автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических возможностей методов стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при плоском шлифовании

БАШКАТОВ ИВАН ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ МАКРОГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь -2004

БАШКАТОВ ИВАН ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ МАКРОГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2004

Работа выполнена в ОАО «Пермский Моторный Завод» и в Пермском государственном

техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.И. Свирщев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Е.Д.Мокроносов - кандидат технических наук, доцент Р.М.Мубаракшин

Ведущая организация - ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Защита состоится « 17 » июня 2004г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.188.06 в Пермском государственном техническом университете по адресу: 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан

« 14 » мая 2004г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.И.Свирщёв

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях рыночной экономики отношения в сфере производства выдвинули на первый план проблемы, связанные с выпуском конкурентоспособной продукции машиностроения. В свою очередь, высокий уровень требований к современным конкурентоспособным машинам обусловил ряд задач, решение которых неразрывно связано с разработкой и широким применением новых эффективных технологических процессов и операций, современного высокопроизводительного оборудования и оснащения, обеспечивающих высокое качество и производительность обработки.

В первую очередь это относится к чистовым и отделочным методам обработки, в процессе которых окончательно формируется поверхностный слой деталей, определяющий их эксплуатационные свойства. Наиболее распространенным методом окончательной обработки точных и ответственных деталей является шлифование.

Однако процессам шлифования присущи определенные недостатки, обусловленные непрерывным динамическим изменением условий взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом в зоне резания, которые в целом характеризуют нестабильность процесса обработки во времени. Это приводит к негативному изменению теплового и силового воздействия на инструмент, нерациональному использованию его ресурса и ухудшает качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Интенсивность отмеченных явлений зависит от динамических свойств технологической системы и технологических условий обработки, и в наибольшей степени проявляется при шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов. Особую актуальность динамическая нестабильность процессов шлифования приобретает в условиях автоматизированного производства.

Существующие способы формообразования поверхностей на операциях шлифования, оснащение применяемое при их реализации не предусматривают оптимизацию и управление динамикой резания с целью временной стабилизации характеристик процессов шлифования. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя деталей при шлифовании в настоящее время для каждого конкретного случая решается опытным путем - подбором условий обработки, которые не всегда оказываются достаточно производительными и экономичными.

Дальнейшее развитие технологии шлифования, повышение качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности динамической стабилизации процессов шлифования и их связи с формированием свойств поверхностного слоя деталей. Это позволяет управлять процессами шлифования с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей ее производительности, а также изыскать пути интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей.

В связи с этим разработка и исследование технологических возможностей динамической стабилизации процессов шлифования является весьма актуальной научно-технической проблемой.

Цель работы. Разработка и исследование технологических возможностей методов стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при плоском шли» фовании.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• Исследована динамика изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента во времени, изучены основные закономерности этого явления, разработаны методы его расчета и стабилизации во времени.

• Разработана и рассчитана новая технологическая оспастка для упруго-дииамического закрепления абразивного инструмента, обеспечивающая стабилизацию изменения макрогеометрии инструмента, исследована динамика шлифования с использованием такой оснастки.

• Экспериментально исследованы технологические возможности и эффективность процесса плоского шлифования при стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента во времени.

• Разработаны методика выбора оптимальных параметров режима плоского шлифования, рекомендации по совершенствованию и расширению технологических возможностей процесса.

• Показана производственная эффективность реализации результатов исследования и рекомендаций по конструктивно-технологическому обеспечению стабильности процессов шлифования.

Научная новизна работы. Совокупность полученных в диссертации научных результатов обеспечивает решение проблемы технологического обеспечения динамической стабильности процессов плоского высокоэффективного шлифования ва базе разработки теоретических основ и новых технических решений конструктивно-технологических средств их реализации.

К ним можно отнести:

• Разработанную математическую модель процесса плоского шлифования, описывающую динамику износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности инструмента с учетом динамических свойств технологической системы и интегрального возмущающего воздействия процесса шлифования на упругую систему станка. Аналитически описаны закономерности этого явления и определены пути управления им на этапах проектирования и реализации процессов шлифования.

• Предложенный обобщенный показатель процесса шлифования - жесткость шлифования, характеризующий интегральное возмущающее воздействие процесса шлифования на упругую систему станка. Получена функциональная зависимость для расчета жесткости шлифования при различных условиях выполнения операций плоского шлифования, и установлено ее оптимальное значение при шлифовании на станке ЗГ71М и станках равнозначных ему по динамическим характеристикам.

• Разработанные новые способ шлифования и конструкция планшайбы для упруго-динамического закрепления абразивного инструмента, обеспечивающие минимальную ди-

намику изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента во времени при шлифования. Эти разработки защищены 2 патентами РФ. Получены расчетные зависимости для проектирования конструкций планшайб.

• Разработанную методику расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования по критерию оптимальности - максимальная стойкость абразивного инструмента, достигаемая за счет минимизации изменения макрогеометрии его рабочей поверхности во времени. Рассчитаны оптимальные нормативные параметры режима плоского шлифования для различных групп обрабатываемости материалов.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории шлифования, теории колебаний, теории параметрической оптимизации, теории математического моделирования с широким использованием численно-аналитических методов аппарата математического анализа.

Экспериментальные исследования проводились на основе разработанных автором и стандартных методик в лабораторных и производственных условиях на современном оборудовании с применением методов дисперсионного и регрессионного анализов, статистических методов планирования экспериментов. Исследования проводились на специальных установках и модернизированных станках с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры. При аналитических исследованиях, расчетах, обработке экспериментальных данных и проектировании операций шлифования использовался персональный компьютер.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

• Разработаны методы расчета амплитуд макрогеометрии рабочей поверхности инструмента и амплитуд коаксиальных колебаний инструмента, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления, в произвольный момент времени с учетом динамических свойств технологической системы, что создает возможность прогнозирования и управления процессами шлифования.

• Создали технические решения способов обработки и средств технологического оснащения повышающие стойкость абразивного инструмента, улучшающие качество обработанной поверхности при одновременном увеличении интенсивности съема материала.

• Разработана методика и прикладное программное обеспечение расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования.

• Предложены типовые технологии плоского шлифования, регламентирующие нормативные режимы высокопроизводительной обработки с применением разработанных средств технологического оснащения.

Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации и технологическое оснащение внедрены в технологические операции шлифования на ряде машиностроительных предприятий г. Перми. Общий экономический эффект от применения разработок составляет более 1,5 миллионов рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались па научно-технических конференциях и семинарах, в том числе международных и

республиканских (Пермь - 2001; Волгоград - Волжский - 2001, 2002; С Петербург - 2002), ежегодных конференциях ПермГТУ (Пермь 2000-2003).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на научно-техническом Совете ОАО «Пермский Моторный Завод» в 2002 году, и на совместном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского государственного технического университета в 2003 году.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 171 страница, в том числе 168 машинописного текста, 60 рисунков, 14 таблиц, 118 наименований литературы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы работы, изложена краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации.

Глава 1 посвящена анализу современного состояния проблемы обеспечения динамической стабильности процессов шлифования и формирования задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели работы.

На основании анализа и обобщения литературных данных, показаны технологические предпосылки повышения стабильности и качества обработки при шлифовании, рассмотрены факторы ограничивающие производительность шлифования и пути повышения эффективности обработки. Установлено, что абразивный инструмент (вследствие его износа, изменения макрогеометрии рабочей поверхности) и динамические характеристики технологического модуля при шлифовании являются главными возмущающими факторами, определяющими нестабильность процесса шлифования во времени. Существенное влияние на показатели процесса шлифования оказывают относительные колебания абразивного инструмента и обрабатываемой детали в зоне резания, определяемые динамическими свойствами технологического модуля. Причем при задании вибраций оптимальных амплитудно-частотных диапазонов существенно уменьшается интенсивность износа инструмента, наблюдается максимальная его стойкость и стабильно высокое качество обработанной поверхности.

Дана схема взаимодействия параметров процесса шлифования, рассмотрены существующие подходы к теоретическому описанию явлений износа и изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента, управлению ими. Выявлены основные недостатки этих подходов, заключающиеся в отсутствии исследований динамических моделей износа абразивного инструмента, которые бы определяли: динамику изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструментам во времени; пути временной стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента; возможные конструктивно-технологические решения, расширяющие технологические возможности и эффективность шлифования; методику назначения параметров режима шлифования, обеспечи-

вающих временную стабильность процессов. Недостаточная изученность путей динамической стабилизации процессов, ограниченное применение конструктивно-технологических решений расширяющих технологические возможности и эффективность шлифования, не позволяют осознанно управлять процессами шлифования для обеспечения заданного качества обработки при наивысшей се производительности.

В заключении первой главы на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований сформулированы цель работы и задачи исследований.

Глава 2 посвящена теоретическому исследованию изменения макрогеометрии периферии рабочей поверхности инструмента при плоском шлифовании.

Для получения общих рекомендаций по управлению изменением во времени макрогеометрии рабочей поверхности круга предложен обобщенный показатель процесса шлифования - жесткость шлифования К, являющийся интегральной возмущающей характеристикой процесса шлифования на упругую систему станка. При рассмотрении равновесного состояния упругой системы в период контакта круга с обрабатываемой деталью показатель К вводился в расчетную схему как упругий восстанавливающий элемент жесткости. Таким образом, физическим смыслом предложенного нами показателя является сила резания, приходящаяся на единицу глубины внедрения шлифовального круга в обрабатываемый материал. Получена функциональная зависимость для расчета К при различных условиях выполнения операций шлифования, имеющая вид:

где Д, - диаметр шлифовального круга; Г, - скорость абразивного резания; / - глубина шлифования; Уя - скорость перемещения детали; Б - поперечная подача; с1 - характерный размер зерна инструмента (зернистость); Кь - коэффициент формы вершины зерна; К5 - коэффициент, характеризующий объемное строение абразивного инструмента; п=1,5 (для электрокорундовых кругов на керамической связке); - соответственно коэффициенты теплопроводности и температуропроводности обрабатываемого материала; и, V- константы степеней зависимости модифицированной твердости обрабатываемого материала от температуры; И( ) - радиальный износ рабочей поверхности круга во времени;

(jcos? 4c"s(ri+Y)-sinii'

5 - усадка стружки; у - передний угол абразивного зерна; ^ - угол трения скольжения.

Для аналитического описания износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности круга процесс шлифования моделировался в виде колебательной системы, динамические характеристики которой (пч, О) соответствуют характеристикам одной из нормальных форм спектра колебаний упругой системы станка (рис. 1).

На схеме встречного резания при плоском шлифовании периферией круга приведены следующие обозначения: *|(т)- динамическое смещение центра круга от положения равновесия;

- динамическое изменение радиуса круга после окончания резания; - динамическое

изменение радиуса круга до начала резания; динамическое изменение приращения износа круга; - динамическая составляющая нормальной силы шлифования; , - соответственно приведенная жесткость и масса доминирующей формы колебаний упругой системы станка; - циклическая частота вращения круга; , -параметры режима шлифования (скорость детали и глубина шлифования); - время одного оборота круга.

Основные уравнения динамики плоского шлифования будут иметь вид: - уравнение динамики упругой системы станка

Рис 1 Схема встречного резания при плоском шлифовании периферией круга.

уравнение, определяющее регенеративный эффект вследствие износа круга

(3)

уравнение, описывающее износ круга

= o-.fi, (4)

где о - коэффициент износа круга.

Стационарные решения для динамических перемещений в уравнениях (2) и (3), при изменении Fd по моногармоническому закону ( Fé = F • sin от ), имеют вид

где Ж - амплитуда динамической составляющей нормальной силы; со - частота вынужденных колебаний.

Амплитуда макрогеометрии поверхности круга А„ согласно (6) определяется выражением

Исследование (7) на экстремум показывает, что А будет минимально при следующем соотношении:

где со, - циклическая частота вращения шлифовального круга; п - целое нечетное число

(п=13Д...)

При циклической частоте вращения шпинделя станка ЗГ71М <0*=301,6 1/с и станков равнозначных ему по динамическим характеристикам значения со, найденные из выражения (8) составят: 150,8; 452,4; 754; 1055,6 1/с, Экспериментально установлено, что наибольший вклад в формирование макрогеометрии абразивного инструмента вносят колебания упругой системы на первой собственной частоте из спектра амплитудно-частотной характеристики, которая для станка ЗГ71М составляет о =627,9 1/с. Собственная частота со колебаний упругой системы, замкнутой через процесс резания, определяется из выражения

где - соответственно приведенная жесткость и масса первой формы колебаний упру-

гой системы станка (для станка ЗГ71М: С1=0,72'107 Н/м, Ш1=18,26 кг).

Задавшись значением близким к (примем =754 1/с), которое обеспечивает минимальную амплитуду макрогеометрии поверхности круга, из выражения (9) может быть получено оптимальное численное значение жесткости шлифования К, которое составит

К = т1(о1~С1 =18^6-754'-0,72-Ю7 «0.318-107 Н/м.

В предположении, что величина радиального износа в фиксированной точке профиля инструмента пропорциональна силе, приложенной в этой точке, получено выражение для расчета износа профиля круга в произвольный момент времени в виде

где ДуДф) - износ круга в фиксированной точке профиля на обороте с номером р; ^ (ср)

- износ круга в фиксированной точке профиля за р-1 оборотов круга; .уДф) - функция, описывающая колебания упругой системы станка на обороте с номером р; I, - глубина резания, установленная по лимбу станка: - статическое отжатие упругой системы стапка; удельный износ круга на обороте с номеромр\ Кр - жесткость шлифования на обороте с номером р.

Выполнен расчет на ЭВМ износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента в зависимости от условий выполнения операций шлифования (рис. 2).

Установлено, что динамика изменения макрогеометрии круга во времени минимальна для жесткости шлифования К » 0,318 • 10' Н/к при выполнении операций на станке ЗГ7Ш, а также станках равнозначных ему по динамическим характеристикам. На основании результатов моделирования и описания формирования макрогеометрии рабочей поверхности круга получены аналитические выражения для ее прогнозирования, являющиеся основой при

Рис2. Динамика изменения макрогеометрии периферии круга во времени. (2А - двойная амплитуда) (,-5 10 Ч <1*23 1(Г12мЛ[,/0=31,8-10' Н/м.

проектировании средств технологического оснащения для закрепления инструмента.

Глава 3 посвящена теоретическому исследованию эффективности управления динамикой взаимодействия инструмента с деталью, разработке конструкций и расчету средств технологического оснащения для закрепления инструмента.

Управление динамикой взаимодействия инструмента с деталью в зависимости от условий шлифования является одним из мало изученных и реализованных в производстве путей повышения эффективности процессов шлифования. Известны работы Подураева В.Н., Жаркова И.Г., Маркова Н.И., Никулкина Б.И. и др., в которых отмечается позитивное влияние определенных амплитудно-частотных диапазонов вибраций в зоне шлифования на показате-

ли процессов обработки и это представляет интерес в решении прикладных задач повышения эффективности обработки.

Стабилизация оптимальных амплитудных и частотных параметров осцилляции в зоне шлифования может быть обеспечена адаптивным под держанием постоянства динамических свойств технологического оснащения (планшайб) для установки и закрепления абразивного инструмента, в зависимости от изменяющихся условий обработки. Нами предложен способ шлифования (патент РФ №2204470) и реализующая его конструкция планшайбы (патент РФ № 2204472) для упругодинамического крепления шлифовального круга с адаптивным изменением ее крутильной жесткости.

Требуемый закон адаптивного изменения крутильной жесткости планшайбы в соответствии с условием (8) конструктивно обеспечивается необходимым законом изменения ширины упругих элементов планшайбы. Разработанная конструкция планшайбы не изменяет динамической жесткости упругой системы станка в вертикальной плоскости, обеспечивающей точность обработки. В процессе шлифования круг, установленный в планшайбе, совершает лишь устойчивые коаксиальные колебания, обусловленные процессом резания, обеспечивая вполне определенный амплитудно-частотный диапазон осцилляции в зоне резания.

Выполненные кинетостатический и динамический расчеты планшайб позволяют определить конструктивные геометрические параметры упругих элементов планшайбы, обеспечивающих выполнение условия (8) стабилизирующего функциональные и выходные характеристики процесса шлифования во времени, и прогнозировать амплитудно-частотные диапазоны осцилляции в зоне шлифования в зависимости от условий обработки.

Для описания изгибно-крутильных колебаний инструмента, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления, процесс шлифования моделировался схемой приведенной на рис. 3. На ней даны следующие обозначения: т\.С\ - соответственно приведенная масса и жесткость первой нормальной формы колебаний упругой системы станка в направлении координаты - соответственно осевой момент инерции и окружная жест-

кость упруго закрепленной части планшайбы со шлифовальным кругом; Ру, Рг - соответственно радиальная и тангенциальная составляющие силы резания, действующей на круг; радиус круга.

Дифференциальные уравнения, описывающие свободные колебания связанпой системы имеют вид

Рис. 3. Схема резания при плоском шлифовании периферией круга.

где - функция, описывающая профиль рабочей поверхности шлифовального круга во времени; - коэффициент шлифования, ; ;

Решение второго уравнения системы (11) имеет вид: .

где а0, ащ, Ь, - коэффициенты ряда Фурье разложения функции у0(ф)

Выражение (12) может быть использовано для расчета коаксиальных колебаний шлифовального круга в произвольный момент времени и расчета коэффициентов рядя Фурье, определяющих начальный профиль рабочей поверхности круга перед каждым последующим его оборотом. По полученной зависимости (12) произведен расчет на ЭВМ крутильных колебаний шлифовального круга в зависимости от условий шлифования (рис. 4). Анализ зависимости амплитуды коаксиальных колебаний круга от жесткости процесса шлифования показывает, что она имеет экстремальный характер. С возрастанием жесткости процесса шлифования К от 1 5 • 1 0 5 Н/м до 40-10 ' Н/м значения амплитуды монотонно уменьшаются и имеют минимальное значение при Н/м. Это значение было получено из анализа условия минимизации динамики изменения макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента во времени при плоском шлифовании на станке ЗГ71М. Амплитуда крутильных колебаний в зоне реза-0,125 м, для оптимального значения жесткости шлифования составляет

ния при

Рис. 4. Зависимость амплтуда колебаний (А,) отжесткостапроцессашлифования(К) о-51<Г13м/Н; г.-ЗКГ'м.

187,5 мкм. Это значение соответствует рекомендациям по заданию оптимальных амплитуд в зоне обработки по критерию максимальной стойкости рабочего инструмента.

В главе 4 представлены результаты экспериментальных исследований технологических возможностей стабилизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента при применении новых средств технологического оснащения.

Исследования преследовали цель выявления эффективности применения разработанных средств технологического оснащения по сравнению с традиционными методами плоского шлифования, для повышения производительности процессов и качества поверхностного слоя шлифуемых деталей.

Исследования в лабораторных условиях и на промышленных предприятиях проводились на плоскошлифовальных станках. В качестве технологического оснащения для установки и закрепления абразивных инструментов использовались стандартные планшайбы, а также разработанные нами конструкции планшайб для упругодинамического закрепления инструмента. Исследования проводились на образцах и натуральных изделиях из различных труднообрабатываемых материалов.

Постановка и результаты исследований оценивались в соответствии с законами теории эксперимента и его планирования, теории вероятностей и математической статистики с решением задач дисперсионного и регрессивного анализов.

Сравнительная оценка эффективности процессов проводилась по следующим показателям: силовые характеристики; зависимость жесткости шлифования от условий обработки; амплитуды коаксиальных колебаний инструмента в зоне резания; износ, формирование макрогеометрии, режущая способность абразивных кругов; шероховатость поверхности; физико-механическое состояние поверхностного слоя.

На основании комплексного экспериментального исследования технологических возможностей процесса плоского шлифования исследуемых материалов с упругодинамическим закреплением шлифовального круга, в сравнении с традиционным жестким креплением, установлено: повышается производительность обработки на 20-30 %; повышается стойкость круга до появления прижогов на шлифуемой поверхности в 1,5-1,7 раза; в результате уменьшения сил резания повышается режущая способность шлифовальных кругов на 30-50 % и сдвигается область превалирующего самозатачивания круга в сторону более интенсивных режимов шлифования; уменьшается абсолютный и удельный износ круга в 1,5-2 раза, снижается динамика изменения макрогеометрии рабочей поверхности круга со временем обработки.

Исследования динамики формирования макрогеометрии рабочей поверхности круга и коаксиальных колебаний инструмента при упругодинамическом закреплении во времени, подтвердили результаты проведенных теоретических описаний и расчетов. Результаты экспериментов показали эффективность назначения параметров режима шлифования, обеспечивающих оптимальное значение жесткости шлифования.

Исследование качества шлифованной поверхности позволило установить: применение упругодинамического крепления круга при обработке легко шлифуемых сталей (первая

группа обрабатываемости) увеличивает шероховатость поверхности на 15 - 20%, а при шлифовании труднообрабатываемых сталей и сплавов (вторая - четвертая группа обрабатываемости) уменьшает шероховатость поверхности на 25 - 30%; изменение исходной структуры и микротвердости шлифованной поверхности проявляется в меньшей степени и на меньшую глубину при шлифовании кругом с упругодинамическим закреплением, чем при шлифовании с традиционным жестким креплением.

Результаты экспериментальных исследований показали стабильность функциональных и выходных характеристик процесса плоского шлифования при оптимальном значении жесткости шлифования, что свидетельствует о сохранении режущих свойств инструмента во времени.

Результаты исследования подтвердили достоверность полученных расчетных зависимостей, с относительной погрешностью не превышающей 5... 10%.

Глава 5 посвящена разработке практических рекомендаций по использованию результатов исследований в производстве, оценке их технологической эффективности.

Установленные нами зависимости характеристик процесса шлифования от условий выполнения операций являются основой для управления динамической стабильностью и качеством изготавливаемых деталей. Они решают две основные технологические задачи: во-первых, позволяют рассчитать по заданным условиям выполнения операций численные значения различных функциональных характеристик в зоне обработки, т.е. прогнозировать показатели процесса шлифования; во-вторых, позволяют по требуемым значениям функциональных характеристик назначать рациональные условия обработки, т.е. нормировать процесс шлифования.

Практическое применение результатов теоретических исследований производится через предложенный нами обобщенный показатель - жесткость шлифования, характеризующий условия взаимодействия конкретной пары круг-деталь. Полученное оптимальное значение жесткости шлифования, обеспечивающее минимальное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента, для плоскошлифовальных станков близких по динамическим характеристикам позволяет назначать рациональные технологические параметры режима шлифования, стабилизирующих функциональные и выходные характеристики процесса во времени.

Разработанная методика проектного расчета конструкций планшайб для упругодина-мического закрепления шлифовального круга на плоскошлифовальном станке, обеспечивающих минимальную динамику изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента во времени, может быть использована для решения аналогичных задач при шлифовании на других моделях шлифовальных станков.

Разработана методика расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования по критерию оптимальности - максимальная стойкость абразивного инструмента. Создано программное обеспечение и рассчитаны на ЭВМ оптимальные нормативные параметры режима плоского шлифования для различных групп обрабатываемости материалов.

Созданные технические решения способов шлифования и конструкций технологического оснащения для закрепления абразивного инструмента - обеспечивают временную стабилизацию функциональных и выходных характеристик процессов шлифования, повышают стойкость различных видов абразивного инструмента по сравнению с существующей в 1,5-3 раза, улучшают качество обрабатываемой поверхности при одновременном увеличении производительности обработки и расширяют технологические возможности процессов плоского шлифования деталей. Результаты выполненных исследований были использованы при разработке и внедрении технологических операций плоского шлифования деталей машин. Это позволило:

- увеличить производительность процессов плоского шлифования в 1,5 - 2,5 раза;

- повысить стойкость и сократить расход шлифовальных кругов в 1,5 - 3 раза;

- снизить шероховатость шлифуемых поверхностей на 1 - 2 разряда в пределах одного класса;

- сократить количество ремонтов изделий, за счет повышения надежности работы шлифованных деталей.

Приложения включают документы о внедрении результатов работы в производство.

Основные результаты и выводы.

На основании проведенного комплекса исследований осуществлено теоретическое и практическое решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение, научно-технической проблемы обеспечения динамической стабильности высокоэффективного плоского шлифования деталей на базе разработки теоретических основ и конструктивно-технологических средств их реализации. Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. На базе разработанной динамической модели процесса плоского шлифования для описания износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента, получены новые аналитические выражения для прогнозирования этих контактных явлений, учитывающие динамические характеристики упругой системы плоскошлифовального станка и интегральное возмущающее воздействие процесса шлифования на упругую динамическую систему станка.

2. В качестве параметра, характеризующего интегральное возмущающее воздействие процесса шлифования на упругую систему станка, предложен обобщенный показатель процесса шлифования - жесткость шлифования. Получена функциональная зависимость для расчета жесткости шлифования при различных условиях выполнения операций плоского шлифования.

3. Получена функциональная зависимость для расчета амплитуды макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента. Из условия минимизации ее значения во времени, при шлифовании на станке ЗГ71М и станках равнозначных ему по динамическим

характеристикам, установлено оптимальное численное значение жесткости шлифования К » 31,8-105 Шм.

4. Выполнен расчет на ЭВМ износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента в зависимости от условий выполнения операций шлифования. Установлено, что динамика изменения макрогеометрии круга во времени минимальна при оптимальном значении жесткости шлифования К « 31,8-105 Н/м.

5. Разработаны новые способ шлифования и конструкция планшайбы для упругоди-намического закрепления абразивного инструмента с адаптивным изменением ее крутильной жесткости при шлифовании, обеспечивающих минимальную динамику изменения макрогеометрии рабочей поверхности инструмента во времени при шлифовании. Эти разработки защищены 2 патентами РФ. Получены расчетные зависимости для проектирования конструкций планшайб.

6. На базе разработанной динамической модели для описания связанных изгибно-крутильных колебаний инструмента, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления, получены аналитические выражения для расчета коаксиальных колебаний инструмента, учитывающие динамику изменения макрогсометрии рабочей поверхности инструмента во времени.

7. Выполнен расчет на ЭВМ коаксиальных колебаний инструмента в зависимости от условий выполнения операций шлифования. Установлен экстремальный характер зависимости амплитуды коаксиальных колебаний круга от жесткости шлифования - амплитуда коаксиальных колебаний минимальна в различные периоды времени шлифования при оптимальном значении жесткости шлифования, для которого минимально изменение макрогеометрии рабочей поверхности круга.

8. Разработаны методики, созданы новые устройства для исследования износа и формирования макрогеометрии рабочей поверхности абразивных кругов, амплитуд коаксиальных колебаний в зоне резания при упругодинамическом закреплении шлифовальных кругов.

9. Выполнено комплексное исследование технологических возможностей процесса плоского шлифования с использованием разработанных средств технологического оснащения для динамической стабилизации процесса, в сравнении с традиционно применяемыми, в лабораторных и производственных условиях. Результаты исследований выявили существенные технологические преимущества разработанпых решений в стабилизации функциональных и выходных параметров процессов шлифования, приводящих к снижению трудоемкости и себестоимости обработки в 1,5-2,5 раза, повышению стойкости и сокращению расхода абразивного инструмента в 1,5-3 раза, исключению дефектов поверхностного слоя шлифуемых деталей и повышению их эксплуатационной надежности.

10. Разработана методика расчета и назначения оптимальных параметров режима плоского шлифования по критерию оптимальности • максимальная стойкость абразивного инструмента, достигаемая за счет минимизации изменения макрогеометрии его рабочей по-

верхности во времени. Рассчитаны оптимальные нормативные параметры режима плоского шлифования для различных групп обрабатываемости материалов.

11. Разработан научно-технический комплекс, объединяющий теоретические основы и технологические средства совершенствования процессов плоского абразивного шлифования за счет их динамической стабилизации, базирующийся на: прогнозировании и обеспечении оптимальных условий динамического взаимодействия инструмента с деталью при шлифовании путем использования технологического оснащения для упругодинамического закрепления инструмента; оптимизации параметров режима выполнения операций шлифования.

12. Практическая реализация результатов исследований осуществлена путем внедрения на машиностроительных предприятиях разработанных рекомендаций по конструктивно-технологическому обеспечению динамической стабильности процессов плоского шлифования. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 1,5 миллиона рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Свирщбв В.И., Башкатов И.Г. Исследование формирования волнистости на рабочей поверхности шлифовального круга. //Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы./Волгоград-Волжский, 2001, с. 32-35.

2. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г. Динамические характеристики планшайбы для упругоди-намического закрепления шлифовального круга.//Высокие технологии в машиностроении и высшем образовании./ Пермь, ПГТУ, 2001, с. 34-35.

3. Свирщбв В.И., Башкатов ИХ. Динамика формирования макрогеометрии круга при плоском шлифовании. Вестник ПГТУ "Механика и технология материалов и конструкций", №4, Пермь, 2001, с. 3-7.

4. Свирщбв В.И., Башкатов И.Г. Разработка конструкции и расчет планшайбы для упруго-динамического крепления шлифовального круга. Вестник ПГТУ "Механика и технология материалов и конструкций", № 4, Пермь, 2001, с. 8-15.

5. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г. Расчет геометрических параметров упругих элементов планшайб для крепления шлифовальных кругов. Вестник ПГТУ "Механика и технология материалов и конструкций", № 4, Пермь, 2001, с. 16-19.

6. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г. Определение рациональной жесткости шлифования, обеспечивающей минимальное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента. //Инструмент и технологии./ СПб, 2002, с. 237-239.

7. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г., Флегентов В.К. Стабилизация процесса плоского шлифования за счет минимизации изменения макрогеометрии рабочей поверхности шлифовального

круга. //Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы./ Волгоград-Волжский, 2002, с. 96-99.

8. Свирщёв В.И„ Башкатов И.Г. Аналитическое исследование износа абразивного инструмента при шлифовании. Вестник ГОТУ «Механика и технология материалов и конструкций», № 5, Пермь, 2002, с. 196-203.

9. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г. Исследование коаксиальных колебаний шлифовального круга, установленного в планшайбе для упругодинамического закрепления. Вестник ПГТУ «Механика и технология материалов и конструкций», № 5, Пермь, 2002, с. 204-208.

10. Патент на изобретение №2204470, РФ 7 В 24 В 1/00. Способ плоского шлифования. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г, Степанов Ю.Н. №2001118504/02 Заявл.04.07.2001. Опубл. 20.052003. Бюл.№14.

11. Патент на изобретение №2204472, РФ 7 В 24 В 45/00. Планшайба для крепления шлифовального круга. Свирщёв В.И., Башкатов И.Г, Степанов Ю.Н. №2001119680/02 За-явл. 16.07.2001. Опубл. 20.05.2003. Бюл.№14.

Лицензия № 020370

Сдано в печать 05.05.04. Формат 60x80/16. Объем 1,0 уч.изд. Тираж 100. Заказ 1139.

Печатная мастерская ротапринта ПГТУ.

№1 07 70