автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологические основы и обеспечение динамической стабилизации процессов шлифования

На правах рукописи

СВИР1ДЕВ ВАЛЕНТИН ИВАНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ

ч

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ижевск - 1Э97

Работа выполнена в Пермском государственном техническом

университете

Официальные оппоненты: член-корреспондент АТН РФ- доктор

технических наук, профессор СВИТКОВСКИЙ сш.

член-корреспондент АПК РФ- доктор технических наук- профессор

ИВАНОВ В.А.

заслуженный изобретатель РФ- доктор технических наук- профессор

МОКРОНОСОВ ЕЛ

Ведущая организация - АО "Пермские моторы", г. Пермь

Защита состоится " ¿¿¿о'^^ 1997 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 064.35.02 ижевского государственного технического университета ло адресу: 4Е606Э- г. Ижевск- Студенческая 7

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ижевского государственного технического университета

Автореферат разослан "^н^л-л- 1ээ7 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор _

д

крекнин АТ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возникающие в процессе перехода к

рыночной экономике отношения в сфере производства выдвинули на первый план проблемы- связанные с выпуском конкурентноспособ-ной 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 инструмента, обеспечивающих высокое качество и производительность обработки.

В первую очередь это относится к финишным 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, вызванные непрерывным изменением условий взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом в зоне резания, которые в целом характеризуют нестабильность процесса обработки во времени. Это приводит к изменению теплового и силового воздействия на инструмент, не рациональному использованию его ресурса и ухудшает качество поверхностного слоя обрабатываемых

деталей. Интенсивность отмеченных процессов зависит от динамических свойств технологической системы и технологических условий обработки, и в наибольшей степени проявляется при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов. Особую актуальность нестабильность процессов шлифования приобретает в условиях автоматизированного производства.

Существующие способы формообразования поверхностей на операциях шлифования, технологическое оснащение применяемое при их реализации, не предусматривают оптимизацию и управление динамикой резания с целью временной стабилизации характеристик процессов шлифования. Проблема обеспечения заданного качества поверхностного слоя деталей при шлифовании в настоящее время для каждого конкретного случая решается, как правило, 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 теоретических основ, описывающих основные закономерности динамической стабилизации процессов шлифования- и их связи с формированием свойств поверхностного слоя деталей. это позволит управлять процессами шлифования с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей ее производительности, а также изыскать пути интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей. отсутствие системного подхода к изучению описанных особенностей процессов шлифования не позволяет осуществить решение актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - технологического обеспечения динамической стабильности процессов шлифования.

Целью работы является решение проблемы технологического

обеспечения динамической стабильности процессов высокоэффективного шлифования на базе разработки теоретических основ и конструктивно-технологических средств их реализации.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ обеспечения динамической стабильности процессов шлифования и новых технических решений конструктивно- технологических средств их реализации.

Теоретические основы динамической стабилизации включают,-1 Научно-технический комплекс, объединяющий теоретические основы и технологические средства совершенствования процессов абразивного шлифования за счет их динамической стабилизации и охватывающий этапы проектирования и обработки, причем на этапе проектирования решаются задачи обеспечения параметров качества

обрабатываемой поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости, а на этапе обработки ~ стабилизации во времени этих параметров с учетом индивидуальных особенностей обработки

2. Математические модели, описывающие основные контактные явления в зоне шлифования с учетом динамических свойств технологической системы и определяющие динамическую нестабильность процесса. Разработаны теория этих явлений и пути управления ими, используемые при проектировании и управлении процессами шлифования.

3. Математические модели процессов чернового, чистового и

i отделочного шлифования- с использованием которых решены задачи оптимизации параметров режима шлифования обеспечивающих заданное качество шлифуемой поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости.

А. Новые способы и устройства для формирования регулярного

макрорельефа на рабочей поверхности инструмента и упруго-динамического его крепления, высокопроизводительные рабочие циклы шлифования и технологическое оснащение для их реализации, обеспечивающие динамическую стабилизацию выходных характеристик и расширяющие технологические возможности процессов шлифования. получены расчетные зависимости для их проектирования и настройки перед использованием.

5. Новые пути совершенствования и методики конструктивно-технологического обеспечения динамической стабильности процессов шлифования в зависимости от вариантов их выполнения.

новыми техническими решениями- защищенными 18 авторскими свидетельствами- являются способы и устройства для формирования регулярного макрорельефа на рабочей поверхности абразивного инструмента- конструкции планшайб для крепления абразивного инструмента- способы высокопроизводительного бездефектного шлифования по разработанным алгоритмам и устройства для их реализации.

Методология и методы исследований. Общей методологической основой является системный подход, заключающийся в структурном разбиении технологической системы шлифования на подсистемы- их моделировании, описании и установлении взаимосвязей между ними. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории шлифования

материалов, теории динамической механики разрушения, теплофизики процессов резания. теории колебаний- теории параметрической оптимизации, теории математического моделирования, с широким использованием численно-аналитических методов. методов вычислительной математики. дифференциального и интегрального исчислений.

экспериментальные исследования проводились на основе разработанных автором и стандартных методик в лабораторных и производственных условиях на современном оборудовании с при-

менением 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 ibm рс/йт-38б дх

Практическую ценность представляют следующие результаты:

1. Методы расчета основных параметров контактного взаимодействия инструмента с деталью с учетом динамических свойств технологической системы- что создает возможность управления процессом шлифования- и является базой программного математического обеспечения систем автоматического управления интенсивной бездефектной обработкой.

2. Технические решения способов обработки и средств технологического оснащения повышающие стойкость различных видов абразивных инструментов- улучшающие качество обработанной поверхности при одновременном увеличении интенсивности съема

материала

3. Методика и прикладное программное обеспечение оптимизации

параметров режима шлифования- обеспечивающих заданное качество поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости обработки.

4. Методика конструктивно-технологического обеспечения динамической стабильности процессов шлифования.

5. Новые способы и конструкции технологического оснащения для

насечки рабочей поверхности и закрепления абразивного инструмента- системы управления процессами шлифования- обеспечивающих временную стабильность выходных характеристик процессов шлифования и расширяющих технологические возможности.

6. Типовые технологии плоского и зубошлифования- регламентирующие режимы высокопроизводительной обработки- в том числе с применением разработанных средств технологического оснащения и систем автоматизации.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на ряде предприятий авиационного- приборостроительного-оборонного и химического машиностроения СПермские АО "Авиадвигатель"- АО "Пермские моторы"- АО "Инкар"- АО "Мотовили-

хинские заводы". АО "ГТППО", АО "Промсвязь". Киевском ОЭЗ ttôO Гражданской авиации, Губахинском механическом заводе- Канском заводе бумагоделательного оборудованиях Применение разработанных рекомендаций по динамической стабилизации процессов шлифования позволило снизить трудоемкость и себестоимость обработки- повысить стойкость и сократить расход абразивного инструмента- исключить дефекты поверхностного слоя шлифуемых деталей и повысить их эксплуатационную надежность. отдельные результаты работы используются в учебном процессе подготовки инженеров-механиков по кафедре 'технология машиностроения"

Пермского государственного технического университета.

Экономический эффект от внедрения результатов работы в ценах 1992 года составил более 4 миллионов рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах- в том числе союзных и республиканских (пермь -1975- 1977- 1979- 1981, 1983- 1985. 1987- 1989- 1991; Киев -1975- 197В, 1983- 1995; Одесса - 1975- 1976. 1995; Минск -1975. Куйбышев - 1980; Рыбинск - 1977, 1992,- Тольятти - 1988, 1992; Челябинск - 1990; Ленинград - 19915- ежегодных конференциях Пермского политехнического института СПермь 1977 -19955. Результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР (Москва - 19795- выставке законченных НИР ПГТУ (Пермь - 19935.

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании профилирующих кафедр механико-технологического факультета Пермского государственного технического университета.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 77 печатных работ- в том числе одна монография и 18 авторских свидетельств. Во ВНТИЦ зарегистрировано 7 отчетов о научно—исследовательских работах- выполненных по теме диссертации.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения.

пяти глав- заключения- списка литературы и приложений. общий объем работы 452 страницы- в том числе 265 страниц машинописного текста. 134 рисунка- 16 таблиц, 185 наименований литературы.

на защиту выносятся:

1. Структура, этапы разработки и реализации научно-технического комплекса динамической стабилизации технологической системы шлифования, охватывающего этапы проектирования и обработки.

н. Системный методологический подход в соответствии с которым на этапе проектирования решается задача обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя при минимальных трудоемкости и себестоимости- а на этапе обработки решается задача стабилизации этих парамртров с учетом индивидуальных особенностей обработки.

3. Комплекс теоретических и экспериментальных исследовании по разработке научно-технического комплекса динамической стабилизации системы шлифования, позволяющего обеспечить и стабилизировать параметры качества обрабатываемой поверхности при высокой производительности обработки.

4. Теория и инженерные методы проектирования и расчета абразивного инструмента с регулярно сформированным макрорельефом, средств технологического оснащения для упруго-динамического крепления инструмента- высокопроизводительных рабочих циклов шлифования и технологического оснащения для их реализации.

5. Комплекс внедренных в промышленность и защищенных охранными документами НИИГПЭ способов и конструкций технологического оснащения для насечки рабочей поверхности и закрепления абразивного инструмента, системы автоматического управления процессами шлифования.

6. Типовые технологии высокопроизводительного шлифования е применением разработанных средств технологического оснащения и систем автоматизации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы обеспечения динамической стабильности процессов шлифования. изложена краткая характеристика работы- показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния

проблемы обеспечения динамической стабильности процессов шлифования и формированию задач- решение которых необходимо для достижения поставленной цели работы.

На основании анализа и обобщения литературных данных. практики отечественной и зарубежной промышленности 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) 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.

Даны схемы взаимодействия параметров процесса шлифования

и взаимосвязей теоретических моделей при шлифовании, рассмотрены существующие подходы к теоретическому моделированию и описанию физических явлений в зоне контакта. проектированию. осуществлению и управлению процессами шлифования. выявлены основные недостатки этих подходов. заключающиеся в отсутствии исследований динамических моделей процессов абразивного шлифования в которых учитывалось бы: влияние динамических характеристик технологической системы на разнообразные физические явления в зонах контакта при шлифовании," влияние динамики шлифования на изменение макрогеометрии рабочей поверхности инструмента," влияние вибраций различной природы при шлифовании на стабильность во времени функциональных и выходных характеристик процесса. 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 ее производительности.

в заключении первой главы на основании анализа состояния

проблемы и выбранного направления исследований сформулированы цель работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию контактных явлений (силовые- тепловые- износа абразивного инструмента) в зоне шлифования- определяющих динамическую нестабильность процесса.

в отличие от теплового- деформирующий фактор при шлифовании значительно ослаблен- и поэтому основной причиной интенсивного теплообразования в зоне резания следует считать процессы трения на контакте шероховатых поверхностей инструмента и детали- работающего в экстремальных условиях экстремальные условия работы контакта определяются двумя признаками. Первый из них предусматривает наличие большой пластической деформации контактирующих тел и высокой температуры-заметно изменяющей прочностные характеристики их пограничных

слоев. Второй признак предусматривает высокую относительную скорость перемещения поверхностей, при которой скорости деформации на несколько порядков превышают скорости деформации при стандартных методах испытания

Для описания силовых явлений в зоне шлифования- при моделировании зона контакта круга и детали рассматривается как

некоторый осредненный по всем абразивным зернам источник деформационных и тепловых воздействий на поверхностный слой детали с учетом микрохарактеристик рабочей поверхности шлифовального круга. При этом множество абразивных частиц разбивается

на группы пучком плоскостей. проходящих через ось вращения круга- так чтобы расстояния между ними на периферии круга были равны среднему расстоянию между зернами - определяемому из

выражения

1 =К,»с1*<с1/у>П1 (1)

$> о

где к6 - параметр- зависящий от объемного строения стандартного абразивного инструмента и условий правки его рабочей поверхности; й - характерный размер абразивного зерна инструмента; у - расстояние от наиболее выступающего зерна на пери-

ФЕРИИ КРУГА ВГЛУБЬ ПО РАДИУСУ КРУГА; п=1.0-2.5 {ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОРУНДОВЫХ КРУГОВ НА КЕРАМИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ 1-'=1.5. для ЭЛЬБОРО-ВЫХ И КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ НА КЕРАМИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ

Коэффициент «j- входящий в выражение С1) находится по формуле

К,=к *к *к_, <£)

о п сх rip"

где кп - коэффициент пористости абразивного круга- к, - коэффициент структуры абразивного круга; кпр - коэффициент правки рабочей поверхности круга.

На основании обобщения параметров объемного строения стандартного абразивного инструмента, регламентированных ГОСТ, в работе получены номограммы для определения и 1<ск в формуле с2>

Тангенциальная составляющая силы резания на единичном резце может быть найдена из выражения

Р ia5*Hv*t*s. *£*Z *cos<r)+y > / С? *cos<n+r> -siriY)) ,

ГДЕ Ну - ТВЕРДОСТЬ ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА ПО ВИККЕРСУ; t -ГЛУБИНА ШЛИФОВАНИЯ," Sj - ШИРИНА ЕДИНИЧНОГО РЕЗЦА; е - ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ СДВИГ,- К - УСАДКА СТРУЖКИ,- Ч ~ УГОЛ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ; Г - ПЕРЕДНИЙ УГОЛ ЕДИНИЧНОГО РЕЗЦА. А СОСТАВЛЯЮЩИЕ СИЛЫ РЕЗАНИЯ р2 И Ру ПРИ ШЛИФОВАНИИ АБРАЗИВНЫМ КРУГОМ НА ОСНОВАНИИ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МОГУТ БЫТЬ НАЙДЕНЫ ИЗ ВЫРАЖЕНИЙ Р =0. 135*Н *N *l.*s !»;}■•), Р =Р *tg(*)+v>, (3,4)

2 УОХф у Z

ГДЕ - ЧИСЛО ЗЕРЕН НА ДУГЕ КОНТАКТА,- ^ - ТОЛЩИНА СЛОЯ, СНИМАЕМОГО ОДНИМ СЕЧЕНИЕМ ОБОБЩЕННОГО РЕЗЦА,- - ФАКТИЧЕСКАЯ ШИРИНА КАЖДОГО СЕЧЕНИЯ РЕЗЦА; S "V < 5?1>;у> *S*cos > *

* ( l+sin/) / <CGSJ'*<3*C05{T)+}'> —2*sirvr)) ).

Выражения для ^ при плоском шлифовании перифе-

рией электрокорундовых кругов на керамической связке- при y=t, имеют вид

—_ n+0.5 v,v M(d/t)1,5 /--К t^s

n = l-ji-__ 1.- --- а- , —ц*-, <5,6,7>

& к д c5

где \ - диаметр шлифовального круга; - скорость абразивного резания; - скорость перемещения детали; е - поперечная подача; кь - коэффициент формы вершины зерна. подставляя с5>, (6)- с7> в <33 выражение для р2 примет вид

К V *v

b ги-l. 5 .— (О. 5+n> и д

P_=O.ISS*H *d " *-_—=_*yi(i.з^гцуУ, <a>

2 v <5 (v. )

К д

Выражение C83 получено из кинематических соображений и

не учитывает высоких температур и скоростей деформации в зоне контакта круга и детали. влияние этих двух факторов- характерных для процессов абразивной обработки- будет проявляться через изменение в зависимости от температуры в зоне шлифования. используя известное в теории пластичности соотношение между напряжением сдвига и твердостью- и вводя модифицированную температуру по скорости деформации смодификация К. Мак-

грегора и Н. Фишера}- получено выражение для pz- имеющее вид

к 1

fo.ieSW<0-5+"> Ь g-t-v 4г,-нуч-Ь

s ■> SU+V> ail+v) -1

Р = *s*V *t »V, ,

Z f /- 1 Д k

isya/n -- . ■ - TT?

1

где и, v - константы в степенной зависимости модифицированной твердости от температуры. в работе получены значения и и v для представителей материалов различных групп обрабатываемости по корчаку С. К

ПРИ шлифовании инструментом с регулярно сформированным снлсеченным) макрорельефом срсм} с учетом износа рабочей поверхности во времени получено выражение для p2fr имеющее вид

к 1

Го.1в5.и*сГ(°'5+П> v^U-p»]7^ г+v 4n+v+6

р = __^ j

ZH Г J- 1 Д

2ya/n -- .ITT7 *v,

1

*tl+H<T)/t> , О)

где p - плотность насечки рабочей поверхности инструмента-и<т> - радиальный износ шлифовального круга во времени.

в установившемся режиме шлифования инструментом с рсм будет происходить периодическое изменение тангенциальной составляющей силы шлифования на величину определяемую из выражения

др =n*d3»p /са*р*52*УьГ*б), <ю)

Z К 2Н к '

где с!н - диаметр макровпадины на рабочей поверхности круга.

Исследование влияния направления относительной осцилляции круга и детали на значение тангенциальной составляющей р, силы резания позволило установить- что наложение колебаний на шлифовальный круг изменяет значения составляющих сил резания - уменьшает или увеличивает их в зависимости от фазы колебаний. На величину сил резания оказывает влияние главным образом амплитуда вынужденных колебаний. частота колебаний в исследованном диапазоне (314--5338 рад/с) влияния на значения составляющих силы резания практически не оказывает. наибольшего разброса силы резания достигают при нормальной осцилляции. а наименьшего - при коаксиальной.

для исследования тепловых явлений принималась следующая тепловая модель. по полупространству. теплофизические характеристики которого v со скоростью в положительном направлении оси * движется бесконечно длинный полосовой источник тепла шириной требуется найти квазистационарное распределение температуры в поверхностном слое шлифуемой детали из решения дифференциального уравнения

при следующих начальных и граничных условиях

г=0 й

x=ee

, , дв =П (т) : -г—|

0£z£2h

=о,

х=0

0>z>2h

где е - температура; r ~ время." а ~ коэффициент температуропроводности; - коэффициент теплопроводности; 3<г> =до*<г<т> - закон изменения плотности теплового потока в зоне резания при шлифовании; 30 - плотность теплового потока при шлифовании кругом со сплошной рабочей поверхностью; f (т> ~ функция. определяющая закон изменения во времени плотности теплового потока при шлифовании кругами с рсм.

Согласно методу источников тепла решение дифференциального уравнения (11) в установившемся режиме шлифования (при 2=0) имеет вид

у— 00

е=д —— Г Г(т)с1тГф(у ту^т/от) )-ф(<У т-£Ь)/<гУ^ат) >1, <1£} °а/7| /7 1 Д Д 1

где Ф<*> - интеграл вероятности гаусса (Ф<а>>=1, ф(-оо>=-1>

После интегрирования и преобразования (12) с учетом (9)

выражение для максимальной температуры при плоском шлифовании периферией круга примет вид

к

e } _15_L-.v*71^

max i... ■ 4, у v д

*Vd, *t *• fsVa/ir д h l

Antv*S rn-O.5

где /э - коэффициент тепловвода в деталь.

Оценка влияния микропрерывистости в зоне шлифования на

ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА ПОЗВОЛИЛА ПОЛУЧИТЬ ВЫРАЖЕНИЕ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ К* зд СЧЕТ НАЛИЧИЯ НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА РСМ

к*=1- <i-T)*)»fNae/i), (13>

где - коэффициент- характеризующий перекрытие зоны резания рабочей поверхностью инструмента, ^hg/д) = 1/ l/jv *

*2 (У N' ~ i ~ S N* - i - (lg/Ajj,- N' - ЧИСЛО МИКРОИСТОЧНИКОВ, i —1

прошедших над фиксированной точкой детали; - расстояние между микроисточниками,- а - шаг микропрерывистости рсм. анализ выражения (13) показывает, что наиболее существенное влияние на температуру шлифования оказывает не число микроисточников n', а соотношение между их геометрическими параметрами -

и плотностями тепловых потоков г)\ в работе дана методика расчета геометрических параметров РСМ на рабочей поверхности круга, обеспечивающего требуемое снижение температуры.

Анализ литературных источников показывает, что износ абразивного инструмента и динамика формирования макрогеометрии на его рабочей поверхности оказывают существенное влияние на

геометрические и физико-механические показатели качества шлифованных поверхностей и стабильность выходных характеристик процессов шлифования во времени. рабочая поверхность круга работает в режиме износа двух типов. первый тип - физико-химическое взаимодействие, которое приводит к сравнительно слабому износу- но характеризуется существенной зависимостью усилий от времени контактирования. второй тип обеспечивается процессами вырывания зерен из связки и характеризуется большой величиной износа в направлении перпендикулярном к поверхности контакта.

На участке сравнительно слабого физико-механического истирания с постоянной скоростью износа согласно исследований

Королева А. В. и Новоселова Ю. К. размерный износ пропорционален величине относительного износа и пути резания. используя известную в теории трения зависимость для относительного износа- износ инструмента в установившемся режиме первого типа может быть описан следующей зависимостью

И(т>=С* цЯуТ^. * Ц * v » г, а

где с - коэффициент- определяемый материалами контактирующих

тел (для электрокорундовых кругов: с=1.5*10 3 сдля обычных

кругов)- С=1-3*10~"1СДЛЯ кругов с РСМ)),- - нормальное

давление на поверхности контакта- зависящее от интенсивности напряженного состояния.

П-Ю. 5

а <т) =Р * < 1+И (т) /Ь) 1+ч' t д *К <5*1. ( и+И С г) ) /а) П+0' 5> ;

2 о □

<г) - твердость (микротвердость) материала абразивного зерна при максимальной температуте резания,

п+0. 5 ""Т+\Г"

[-г*а*У *Р * < 1 *-1Л (т > /1;) /-"1

I — —2 П1 - * уа/п\,

Х*5*-/ V*УЕ>,

д к

- коэффициенты. зависящие от материала абразивного зерна (для электрокорунда ГПа, е(=0-0013; для карбида кремния

зеленого 0=10.3 ГПа, о=0.0021); i- - длина зоны контакта

v ~ циклическая частота вращения абразивного инструмента." т - время шлифования.

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЛАССИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ О ДЕФОРМАЦИИ КЛИНА СИЛАМИ- ПРИЛОЖЕННЫМИ К ВЕРШИНЕ, ПОЛУЧЕНО ВЫРАЖЕНИЕ ДЛЯ СОЧЕТАНИЯ РЕЖИМОВ ШЛИФОВАНИЯ ПРИ КОТОРЫХ ПРОИСХОДИТ ПЕРЕХОД ОТ ПЕРВОГО ТИПА ИЗНОСА КО ВТОРОМУ

4-4ПУ-У _ у<п-Ю.5)

д к

<т?,у>*

__у

Т+\7 , 1 Т+у

* ^гуа/п * -—/-

г

(1 А)

г* [о. 1в5Ч1*ч,г~~0-э,'~1*¥г.<1-р)

ГДЕ - КРИТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ПРИ КОТОРОМ ЗЕРНО ВЫРЫВАЕТСЯ ИЗ СВЯЗКИ,"

С ПОЗИЦИИ СТАБИЛИЗАЦИИ ВО ВРЕМЕНИ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ- ЦЕЛЕСООБРАЗНО ВЕСТИ ЕГО ПРИ СОЧЕТАНИИ РЕЖИМОВ ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ ВЫРАЖЕНИЕМ СЮ.

ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛНИСТОСТИ НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРОЦЕСС ШЛИФОВАНИЯ МОДЕЛИРОВАЛСЯ В ВИДЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ- ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОТОРОЙ Сга- с- Г)У СООТВЕТСТВУЮТ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ОДНОЙ ИЗ НОРМАЛЬНЫХ ФОРМ СПЕКТРА КОЛЕБАНИЙ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА- НА КОТОРОМ РЕАЛИЗУЕТСЯ ПРОЦЕСС ШЛИФОВАНИЯ. В ПРЕДПОЛОЖЕНИИ- ЧТО ВЕЛИЧИНА РАДИАЛЬНОГО ИЗНОСА В ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКЕ ПРОФИЛЯ ИНСТРУМЕНТА ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СИЛЕ, ПРИЛОЖЕННОЙ В ЭТОЙ ТОЧКЕ, ОБЩИЙ ВИД ФУНКЦИИ ИЗНОСА ПРОФИЛЯ КРУГА В ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКЕ ДЛЯ КАЖДОГО ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОБОРОТА БУДЕТ ИМЕТЬ ВИД

[ш-1 ,

ГДЕ ¿У~ ИЗНОС КРУГА В ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКЕ ПРОФИЛЯ НА

го-1

ОБОРОТЕ С НОМЕРОМ У Ду, <*>) - ИЗНОС КРУГА В ФИКСИРОВАННОЙ

ТОЧКЕ ПРОФИЛЯ ЗА '"-1 ОБОРОТОВ КРУГА; У1п(»>> ~ ФУНКЦИЯ, ОПИСЫВАЮЩАЯ КОЛЕБАНИЯ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА НА ОБОРОТЕ С НОМЕРОМ

т," ~ глубина резания- установленная по лимбу станка,- у -

статическое отжатие упругой системы станка,"

у

2*И(т)»ГгУо/гг » -Л-")

1 _ -

К.=

185*U*d~<0" 5+n) vf*7 *в*Уд5ТГТ7Г *t3rrCT7r

* r ri-t-o. a ~ 5

v"1* tg(v+y)*jl+(l+H(r)/t)1+v I

к 1 . g+v 4n-3v-*-a

£Va/rr *•

п-НЗ.5

•V"1* tg<r)+y)*<l+H<TJ/t) 1+V ,

Сравнение динамики изменения волнистости на периферии

круга во времени для обычного круга и с рсм- показывает, что изменение волнистости на насеченном круге меньше, чем на обычном. для установившегося режима шлифования получены аналитические выражения для амплитуды волнистости рабочей поверхности круга- зависящей от циклической частоты вращения р>0 инструмента и числа регулярно сформированных макронеровностей n на рабочей поверхности. С позиций минимизации изменения амплитуды волнистости круга во времени оптимальное значение спри шлифовании обычным кругом по л.с.1491678) и N спри шлифовании кругом с рсм)- могут быть расчитаны по формулам

, .2 к / Н3 , . _ £ .г В*К*Т)*" 1

"" ~/srr.—777Z о вгпчрзкг •

m * (1 —¿у*к) j N=0. 5/ (ш*У1-о*К ) *

У т о у 2 m 'о

м

где - частота собственных колебаний упругой системы станка; v - коэффициент демпфирования.

На основании результатов моделирования и описания основных контактных явлений в зоне шлифования получены аналитические выражения для их прогнозирования- являющиеся основой для создания оптимизационной матмодели стабильного обеспечения качества и производительности при обработке шлифованием- проектирования инструмента и средств технологического оснащения для его закрепления.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию динамики взаимодействия инструмента с деталью- оптимизации условий динамического взаимодействия- разработке конструкций и расчету средств технологического оснащения для формирования рсм на рабочей поверхности инструмента и его закрепления.

Наименее изученным и скрывающим наибольшие технологические возможности в плане повышения эффективности и стабилизации характеристик процессов шлифования является путь изучения и правильного использования динамических процессов- происходящих в упругих технологических системах. это прежде всего относится к автоколебаниям технологических систем. наряду с широко исследуемыми и применяемыми методами снижения вибраций при обработке металлов резанием известны работы подураева вн-Жаркова ИГ- Маркова НИ,- Никулкина Б.И.- в которых отмечается позитивное влияние определенных амплитудно-частотных диапазонов вибраций на показатели процессов обработки и это представляет интерес в решении прикладных задач повышения эффективности обработки.

Выполненное аналитическое исследование взаимосвязи вынужденных коаксиальных колебаний и автоколебаний при шлифовании позволило получить выражение для амплитуды автоколебаний

FM= уЛ/З/у* (f)~3/2*j-*v>**o2) / О, где pq—амплитуда вынужденных колебаний-- <•> - частота вынужден"

ных колебаний,- " - частота автоколебаний," р и г - положительные константы.

экспериментально найденные значения fi и y позволили установить количественную взаимосвязь между амплитудами вынужденных колебаний и автоколебаний от частоты вынужденных колебаний. Анализ результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы: при фиксированных значениях коэффициентов дестабилизирующего Р и демпфирующего г значения амплитуды вынужденных колебаний î>0 при различных частотах « определяются величиной приложенного возмущающего воздействия- с ростом которого амплитуда р0 растет. Значения же амплитуды автоколебаний в точках- удаленных от окрестности основного резонанса, практически не зависят от возмущающего воздействия,- при изменении соотношения между коэффициентами fi и г Спри уменьшении дестабилизирующего коэффициента fî), значения амплитуды автоколебаний резко падают и зона устойчивости Сотсутствия автоколебаний) значительно увеличивается, в то время как амплитуда вынужденных колебаний уменьшается незначительно.

Для определения оптимальных амплитудно-частотных диапазонов взаимодействия инструмента с деталью, по критерию наибольшей эффективности процесса стружкообразования, проведена серия экспериментов на специальном стенде, позволяющем комплексно исследовать характеристики процесса микрорезания в условиях динамического взаимодействия абразивного элемента с

обрабатываемым образцом. при проведении экспериментов по микрорезанию использовались полированные (па о. 16-0. 08 мкм) образцы из сталей у8а, 1EXSH4-A, 17ХН10Т. Р18. являющимися представителями четырех групп обрабатываемости материалов согласно классификации корчака с.н- эксперименты проводились как на сырых (hrc^ 28-32) так и на термообработанных (каленых) образцах из каждого материала. В качестве абразивного элемента при микрорезании использовался конус из синтетического алмаза АСПК-3 с углом при вершине 108°-110°и радиусом р-15-25 мкм.

При проведении исследований использовалась теория статистического планирования экспериментов. варьируемыми факторами при постановке эксперимента являлись: глубина микрорезания t амплитуда колебаний образца а,- частота колебаний образца f.

Фиксируемыми параметрами процесса микрорезания при проведении

экспериментов являлись; тангенциальная р= и радиальная ру составляющие силы микрорезания- температура в микрорезания.

после проведения эксперимента исследовалась поверхность микрорисок на образцах с записью профиллограмм их профиля в различных сечениях по длине риски на профиллографе-профило" метре модели ПП-252. По профиллограммам определялись глубина и ширина ь среза- высота и ширина ьн навалов- площади

поперечного сечения среза б ц навалов э,- кроме того

г

производилось визуальное изучение профиля микрорисок на инструментальном микроскопе БИМ-7 и их фотографиям в плане- а также характера образующейся микростружки.

эффективность процесса микрорезания с установлением оптимальных амплитудно-частотных диапазонов оценивалась по следующим функциональным зависимостям: ^^р'

р2уру- рг/вр' Критериями оптимальности явля-

лись минимальные значения характеристик с31+3г)/3р-

и максимум характеристики р-./с\,. результаты про~ Р Л* р у

веденного анализа полученных зависимостей позволили установить амплитудно-частотный диапазон- в котором процесс струж" кооеразования наиболее эффективен. это диапазон частот от 160 Гц до 200 Гц и амплитуд от 30 мкм до 50 мкм.

Амплитудно-частотные диапазоны вибраций- возникающих при шлифовании- определяются условиями шлифования и динамическими свойствами упругой системы станка. Нами предлагается реализовать два принципиально различных пути задания вибраций и управления амплитудно-частотными диапазонами взаимодействия инструмента с деталью при шлифовании: - целенаправленное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента- и использование ее за счет прерывистости процесса в качестве источника вынужденных колебаний при шлифовании; - изменение динамических свойств упругой системы станка в зависимости от требуемой амплитуды и частоты вибраций в зоне резания.

Целенаправленное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента может быть достигнуто при его правке- за счет регенеративного эффекта- приводящего к возбуждению автоколебаний правящего инструмента. результаты проведенного анализа позволили предложить способ правки шли-

фобального круга (л.е. 1202833) однокрисстальным правящим инструментом. который располагают со смещением его осевой линии относительно радиального направления и перемещают вдоль образующей круга с величиной подачи на оборот круга меньшей. чем величина площадки рабочей поверхности правящего инструмента в направлении подачи. причем инструмент устанавливают с возможностью колебаний в плоскости вращения круга перпендикулярно осевой линии. при этом частоту собственных колебаний инструмента задают в соответствии с зависимостью

о *

где n - некоторое целое число (n=1,2,3...), ь> - частота вращения шлифовального круга, а величину смещения осевой линии инструмента относительно радиального направления выбирают равной

к 'от'

где rt( - радиус шлифовального круга; 1' - величина площадки на рабочей поверхности правящего инструмента в направлении подачи.' а - поперечная подача правящего инструмента; п - коэффициент демпфирования колебательной системы." ч,.- тангенциальное давление на правящий инструмент при правке.

целенаправленное изменение макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента может быть обеспечено путем скалывания макрообъемов абразива вместе со связкой по разработанным нами способам С ас. 854697, 149344-7). реализуемых рядом устройств (a.c.1033299.1114535.1220761,1484652,1604583). Параметром реализуемым при формировании РСМ требуемой плотности р является глубина насечки которая находится из выражений; для устройства с винтовой парой (a.c. 1114535)

h =У D, *В, *'pJ iE (Б, *Wt 1 *nl Г, (15)

н к к к в *

для устройства с планетарным редуктором (а. с. 1220761)

h =У 5, *р/ (£8. 97*1-1*11' > , С1Б)

н к к г

ГДЕ Вк - ШИРИНА КРУГА." EtBk*r,/tB> ~ ЦЕЛАЯ ЧАСТЬ ОТНОШЕНИЯ <Bk*i-,)/tB; 1-. - КОЛИЧЕСТВО НАСЕКАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ. РАВНОРАС-ЛОЛОЖЕННЫХ НА ПЕРИФЕРИИ РОЛИКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАСЕЧКИ." ШАГ

ВИНТОВОЙ ПАРЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАСЕЧКИ; - КОЛИЧЕСТВО ПРОХО-

дов при насечке. в работе даны номограммы для определения параметров насечки сьн,п'> для ПОЛУЧЕНИЯ РСМ- построенные по формулам (15,16).

Второй путь управления динамикой резания предусматривает

введение в упругую систему (УС) станка упругих элементов, изменяющих ее динамические характеристики. возможно управление жесткостными и демпфирующими характеристиками упругого элемента. Выполненный анализ корреляционной связи параметров упругих элементов (УЭ) с уровнем автоколебаний в процессе шлифования позволил установить, что существует критическое значение коэффициентов демпфирования УС или УЭ- ниже (выше) которого невозможно добиться изменения амплитуды автоколебаний ни при каких реальных значениях параметров УС и УЭ. поэтому в работе рассмотрена возможность управления уровнем автоколебаний за счет изменения жесткости УЭ.

На основании проведенного анализа нами предложен способ шлифования (ас. 906670), позволяющий за счет управления автоколебаниями, повысить стойкость абразивного инструмента и производительность шлифования. Производственная реализация предложенного способа достигается разработанными нами конструкциями планшайб для крепления шлифовального круга Са.с. 9942341020216).

Выполненные кинетостатический и динамический расчеты планшайб позволяют прогнозировать их динамические характеристики, обеспечивая требуемые амплитудно-частотные диапазоны осцилляции в зоне резания в зависимости от условий выполнения операций шлифования. По известным оптимальным амплитуде йа.0.и частоте твфс> колебаний в зоне шлифования, при шлифовании инструментом с РСМ установленным в планшайбах со ступенчато изменяемой жесткостью (а. с. 994234) получена формула для расчета окружной жесткости с планшайбы

с =<др )/а ,

(О г к в. о. в. о. о в. о.'

где осевой момент инерции планшайбы с установленным кругом. После определения из таблицы, в зависимости от сечения упругих элементов планшайб, может быть выбрана схема их закрепления.

При шлифовании инструментом с РСМ в планшайбе с бессту-

пенчатым изменением окружной жесткости Ca. с. 1020216). значение с^ определяется величиной силы Ргн. Поэтому оптимальный амплитудно-частотный диапазон в зоне шлифования может быть

обеспечен за счет задания расчетного значения в соответствии с выражением

лр =к)с *й -4*яг*й *f2 *J {17)

г i в.о. s.o. в. о. о кр

Значения с^ в формуле (17) определяется из таблицы в

зависимости от жесткости пружин планшайбы- жесткости упругих элементов и значения тангенциальной составляющей силы резания

р,н. После определения лр, из выражения С17) определяется с

учетом сю) глубина насечки регулярного макрорельефа hh hh= ^(¿pz*p*s£*vdk*v )/(я»рги) .

Затем по значениям р и ьн из номограмм устанавливают параметры настройки tb> инструмента для насечки и количество проходов > при насечке- для формирования макрорельефа на поверхности круга обеспечивающего принятые амплитуду и частоту осцилляции в зоне шлифования.

В заключении главы приводятся результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров формообразующих элементов на характеристики процесса насечки поверхности круга- оптимизации их геометрии.

В четвертой ГЛАВЕ представлены результаты экспериментальных исследований технологических возможностей новых средств технологического оснащения и инструмента для стабилизации процессов шлифования.

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

Исследования в лабораторных условиях и на промышленных предприятиях проводились на плоскошлифовальных и зубошлифо-вальных станках. В качестве технологического оснащения для установки и закрепления абразивных инструментов использовались стандартные планшайбы, а также разработанные нами конструкции планшайб для упруго-динамического закрепления

инструмента. При проведении -экспериментов использовались

шлифовальные круги со сплошной и насеченной рабочей поверхностями: Для формирования РСМ на рабочей поверхности абразив~ ных инструментов использовались разработанные нами устройства. Исследования проводились на образцах и натурных 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 регрессионного анализов.

Сравнительная оценка эффективности процессов проводилась

по следующим показателям: температурнр-силовые характеристики; износостойкость, режущая способность и кромкостойкость абразивных кругов; шероховатость поверхности; физико-механическое состояние поверхностного слоя.

Исследования процесса шлифования с упруго-динамическим

креплением судю шлифовального круга позволило установить- что для любых сочетаний параметров режима шлифования температур-но-силовые характеристики процесса ниже- чем при обычном шлифовании. Применение планшайб для УДК круга снижает не только средние значения сил р2 и ру, но и амплитуды их колебаний др2 и ДРу При шлифовании с УДК круга коэффициент шлифования СРг/Р ) сохраняется постоянным со временем обработки- обеспечивая временную стабильность процесса. фактический съем материала при шлифовании кругом с УДК на 20-30% выше- чем при шлифовании жестко закрепленным кругом- что характеризует высокие режущие свойства и стабильность их в течении более длительного времени. Период стойкости по времени безприжогового шлифования инструмента с УДК на 40-60% выше- чем при обычном креплении. Применение УДК во всех случаях дает меньший удельный износ кругов- повышает кромкостойкость и позволяет увеличить время работы до правки. исследование шероховатости поверхности показало, что для процесса при УДК инструмента превалирующим в формировании шероховатости являются размерные характеристики зерна в отличии от обычного шлифования. более высокое тепловыделение при шлифовании жестко закрепленным кругом увеличивает глубину дефектного слоя детали по сравнению с УДК.

Исследование процесса шлифования инструментом с РСМ показало значительное его преимущество- по сравнению с обычным шлифованием- в снижении температурно-силовых. характеристик на

30-50%, Как показали наши исследования- режущая способность кругов с рсм стабильна в течении 20-ти минут работы и примерно в 1.5 раза выше- чем у обычных. инструмент с РСМ целесообразно применять на тяжелых сочетаниях параметров режима обработки. Исследования по формированию шероховатости показали. что при шлифовании кругами с РСМ на тяжелых режимах шероховатость гораздо выше- чем при обычном шлифовании. зато на легких режимах шероховатость ниже на 1~2 класса- что позволяет за счет снижения режимов шлифования на последних проходах обеспечить низкую шероховатость поверхности.

Для исключения формирования в поверхностном слое деталей остаточных напряжений. обусловленных пластической деформацией материала. нами предложен способ перекрестного (планетарного) шлифования (а. с. 1117194) и оснастка для его реализации. Исследование технологических возможностей способа- позволило

установить- что он обеспечивает существенное уменьшение либо полное исключение возникновения остаточных напряжений- устраняет коробления и деформацию тонкостенных деталей- что является показателем стабильности высокого качества поверхностного слоя деталей. Процесс перекрестного (планетарного) шлифования позволяет формировать регулярный- управляемый микрорельеф шлифованной поверхности, который значительно повышает эксплуатационную надежность деталей.

Результаты проведенного исследования подтвердили достоверность расчетных зависимостей для основных контактных явлений в зоне шлифования. с относительной погрешностью не превышающей 5-10%, и эффективность установленных оптимальных амплитудно-частотных диапазонов взаимодействия инструмента с деталью при шлифовании.

в пятой главе дается методика выбора, назначения и конструктивно-технологического обеспечения динамической стабильности процессов шлифования и параметров качества поверхностного слоя деталей- оценка технологической эффективности результатов исследований.

Недостатком существующих методик расчета оптимальных па-

раметров режима обработки является недостаточное отражение в системе технических ограничений разносторонних условий динамики изменения физических контактных явлений р зоне обработки- оказывающих непосредственное влияние на показатели качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей и временную стабильность процесса обработки. установленные нами зависимости характеристик процесса шлифования от условий выполнения операций являются основой для управления динамической стабильностью и качеством изготавливаемых деталей.

Для определения оптимальных параметров режима шлифования осуществлена параметрическая оптимизация процесса на базе мат-модели, включающей целевую функцию и технические ограничения. в качестве целевой функции использовался аддитивный критерий оптимальности- представляющий собой свертку двух критериев -максимальной производительности и минимальной себестоимости. в качестве технических ограничений выбраны следующие: наименьшие и наибольшие допустимые подачи, скорости перемещения детали- глубины шлифования- скорости абразивного резания," предельно допустимый износ инструмента; предельно допустимые сочетания параметров режима- исключающих переход к интенсивному износу ссамозатачиваниюэ; предельно допустимая сила резания; предельно допустимая температура; предельно допустимая глубина дефектного слоя; шероховатость поверхности; волнистость поверхности. ПО разработанным методике и алгоритму на ЭВМ расчитаны оптимальные режимы плоского чистового и отделочного шлифования стали ШХ15 обычным и насеченным инструментом. Анализ расчетных данных показывает, что превалирующее влияние на значение оптимальных режимов чистового шлифования оказывают технические ограничения по износу шлифовального круга. глубине измененного слоя и волнистости поверхности. независимо от характеристики абразивного инструмента использование круга с рсм позволяет значительно увеличить режимы и производительность обработки.

Разработанные теоретические и технологические основы динамической стабилизации процессов шлифования определили методику реализации конструктивно-технологических путей

стабилизации процессов, структурная схема которой приведена на рисунке.

Г

Математическая модель оптимизации режимов шлифования

x

целевая функция

¥

-________Е_____

Технические ограничения 1 . Технические возможности станка

и инструмента_ _

"ЗТНормальные условия ведения

процесса шлифования _

~3. Требования к-качеству

пове р хности детали__

Конструктивно-технологические пути динамической стабилизации

процесса шлифования

Характер'рабочей пов-ти абразианого инструмента

["Обычный I ГРТруг I круг [рабо

I

Исходные данные!

Конст-ция приспособления для крепления абразивного инст-та

с насеченной"| чей пов-тью_I

"I

[Стандартн а « "] планшайб а I

Планшайба I для УДК круга!

Оптимальные ампли-тудно—частотные диапазоны осцилляции в зоне резания_

Расчет частоты вращения круга <о, обеспечивающей минимальное и зменение макрогбомет-рии райочей поверхности

Расчет числа регулярно сформированных макронеровнос— тей N на. поверхности круга, обеспечивании их минимальное изменение иакрогеометр ии

Расчет окружной жесткости С<р планшайбы со ступенча тын и змененивм жесткости и выбор схемы 3 акреплен и я

у пругих злементоБ

Расчет переменной составляющей тангенциальной силы ДР2, и формирование принятой плотности насечки р

гап

ИСХОДНЫМИ ДАННЫМИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ СВЕДЕНИЯ О КОМПОНЕНТАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СПИД НА ОПЕРАЦИИ ШЛИФОВАНИЯ. ХАРАКТЕРЕ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА, ПРИМЕНЯЕМОЙ

технологической оснастке для крепления абразивного инструмента- оптимальным амплитудно-частотным диапазонам осцилляции в зоне шлифования. Искомыми решениями- в зависимости от совокупности исходных сведений- может являться: оптимизация технологических условий выполнения операций шлифования- прогнозирование и обеспечение оптимальных параметров макрогеометрии рабочей поверхности абразивного инструмента- прогнозирование и обеспечение оптимальных динамических характеристик средств технологического оснащения для крепления абразивного инструмента. в работе даны примеры реализации путей динамической стабилизации операций шлифования в зависимости от вариантов их выполнения.

При оптимальном управлении процессами обработки требуется обеспечить непрерывное управление параметрами режима 8 зависимости от изменяющихся условий обработки. Нами предложены способы шлифования (а. с. 1117194-- 1549724-)- реализующие алгоритмы съема припуска для полного устранения дефектов поверхностного слоя детали при максимальной производительности обработки. Алгоритм съема припуска (а. с. 1549724) предусматривает задание глубины шлифования * ^ на 1-ой паре проходов в соответствии с выражением

1^11 "4 1 I о 1 '

а глубины шлифования ^ на последней паре проходов

1=1

где д1 - величина припуска перед 1-ой парой проходов-' ~ общий припуск на шлифование; £ - глубина шлифования- при которой не возникает дефектов; ^ - параметр- характеризующий склонность материала к возникновению дефектов на 1-ой паре проходов-- ~ параметр- характеризующий обрабатываемость материала сжесткость шлифования)-" жесткость упругой системы станка.

для реализации предложенных способов шлифования по разработанным алгоритмам съема припуска нами разработаны конструкции поворотного приспособления и планетарной шлифовальной головки- система автоматического управления процессами шлифования на базе микроэвм.

Созданные технические решения способов шлифования, конструкций технологического оснащения для насечки и закрепления абразивного инструмента, системы управления процессами шлифования ~ обеспечивают временную стабильность рабочих и выходных характеристик процессов шлифования. повышают стойкость различных видов абразивного инструмента, улучшают качество обрабатываемой поверхности при одновременном увеличении интенсивности съема материала и расширяют технологические возможности процессов шлифования деталей. результаты выполненных исследований были использованы при разработке и внедрении технологических операций шлифования деталей машин. это позволило:

- увеличить производительность процессов зукошлифования в 1.5-2 раза, устранить брак шестерен по прижогам и трещинам;

- увеличить производительность процессов плоского шлифования в 1.8-22 раза;

- повысить стойкость шлифовальных кругов в 1.5-17 раза;

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

- уменьшить припуск на последующую притирку тонкостенных деталей за счет устранения их коробления;

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

в приложении приведены протоколы производственных испытаний и документы о внедрении результатов работы в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

в результате выполненного комплекса исследований осуществлено теоретическое обобщение и решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение, научно-технической проблемы обеспечения динамической стабильности высокоэффективного шлифования деталей на базе разработки теоретических основ и конструктивно-технологических средств их реализации.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.-1. На базе системного подхода, при моделировании основных контактных явлений (силовые, тепловые, износ абразивного инструмента) в зоне резания при шлифовании, получены новые аналитические выражения для их прогнозирования- учитывающие:

стандартизованные параметры характеристики абразивного инструмента,- износ инструмента во времени,- целенаправленное изменение макрогеометрии рабочей поверхности инструмента," характер и амплитудно-частотные диапазоны осцилляции в зоне резания. полученные основные закономерности являются основой для создания оптимизационной математической модели стабильного обеспечения качества и производительности при обработке шлифованием- а также программного математического обеспечения систем автоматического управления интенсивной бездефектной обработкой.

2. Исследование влияния направления колебаний в зоне

шлифования на силовые характеристики процесса позволило установить- что наиболее эффективными с позиций стабилизации функциональных характеристик является коаксиальное направление

колебаний. Превалирующее влияние на изменение функциональных

характеристик в зоне контакта оказывает амплитудный диапазон осцилляции- в отличии от частотного. Эти положения приняты за основу при разработке конструкций и расчете средств технологического оснащения для крепления абразивного инструмента.

3. Анализ динамики формирования волнистости на рабочей поверхности абразивного инструмента, позволил установить пути временной стабилизации изменения волнистости, заключающиеся в формировании на рабочей поверхности расчетных параметров регулярно сформированного макрорельефа и задании расчетной частоты вращения абразивного инструмента. для выполнения проектных расчетов при реализации конструктивно-технологических путей стабилизации процессов шлифования предложено два обобщенных показателя: жесткость шлифования - x и удельный износ абразивного инструмента ~ о. получены аналитические выражения. для расчета этих показателей в зависимости от условий реализации процесса шлифования.

4-, установлена взаимосвязь МЕЖДУ вынужденными коаксиальНЫМИ и автоколебаниями ПРИ шлифовании, позволяющая определить амплитудно-частотные диапазоны вибраций- которые следует поддерживать в технологической системе шлифования с позиций исключения автоколебаний или поддержания их на некотором уровне, повышающем эффективность процесса шлифования.

5. Установлены оптимальные амплитудно-частотные диапазоны осцилляции в зоне резания при шлифовании материалов раз-

личных групп обрабатываемости- повышающие эффективность мик~ рорезания и-шлифования. эти диапазоны по амплитудам составляют 30-50 мкм- по частотам - 160-200 Гц. Полученные амплитудно-частотные диапазоны являются основой для проектирования

средств технологического оснащения для крепления и задания регулярной макрогеометрии на рабочей поверхности инструмента.

Подтверждена временная стабильность функциональных и выходных

характеристик операций шлифования при обеспечении в зоне шлифования оптимальных амплитудно-частотных диапазонов осцилляции.

6. Разработаны методики- созданы новые устройства - стенды для комплексного исследования функциональных и выходных характеристик процессов микрорезания и шлифования при динамическом взаимодействии инструмента с деталью,. насечки рабочей поверхности абразивного инструмента.

7. В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕНО ДВА ПРИНЦИПИАЛЬНО РАЗЛИЧНЫХ ПУТИ ЗАДАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМИ ДИАПАЗОНАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА С ДЕТАЛЬЮ ПРИ ШЛИФОВАНИИ: - ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ МАКРОГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА- И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕЕ ЗА СЧЕТ МИКРОПРЕРЫВИСТОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ; ~ ДИСКРЕТНОЕ ИЛИ АДАПТИВНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТРЕБУЕМОЙ АМПЛИТУДЫ И ЧАСТОТЫ ВИБРАЦИЙ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ. С ТОЙ ЖЕ ЦЕЛЬЮ МОЖЕТ БЫТЬ ПРИМЕНЕНО СОЧЕТАНИЕ ДВУХ ОТМЕЧЕННЫХ ПУТЕЙ.

8. РАЗРАБОТАНЫ НОВЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕГУЛЯРНОГО МАКРОРЕЛЬЕФА НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА И УПРУГО-ДИНАМИЧЕСКОГО ЕГО КРЕПЛЕНИЯ- ЗНАЧИТЕЛЬНО РАСШИРЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ. ЭТИ РАЗРАБОТКИ ЗАЩИЩЕНЫ 11 АВТОРСКИМИ СВИДЕТЕЛЬСТВАМИ. ПОЛУЧЕНЫ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ- И НАСТРОЙКИ ПЕРЕД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ.

9. Выполнено комплексное исследование технологических возможностей разработанных средств технологического оснащения и инструмента для динамической стабилизации процессов шлифования- в сравнении с традиционно применяемыми, в лабораторных

и производственных условиях. Результаты исследований выявили

существенные! технологические преимущества разработанных 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. Исследование основных закономерностей контактных явлений, влияющих на формирование качества поверхностного слоя деталей. позволили разработать математические модели процессов чернового. чистового и отделочного шлифования включающие целевую функцию и технические ограничения. На базе этих моделей решены задачи оптимизации параметров режима шлифования. обеспечивающих заданное качество шлифуемой поверхности при минимальных трудоемкости и себестоимости.

11. Разработана методика конструктивно-технологического

обеспечения динамической стабильности процессов шлифования.

Даны примеры ее реализации в зависимости от вариантов выполнения операций шлифования.

12. Разработаны технологические алгоритмы сьема припуска при шлифовании, обеспечивающие бездефектную обработку при наибольшей производительности. Для реализации этих алгоритмов разработаны новые способы и устройства, защищенные 4- авторскими свидетельствами, система автоматического управления процессами шлифования на базе микроэвм.

13. Разработан научно-технический комплекс, объединяющий

теоретические основы и технологические средства совершенствования процессов абразивного шлифования за счет их динамической стабилизации, базирующийся на: оптимизации технологических условий выполнения операций шлифования,- прогнозировании и обеспечении оптимальных условий динамического взаимодействия инструмента с деталью при шлифовании путем использования инструмента с регулярно сформированным макрорельефом и технологического оснащения для упруго-динамического закрепления инструмента,- прогнозировании и обеспечении алгоритмов бездефектного съема припуска при шлифовании путем применения тех"

но логического оснащения для крепления детали или инструмента-и систем автоматического управления процессами шлифования.

Научно-технические решения комплекса внедрены на машиностроительных предприятиях и используются в учебном процессе подготовки инженеров-механиков при изучении дисциплин "Технология машиностроения", "теория резания-'- "тепловые процессы в технологических системах"- "основы проектирования технологической оснастки", " Оптимизация технологических процессов мехоб-

работки".

15. Практическая реализация результатов исследований осуществлена путем внедрения на машиностроительных предприятиях разработанных рекомендаций по конструктивно-технологическому обеспечению динамической стабильности процессов шлифования. В производственных условиях используются: процессы плоского, профильного и зу бои! лифов ания инструментом с регулярно сформированным макрорельефом, в планшайбах для упруго-динамического крепления-- процессы плоского перекрестного и планетарного шлифования; системы автоматического управления процессами плоского шлифования. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 4- миллионов рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Якимов АЯ- Паршаков АЯ- Свирщев В.И.- Ларшин ВЛ Управление процессом шлифования. - К.:Техника, 1983. 184с.

2. Свирщев В.И. Исследование образования волнист ости на рабочей поверхности сплошного и прерывистого шлифовального круга. // Управление качеством в механосборочном производстве. / Перм. политех, ин-т. Пермь, 1977. с. 47-48.

3. Свирщев ВН., Паршаков АН- Потемкин В.И. Об устойчивости упругой системы плоскошлифовального станка. // Повышение качества деталей на основе совершенствования окончательных методов обработки. / Перм. государств, ун-т- 1977. е. 42-50.

4. Свирщев В.И. О кинетике формирования поверхностей при резании единичным индентором в условиях осциллирующего движения детали. // Управление качеством в механо-сборочном производстве. / Пермь- 1979. е. 15-17.

5. Свирщев В.И., Паршаков А.Н. Планшайба для упруго-динамического закрепления шлифовального круга. Информлисток ВДНХ СССР Л603841- 1979.

6. Свирщев ВН. Паршаков А.Н. К вопросу управления автоколебаниями при шлифовании. // Динамика станков. / Куйбышев. 1980. с. 225-227.

7. Паршаков АН- Свирщев В.И. К вопросу управления автоколебаниями при шлифовании. // Повышение эффективности технологических процессов в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т. Пермь. 1980. с. 69-76.

8. Свирщев В.И. Планетарная шлифовальная головка. Информлисток ЦНТИ- № 81-4- Пермь- 1981.

Э. Се'ирщев ВН.. Тупоногов В.А.- Кетов СП Повышение эффективности зубошлифойания путем управления динамикой резания.

// Управление качеством в механо-сборочном производстве. / Пермь- 1981. с. 7-9.

10. Свирщев В.И. Планшайба для крепления шлифовального круга. Информлисток ЦНТИ. № 82-11, Пермь, 1982.

11. Свирщев В.И. Повышение эффективности процессов шлифования путем управления условиями динамического взаимодействия инструмента с деталью. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь, 1383. е. 30-36.

12. Свирщев В.И. Паршаков А.Н. Совершенствование процесса зубошлифования путем управления динамикой резания. // Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей. / КАИ, Казань, 1983. е. 35-43.

13. Свирщев В.И., Тупоногов В.А. Разработка конструкции

и расчет планшайбы для упругодинамического крепления абразивного инструмента- /У Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т. Пермь, 1984. с. £2-33.

14. Свирщев В.И., Ковалев Л.Ю. Устройство для правки шлифовального круга. Информлисток ЦНТИ. № 565-84. Пермь, 1984.

15. Паршаков АН- Стефаненков П.Н., Свирщев В.И. Об одном из путей управления автоколебаниями при резании. // совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении. / пермский политехи. ин~т, Пермь-1984.

с. 36-42.

16. Свирщев В.И. Повышение эффективности процессов шлифования за счет их динамической стабилизации. // прогрессивные процессы и оборудование механической обработки деталей авиа~

ционной техники. / КАИ- Казань, 1984. о. £6-32.

17. Свирщев В.И., Зуев ВН. Система автоматического управления процессами шлифования на базе микрокалькулятора "ЭЛЕктроника МК-56". Станки и инотрумент, 1986. N«1. р. 12-13.

18. Свирщев В.И., Ковалев Л.Ю. Аналитическое описание

износа абразивного инструмента при шлифовании. // совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в

машиностроении./ Пермский политехи. ин-т, Пермь,1Э86. с.32-36.

19. Свирщев В.И. Способ исключения возникновения остаточных напряжений в поверхностном слое шлифуемых деталей. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь,

1987. е. 120-123.

20. Свирщев В.И. Ковалев ЯЮ. Способ плоского многопроходного шлифования. Информлисток ЦНТИ, № 8Э-9, Пермь, 1989.

21. Свирщев В.И. Динамика износа абразивного инструмента при шлифовании. // Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей. / Казан, авиационный ин-т, Казань, 1988. с. 9-12.

22. Свирщев ВЛ, Ковалев Л.Ю., Гордеев В.А. Об одном из путей динамической стабилизации процесса шлифования. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь,

1988. с. 29-34.

23. Свирщев В.И. К вопросу расчета параметров регулярного макрорельефа на рабочей поверхности абразивного инструмента. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и'упрочняющей обработки в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь, 1990. е. 41-48.

24. Свирщев В.И. Аналитическое описание теплонапряженнос-

ти процесса шлифования инструментом с регулярно сформированным макрорельефом // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении / Пермский политехи ин-т, Пермь, 1992. с. 29-42.

25. Свирщев В.И. Динамика износа абразивного инструмента с регулярно сформированным макрорельефом при шлифовании. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки & машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь, 1992. с. 42-52.

26. Свирщев Б.И. Расчет сил резания при плоском шлифовании периферией круга. // совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении. / пермский политехи, ин-т, Пермь, 1992. е. 137-143.

27. Свирщев В.И. К вопросу износа рабочей поверхности шлифовального круга. // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки в машиностроении. / Пермский политехи, ин-т, Пермь. 1992. с.144-149.

28. Свирщев В.И., Ковалев ЛЮ. Способы динамической стабилизации процессов абразивно-алмазной обработки. // Реферативный сборник завершенных НИР ПГТУ. / Пермь, 1993. с. 129.

29. Свирщев В.И. Технологическое обеспечение динамической стабилизации процессов шлифования. // Ресурсо и энергосберегающие технологии в машиностроении. /Киев, 1995. с. 112.

30. А.С.Нв54697 ССССР). Способ правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев, АН. Паршаков. ЗАяал.08.02.79.,Н<£722008/25-08; Опубл. в Б. И., 1981. №30.

31. АС.Н«884972 ССССР). Способ плоского шлифования. / В.И. Свирщев. Злявл.26.12.79..№£858128/25-08-- Опубл. в Б. И., 1981, N94-4.

32. А.С.М* 889389 (СССР). Способ плоского шлифования. / В.И. Свирщев. Злявл.04.10.79-№2824961/25-08; Опубл. в Б. И.. 1981, Н» 46.

33. А.С.Н=906670 (СССР). Способ шлифования. / В.И. Свирщев. Заявл.19.06.80.-№£945619/25-08; Опубл. в Б. К, 1982, №7.

34. А.С.Н<942953ССССР). Способ шлифования сферических поверхностей. /В.И. Свирщев, Ю.Н. Степанов. И.М. Белослудцев. Заявл.19.12.80.,Н<3£19194/25-08; Опубл. в Б. И.,1982, N£6.

35. А.С.№9Э4234 ССССР). Планшайба для крепления шлифовального круга. /В.И. Свирщев. А.Н. Паршаков, В.А. Тупоногов. Заявл.21.07.80,- N«2963907/25-08; Опубл. в Б. И., 1983- Н«5.

36. А.СМ020216 ССССР). Планшайба для крепления шлифовального круга/ В.И. Свирщев. В.А. Тупоногов.Заявл.04.1£.81, N53375231/25-08; Опубл. в Б. И., 1983- N£0.

37. А.С.Н?1033299 (СССР). Устройство для правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев- Л.Ю. Ковалев. Заявл. 17.05.82., №3456376/25-08; Опубл. в Б. И.. 1983, N<29.

38. А.С.№1114535 (СССР). Устройство для правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев, Л.Ю. Ковалев. Заявл. 17.08.82-

№3483489/20-08; 0пу6л, в Б. И., 1384, №35.

39. А.С.№11171Э4 (СССР). Способ шлифования детали. / В.И. Свирщев, Ю.Н. Степанов. Заявл.08.07.83., №3615773/25-08,-Опубл. в Б. Н, 1984-, N67.

40. А.С.№1202833 ССССР). Способ правки шлифовального круга./ В.И. Свирщев. А.Н. Паршаков. П.Н. Стефаненков Заявл. 05.07.84., №3764991/25-08; Опубл. в Б. И., 1986, НИ.

41. А.С>М220761 ССССР). Устройство для правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев. Л.Ю. Ковалев. Заявл.ЗО.Ю.84„ №3805773/25-08; ОПУБЯ в Б. И, 1386, №12

42. А.С.К?1484652 ССССР), Устройство для правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев- Я.Ю. Ковалев. Заявя-28.09.87., N54311657/31-08; Опубл. в Б. П., 1989- №21..

43. А.С.№1491678 ССССР). Способ шлифования. / В.И. Свирщев, ЛЮ. Ко&альв. В.А. Гордеев. Заявл. 06.07.87.-N? 4277267/ 31-08,- Опубл. в Б. И., 1989, № 25.

44. А.С.N»149344-7 ССССР). Способ правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев. ЛЮ. Ковалев. Заявл. 04.01.87- N«4174603/ 31-08; Опубл. в Б. И., 1989, №£6.

40. А.С.№1549724 ССССР). Способ шлифования детали. / В.И. Свирщев, Л.Ю. Ковалев. Заявл. 29.06.88., №4450068/31-08--ОлУБя в Б. И., 1990. №10.

46. А.С.№1604583 ССССР). Устройство для правки шлифовального круга. / В.И. Свирщев, Я.Ю. Ковалев- М.В. Левин. Заявл. 24.05.88., ■ N94429373/31-08- Опубл. в Б. И, 1990, №41

Сдано в печать 20.03.97 г. Формат 60x84/16. Объем 2,5 п.л. Тираж 100. Заказ III7. Ротапринт ПГТУ.