведующий кафедрой
«Электромеханика и технология сварки»
Ведущая организация
ФГБОУ ВО «Алтайский государственный
технический университет им. И.И. Ползунова»
Защита состоится 20 апреля 2017 г. в 14 30 на заседании диссертационного совета
Д.900.007.01 при ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» по
адресу: 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33 конференц-зал FESTO.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО «СевГУ»
и на сайте www.sevsu.ru
Автореферат разослан «___» _______2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.О. Харченко
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Переход к рыночным отношениям в экономике
выдвинул на передний план проблемы, связанные с выпуском конкурентоспособной продукции в машиностроении и приборостроении. «Потребителям необходима продукция,
характеристики которой удовлетворяли бы их запросы и ожидания» (ИСО/ПСК 2 9000:
2000). Высокий уровень требований к современным машинам и приборам обусловил ряд
проблем, связанных с созданием высокопроизводительных технологических процессов,
обеспечивающих изготовление деталей с заданными параметрами качества. Параметры качества определяют функциональную пригодность деталей и их эксплуатационные характеристики. Окончательно такие параметры формируются на финишных операциях, к числу
которых относятся процессы шлифования и доводки. При изготовлении широкого класса
деталей машин и приборов нужно с одной стороны – выдерживать высокие требования по
качеству получения геометрических размеров, шероховатости и физико-механическому состоянию поверхностного слоя, с другой стороны – повышать производительность их выпуска в связи с требованиями рынка. Ставится задача не только повысить точность изготовления деталей в целом, но и обеспечить стабильность их параметров. Исследования в области
создания технологических процессов формообразования рабочих поверхностей прецизионных деталей позволят повысить качество обработки деталей, а значит, и эксплуатационные
свойства всего изделия.
В настоящее время актуальной и не полностью решенной является задача обработки
прецизионных поверхностей упругих пластин, работающих при циклических знакопеременных нагрузках. Формирование точностных и качественных параметров поверхностей пластин осуществляется на операциях тонкого растачивания, фрезерования и шлифования с последующей доводкой перемычек.
Шлифование с последующей доводкой с поверхностно-активными веществами в значительной степени позволяет обеспечить требуемые технологические параметры обрабатываемых поверхностей, однако получение этих параметров носит нестабильный характер, а
сами процессы формообразования являются трудноуправляемыми. Для стабилизации показателей качества технологические режимы назначаются исходя из опыта технолога или рекомендаций, приведенных в справочной литературе. При прогнозировании состояния технологичекой системы (ТС) используются эмпирические модели протекания технологического процесса (ТП), полученные методами многофакторного планирования эксперимента. Погрешность таких моделей в ряде случаев достигает 100…300%, что не позволяет их использовать для расчета режимов резания при шлифовании и доводке прецизионных поверхностей упругих пластин. Вместе с тем процессы шлифования и доводки имеют сложную стохастическую природу, что приводит к разбросу показателей качества изделий и не позволяет
использовать все возможности этих методов вследствие отсутствия адекватного математического описания процесса
Обеспечение качества и эффективности операций шлифования и доводки возможно
только на основе разработки стохастических моделей, учитывающих вероятностную природу этих процессов. Необходимо комплексное решение этих задач, совокупность которых
представляют собой нерешенную до настоящего времени задачу.
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные положения
обеспечения точности и качества в теории шлифования, в том числе и с учетом
динамических особенностей, освещены в исследованиях: Байкалова А.В., Бакуля В.Н.,
Бокучавы Г.В., Евсеева Л.Г., Королева А.В., Корчака С.Н., Кошина А.А., Лоладзе Т.Н.,
Лурье Г.Б., Маслова Е.Н., Маталина А.А., Новоселова Ю.К.,Носенко В.А., Орлова П.Н.,
Островского В.И., Переверзева П.П., В.Н., Попова С.А., Редько С.Г., Резникова А.Н.,
Старкова В.К., Степанова Ю.С., Сипайлова В.А., Федосеева О.Б., Филимонова Л.Н.,
4
Худобина Л.В., Якимова А.В. и многих других. Выполненные исследования освещают
широкий спектр проблем, возникающих при шлифовании и доводке, они посвящены
созданию технологических процессов, обеспечивающих качественную обработку деталей,
позволяют решать комплекс задач
направленных на существенное повышение
производительности обработки, уменьшение себестоимости производства изделий,
улучшение качества выпускаемой продукции, а также повышение культуры производства и
безопасности труда. Однако, несмотря на огромную теоретическую и практическую базу до
сих пор не решена задача эффективной обработки прецизионных поверхностей упругих
пластин, решение которой требует создания комплексной стохастической модели
шлифования и доводки, учитывающей вероятностную природу и технологическую
наследственность процессов.
Целью диссертационной работы является: На основании вышеизложенного целью
диссертационной работы является: повышение эффективности обработки прецизионных
поверхностей упругих пластин за счет разработки и применения моделей и методов,
учитывающих технологическую наследственность и стохастическую природу процессов
шлифования и доводки.
Основные задачи исследования:
1. Исследовать закономерности удаления металла с обрабатываемой поверхностью при
шлифовании и доводке поверхностей упругих пластин, учитывающие стохастическую
природу процесса.
2. Выявить и формализовать взаимосвязи между технологическими параметрами и
качеством изготовления прецизионных поверхностей при шлифовании и доводке
заготовок абразивными пастами, с учетом технологической наследственности и
стохастических и динамических свойств операций и осуществить экспериментальную
идентификацию параметров разработанных моделей
3. Разработать методику расчета режимов обработки
для шлифования и доводки
прецизионных поверхностей, которая учитывает изменение состояния элементов
технологической системы с течением времени.
4. Разработать методику расчета оптимальных по съему припуска циклов обработки
прецизионных поверхностей упругих пластин, обеспечивающих заданное качество
изделия при максимальной.
5. Экспериментально подтвердить достоверность результатов исследований и выполнить
оценку ее эффективности при опытно-промышленной эксплуатации.
Научная новизна
1. На основе научного положения о том, что процессы шлифования и доводки могут
быть представлены как взаимодействие случайных полей инструмента и заготовки,
получены вероятностные
математические зависимости, устанавливающие
взаимосвязи между режимами обработки съёмом припуска и показателями качества
поверхностного слоя детали.
2. Установлены взаимосвязи и закономерности формирования микрорельефа
поверхностного слоя упругих пластин процессов шлифования и доводки,
учитывающие их стохастическую природу и технологическую наследственность,
которые позволяют обеспечить гарантированное качество обработки изделий.
3. Дана количественная оценка зависимости величины остаточных напряжений и
параметров тонкой кристаллической структуры прецизионных поверхностей упругих
пластин и БрБ2 от величины радиальной подачи и давления притира, что позволяет
прогнозировать формирование физико-механического состояния слоя.
4. Установлена функциональная связь между структурой дефектного поверхностного
слоя шеек маятников акселерометров после доводки с поверхностно-активными
5
веществами (ПАВ) и работоспособностью маятников, которая определяется
свойствами обрабатываемого материала и параметрами обработки.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что
применение теоретических методов позволило создать и разработать управляемые
технологические процессы обработки прецизионных поверхностей упругих пластин на
операциях шлифования и доводки, обеспечивающие высокую стабильность показателей
качества поверхностей деталей, при значительном повышении производительности
операций.
Объектом исследования являются процессы шлифования и доводки поверхностей
упругих пластин алмазными пастами.
Предметом исследования являются закономерности формирования показателей
качества прецизионных поверхностей упругих пластин при шлифовании и доводке.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования служат основные положения теории
технических систем, теории резания металлов, технологии машиностроения, теории
случайных процессов, методов теории автоматического управления, линейной алгебры. При
проверке адекватности моделей применены методы моделирования, базирующиеся на
аналитическом и численном эксперименте, а также на экспериментальной проверке
результатов моделирования в лабораторных условиях.
Экспериментальные исследования выполнялись на специально разработанной
установке с учетом физических особенностей процесса шлифования
и доводки с
использованием современной измерительной техники (сертифицированной и поверенной) и
статистических методов обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора. Все результаты получены автором лично или при
непосредственном его участии. В статьях, опубликованных в соавторстве, личный вклад
автора состоит в следующем: в публикациях [1,2] автором сформулированы выбор
направления, цели и задачи исследований, предложена модель формы зерен и закон их
распределения; в работе [3] представлены результаты исследования тонкой кристаллической
структуры прецизионных поверхностей упругих элементов после операции доводки и
испытаний пластин на долговечность; в публикациях [4,5,6] приведены стохастические
модели процессов шлифования и доводки. Работа [7] выполнена без соавторства.
На защиту выносятся:
1. Стохастические модели процесса шлифования поверхностей упругих пластин,
позволяющие оценивать состояние технологической системы в любой момент
времени и учитывающие упругие и температурные деформации в зоне контакта
инструмента с заготовкой.
2. Оптимизационный алгоритм и оптимальные циклы при шлифовании и доводке
прецизионных поверхностей упругих пластин из БрБ2.
3. Cстохастические модели процесса доводки поверхностей упругих пластин алмазными
паствами, учитывающие свойства ПАВ и силу давления неабразивной составляющей
пасты, позволяющие прогнозировать поведение операции при любых алгоритмах
изменения технологических режимов.
4. Метод одновременной двухсторонней обработки шеек упругих пластин с
регулированием радиальной подачи и усилия прижима в соответствии изменениями
жесткости заготовки, позволяющий формировать заданные параметры качества
поверхностного слоя.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность результатов работы обеспечивается строгостью постановки задач при
построении математических моделей, обоснованностью принятых допущений,
использованием математически корректных методов. Адекватность полученных результатов
6
подтверждена экспериментальной проверкой и внедрением на машиностроительном
предприятии. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью
постановки задач при построении математических моделей, обоснованностью принятых
допущений, использованием математически корректных методов. Адекватность полученных
результатов подтверждена экспериментальной проверкой и результатами внедрения в
производство.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс, они используются для
разработки методических комплексов по дисциплинам «Теория абразивно-алмазной
обработки», «Динамика формообразования поверхностей при механической обработке»,
включенных в программу подготовки студентов специальности 15.03.05 – «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств» на кафедре «Технология
машиностроения» Севастопольского государственного университета. Результаты
выполненных исследований внедрены на Симферопольском заводе АО «Завод «Фиолент».
Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения методики составляет 49044 руб.
Основные положения диссертации получили полное отражение в докладах на научнотехнических конференциях и семинарах, а также в публикациях по теме диссертации.
Результаты диссертации представлены на международных и других конференциях, в том
числе на: международных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и
молодых ученых Севастопольского национального технического университета (с 2015 г. –
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет») «Прогрессивные
направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта» (Севастополь,
2013 г., 2014 г., 2015 г.), «Современные направления и перспективы развития технологий
обработки и оборудования в машиностроении. Механообработка» (Севастополь, 2014 г.,
2015 г. 2016 г.), Международной научно-технической конференции «Машиностроение глазами молодых» (Кременчуг, 2013 г.), XVII Молодёжной международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука XXI века:
новый подход» (Санкт-Петербург, 2016 г.)
Публикации. Материалы диссертации отражены в 7 работах. В рецензируемых
журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК и приравненных к ним (п.10
Постановления Правительства РФ №723 от 30.07.2014г.), опубликовано 5 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего
118 наименований, приложений. Диссертация содержит 58 рисунков и 15 таблиц в тексте.
Общий объем работы – 149 страниц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность темы и обоснована необходимость обеспечения
качества деталей при обработке на операциях шлифования и доводки; обоснованы
направления исследований; определены цель и научные задачи работы; перечислены
основные результаты с оценкой их научной новизны, теоретического и практического
значения; указаны методология и методы исследования, описана структура работы.
Первая глава посвящена анализу современного состояния исследуемого вопроса и
формированию задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели
исследований. В работе рассмотрена концепция повышения эффективности обработки
прецизионных поверхностей на операциях шлифования и доводки. Технологический
процесс обработки прецизионных поверхностей упругих пластин рассмотрен как
динамическая система, где процесс формообразования поверхности исследуется не только в
пространстве, но и во времени. При структурном анализе технологический процесс разделен
по функциональным признакам на подсистемы «черновое шлифование», «чистовое
шлифование» и «доводка». Определены входные, выходные переменные и параметры
7
состояния каждой из подсистем. На основании рассмотренных связей сформулирована
задача оптимизации управления процессами шлифования и доводки: по начальному и
конечному состояниям объекта выбрать такие допустимые управления, при которых целевая
функция имеет минимальное значение. Для решения этой задачи необходимо иметь
комплексную динамическую модель. Выполненный анализ показал, что в настоящее время
отсутствуют адекватные нестационарные стохастические модели, учитывающие
технологическую наследственность при обработке прецизионных поверхностей упругих
пластин на операциях шлифования и доводки. Эти вопросы слабо изучены и требуют
дальнейшей детальной проработки
Вторая глава диссертации посвящена построению комплексной модели,
позволяющей прогнозировать состояние технологической системы на операциях врезного
шлифования и доводки прецизионных поверхностей упругих пластин алмазными пастами,
содержащими поверхностно – активные вещества.
Решение такой задачи возможно только путем вскрытия состава и структуры всей
системы с учетом ранее разработанных моделей и эмпирических данных. Для решения задач
диссертационных исследований процессы врезного шлифования и доводки рассмотрены на
базе физической модели финишной обработки металлов.
Комплексная модель должна учитывать как макроявления, так и микроявления, происходящие при взаимодействии инструмента с поверхностным слоем заготовки.
К макроявлениям можно отнести упругие отжатия в технологической системе: вибрации, износ инструмента, наследственность перемещений; к микроявлениям – процессы, характеризующие взаимодействие единичных поверхностей инструмента с обрабатываемым
материалом.
Исходя из геометрического анализа зоны «инструмент-заготовка» в работе получено
дифференциальное уравнение, описывающее баланс перемещений в технологической системе, позволяющее находить величину радиальной подачи S yn для любого момента времени обработки:
dQ dR dAy


,
d
d
d
d
где Q  f ( t f ) – интенсивность съема материала; R – износ инструмента;
S yn 
dt f

(1)
Ay –упругие отжатия, температурные деформации в технологической системе; t f –
фактическая глубина микрорезания.
Данное уравнение может быть решено только в том случае, если известны
зависимости, описывающие съем материала, износ инструмента, упругие и температурные
деформации в технологической системе.
Для получения математической модели, позволяющей рассчитывать съем материала,
рассмотрим процесс взаимодействия абразивного инструмента с заготовкой на микроуровне
при врезном шлифовании (рисунок 1).
Для этого в работе получено выражение, позволяющее рассчитывать вероятность удаления
материала в зоне контакта заготовки со шлифовальной головкой
0, 78 K c 2  g Vk ng S y 2 (t  t0 )3
1
,
 ln
 a0 
1  0
2 H и1,5
(2)
где n g – количество зерен в единице объема рабочего слоя инструмента; Vk – окружная
скорость инструмента;  g – радиус округления при вершине зерна; K c – коэффициент
стружкообразования, учитывающий, что не весь материал удаляется из объема риски, а
часть его вытесняется и образует по краям риски. H u – величина слоя рабочей поверхности
8
круга, в пределах которой подсчитывается n g . t0 – начальный момент времени; t – данный
момент времени.
а)
б)
Рисунок 1– Схема процесса врезного шлифования прецизионных поверхностей упругих пластин(а),схема
взаимодействия абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью на микроуровне (б).
На основании (2) в диссертации получены зависимости, позволяющие прогнозировать
величину слоя, в котором распределена шероховатость поверхности:
H [
47,3S y H u1,5
K c ngVk 2  g
1
]3
(3), и радиального съема r  t f  [
47,3  S y H u1.5
 KC ngVk 2  g
1
]3 .
(4)
Вероятностный подход к описанию взаимодействия инструмента с заготовкой положен в основу получения зависимостей для расчета параметров шероховатости шлифуемой
поверхности. Для расчета среднего арифметического отклонения профиля Ra шлифуемой
поверхности, предложена зависимость:
Sy
Ra 
1
3
2
3
.
(5)
 47,3H 1.5
u

6 M 
  KC ngVk 2  g 


Для расчета средней опорной длины профиля получено:
 0, 78 KC ngVk 2  g S y 2t 3 
.
t pj  exp  
1.5

2Hu
(6)

Кроме параметров шероховатости к параметрам качества поверхности относится глубина
дефектного слоя, получена зависимость для ее расчета:
hd 

q  q0   0, 78ln  0 S y H u1.5 13
  [
]

Vk


2 KC ngVk 2  g

 2
 r  Dk  ,
 
 
где q – бездефектный уровень плотности теплового потока; hq – полуширина теплового
(7)
источника; – коэффициент, определяемый характером тепловыделения,   0,8...0,9 ;  –
коэффициент, зависящий от теплофизических свойств инструмента и заготовки.
В этой же главе разработана математическая модель процесса доводки прецизионных
поверхностей упругих пластин алмазными пастами с поверхностно-активными веществами.
Для создания адекватной модели рассмотрена схема доводки, в которой учтено, что
абразивные зерна не имеют регулярной геометрии, глубина их внедрения на поверхности
инструмента и заготовки пропорциональна твердости соответствующих поверхностей.
9
При прохождении абразивных зерен через фиксированный уровень y на
обрабатываемой поверхности образуются элементарные площадки. Если известно число
площадок N , возникающих в любой момент времени, то можно вычислить приращение
химико-механического съема материала с учетом обновления поверхности в результате
абразивного воздействия:
ΔQхм  [ ΔQ(τ )N(τ ) ] Δt ,
(8)
где Q( )  exp[- (t- )]x – скорость образования пассивирующей пленки, N (   ) – число
площадок; Δt – приращение времени, x – скорость образования пленки без ПАВ, x =const
(для данного материала);  - коэффициент пассивации.
Для получения зависимости, позволяющей
рассчитывать число площадок, возникающих
в любой момент времени, рассмотрим
рисунке 2.
Пусть
в момент времени t0 через
рассматриваемый
уровень
заготовки
начинают проходить вершины наиболее
выступающих абразивных зерен.
Вероятность появления площадки равна
вероятности события, заключающегося в
том, что точка профиля зерна пройдет через
Рисунок 2– Схема к расчету химико-механического
съема материала с учетом обновления поверхности в материал.
результате абразивного воздействия
Если, например, за время  через уровень от a  0 до a  a g пройдет  зерен, то
вероятность появления площадки будет равна:
Pn  P( M ) ,
(9)
где P( M ) – вероятность неудаления материала в момент времени  на уровне y .
Часть площадок, образовавшихся в момент времени  , попадает с учетом перекрытия
в зону действия одного из зерен и может быть срезана в любой момент времени (рис. 2):
(10)
   t  ,

где t – данный момент времени,  – время существования площадки.
Очевидно, для того чтобы определить число площадок в любой момент времени t ,
нужно умножить вероятность появления площадки Pn на вероятность события,
заключающегося в том, что площадка, образовавшаяся за время  на уровне y , не будет
срезана.
N (   )  P( M )PN ( M ) ,
(11)
где PN ( M ) – вероятность того, что площадка не будет срезана. Учитывая, что число зерен,
прошедших через сечение y за время  , вычисляется по плотности распределения, в
работе получено:
 S y 
P( M )  exp(  K cVи n g 

b g ( y ) f ( a g )da g d  ) ,
(12)
0 0
 S y 

 t S y 


PN M   exp - K cVи n g   bg ( y ) f ( a g )da g d     bg ( y ) f ( a g )da g d   , (13)
 0


0 0


10
где n g – количество зерен в единице объема рабочего слоя инструмента; t f – фактическая
глубина резания; Vи – окружная скорость притира; f ( a g )d , L  – функция плотности
распределения зерен по глубине.
После подстановки (12), (13) в (11) получено выражение для расчёта числа площадок,
возникающих в любой момент времени:
 S y 

 t S y 


N     exp -K cVи ng    bg ( y ) f (ag )da g d   2   bg ( y ) f (ag )da g d   

  0
 
0 0


S y 


  ngVи  f (a g )dag   .


0
(14)
После подстановки (14) в (8) зависимость и интегрирования по  выражения получено
интегральное уравнение, описывающее съем металла при доводке с ПАВ:
t S y 
 S y 



Q  exp - K cVи ng (   bg ( y ) f ( a g )dag d   2  bg ( y ) f ( a g )dag d  ) 


t 
0 0
 0


QХ   
d (15)


S y


0 
 ngVи  f ( a g )dag 


 

0
На основе разработанных зависимостей возможно аналитическое определение параметров
шероховатости для процесса доводки, которые позволяют рассчитывать:
– относительную опорную длину профиля
t p ( y )  P( y ) ;
(16)
– среднее арифметическое отклонения Ra

Ra  2  P y dym .
(17)
0
Для расчета силы давления притира к поверхности заготовки введено понятие
условной длины режущей кромки абразивных зерен выделенного микрообъёма.
При доводке абразивные зерна внедряются в поверхность притира и заготовки с
определенной силой. Эта сила уравновешивается силой резания и силой давления
наполнителя абразивной пасты:
(18)
Pпр  P3y  Ps .
Для
вывода
математических
зависимостей,
позволяющих
рассчитывать
вышеуказанные силы, рассмотрим схему процесса доводки, которая представлена на рис. 3.
Для расчета силы прижима от воздействия совокупности зерен выделим в зоне
контакта детали с притиром для момента времени  элементарный объем с глубиной a g и
шириной, равной длине контакта Lк по образующей притира с обрабатываемой
поверхностью и длиной, равной размеру перемычки. Тогда число абразивных зерен  (,) в
зоне контакта притира с обрабатываемым материалом, вершины которых одновременно
находятся в выделенном микрообъеме, определяется по плотности распределения
 сдв – среднее касательное напряжение в плоскости сдвига;  – коэффициент, зависящий от
зернистости и формы зерна абразивного материала.
  Lk  n g  f ag ( d , L )  a g  l ,
(20)
11
где n g — количество абразивных зерен;
 a g — глубина внедрения зерна в материал
заготовки для единичного сечения; f a g d , L  — плотность распределения абразивных
зерен, которые внедрились в материал заготовки.
На основании положений теории
А.В. Королева были получены
зависимости для расчета
радиальной P3 y составляющей
силы при микрорезании
единичным абразивным зерном:
P3 y   сдв ag 2 (1   ) ,
Рисунок 3– Схема для расчета длины дуги контакта притира с
обрабатываемой поверхностью и сил действующих на единичное
абразивное зерно
(19)
где a g – глубина микрорезания
единичным абразивным зерном;
 – коэффициент усадки
стружки;
В работе введено понятие условной длины режущей кромки абразивных зерен
выделенного микрообъёма b . С учетом вероятности контакта получено выражение для
расчета условной длины режущей кромки
b  b  P y    ,
(21)
где b — условная длина режущей кромки; P  y  — вероятность контакта абразивных зерен
с материалом заготовки, численно равная вероятности удаления материала; b — длина
режущей кромки единичного зерна.
Величина суммарных сил, действующих на абразивные зерна, вершины которых
расположены в выделенном микрообъеме, вычисляется произведением сил, рассчитываемых
по уравнению (19), на длину условной режущей кромки микрообъема:
P 3y  P3y  b  P( y )  Lk  ng  f ag d , L   a g  l .
(22)
После интегрирования уравнения (22) по глубине получена зависимость для расчета
радиальной силы резания:
tf
P 3у   P3у  b  P( y )  Lk  n g  f ag d , L   l  da g .
(23)
0
Полученные зависимости моделируют механизм изменения сил в процессе доводки
деталей алмазными пастами и могут быть использованы при расчете режимов,
прогнозировании качества обработанной поверхности при доводке шеек маятников
акселерометров из условий заданного состояния поверхностного слоя детали.
Сила реакции неабразивной составляющей пасты:
Ps  P3 у ,
(24)
где  – коэффициент, зависящий свойств неабразивной составляющей пасты.
С учетом вышеприведенного получено выражение для вычисления силы давления притира
tf
Pпр  1     P3 у  b  P ( y )  Lk  ng  f ag  d , L   l  da g .
0
(25)
12
Полученные во второй главе зависимости позволяют прогнозировать съема материала,
дифференцированно оценивать влияние отдельных факторов на параметры качества детали
и скорость протекания процессов шлифования и доводки.
В третьей главе диссертации выполнена экспериментальная проверка адекватности
формализованных моделей процессов шлифования и доводки.
Представлены
результаты
экспериментальных
исследований
влияния
технологических факторов на процесс шлифования. Наиболее существенными факторами,
влияющими на параметры состояния ТС, являются величина радиальной подачи и
зернистость инструмента на рисунках 4 и 5 (1–алмаз марки АС2, зернистость 100/63; 2–
алмаз марки АС2, зернистость 63/40; 3 – алмаз марки АС2, зернистость 50/40, Vu=20 м/с).
Рисунок 4. Зависимость скорости съема материала
Q от подачи инструмента Sy
Рис.5. Зависимость влияния радиальной подачи на
шероховатость поверхности
С увеличением радиальной подачи SУ и зернистости инструмента З0 возрастает
скорость съема, при этом возрастает шероховатость обработанной поверхности и сила
резания P (рисунок6).
Рисунок 6 – Зависимость радиальной составляющей силы резания от подачи инструмента Sy
Проверку адекватности разработанных математических моделей реальному процессу
доводки производили сопоставлением расчетных и экспериментальных данных (рисунках
7…10).
13
Рисунок 7– График зависимости съема материала от
давления притира, зернистость алмазной пасты 14/10
Рисунок 8 – График зависимости съема материала от
зернистости пасты, зернистость алмазной пасты
14/10
Результаты экспериментальных исследований показывают, что на съем материала и
шероховатость поверхности при доводке бериллиевой бронзы БрБ2 доминирующее влияние
оказывают зернистость абразивной пасты и сила давления притира.
Рисунок 9 –. Зависимость шероховатости
обработанной поверхности от давления притира на
абразивное зерно, зернистость алмазной пасты 14/10
Рисунок 10 –Зависимость шероховатости
обработанной поверхности от зернистости
С увеличением силы давления возрастает интенсивность съема материала,
уменьшается шероховатость поверхности и при давлении равном 2,5-2,8 H/см2 достигает
минимального значения, а затем возрастает, что обусловлено перерезанием зернами слоя, в
котором распределена шероховатость на заготовке. При увеличении зернистости пасты
возрастают съем материала и шероховатость, что согласуется с данными известных
исследований.
Выполненный метрологический анализ подтвердил достаточно высокую точность
разработанных моделей, что позволяет рекомендовать их не только для анализа
закономерностей формообразования поверхностей, но и для решения практических задач по
разработке и оптимизации ТП.
В четвертой главе описана методика расчета предельных циклов управления
операциями шлифования и доводки. Проведен расчет оптимальных циклов для обработки
14
прецизионных поверхностей упругих пластин и приведены результаты промышленных
испытаний.
Для этого в работе было осуществлено формализованное описание ограничений и
составлена комплексная модель операции (табл. 1, 2).
Таблица 1
Математическая модель процесса врезного шлифования
№
Наименование
Вид зависимости математической модели
1
2
3
1
Уравнение баланса перемещений
S yn 
Подача инструмента
2

d
dQ dR dAy


d
d d
Функция оптимизации
(t f  [
Скорость съема материала
3
3.1
dt f
Q 
 KC ngVk 2  g
Ограничения
Заданная производительность
станка
 Ramax
 47,3H 1.5
u

6 M 
  KC ngVk 2  g 


Sy
1
3
2
3
минимальная
 Ramin
 47,3H 1.5
u

6 M 
  KC ngVk 2  g 


По положению границы слоя,
в
котором
распределена
шероховатость
3.4
1
3
2
3
Заданная
шероховатость
поверхности
По глубине дефектного слоя
1
3

ПR
(t f  
 )
60 K з  R  TB
 K C n3Vk  2 p3 
28.895S y’ H u1.5
максимальная
3.3
]3 )

Sy
3.2
1
47,3S y H u1.5
H  [
hd 
47,3S y H u
K C n gVk 2  g
 ( q  q0 )

Vk
1.5
(([
1
]3
47,3S y H u
 H d  П
1.5
K C n gVk 2  g
1
]3
 П  H d  h j ( )  H
3.5
Допустимый износ круга из
условия получения заданной
точности обработки.
 j
a0    y1  y2   t f доп
B

 Q ) Dk ) 2
15
Продолжение таблицы 1
1
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
2
Радиальное
усилие,
допустимое
прочностью
закрепления абразивных зерен
в круге и прочностью самих
зерен
Допустимая скорость круга из
условия его прочности
Мощность
привода
шлифовального круга
Максимальная скорость круга
Минимальная скорость круга
Наибольшая
радиальная
подача
Наименьшая
радиальная
подача
3
Py
  y 
lK
Vk  VK .D.
Pz  VK  N Э  
VK  VK max
VK  VK min
t M  tmax
t M  tmin
Представленная модель позволяет оптимизировать цикл доводки. В качестве
начального приближения (начальных условий для моделирования) используются справочные
данные и существующие технологических рекомендации для соответствующих процессов.
Если при этом не выполняются условия нахождения технологических параметров в
областях ограничений, то результат решения системы определяют как закон изменения
радиальной подачи при шлифовании или усилий прижима инструмента при доводке с учетом
законов изменения величин съема материала, шероховатости поверхности заготовки и т.д.
Модель позволяет решать задачи оптимизации технологического процесса известными
численными методами с различными формализованными критериями, например, по
критерию быстродействия (критерий штучного времени или скорости съема материала и др).
Это соответствует решению задачи построения предельных циклов программного
управления.
Расчет цикла управления осуществляется следующим образом:
1. Рассчитывают значения фактических глубин резания S y
и скоростей съема
Qi  f ( t f ; S y ) на этапе врезания (см. рисунки 11, 12 участок 1-2) Рассчитывают суммарное
время t1 для участка 1-2 и определяют припуск П1, снимаемый на этапе врезания.
2. Вычисляют фактическую глубину резания t f в соответствии с рассчитанными
ограничениями. В зависимости от точности обработки разбивают припуск 1-2 на интервалы
N=П1-2/.
Задаваясь приращением по t f , рассчитывают значения фактических глубин резания,
скоростей съема материала и времени удаления припуска для каждого из интервалов,
определяют суммарное время обработки t2 на участке 1-2 цикла.
3. Рассчитывают скорость съема материала при максимальном значении радиальной
подачи (скорость съема в точке 3).
Определяют величину припуска П2-3=П2 на участке 2-3 цикла, разбивают его на
интервалы. Рассчитывают векторы градиента, по направлению которых дают приращение
фактической глубине резания. Производят расчет ограничений, определяют скорость съема
16
и время обработки t3 на каждом из элементарных участков. При этом рассчитываются все
ограничения.
4. Вычисляют припуск П3 для участков 3-4-5 цикла, рассчитывают время, в течение
которого будет снят припуск. Определяют суммарное машинное время цикла.
5. По расчетным значениям фактической глубины резания и скорости съема
материала определяют номинальную подачу инструмента для каждой расчетной точки
цикла.
После этого расчет цикла прекращается, полученная информация поступает на
управляющие органы станка.
Предложенная методика расчета оптимальных по съему припуска циклов обработки
прецизионных поверхностей обеспечивает получение деталей с заданными параметрами
точности, шероховатости и физико-химическим состоянием поверхностных слоев.
Методика основана на использовании динамической теоретико-вероятностной модели и
градиентного метода оптимизации.
Представленная в таблице 2 модель позволяет оптимизировать цикл доводки. В
качестве начального приближения (начальных условий для моделирования) используются
справочные данные и существующие технологические рекомендации для соответствующих
процессов.
Рисунок11 – Цикл оптимального управления скоростью съема при
врезном шлифовании.
1-2 – область ограничений, определяемая предельной подачей
станка Sy; 2-3 – жесткостью технологической системы Р/j ;
3-5 – шероховатостью поверхности Ra и физико-механическим
Рисунок12 – Установка для шлифования
прецизионных поверхностей упругих
пластин.
состоянием поверхности hd .
При управлении процессами доводки по усилию прижима основными техническими
ограничениями, которые учитываются при расчетах, являются: критические значения
усилия, допустимые из условия обеспечения заданной точности Py , шероховатости PyR и
глубины дефектного слоя PyT , критические значения сил, допустимые жесткостью
технологической системы PyG .
Критические значения сил функционально связаны с величиной неудаленной части
припуска.
В зависимости от марки обрабатываемого материала, зернистости доводочной пасты,
технических требований на деталь лимитирующими ограничениями могут быть либо
ограничения по точности и глубине дефектного слоя, либо по шероховатости поверхности.
При построении оптимального цикла учитываются все три ограничения. Особенности
аналитического расчета высокопроизводительных циклов с обеспечением заданной
точности и глубины дефектного слоя достаточно полно рассмотрены в литературе.
доп
доп
доп
доп
17
Данные алгоритмы позволяют решить задачу построения предельных граничных
циклов управления процессом доводки прецизионных поверхностей, при которых
обеспечивается минимально возможное машинное время или минимальная себестоимость
обработки деталей при ограничениях качества поверхности изделия.
Таблица 2
Математическая модель процесса доводки
1
Функция оптимизации
tшт 
2
2.1
n
П
Т
К П  Т П  С.И С.И
Q
nдет
Состояние объекта и системы
  (d  u  u )  (m  m  m )2 
1

d
u1
u2
1
2

f (ag )  d , L 

 exp 
2
2
2


2  u21   u22   d2
2  u1   u 2   d




2.2
2.3

 exp
2  ag

 (ag  mag )2 

;
2
2 ag


t S y 
 S y 




Q  exp - K cVи ng (   bg ( y ) f ( a g )dag d   2  bg ( y ) f ( a g )dag d  ) 


t 
0 0
 0
;


QХ   
d


S y


0 

 ngVи  f ( a g )dag 


 

0


t p ( y)  P( y ) ; Ra  2  P ( y dy m ; Rmax  12  P ( y ) dy m ; П j  П j 1   r j
;
0
0
tf
P 3 у   P3 у  b  P ( y )  Lk  n3  f a з d , L   l  da з ; h j h j 1 r j ( ) ;
0
j 
max

rj ( )  min
r ( ) ; hdj  hdj 1  Rmax j 1  Rmax j  r j ;
 j
S np  3,8  10 4  t  З00, 24  P 0, 2  V 0,17 ; Rmax j  Rmax j 1  r .
3
3.1
3.2
Ограничения
ro ( )rканавки ( ) ;
o канавки;
Rmax 0  Rmax заг ;
hd 0  hdзза
hmax пер  hпер  hmin пер ;  k  доп ; Rmax k  Rmax доп ; Rаk  Rадоп ; hdk  hdдоп ;
S np  S np доп ; Rmax j  П jd  Rmax d ;
hdj  Rmax j  П j  hddj  Rmax dj ; Py  Pyдоп ; Vп  Vп max
Апробация рассмотренной методики, осуществлялась в рамках исследований,
проводимых кафедрой «Технология машиностроения» СевГУ на предприятии АО «Завод
«Фиолент» для операции доводки шеек маятников акселерометров.
При расчете циклов было принято следующее допущение:
– при каждом обороте участок поверхности притира контактирует с измененным, но
постоянным на i  м обороте слоем рабочей поверхности заготовки.
Полученные в результате расчета циклы (рис. 13, 14) состоят из двух этапов:
18
– этапа «форсированного режима», на котором зерна доводочной пасты внедряются в
поверхности заготовки и притира;
– этапа «непосредственной доводки», на котором сила прижима ограничивается жесткостью
перемычки маятника, величиной дефектного слоя и лимитируется ограничениями на
шероховатость поверхности и точность обработки.
Исследование циклов программного управления для шеек маятников производилось
на оборудовании разработанном на кафедре «Технология машиностроения» СевГУ (см.
рисунки 13, 14).
Рисунок13 – Семейство циклов программного
управления: 1, 2, 3 – траектории изменения усилия
прижима для 1-ой, 10-ой и 30-ей детали
соответственно
Рисунок 14 – Цикл обработки шейки маятника с
графиком переходного процесса в момент врезания
Спроектированное оборудование позволяет вести двустороннюю обработку шеек
маятника. Установка состоит из привода главного движения и 2-х взаимосвязанных
симметричных контуров, обеспечивающих необходимое усилие прижима притиров к
поверхности заготовки за счет следящих приводов ( см.рисуноки 15, 16).
Рисунок 15 – Общий вид установки
для обработки прецизионных
поверхностей упругих пластин
Рисунок 16 – Схема установки: ЧПУ – блок управления; ТП –
тиристорный преобразователь; ДПТ – двигатель постоянного тока;
МР – механический редуктор; ШВП – шарико-винтовая передача;
ЭУС – эквивалентно-упругая система; ИП – измерительный прибор;
У – усилитель
Результаты моделирования процесса представлены на рисунок 17.
19
Проведенные
расчеты
показали, что спроектированная
установка
обеспечивает
отработку цикла программного
управления с погрешностью, не
превышающей одного процента.
Рисунок 17– График реакции системы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.
Шероховатость и точность изготовления деталей являются важнейшими показателями качества, которые оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства готовых изделий. Окончательно шероховатость и точность формируются на финишных
операциях ТП. Для упругих элементов, работающих при знакопеременных нагрузках, в качестве такой операции широкое использование находит процессы шлифования и доводки
абразивными и алмазными пастами.
2.
Интенсификация процессов шлифования и доводки при стабильности обеспечения требуемых показателей может быть достигнута за счет создания математических моделей операции, позволяющих прогнозировать показатели качества. При этом особое внимание должно быть уделено формированию этих показателей во времени. Большую роль
также играет возможность оценки не только отдельных, но и комплексных параметров, таких как съём металла, силы резания, шероховатость обработанной поверхности и другие.
3.
На основе положений теории абразивной обработки для рассмотренных схем
процессов шлифования и доводки разработаны математические модели, учитывающие технологическую наследственность, стохастические и динамические свойства операций, позволяющие прогнозировать съем материала и дифференцированно оценивать влияние отдельных факторов на параметры качества детали.
4.
Проведенные качественные и количественные оценки свидетельствуют об
адекватности математических моделей. Отклонения экспериментальных значений от расчетных составили 5 – 10%, что позволяет использовать разработанные модели для расчета
технологических режимов при обработке прецизионных поверхностей упругих пластин.
5.
Производственные испытания показывают, что при обработке изделий на операциях доводки по сравнению с традиционными методами стабильно обеспечивается высокое качество поверхностей, что позволило снизить процент брака на 3% ,увеличить производительность обработки изделий на 2 % по сравнению с существующей технологией обработки этих деталей на предприятии.
6.
На предприятии «АО«Завод Фиолент» г. Симферополь в рамках исследований,
выполняемых кафедрой «Технология машиностроения» СевГУ осуществлено внедрение результатов. Ожидаемый годовой экономический эффект при финишной обработке шеек маятников акселерометров составил в год.
20
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
Публикации в рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК и
приравненных к ним (п.10 Постановления Правительства РФ №723 от 30.07.2014 г.)
1.
Колесов А.Г., Сазонов С.Е., Братан С.М. Разработка математической модели процесса
полирования для обработки прецизионных деталей приборов// Вестник СевНТУ: сб. науч.
тр., Севастополь, 2013. Вып. 139. – С. 111-116
2.
Колесов А.Г., Сазонов С.Е., Братан С.М. Доводка и полирование в структуре
технологического процесса изготовления маятников акселерометров//Ученые записки
Крымского инженерно-педагогического университета, Симферополь, 2013. Вып. 38. – С.5055
3.
Колесов А.Г., Сазонов С.Е., Братан С.М. Исследования влияния режимов процесса
доводки на параметры качества маятников акселерометров// Вестник СевНТУ: сб. науч. тр.,
Севастополь 2014. Вып. 151. – С. 65-73
4.
Братан С.М., Сазонов С.Е., Колесов А.Г. Моделирование процессов доводки
абразивными пастами// Наукоемкие технологии в машиностроении: журнал, Брянск 2016.
Вып. 1(55). – С. 25-29
5.
Братан С.М., Богуцкий В.Б., Колесов А.Г. Математическое моделирование процесса
доводки прецизионных поверхностей упругих пластин с поверхностно-активными
веществами// Наукоемкие технологии в машиностроении: журнал, Брянск 2016. Вып. 10(64).
С. 26-32
Статьи и материалы конференций, опубликованные в других изданиях
6. Колесов А.Г., Братан С.М., Рощупкин С.И. Прогнозирование параметров качества
обработанных поверхностей при врезном шлифовании / А.Г. Колесов, С.М. Братан, С.И.
Рощупкин //Вестник современных технологий: сб. науч. трудов, Севастополь, 2016. Вып.
№3(3).– С.39-45
7. Колесов А.Г. Моделирование сил при доводке прецизионных поверхностей упругих
пластин алмазными пастами с поверхностно-активными веществами // «Наука XXI века:
новый подход»: матер. международной научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых учёных, г. Санкт-Петербург, 20-21 сентября 2016 г. –изд-во СПУ:
Санкт-Петербург,2016. – С.27–32
Колесов Александр Геннадиевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ УПРУГИХ
ПЛАСТИН НА ОПЕРАЦИЯХ ШЛИФОВАНИЯ И ДОВОДКИ
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д900.007.01
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» (протокол № 7 от 10.02. 2017 г.)
Заказ № 7. Тираж 120 экз. Отпечатано на ризографе ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный
университет» Адрес: ул. Университетская, 33, г. Севастополь 299053E-mail: sevsu.ru
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
1 066 Кб
Теги
эффективность, шлифование, доводки, упругие, прецизионных, операция, поверхности, повышения, обработка, пластик
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа