автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Моделирование и расчет высокопроизводительных автоматических циклов плоского глубинного профильного шлифования для станков с ЧПУ

Р г Б ОД 2 7 ОПТ 1998

На правах рукописи НИКОЛАЕНКО АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ПЛОСКОГО ГЛУБИННОГО ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Специальность 05.02.08 — "Технология машиностроения"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск — 1998

Работа выполнена на кафедре "Технология, бизнес и компьютерное управление машиностроительного производства" Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск).

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор С.Н.КОРЧАК

Официальные оппоненты; заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор Л.В.ХУДОБИН;

заслуженный машиностроитель РФ, доктор технических наук, профессор В.П.ПОНОМАРЕВ;

доктор технических наук, профессор В.А.АКСЕНОВ.

Ведущее предприятие - Институт конструкторски-технической информатики Российской академии наук (г.Москва).

Зашита диссертации состоится 10 ноября 1998 г., в 10 часов, на заседании диссертационного совета Д 053.13.05 в Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ.

Автореферат разослан * Ь " 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета^^-^ /

доктор экономических наук, профессор ———^И.А. БАЕВ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Опыт стран с развитой рыночной экономикой показывает, что одним из путей позволяющих повысить уровень производства является переориентация массового и крупносерийного производства на серийное и мелкосерийное. Осуществить такой переход быстро и эффективно позволяют станки с ЧПУ.

Расширение области применения станков с ЧПУ происходит одновременно с повышением качества", снижением металлоемкости и стоимости изготавливаемых деталей. Стремление улучшить технико-экономические показатели изделий за счет использования деталей из закаленных, износостойких, коррозион-ностойких и жаропрочных материалов приводит к снижению производительности обработки из-за низкой стойкости лезвийных режущих инструментов. Одним из путей повышения производительности при механической обработке деталей из таких материалов является замена лезвийной обработки операциями плоского глубинного профильного шлифования (ПГТП11), которые выполняются на станках с ЧПУ.

Станки с ЧПУ для операций ПГПШ выпускает Липецкий станкостроительный завод и ряд зарубежных фирм. Эти станки обладают повышенной жесткостью, мощным главным приводом и относятся к высокоточному оборудованию.

Большая глубина резания и значительная интенсивность съема металла, при высокой точности получаемых размеров и качестве обработанной поверхности, позволяют заменить сочетание фрезерования (протягивания, строгания) и последующего обычного шлифования одной операцией ПГПШ.

Опыт промышленного внедрения операций ПГПШ показал, что при определенных условиях они обеспечивают рост производительности в сравнении с лезвийной обработкой в 2 ... 5 раз при обеспечении заданного качества деталей.

Однако широкое внедрение ПГПШ в промышленность сдерживается из-за отсутствия нормативов режимов резания и теории расчета автоматических циклов для этих операций.

Маркетинговое исследование показало, что в России и СНГ операции ПГПШ используются пока недостаточно широко, яо потребность в них значительна и есть предпосылки для их широкого внедрения.

Большая сложность математического и методического обоснования теории расчета о-точностного проектирования операций ПГПШ, выполняемых на стан-

ках с ЧПУ, превращает задачу е научную проблему. Решение этой проблемы позволит создать теоретическую н технологическую базу для автоматизированного проектирования операций ПГПШ.

Данная работа выполнена в соответствии с программой ГКНТ СССР на 1986-1990 годы в рамках решения научно-техническая проблемы 0.76.01. «Разработать и внедрил» систему методических и нормативных материалов, типовых решений по научной организации труда, обеспечивающих эффективное использование техники и трудовых ресурсов» по заданию 0.8.01.А.: «Разработать и внедрить методические рекомендации по расчету норм времени на ЭВМ в едином цикле с автоматизированным проектированием технологических процессов».

Анализ работ в области ПГПШ показал, что для управления процессом необходимо разработать аналитические зависимости, позволяющие рассчитать режимы резания с целью обеспечения точности и других требований по качеству обработки (шероховатое™, бесприжоговости и пр.).

Цель работы состоит в разработке теории и методики расчета автоматических циклов плоского глубинного профильного шлифования для станков с ЧПУ в широком диапазоне обработки разных деталей машиностроения.

Научная новизна состоит в разработке методики и нормативной базы размерно - точностного проектирования автоматических циклов ПГПШ, выполняемых на станках с ЧПУ.

Получены аналитические зависимости для расчета составляющих силы резания, учитывающие характеристики круга (зернистость, твердость, структуру), формы профилей круга и заготовки. Эти зависимости получены на основе фундаментальных положений теории пластичности. Выведены зависимости для расчета температуры в зоне шлифования при ПГПШ, которые базируются на теории теплопроводности. Разработана методика взаимозависимого расчета сил резания и температуры в зоне шлифования при ПГПШ. Получены математические модели, устанавливающие функциональные связи между производительностью и требуемой точностью детали. На базе разработанных моделей создан комплекс управления процессом ППТЩ, который позволяет рассчитать оптимальные режимы резания и обеспечить требуемое качество деталей. Приоритетность сделанных разработок подтверждена 10 патентами Российской Федерации.

Практическая ценность. Использование швой расчетной методики позволяло разработать технологическую спразочную базу данных для автоматизированного проектирования операций ПГТ1Ш. Разработаны табличные нормативы режимов резания. В этих нормативах втарвые решена задача определения расчетно-обоснованного минимального основного времени а зависимости от точности заготовки, необходимой точности обработка п других показателей качества. Для этого в нормативах рассчитаны карта для определения необходимого количества стадий шлифования я их качественного содержания: глубины резания и скорости продольной подачи а зависимости от точности заготовок, жесткости станка и других технологических ограничений производительности. Новые нормативы содержат данные по обоснованному выбору всех элементов режима резания, входящих в формулы для расчета основного времеви.

На базе матмоделй и новых нормативов разработана автоматизированная система проектирования и нормирования операций ПГПШ, выполняемых на станках с ЧПУ.

Результаты исследования в виде руководящих технических материалов и пакета САПР операций ПГПШ внедрены на 5 предприятиях.

Апробации работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях (НТК), совещаниях и семинарах; «Повышение эффективности технологических процессов машиностроительных производств» в Алтайском политехническом институте, г.Барнаул, 1989 г.; на международной НТК «Математическое моделирование в машиностроении» в Куйбышевском авиационном институте, 1990 г.; на семинаре «Состояние, перспективы создания и внедрения в производство абразивных инструментов» в УРАЛВНИИАШ, г.Челябинск, 1991 г.; на международной НТК «Смазопно-ох-лаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов» в Ульяновском политехническом институте, 1993 г.; на международной НТК «Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона» в МГМИ, г.Магнитогорск, 1994г.; на НТК «Проектирование систем» в МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Москва. 1995-96 гг.; на международной НТК «Машиностроение-97. Прогрессивные технологии» в АО «ЮжУралЭКСПО», г.Челябинск, 1997 г.; на НТК и семинарах Южно-Уральского государственного университета в 1989-98 гт.

Законченная работа обсуждена и одобрена на совместном совещании кафедр "Технология, бизнес и компьютерное управление машиностроительного

производства", "Оборудование и инструмент компьютезированного производства" Южно - Уральского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы (из них 10 патентов) и 5 отчетов по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Работа содержит 349 страниц машинописного текста, включая 11 таблиц, 85 рисунков, список литературы из 225 наименований, приложения на 7! странице.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Маркетинговое исследование и теоретические предпосылки

Маркетинговое исследование для операций ПГПШ проводилось в авиационной, автотракторной, инструментальной и других отраслях промышленности. Критериями оценки служили, потребность предприятий в операциях ПГПШ и технические возможности для внедрения этих операций.

Операции ПГПШ на станках с ЧПУ являются одним из новых видов механической обработки. Внедрение новых технологий в производство в условиях рынка подчинено жестким экономическим требованиям, в основе которых лежат обеспечение высокой эффективности работы предприятия и конкурентоспособности изделий.

Результатом маркетингового исследования явилось, во-первых, заключение с рядом предприятий договоров о НИР и внедрение по этим договорам операций ПГПШ в производство, во-вторых, проведение с другими предприятиями переговоров на разработку технологии ПГПШ для конкретных деталей.

Анализ теоретических работ посвященных ПГПШ показал, что не решена проблема расчетного определения необходимого количества стадий уточнения заготовки с конкретными параметрами для получения готовой детали.

Исследуя способы управления точностью обработки отмечено, что благодаря работам Б.С. Балакшина и его последователей.выявлены основные преимущества управления точностью обработки путем стабилизации силовой нагрузки на технологическую систему.

Показано, что развитие методов расчета сил резания и теории шлифования было сделано а работах E.H. Маслова, Л.В. Худобина, С.Н. Ксрчака, С.С. Си-

лина, А.Н. Резникова, С.Г. Редько, С.А. Попова, Д.Г. Евсеева, A.B. Королева, Ю.К. Новоселова, А.К. Байкалова, П.И. Яшерицына, В.И. Островского, Л.Н.Филимонова, В.В. Ефимова, Н.С. Рыкунова, П.П. Переверзева и др,

Отмечено, что большой вклад в развитие теории точности изготовления деталей машин внесли Б.С. Балакшин, А.П. Соколовский, К.В Вотанов, Л.А.Глейзер, B.C. Корсаков, А.Г. Косилова, Р.К. Мещеряков, Ю.М. Соломен-цев, В.Г. Митрофанов и др.

Отмечено, что вопросы расчета оптимальных режимов резания с учетом ^технологических ограничений разрабатывались Г.И. Темчиным, Г.К. Горан-ским, Г.Б. Лурье, Э.Г. Грановским, В.Н. Михелькевичем, В.Д. Эльяновым, Б.С. Балакшиным, C.Ü., Корчаком, Ю.М. Соломенцевым, В.Г. Митрофановым, В.И.Островским, В.Й. Гузеевым, Д.В. Якимовым и др.

Однако до настоящего времени в теории шлифования остались неразработанными автоматические циклы операций, описывающие закономерности изменения подач по мере снятия припуска на обработку, обеспечивающие получение требуемой точности обработки, шероховатости, бесприжоговости и стон-кости кругов разных характеристик, а для операций ПГПШ - учитывающие разную форму профиля круга (детали). В основе таких расчетов лежат закономерности изменения сил резания и вызываемые ими упругие отжатая круга и детали в технологической системе. Существующие эмпирические зависимости для расчета сил резания являются узко диапазонными и при отступлении от условий экспериментов дают большие погрешности, а аналитические зависимости не учитывают влияние зернистости, твердости и структуры шлифовального круга.

Проведенный анализ существующих систем автоматизированного проектирования технологических процессов показал, что такие разработки отсутствуют для операций ПГПШ, также как отсутствуют нормативные материалы по определению режимов резания.

Для достижения выше сформулированной цели в работе решен комплекс задач:

1. Разработаны аналитические зависимости для расчета сил резания, учитывающие характеристики кругов, формы профилей круга и заготовки.

2. Разработана методика взаимозависимого расчета сил резания и температуры в зоне шлифования при ПГПШ.

3. Разработана методика расчета погрешности обработки при одно и многоходовом шлнфойаши.

4. Разработана методика силтшизацнонного расчета режимов резания для операций ПГПШ, выполняемых на станках с ЧЛУ.

5» Разработана методика расчета высокопроизводительных автоматических циклов ПГПШ две станков с ЧЛУ.

6. Разработала нормативы режимов резания и САПР для операций ПГПШ.

Моделнро&аиие сил резаные длв процессов ПГПШ

Силы резания. Аналитический расчета сил резания выполнен на базе основных закономерностей теория пластического деформирования металлов и дискретной схемы контакта шлифовального круга с заготовкой.

В работах С.Н. Корчака показано,'что обрабатываемый материал б зоне резания характеризуется сложнонэпряжевдьш состоянием, а сдает элементов металла и образование стружки я&дадагса результатом пластического течения металла в направлении наименьшего сопротивления, сопровождаемого определенными величинами нормальных в касательных напряжений в этой зоне. Опенка сложнонапряженного состояния металла выполняется по критерию интенсивность напряжений о, , численная величина которой зависит от нормальных и касательных напряжений и больше каждой из них, т.е. величины касательных и нормальных напряжений являются частью величины интенсивности напряжений. Таким образом, е. характеризует напряженное состояние во всех объемах металла, воспринимающих силовое воздействие инструмента, а не только в зоне сдвига как зачастую принимается в исследованиях. Поэтому интенсивность напряжений о, более полно характеризует напряженное состояние во всей зоне резания и, следовательно, более правильно отражает сопротивление металла деформации резанием.

Через уравнение баланса мощностей активных в реактивных сил, путем суммирования силовых реакций, возникающих от действия совокупности зерен, находящихся в площади контакта круга с заготовкой, получены аналитические зависимости для расчета тангенциальной Ра радиальной Ру и осевой Рх составляющих силы резания:

рг = - - + -,--г-;- , (I)

р = + МХМоН^у^РУ5*

П V + К^^ДЧ^

где <3\ - интенсивность напряжений; е, - интенсивность деформаций; зернистость круга; к« - коэффициент, устанавливающий соотношение между Л, и длиной площади затупления на зерне; "\УС, - применяемое в абразивной промышленности объемное содержание зерна, связки и пор в обожженном абразивном инструменте; V., 11Р - скорость продольной подачи; Б* - поперечная подача на ход (ширина шлифования); 1ф - фактическая глубина резания; V -скорость шлифовального круга; р, - коэффициент трения; а, - угол наклона образующей профиля шлифовального круга.

Зависимости (1) ... (3) впервые непосредственно учитывают характеристики шлифовального круга (зернистость, твердость, структуру).

Путем деления сложного профиля шлифовальных кругов (деталей) и заготовок на простые по форме участки произведена классификация возможных схем шлифования при ПГПШ. Выделены 10 схем шлифования: схемы шлифования 1, 2, 3, 4 (рис.1) соответствуют обработке плоской заготовки, когда глубина резания равна глубине профиля круга; схемы шлифования I, 5, б, 7 (рис.2) соответствуют обработке плоской заготовки, когда глубина резания больше глубины профиля круга; схемы шлифования 1, 8, 9, 10 (рис.3) соответствуют обработке профилированной под готовую деталь заготовки (штамповка, отливка), когда глубина резания постоянна.

Для каждой схемы шлифования получены формулы для расчета плошади контакта круга с заготовкой Р, и интенсивности съема металла (};. Эти формулы являются составляющими зависимостей для расчета сил резания и таким образом устанавливают влияние формы профилей круга и заготовки на силы резания.

.-4+44-44

/-/ ? гг

Рис.3. Схемы шлифования 1, 8, 9, 10

Экспериментальная проверка силовых зависимостей проводилась на стенде смонтированном на базе станка с ЧПУ для ПГПШ модели ЛШ -220. Отклонение среднестатистических экспериментальных и теоретических значений сил резания составило ± 10 %.

Температура а зоне шлифовании. Основой для расчета температурного поля в зоне шлифования заготовки принято уравнение теплопроводности Фурье, которое для выполнения условий однозначности дополнено начальными и граничными условиями. Для схематизации процесса принят ряд известных допущений. За дискретный источник тепла принята зона контакта каждого работающего в зоне резания абразивного зерна круга а общее тепловое поле всей зоны шли<|х> вания (по экспериментальной методике С.Г. Редько и теоретической С И Корча-ка) представлено суммой тепловых импульсов действующих в каждый момент времени. Чисто импульсов равно числу зерен работающих в зоне контакта и зависит от характеристик круга и площади контакта (режимов резания). Такой подход (в отличие от принятия в качестве источника тепла всей зоны контакта) наиболее реально отражает тепловое воздействие круга на металл. Таким образом, температурное поле рассматривалось как результат наложения тепловых импульсов от

следующих друг за другом абразивных зерен. Для аналитического решения дифференциального уравнения теплопроводности выбран метод функций Грина. Получено решение тепловой задачи в следующем виде:

и(мЬи0 + |

I

- х н(1-т-тк) , (4)

где 1)0 - исходная температура заготовки; х - расстояние от обрабатываемой поверхности заготовки до рассматриваемой точки в глубине заготовки; 1 - время действия теплового потока, к — коэффициент теплопроводности материала заготовки; С - теплоемкость материала заготовки; р - плотность материала заготовки; 1 ег{с(х) - интегральная функция ошибок (значения которой затабули-рованы).

Зависимость коэффициента теплопроводности ). и теплоемкости С от темпратуры и^привела к необходимости решать существенно нелинейное

уравнение теплопроводности. Для учета в первом приближении влияния температуры и(х ()на Я и С применен метод кусочно — постоянной аппроксимации на Х(И) и С(и), т.е. непрерывные зависимости заменены кусочно - постоянными. Это позволило воспользоваться линейным решением выражения (4), применяя его к небольшим интервалам времени, за которые температура рассматриваемой точки не успевает сильно измениться, и корректируя каждый раз значения X и С. Значения теплофизических характеристик (X и С) при различных температурах взяты из марочника сталей и сплавов В.Г. Сорокина.

С учетом ЩТ) и С(Щ после подстановки в выражение (4) зависимости для расчета плотности теплового потока <},, получена формула для расчета температуры в поверхностном слое заготовки (в зоне шлифования).

и(х,^)=и0 + 4= 2

ч/Р

- ^-Т -и ■ ¿егЕс-тта^-......1 -,-и—11-4 Н^-т-Т^)

(5)

Выражение (5) позволяет рассчитать температуру самоподогрева металла при шлифовании для любого момента времени Ъ на глубине х. В нем учтено:

изменение тешгофизичесхих (Л, С,) характеристик металла заготовки от изменяющейся во время шлифования температуры (U¡ _i), влияние режима резания (Vs„p, t+1) и характеристик круга (зернистости, твердости, структуры).

Таким образом, выражение (5) позволяет рассчитать температуру s поверхностном слое заготовки как для времени нагрева от действия зерен - импульсов, так и для времени охлаждения между действием зерен (т.е. для любого момента времени). ПикоЕые максимальные температуры нагрева используются для расчета температуры, при которой возможно появление прижога, а температуры самоподогрева для расчета интенсивности напряжений с, {действительного сопротивления шлифованию).

Теоретически рассчитанные температуры сравнивались с экспериментальными, которые определялись на станке ЛШ - 220 по методике С.Г. Редько (при помощи термопар). Расхождение экспериментальных и теоретических значении температуры не превысило ± 10 %.

Взаимозависимый расчет сил резания и температуры в зоне шлифования. На базе зависимостей для расчета сил резания (I) ... (3) и темпе' ратуры (5) разработана методика поэтапного, взаимозависимого расчета сил резания и температуры при ППТШ.

Сущность методики взаимозависимого расчета заключается в следующем. На поверхности заготовки выбирается точка. Для первого абразивного зерна, срезавшего металл над рассматриваемей точкой, расчет тангенциальной составляющей силы резания PzJ производится при значении интенсивности

¡«I

напряжений o¡=, (и ¡ _ |) соответствующей исходной температуре заготовки U, _,

равной U0. По полученному значению тангенциальной силы Pz3

¡-i

рассчитывается плотность теплового потока q и новая температура Ui=I в рассматриваемой точке. Для полученной температуры U1=i производится перерасчет значений теплофизических характеристик металла *i+t(Uui)» Ci+1(pi=i) (перерасчет производится по данным марочника З.Г.Сорокина, в котором значения )ц н С, приведены для сталей и сплавов при различных температурах) и интенсивности напряжений cri + 1(u¡-|)

(знамения о, для разных сталей и сплавов при разных температурах приведены в работах С.Н. Корчака и В И. Клочко). Таким образом, для второго абразивного зерна расчет тангенциальной составляющей силы резания производится при новом значении шгтенсивности напряжений о,+Ди1 = 1). По полученному значению тангенциальной силы рг1 ^ вновь рассчитывается плотность теплового потока ч [(| и новая температура и1+1 в рассматриваемой точке Для полученной температуры и, + 1 производится такой же перерасчет значений теплофизических характеристик £1+2(^1+1) и интенсивности напряжений + |). Последовательность расчета повторяется для всех абразивных зерен срезавших металл над рассматриваемой точкой заготовки.

Разработанная методика поэтапного расчета сил резания (с учетом температуры зоны шлифования в момент входа очередного зерна в металл) позволила определить более точные значения сил резания с учетом температурно - скоростного интервата деформаций, характерных для шлифования, т.е. с учетом действительного сопротивления шлифованию многих марок сталей и сплавов (разбитых на 7 групп обрабатываемости).

Расчет упругих перемещений & технологической системе

Одной из основных задач технологии машиностроения является установление взаимосвязи между производительностью и точностью обработки, которая во миогом определяется податливостью (жесткостью) технологической системы.

Податливость технологической системы. Основные принципы моделирования податливости технологической системы сформулированы В.С.Корсаковым. Для расчета «одатливости отдельных элементов технологической системы был использован интеграл О. Мора.

Анализ 10 приведенных выше схем шлифования показал, что при ПГПШ можно выделить три простые схемы нагружения технологической системы силами резания (I, Ц, ИГ) и схему смешанного нагружения.

Схемы нагружения I, П, Ш представлены на рис.4.

В

С

""л

. I

А

1

ттг

I 2

л ,1

"л и

Р

А Я"

В

т

р1" с 1 2

-Л

р'"

уН

Рис.4. Схемы нагружения 1, И и III

Для каждой схему нагружения выведены зависимости для расчета упругого перемещения у' с учетом соответствующей податливости Г:

Схема нагружения /

у! -Рук-^ Р>ч-

Г1? -ьЛ

зю„

(6)

где Рум -радиальная сила вызывающая упругое перемещение; Г -податливость технологической системы при 1 - ой схеме нагружения;

Схема нагружения II \

(¡¡Ь + ь})

зш,

■к.

Ь «2

2Ы„

(?)

УШ = pXn

Схема нагружения 11]

Ь-'з 4 bjiV

I3 I2 1 Ц 1тp-li

2_ + ii2Lkk (g) (3EJX ЗШХ J

v2EJx ЗИХ

где lj - длина пролета; Ь - длина консоли; 13 - длина плеча; Е - модуль упругости; Jx - момент инерции сечения; а, - угол наклона образующей профиля круга; PyN - нормальная сила к радиальной составляющей силы резания; Pxn - нормальная сила к осевой составляющей силы резания; к „.- коэффициент, учитывающий износ станка.

В приведенных уравнениях (6) ... (8) выражения заключенные в круглые скобки представляют собой податливость технологической системы от соответствующей составляющей силы резания.

Полученные зависимости (6) ... (8) для расчета упругих перемещений учитывают составляющие силы резания, конструкцию станков для ПГПШ, геометрию входящих в них элементов и физико-механические свойства материалов их которых они изготовлены.

Экспериментальное определение податливости технологической системы при различных схемах нагружения производилось на станке ЛШ-220 при помощи запатентованного автором устройства [33]. Расхождение экспериментальных и теоретических значений податливости не превысило 10 %

Смешанная схема нагружения состоит из различных комбинаций простых схем нагружения. Расчет упругих перемещений технологической системы при смешанной схеме нагружения производился по методике B.C. Корсакова, в основе которой лежит принцип независимости действия сил. Это означает, что смешанная схема нагружения делится на простые схемы. Для каждой простой схемы, по приведенным выше моделям (6) ... (8), рассчитывается упругое перемещение. Общее упругое перемещение при смешанной схеме нагружения определяются суммированием соответствующих значений простых схем нагружения.

Точность обработки при одно и многоходовом шлифовании

В основу моделей для расчета точности обработки положен расчет упругих перемещений рабочей поверхности шлифовального круга.

Расчетная схема для определения упругих перемещений при одноходовом ПГПШ показана на рис.5.

Рис.5. Расчетная схема для определения упругих перемещений при одноходовом ПГПШ

Колебание припуска, обусловленное погрешностью заготовки, вызывает при резании колебание глубины резания, а следовательно и колебание сил резания и величины упругого перемещения рабочей поверхности шлифовального круга. В целом погрешность заготовки копируется на детали в виде одноименной погрешности меньшей величины.

Для расчета максимального и минимального упругого перемещения рабочей поверхности шлифовального крута получены следующие аналитические зависимости:

. . ---.-,2

-Г-В^^'-В^+^О + Г-А;)

2(1 + f' -А:)

lHi 'HI

-f' -Bj -B,)" + 4(tHi-A)(l + f! -Aj) I Kl + f'-A,-)

(9)

ПО)

Для обеспечения заданной точности размеров детали принято следующее условие:

утах 5 ауТ, (11)

где ута* - максимальное упругое перемещение в технологической системе; Зу < 1- часть допуска на размер детали, используемая для упругих перемещений; Т - допуск на размер детали.

В тех случаях когда на чертежах деталей допуски прямолинейности или параллельности устанавливаются меньше допуска на размер, то они оказываются главными ограничениями при расчете режимов резания и 'сил вызывающих упругие отжатая в технологической системе.

Для обеспечения заданной прямолинейности поверхности детали принято следующее условие:

д__ ушах _ уП»п£Т_:=а;-Т, (12)

где Д_ - расчетное отклонение поверхности детали от прямолинейности; Т_ - допуск прямолинейности; Т - допуск на размер детали; а i - коэффициент, устанавливающий соотношение между допуском формы и допуском размера.

Для обеспечения заданной параллельности поверхностей детали принято следующее условие:

oiax min

Д==ндетф-ндет.ф = (13)

где А= - расчетное отклонение поверхностей детали от параллельности; max min

Н дет ф и Н дет ф - соответственно максимальная и минимальная фактическая высота детали; Т= - допуск параллельности; Т - допуск на размер детали; а i - коэффициент, устанавливающий соотношение между допуском параллельности в допуском размера.

Модели (9) ... (13) позволяют рассчитать погрешность обработки для любой из описанных выше схем наружения технологической системы при одноходовом 11111111

Колебания глубины резания и упругого перемещения в технологической системе происходят синхронно колебанию припуска. Однако, из-за жесткости технологической системы амплитуда ее упругих колебаний меньше, чем амшш-

туда колебаний припуска. Поэтому исходная погрешность заготовки копируется на детали в виде эквидистантной погрешности меньшей величины. Эквидистантная погрешность детали уменьшается с увеличением количества рабочих ходов.

Для расчета упругогих перемещений, а значит и отклонений размеров, формы, взаимного расположения поверхностей детали после п-го рабочего хода, начиная с первого хода, последовательно учитывались фактические глубины резания и упругие перемещения на всех рабочих ходах.

Расчетная схема для определения упругих перемещений при многоходовом ПГПШ показана на рис.6.

1 =1 ход , ¡+1 ход

п -1 ход

пход

Рис.6. Расчетная схема для определения упругих перемещений при многоходовом шлифовании

Для расчета упругих перемещений в технологической системе на п-м рабочем ходе многоходового шлифования получены следующие зависимости:

max_« , тах У П ^HD Уд.]

,min_t , ти.

-fi-B,+)/{fi-Bj)2+4tHi(Ufi-A,-) 2(l + f' -Aj)

-fi -B^^fi -В,)2 +4(tHi-An,i)(Ufi .-Aj) 2(l + f' -Aj)

(15)

Введение зависимостей (14) и (15) в описанные выше условия (11) ... (13) позволило рассчитать точность обработки при многоходовом шлифовании.

Экспериментальное'определение точности обработки (для сравнения с расчетными значениями) производилось при помощи запатентованного автором способа [37]. Экспериментальные графики зависимости параметров точности обработки от скорости продольной подачи показаны на рис.7, 8 (сплошные черные точки и треугольники соответствуют расчетным значениям, а не заштрихованные - экспериментальным).

25 22,5 20 17,5 15 12,5 10 7,5 5

2,5

Ушах, MKM

Vsnp, мм

мин

О 200 400 600 800 1000 1200 круг: 1 500 x 20 x 203 25А 40Н BMI 12К5; материал: сталь 45;

режим резания: V = 35m/c; Sx = 20mm; í = 0,6mm

2

Рис.7. Зависимость отклонений размеров детали от скорости продольной подачи

Л, мкм

О 200 400 600 800 1000 1200

круг: I 500x20x203 25А 40Н BMI 12K5;

материал: PI 8;

режим резания: V = 35 м/с; Sx = 20 мм; ta = 0,6 мм.

Рис.8. Зависимость отклонений формы детали от скорости продольной подачи

Расхождение экспериментальных и теоретических значений погрешности обработки составило не более 10 ... 15 %.

Проведенные исследования показали, что при работе с постоянной скоростью продольной подачи (если она не изменяется на протяжении всего рабочего хода) на участках входа и выхода круга из детали образуются «завалы», т.е. отклонение поверхности детали от прямолинейности. Было установлено, что наиболее рациональным методом обеспечения заданной прямолинейности деталей на плоскопрофилешлифовапьных станках с ЧГТУ является использование переменной скорости продольной подачи, изменение которой производится обратно пропорционально площади контакта круга с заготовкой. Для этого на участках врезания круга в заготовку скорость продольной подачи была рассчитана плавно уменьшающейся, а на участкач выхода - плавно увеличивающейся. Это позволило поддерживать силу Ру постоянной по всей длине заготовки.

Расчет оптимальных режимов резания

Полученные силовые и точностные матмодели параметров процесса ПГПШ позволяют рассчитать погрешность обработки и качественные показатели поверхности детали. Однако в технологии машиностроения актуальна обратная задача - назначить максимально допустимые режимы резания, обеспечивающие заданную точность и качество деталей

Производительность на операциях ПГПШ значительным образом определяется количеством стадий обработки необходимым для достижения заданной точности детали из заготовок той или иной точности. В связи с упругостью технологической системы, обуславливающей наследственность погрешности детали от погрешности заготовки, необходимое количество стадий уточнения заготовки зависит как от свойств самой технологической системы, так и от степени разброса входных параметров заготовки и режимов ее обработки.

Для операций ПГПШ стадии шлифования (предварительная, чистовая и тонкая) приняты по аналогии со стадиями традиционного (маятникового) шлифования, введенными А.Г. Косиловой. При этом в зависимости, главным образом, от требуемой точности и шероховатости поверхности операции ПГПШ могут выполняться в одну (например, предварительную) стадию (т.е. она может быть и окончательной) или в две, или в три стадии.

Для расчета оптимальных режимов резания О ля каждой стадии ПГПШ разработаны система ограничений и критерии оптимальности.

Для предварительной стадии шлифования доминирующими являются ограничения на режимы резания по точности обработки и шероховатости поверхности, а в ряде случаев по мощности главного привода станка. Для чистовои стадии шлифования доминирующими являются ограничения на режимы резания по точности размеров, формы, взаимного расположения поверхностей деталей и шероховатости поверхности. Для тонкой стадии шлифования доминирующими являются ограничения на режимы резания по точности обработки и шероховатости поверхности детали (или по одному из них).

Критерием оптимальности для всех стадий шлифования выбрана технологическая себестоимость операции, т.е. та часть себестоимости, которая непосредственно зависит от режимов резания:

С=рс

в Ь го Ц пр1

ч Ц

+ ■

1«

IV* Пр;

ТОП , (16)

где Рс - стоимость станкоминуты; Ь1 - длина 1-го рабочего хода; У5Пр;-схо-ростъ продольной подачи на ¿-м рабочем ходе; п - количество рабочих ходов; I длина]-го вспомогательного хода; V - скорость подачи навспомогательном ходе; т - количество вспомогательных ходов; — затраты на инструмент; Т - стойкость инструмента.

Расчет оптимальных режимов резания производился методом динамического программирования.

Область допустимых режимов резания для стадии предварительного шлифования (рис.9) определяется на плоскости линиями ограничений (технических - по диапазону подач станка и , по допустимой мощности резания 1п ; технологических - по точности размеров

1Ф ,[3ут]> шероховатости поверхности ¡^j, отсутствию прижога t° не-

зтой области таких Ц, и V^p i для которых выбранный критерий оптимальности имеет экстремальное значение (С min).

осыпаемости круга t® лРдоп])- Задача оптимизации заключалась в отыскании в

Скорость продольной подачи

п

О

Vsnp j

Vs пр, мм/мин

Рис.9. Область допустимых режимов резания для стадии предварительного шдакЬования

Область допустимых режимов резания для стадии чистового* шлифования (рис.10) определяется на плоскости линиями ограничений (технических - по диапазону подач станка и ; технологических - по точности размеров ^ т], точности формы ^ 1[т | (или точности

расположения ^ шероховатости поверхности ^ ^^ по отсутствию

прижога ,[тАд3 8 Ряде случаев - по неосыпаемости круга ^ ^Рдоп])

Скорость продольной подачи

ч Ч

О Ув пр , N< 5 пр, мм/мин

Рис.10 Область допустимых режимов резания для стадии чистового шлифования

Область допустимых режимов резания для стадии тонкого шлифования (рис.11) определяется на плоскости линиями ограничений (технических - .по диапазону подач станка и ; технологических - по точности формы ^ ^ | (или точности расположения Г* ¡[Т р, по шероховатости поверхности и неосыпаемоста круга ^ ,(р

О

-Г

Н "б"

<и С.

Ю >1

л 2

/ ;

Скорость продольной подачи

т т

Уя пр i пр, мм/мин

5 Пр

тах 5пр

Рдоп ;

[Т ] [т_]

Рис.11. Область допустимых режимов резания для стадии тонкого шлифования

Задача расчета последовательности стадий ПГПШ и соответствующих им оптимальных режимов резания сводится к дискретной задаче определения кратчайшего варианта уточнений заготовки до заданной точности детали. Данная задача решена методом динамического программирования по рекурентному уравнению'

Гп(5) = + Ъ-ф)], при п =1,2, 3,4,..., (17)

На базе полученных матмоделей сил резания, температуры в зоне шлифования, точности обработки и других ограничений разработана САПР ПГПШ, по которой рассчитаны режимы резания Оля разных стадий шлифования в широко.у диапазоне варьирования ограничений и марок обрабатываемых сталей. Пакет программ на выходе заполняет в соответствии с ГОСТ 3.1-404 - 86 операционные карты (форма 3 и 5) и впервые автоматически формирует управляющие программы для станков с ЧПУ.

Расчет высокопроизводительных автоматических циклов ПГПШ для станков с ЧПУ

Минимальное время автоматического цикла ПГПШ равно:

грПП П грШ1П «.пи П /10\

1 ца + Амв > и»)

где Т®ш - минимальное основное время цикла; Т^в" - минимальное машинно - вспомогательное время цикла.

Сокращение основного времени цикла Та. Одна из проблем ПГПШ

заключается в том, что на участках врезания и выхода круга происходит изме-о

нение силы резания, что вызывает образование на концах деталей "завалов", т.е. участков, где горизонтальная образующая обработанной поверхности становится наклонной. Это зачастую приводит к необходимости выполнения дополнительных рабочих ходов. Сущность запатентованного автором способа сокращения числа и времени рабочих ходов [34} заключается в следующем. На участках врезания и выхода круга используется переменная скорость продольной подачи У5 щ. Изменение У5 щ, производится в кадрах управляющей программы (УП) обратно пропорционально силе резания или площади контакта крута с заготовкой. На участке врезания V, „р уменьшается от значения вспомогательного хода до значения рабочего хода. На участке выхода „р увеличивается от значения рабочего хода до значения вспомогательного хода. Использование переменной скорости продольной подачи позволяет стабилизировать интенсивность съема металла, а значит силу резания и натяг в технологической системе. Этот способ позволяет в зависимости от длины шлифования сократить основное время автоматического цикла на 20 ... 50 % и устранить «завалы» на деталях.

Сокращение машинно — вспомогательного времени цикла 1М Для сокращения времени вспомогательных ходов при ПГПШ разработан и запатентован следующий способ [36]. На операциях ПГПШ с нечетным количеством рабочих ходов сокращение времени вспомогательных ходов достигается путем аннулирования последнего вспомогательного хода, выполняемого шлифовальным крутом для возврата в нулевую точку УП. Это производится за счет остановки шлифовального круга в том месте, где закончился последний рабо-

чий ход и переноса в это место нулевой точки следующей УП. Этот способ позволяет сократить машинно-вспомогательное время цикла на 20 ... 30 %.

Высокая производительность автоматических циклов ПГПШ достигнута главным образом за счет следующих разработок:

1. Расчет оптимальных режимов резания для разных стадий ПГПШ минимизирующих основное время на основе использования разработанных математических моделей основных ограничений (точность, шероховатость, бесприжоговость, неосыпаемость круга).

2. Сокращение времени рабочих ходов за счет применения на участках врезания и выхода круга переменной скорости продольной подачи.

3. Сокращение времени вспомогательных ходов за счет введения в управляющие программы переменных нулевых точек.

Примеры автоматических циклов для предварительной (рис.12), чистовой (рис.13) и тонкой стадий ПГПШ (рис.14) приведены ниже. На графиках линии I соответствуют экспериментально подобранным нами циклам внедренным на предприятиях до разработки теории расчета автоматических циклов ПГПШ, а линии 2 - циклам построенным по разработанной теории.

ч/с Л£± ' мин

Ти, мнн

Рис.12. Автоматический цикл с одним рабочим ходом

Автоматический цикл с одним рабочим ходом (предварительной стадия шлифования) рассч-итан следующим образом. Скорость продольной подачи, обеспечивающая заданную точность размера Уэпр(аГ| и другие ограничения, рассчитывалась на ЭВМ. Для сокращения основного времени Т0 на участке врезания круга в заготовку производилось плавное уменьшение скорости продольной подачи от значения продольной подачи вспомогательного хода Убв х. до расчетного значения скорости рабочего хода Убпр | ,1 | На участке выхода круга из заготовки производилось плавное увеличение скорости продольной подачи от значения продольной подачи рабочего хода Узпр | ац до значения скорости подачи вспомогательного хода Узв.х. [34]. Для сокращения машинно-вспомогательного времени Тмв использовался способ смены нулевых точек в управляющих программах [36], т.е. все основные ходы стали рабочими.

Автоматический цикл с двумя рабочими ходами (чистовая стадия шлифования, рис.14) рассчитан следующим образом. Скорости продольных подачи для первого и второго рабочих ходов рассчитывалась на ЭВМ из условия обеспечения заданных ограничений. На первом рабочем ходе на участках врезания и выхода круга использовалась переменная скорость продольной подачи [34]

Рнс. 13. Автоматический цикл с двумя рабочими ходами

Автоматический цикл с тремя рабочими ходами (тонкая стадия шлифования, рис.14) был рассчитан следующим образом. Скорости продольных подач для всех рабочих ходов рассчитывалась на ЭВМ с учетом соответствующих ограничений. Для сокращения машинно-вспомогательного времени был использован способ смены нулевых точек в чередующихся управляющих программах [36].

О

Уз,

мм мин

р

я

а.

с >

Л

£л

со ей

VI >

<Л >

"7 I—

Тц2

дТц

Тц 1

Ти, мин

Рис.14. Автоматический цикл с тремя рабочими ходами

Промышленная проверка методики расчета высокопроизводительных автоматических циклов ПГПШ показала, что ее использование позволяет повысить производительность операций, по сравнению с циклами содержащими экспериментально подобранные режимы резания, в 1,3 ... 1,5 раза.

Нормативы режимов резания для операций ПГПШ

Нормативы режимов резания для операций ПГПШ разработаны двух видов: компьютерные и табличные.

Компьютерные нормативы - это пакет программ для расчета режимов резания автоматических многоходовых циклов ПГПШ, обеспечивающих требуемую точность, шероховатость, беспряжоговость и неосыпаемость круга.

Табличные нормативы выполнены в форме карт, по которым определяются характеристики шлифовальных кругов и режимы резания. Обычно набор управляющих программ, с входящими в них режимами резания, осуществляется наладчиком на пульте станка с ЧПУ по таблицам режимов резания, традиционно представленных в нормативах режимов резания. Для этих целей по разработанному пакету программ рассчитаны таблицы режимов резания для операций ПГПШ

Станки для ПГПШ, серийно выпускаемые Липецким станкостроительным заводом и рядом зарубежных фирм, обладают повышенной мощностью главного привода и большой жесткостью. Введение е нормативы поправок на жесткость и мощность станкон позволяет технологам правильно выбирать оборудования и повышает точность расчета режимов резания.

Современные станки с ЧПУ для ПГПШ имеют четырехкоординатную систему и обеспечивает правку круга алмазным правящим роликом в процессе резания. Новый параметр обработки - автоматическая правка шлифовального круга введен в нормативы для ПГПШ. Режим автоматической правка круга зависит от стадии шлифования и характеристик шлифовального круга. Введение а нормативы для ПГПШ режима автоматической правки круга отвечает техническим возможностям станков и обеспечивает повышение эффективности и точности обработки при снижении теплонапряженности процесса.

В существующих нормативах для разных операций шлифования (не для ПГПШ) рекомендованы к применению круги степеней твердости в диапазоне от М2 до Т1. Проведенные исследования и опыт внедрения операций ПГПШ показали, что при предварительном шлифовании наиболее эффективны круги степеней твердости ВМ1 и ВМ2. Поэтому «■ новые нормативы для ПГПШ введены круги степеней твердости BMI и ВМ2, что позволяет значительно повысить производительность предварительной обработки и снизить те-плонапряжеиность процесса.

Нормативы охватывают обработку заготовок из жаропрочных и жаростойких, инструментальных и коррозионностойких, конструкционных и легированных сталей, медных и алюминиевых сплавов, чугунов. Разработанные нормативы предназначены для серийного н мелкосерийного производства.

Общие выводы и результаты работы

1. На базе теории пластического деформирования металла и баланса активных и реактивных сил при шлифовании разработаны аналитические зависимости для расчета тангенциальной Pz ¡, радиальной Ру i и осевой Рх ; составляющих силы резания при ГТГПШ. Полученные силэвые зависимости впервые непосредственно учитывают характеристики шлифовального круга (зернистость, твердость, структуру). Путем деления сложного профиля деталей и соответственно профиля шлифовальных кругов на простые по форме участки произведена классификация схем шлифования для ГТГПШ. Для каждой схемы шлифования получены формулы для расчета площади контакта круга с заготовкой и интенсивности съема металла Эти формулы являются составляющими зависимостей ддя расчета сил резания и таким образом устанавливают влияние формы профилен круга и детали на силы резания. Приоритетность сделанных разработок защищена 3 патентами Российской Федерации [39,40,42].

2. Путем решения классического уравнения теплопроводности получена аналитическая зависимость для расчета температуры заготовки при шлифовании. Полученная зависимость позволяет для любого момента времени рассчитать температуру в зоне контакта круга с заготовкой на интересующей глубине от шлифуемой поверхности. На этой основе решены две задачи: рассчитаны пиковые максимальные температуры, по которым проверяется вероятность появления прижога, и температуры самоподогрева для определения интенсивности напряжений <т,, т.е. действительного сопротивления разных сталей и сплавов шлифованию.

3. Полученные зависимости для расчета составляющих силы резания и температуры заготовки позволили разработать методику их взаимозависимого расчета: рассчитанная как функция температуры интенсивность напряжений «¡(и.,.,) определяет действительное сопротивление металлов шлифованию, т.е.

силы резания, а силы резания в свою очередь определяют плотность теплового потока я температуру в поверхностном слое заготовки.

4. При анализе схем шлифования ГТГПШ выявлены возможные схемы аа-гружения технологической системы силами резания. Для каждой схемы нагру-жения получены аналитические зависимости ддя расчета податливости технологической системы, которые учитывают конструкцию системы, геометрию входящих в нее элементов и физико-механические свойства материалов, из которых изготовлены эти элементы. Полученные матмодели сил резания и податливости технологической системы позволили разработать теорию и методику расчета точности обработки при одно и многоходовом ПГПШ. Основой яаечета

является определение упругих перемещений в технологической системе под действием сил резания Ограничивающим фактором на величину упругих перемещений принята заданная точность обработки. Приоритетность сделанных разработок защищена 2 патентами Российской Федерации [33,37].

5. Разработаны системы ограничений на режимы резания для предварительной, чистовой и тонкой стадий ПГПШ. Используемые в системах ограничений матмодели получены на базе выведенных зависимостей для расчета сил резания, температуры в зоне шлифования, точности обработки, бссприжоговости и др. Системы ограничений автономны, что позволяет использовать каждую из них в отдельности (для соответствующей стадий шлифования). При этом системы ограничений совместимы между собой, что дает возможность производить расчет при любом сочетании стадий. В качестве критерия оптимальности принята технологическая себестоимость операции, т.е. себестоимость непосредственно зависящая от режимов резания. В качестве метода расчета оптимальных режимов резания использовано динамическое программирование. Иа зтой основе разработана САПР операций ПГПШ, которая рассчитывает режимы резания для разных стадий шлифования. Разработанная САПР ПГПШ впервые включает блок по расчету управляющих программ, что позволяет выйти на новый технологический уровень - использование самопроектирующих систем для станков с ЧПУ.

6. Для сокращения времени автоматических циклов ПГПШ разработан и запатентован способ сокращения времени рабочих ходов за счет использования иа участках врезания и выхода круга переменной скорости продольной подачи [34]. Способ позволяет сократить время рабочих ходов на 20 ... 50 %. Разработан и запатентован способ сокращения времени вспомогательных ходов [36]. Сокращение времени вспомогательных ходов достигается за счет использования переменных нулевых точек в управляющих программах. Способ позволяет, сократить время вспомогательных ходов до 30%. На этой основе разработана методика расчета автоматических циклов ПГПШ, которая обеспечивает повышение производительности обработки в 1,2 ... 1,5 раза.

7. На базе пакета прикладных программ разработаны табличные нормативы режимов резания, которые используются для традиционного нормирования операций ПГПШ, выполняемых на станках с ЧПУ. Нормативы внедрены на государственном Челябинском автомата »-механическом заводе. В результате внедрения нормативов трудоемкость операции ПГПШ снизилась на 20 ... 30 %.

8. Внедрение ПГПШ вместо традиционных операций в действующие технологические процессы проведено на 5 предприятиях Российской Федерации. В результате внедрения операций ПГПШ производительность обработки на модернизированных участках повысилась в 1,5 ... 2 раза.

Основные положения диссертация опубликованы в следующих работах:

1. Кулыгин В.Л„ Николаенко A.A. Исследование колебаний сил резания при глубинном плоском фасонном шлифовании Н Повышение эффективности технологических процессов машиностроительных производств: Тез. докл. на-уч.-техн. конф. - Барнаул: АлПи, 1989. - С. 50-51.

2. Кулыгин В .Д., Николаенко A.A. Математическое моделирование процесса плоского глубинного шлифования // Математическое моделирование в машиностроении: Тез. докл. - Куйбышев: КАИ, 19,0. - С. 48 - 49.

3. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Особенности процесса резания при плоском глубинном и маятниковом шлифовании // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента: Сб. науч. тр. - Пенза: ПЛИ. -1991, - С.40 - 44.

4. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Повышение производительности и точности обработки плоского глубинного шлифования: Сб. науч. тр. - Барнаул: АлПИ, 1991.-С.27-32.

5. Николаенко A.A., Кулыгин В.Л. Обеспечение точности обработки деталей шлифованием / Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Аг-ропром. - № 7. - 1991. - С.58.

6. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Глубинное шлифование при восстановлении деталей / Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Агро-пром. 10. - 1991. -С.51.

7. Николаенко A.A., Кулыгин В.Л. Абразивные круги для глубинного шлифования // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Агро-пром. -№3-4.- 1992.- С.45.

8. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Расчет режимов резания при плоском глубинном шлифовании периферией крута // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента: Сб. науч. тр. - Пенза: ППИ, 1992. - С.7 -11.

9. Николаенко A.A. Автоматические циклы профильного глубинного шлифования Н Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1993. - С.27-29.

10. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Характеристика шлифовальных кругов для глубинного профильного шлифования // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1993. - С.29-30.

11. Николаенко A.A., Фадюшин С.А. Влияние профиля шлифовального круга на силы резания // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1993. - С.35-37.

12. Нихолаенко A.A., Кулыгин В.Л. Техника применения СОЖ при глубинном профильном шлифовании // Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов. Тез. докл. - Ульяновск: УлПИ, 1993. - С.72-75.

13. Николаенко A.A., Фадюшин С.А., Медведев Е.Г. Направление использования глубинного профильного шлифования с правкой круга эльборовы-ми карандашами // Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона: Тез. докл. - Магнитогорск: МГГМИ, 1994. - С.22 - 24.

14. Николаенко A.A. Методика сокращения циклов глубинного профильного шлифования // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработан: Сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - С.45 - 47.

15. Николаенко A.A., Медведев Е.Г. Современная технология глубинного шлифования с применением алмазных и эльборовых роликов // Современные технологии изготовления и сборки изделий: Сб. науч. тр. - Санкт-Петербург: ПИМаш, 1995. - С.37 - 39.

16. Николаенко A.A. Расчет температурных полей при глубинном шлифовании // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1996. - С.121 - 124.

17. Николаенко A.A. Разработка методики поэтапного, взаимозависимого расчета сип резаная и температурного поля заготовки при глубинном шлифовании: Тез. докл. - Рыбинск: РГАТА, 1996. - С.69-70.

18. Николаенко A.A. Разработка циклов глубинного профильного шлифования, обеспечивающих повышение производительности и точности обработки // Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № 3020-В94,1994. - С.9.

19. Николаенко АА. Нормирование операций профильного глубинного шлифования // Депокировшшые рукописи - М.: ВИНИТИ, № 3Q22-B94,1994. - С. 10.

20. Николаенко A.A. Ограничения накладываемые на режимы резания при профильном глубинном шлифовании К Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № 3376-В95,1995. - С.13.

21. Николаенко A.A. Моделирование а расчет упругих перемещений технологической системы при глубинном шлифовании. Н Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № 3377-В95, 1995. - С.11.

22. Николаенко A.A. САПР операций профильного глубинного шлифования // Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № 1154-895,1995. - С. 14.

23. Николаенко A.A. Расчет податливости технологической системы при профильном глубинном шлифовании // Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № И 55-В95,1995.-С.10.

24. Николаенко A.A. Использование ЭВМ для операций профильного шлифования // Депонированные рукописи - М.; ВИНИТИ, № U56-B95,1995.-С.8

25. Николаенко A.A. Контроль размеров деталей после глубинного шлифования //Депонированные рукописи-М.: ВИНИТИ, Ш 1235-В96,1996. -С.15.

26. Николаенко A.A. Разработка нормативных материалов для назначения режимов резания на операциях глубинного профильного шлифования // Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, Ks 1236-В96, 1996. - С.38.

27. Николаенко A.A. Уровни оптимизации режимов резания для операций глубинного профильного шлифования // Прогрессивные технологии в машиностроении: Сб. научн. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1997. - С.88 - 91.

28. Николаенко A.A., Савинская В.Г. Методика определения компонентов абразивной смеси для шлифовальных кругов, используемых при обработке труднообрабатываемых материалов // Депонированные рукописи - М.: ВИНИТИ, № 835-В97, 1997. -С.14.

29. Николаенко A.A. Повышение производительности и точности обработки при профильном глубинном шлифовании // Вестник машиностроения, N 2.-1997.-С.21 -23.

30. Николаенко A.A. Технология глубинного профильного шлифозания и ее перспективы: Тез. докл. - Челябинск: ЮжУралЭКСПО, 1997. - С.49.

31. Николаенко A.A. Этапы обработки в операциях плоского глубинного профильного шлифования // Прогрессивные технологии в машиностроении: Сб. научн. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 1998. - С.ЗО - 33.

32. Николаенко A.A. Стадии обработки для операций плоского глубинного профильного шлифования // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и управляющей обработки в машиностроении: : Сб. научн. то. -Пермь: ПГТУ, 1998. - С.20 - 26.

33. Патент СССР№ 1833249, В23 В25/00. Устройство для определения жесткости шпинделей / ВЛ.Кулыгин, А.А.Николаенко - М.: ГОСПАТЕНТ СССР, 1993.

34. Патент РФ К» 2014209, В24 В51/00. Способ автоматического управления плоским глубинным шлифованием периферией круга / В Л.Кулыгин,

A.А.Николаснко - М.: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1994.

35. Патент РФ № 2069483, В24 05/06. Сборный шлифовальный инструмент / А.А.Николаснко, Н.В.Сырейщикова, В.Г.Савинская - М: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1996.

36. Патент РФ Лз 2080983, В24 В51/00. Способ плоского глубинного шлифования с нечетным количеством рабочих ходов / А.А.Николаенко, Н.В.Сырейщикова, О.С.Фадюшин - М.: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1996.

37. Патент РФ Ка 2087293, В24 В51/00. Способ определения погрешности формируемых размеров детали на заданном режиме обработки при плоском глубинном профильном шлифовании / А.А.Николаенко, Н.В.Сырейщикова, О.С.Фадюшин - М.: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1996.

38. Патент РФ № 2071901, В24 В51/00. Способ торцевого двустороннего шлифования / В.Г.Савинская, А.М.Сарайкин, А.А.Николаенко, Г.В.Лебедев -М.: Комитет РФ по патеи1ам и товарным знакам, 1996.

39. Патан РФ Нч 2086938, б24 Ь5/12. Способ определения радиальной составляющей силы резания при глубинном плоском шлифовании периферией круга / А.А.Николаенко, Н.В.Сырейщикова - М.: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1997.

40. Пагсит РФ № 2084867,024 N19/02. Способ определения коэффициента трения при плоском шлифовании периферией круга / А.А.Николаенко, Н.В.Сырейщикова - М.: Комитег РФ по патентам и товарным знакам, 1997.

41. Патент РФ Я? 208881, (Ю1 1-05/13. Способ определения максимально допустимого по мощности привода шпинделя значения главной составляющей силы резания при плоском шлифовании / А.А.Нйколаенко, Н.В.Сырейщикова,

B.Г Савинская. - М.: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1997.

42 Патент РФ Кг 2099173, В24 В51/00. Способ определения коэффициента, учитывающего аншшг СОЖ на силы резания при плоском глубинном профильном шлифовании периферией круга / А.А.Николаенко, Н.В.Сырейщикова, О.С.Фадюшин - №: Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 1997.

НИКОЛАЕНКО АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ПЛОСКОГО ГЛУБИННОГО ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Специальность 05.02.08 — "Технология машиностроения"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Издательство Южно-Уральского государственного университета

ЛР N 020364 от 10. 04. 97. Подписано в печать 23.09.98. Формат 60 * 84 1/16. Печать офсетная. Уел печ. л. 2.09. Уч -нзд. л. 2. Тираж 80 экз. Заказ 251/343.

УОП Издательства. 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 76.



Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Южно - Уральский государственный университет

/ Ш пРавах рукописи

И и

НИКОЛАЕНКО АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 621.923

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ПЛОСКОГО ГЛУБИННОГО ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Специальность 05.02.08 — " Технология машиностроения Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

<1 лу Научный консультант

■ "г. 39, ¿¿е/д

(у доктор технических наук,

1 б-хмл^^^ъ профессор С.Н. Корчак

я

А

Челябинск —1998

Оглавление

Сокращения и условные обозначения....................................... 5

Введение............................................................................. 8

Глава 1. Особенности и проблемы ПГПШ................................. 10

1.1. Маркетинговое исследование.....................................

1.2. Анализ ограничений используемых при расчете режимов резания.................................................................... 14

1.2.1. Анализ критериев оптимальности........................ 19

1.3. Анализ матмоделей для расчета сил резания при шлифовании.......................................................... 24

1.4. Анализ матмоделей для расчета температуры заготовки

при шлифовании.........> ......................................... 31

1.5. Анализ матмоделей для расчета жесткости технологической системы......................................... 35

1.6. Анализ матмоделей для расчета погрешности механической обработки.......................................... 39

1.7. Заключение по состоянию вопроса, постановка цели

и задач исследования.............................................. 44

Глава 2. Моделирование сил резания для процессов ПГПШ

2.1. Разработка матмоделей составляющих силы резания, учитывающих характеристики круга, формы

профилей круга и заготовки..................................... 46

2.2. Экспериментальная проверка матмоделей сил

резания............................................................... ИЗ

2.3. Разработка матмодели для расчета температуры в поверхностных слоях заготовки в зоне шлифования....... 122

2.4. Экспериментальная проверка матмодели для

расчета температуры заготовки................................. 133

2.5. Методика взаимозависимого расчета сил резания и температуры поверхностных слоев заготовки в

зоне шлифования................................................... 135

2.6. Выводы к главе..................................................... 139

Глава 3. Точность обработки

3.1. Расчет упругих перемещений и податливости технологической системы при различных

схемах нагружения................................................. 140

3.2. Экспериментальное определение податливости

станков для ПГПШ.................................................. 154

3.3. Точность обработки при одноходовом шлифовании......... 157

3.4. Точность обработки при многоходовом шлифовании....... 168

3.5. Экспериментальное определение точности обработки...... 175

3.6. Выводы к главе...................................................... 182

Глава 4. Расчет оптимальных режимов резания

4.1. Стадии обработки в операциях ПГПШ......................... 183

4.2. Матмодели ограничений на режимы резания

для стадий ПГПШ.................................................... 186

4.3. Экспериментальное определение максимально допустимого значения главной составляющей

силы резания......................................................... 199

4.4. Экспериментальное определение мощности резания

и температуры соответствующих прижогу..........................................201

4.5. Оптимизационная модель процесса ПГПШ......................................205

4.6. Динамическое программирование при расчете режимов резания на ЭВМ............................................................................................................214

4.7. САПР ПГПШ..................................................................................................................218

4.8. Выводы к главе............................................................................................................232

Глава 5. Расчет высокопроизводительных автоматических циклов ПГПШ для станков с ЧПУ

5.1. Обеспечение точности обработки на участках

врезания и выхода и сокращение времени рабочих ходов... 233

5.2. Сокращение времени вспомогательных ходов................................240

5.3. Расчет автоматических циклов ПГПШ..................................................243

5.4. Выводы к главе............................................................................................................248

Глава 6. Практическое использование результатов исследования

6.1. Нормативы режимов резания для операций ПГПШ..................249

6.2. Примеры расчета режимов резания и норм времени

для операций ПГПШ..............................................................................................251

6.3. Внедрение результатов исследования в производство............260

Общие выводы..........................................................................................................................................261

Список литературы..............................................................................................................................263

Приложения..................................................................................................................................................278

Сокращения и условные обозначения

ПГПШ — плоское глубинное профильное шлифование;

ЧПУ — числовое программное управление;

УП — управляющая программа;

ТПП — технологическая подготовка производства;

САПР — система автоматизированного проектирования;

ТП — технологический процесс;

ГПС — гибкая производственная система;

ОНВ — общемашиностроительные нормативы времени;

ОНВ и РР — общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания;

ЮУрГУ— Южно-Уральский государственный университет (г.Челябинск);

Ру — главная составляющая силы резания, Н;

Ру — радиальная составляющая силы резания, Н;

Рх — осевая составляющая силы резания, Н;

Vsпр — скорость продольной подачи, м/с;

V — скорость шлифовального круга, м/с;

I — глубина резания, м;

Бх — поперечная подача на ход, м;

О — интенсивность съема металла, м3/с;

£ — податливость технологической системы, м/Н;

О — наружный диаметр шлифовального круга, м;

Т — высота шлифовального круга, м;

Ь — длина дуги контакта круга с заготовкой, м;

2

— площадь контакта круга с заготовкой, м ; Ко — концентрация зерен, шт/м2; с!о — размер абразивных зерен в круге, м; — объемное содержание зерен в круге, %;

\¥с — объемное содержание связки в круге, %; \УП — объемное содержание пор в круге, %; <Т1 — интенсивность напряжений, Н/м ; £г — степень деформаций;

|3| — угол между вектором скорости и равнодействующей силы резания, град.;

¡а, — коэффициент трения; ц — время, с;

т - длительность теплового импульса, с; и1 — температура заготовки, °С; <Е>1 — ¿—й тепловой поток, Вт;

р! — {-я площадь поперечного сечения теплового потока, м2; qi — 1-я плотность теплового потока, Вт/м ;

Х{ — коэффициент теплопроводности материала заготовки, Вт/ м • °С; С[ — теплоемкость материала заготовки, Дж/ Н • °С; Р1 — плотность материала заготовки, Н/м3;

а!— коэффициент температуропроводности материала заготовки, м2/с.

q з — квалитет заготовки;

Тз—допуск размера заготовки, м ;

Н з"ах — максимальная высота заготовки, м;

Н3тт — минимальная высота заготовки, м;

q д-— квалитет детали;

Тд—допуск размера детали, м;

Н ™ах — максимальная высота детали, м;

Н д т — минимальная высота детали, м; Тд —допуск формы детали, м;

Т_ — допуск прямолинейности поверхности детали, м;

Т= — допуск параллельности поверхностей детали, м;

J - жесткость технологической системы, Н/ м;

Г — податливость технологической системы, м/ Н;

у, — упругое перемещение технологической системы в точке м;

УГ — максимальное расчетное отклонение размера детали на завершающем

п-ом рабочем ходе, м; Яа п — значение шероховатости поверхности детали на завершающем п-ом рабочем ходе, мкм;

[Я™ах]— максимальное допустимое значение шероховатости поверхность детали, мкм; N Рез — мощность резания, Вт; ^рез] — максимальная допустимая мощность резания, Вт;

N э д — мощность электродвигателя на главном приводе станка, Вт; иЛ1 — температура при которой появляется шлифовочный прижог, °С; Сн — технологическая себестоимость Ы-ой стадии шлифования, руб. Тц — цикл автоматической работы станка, с;

Т0— основное время технологической операции (время рабочих ходов), с;

гр о

Т в — машинно-вспомогательное время технологической операции, с;

Тв.х — время вспомогательных ходов, с;

Туст — время установа, с;

ТИзм — время на контрольные измерения, с;

Тш — время на смену инструмента, с;

Тп — время пауз, с.

ВВЕДЕНИЕ

Опыт стран с развитой рыночной экономикой показывает, что одним из путей, позволяющих повысить уровень производства, является переориентация массового и крупносерийного производства на серийное и мелкосерийное. Осуществить такой переход быстро и эффективно позволяют станки с ЧПУ.

Расширение области применения станков с ЧПУ происходит одновременно с повышением качества, снижением металлоемкости и стоимости изготавливаемых деталей. Стремление улучшить технико-экономические показатели изделий за счет использования деталей из закаленных, износостойких, коррозион-ностойких и жаропрочных материалов приводит к снижению производительности обработки. Одним из путей повышения производительности при механической обработке высокопрочных материалов является внедрение в производство операций плоского глубинного профильного шлифования (ПГПШ).

Глубинное шлифование с непрерывной правкой круга алмазным роликом как метод высокопроизводительной обработки был впервые предложен и использован в Англии в 1977 г. Несмотря на явные преимущества этого метода по сравнению с традиционными его применение во всех промышленно развитых странах происходило довольно медленно по двум причинам.

Во-первых, требовались станки с мощным главным приводом и приводами, обеспечивающими малые скорости подач. К настоящему времени станки с ЧПУ для ПГПШ разных типоразмеров серийно выпускает Липецкий станкостроительный завод и ряд зарубежных фирм. Эти станки обладают повышенной жесткостью, мощным главным приводом и относятся к высокому классу точности.

Во-вторых, применение глубинного шлифования требует разработки нормативов режимов резания для автоматических циклов глубинного шлифования как для настраиваемых (наладчиком) цикловых станков, так и для станков с ЧПУ.

Основная тенденция современного машиностроительного производства состоит в повышении гибкости на основе применения станков с ЧПУ. На предприятиях, где операции ПГПШ в настоящее время используются, отсутствие нормативов режимов резания для них приводит либо к потере производительности, либо при интенсификации режимов резания к большому количеству брака. И в том и в другом случае дорогостоящие шлифовальные станки с ЧПУ используются не эффективно.

Опыт промышленного внедрения операций ПГПШ показал, что при определенных условиях они обеспечивают рост производительности в сравнении с лезвийной обработкой в 2 ... 5 раз при обеспечении заданного качества деталей. Значительная интенсивность съема металла при высокой точности получаемых размеров и качестве обработанной поверхности, позволяют заменить сочетание фрезерования (протягивания, строгания) и последующего обычного шлифова-

ния одной операцией ПГПШ. При изготовлении профильных деталей из особо прочных материалов ПГПШ является единственным способом механической обработки.

В настоящее время ПГПШ - это высокоэффективный способ механической обработки при изготовлении плоских профильных деталей, зубчатых колес и реек, глубоких пазов с прямыми параллельными боковыми сторонами и профильным дном, применяемый в авиационной, автомобильной и инструментальной отраслях промышленности.

Преимущество изготовления деталей на станках с ЧПУ заключается в том, что обработка ведется в автоматическом цикле. Многовариантность формирования автоматических циклов для обработки часто сменяемых деталей требует расчетного обоснования принемаемых решений. Поэтому необходимо разработать теорию расчета автоматических циклов ПГПШ для станков с ЧПУ.

Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

Техническое перевооружение производства за счет использования станков с ЧПУ требует разработки САПР этих операций. Большая часть проблем в этой области решена пока локально, а связь между отдельными задачами субъективно осуществляет инженер. При этом основной трудностью является отсутствие нормативно-справочных материалов по режимам резания связанных с точностью обработки. Таких нормативов для операций ПГПШ в настоящее время нет.

Экспериментальное определение режимов резания на предприятиях занимает много времени и требует больших затрат. При этом для запуска каждой новой детали вновь требуется проведение большого количества экспериментов. Отсутствие информационной базы по обоснованному выбору числа рабочих ходов и режимов резания на каждом ходе приводит на производстве к значительному занижению режимов резания.

Перечисленные выше причины показывают, что разработка методики расчета режимов резания и создание на ее основе теории автоматических циклов ПГПШ для станков с ЧПУ является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с программой ГКНТ СССР на 1986-1990 годы в рамках решения научно-техническая проблемы 0.76.01. «Разработать и внедрить систему методических и нормативных материалов, типовых решений по научной организации труда, обеспечивающих эффективное использование техники и трудовых ресурсов» по заданию 0.8.0 I.A.: «Разработать и внедрить методические рекомендации по расчету норм времени на ЭВМ в едином цикле с автоматизированным проектированием технологических процессов».

Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, доктору технических наук, профессору С.Н. Корчаку за научные консультации и помощь в работе.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ ПГПШ

1.1. М ар к е т и н г о в о е исследование

Операции ПГПШ на станках с ЧПУ являются одним из новых видов механической обработки. Внедрение новых технологий в производство в условиях рынка производится по бизнес-планам и подчинено жестким экономическим требованиям, в основе которых лежат обеспечение высокой эффективности работы предприятия и конкурентоспособности изделий.

Оперативный маркетинг для операций ПГПШ проводился в авиационной, автотракторной, инструментальной и других отраслях промышленности. Критериями оценки служили: потребность предприятий в операциях ПГПШ и технические возможности для внедрения этих операций.

Ниже приведены примеры того, как была определена потребность предприятий в операциях ПГПШ.

На Пермском и Рыбинском моторостроительных заводах трудоемкость изготовления лопаток газотурбинных двигателей составляет до 28% от общей трудоемкости двигателя. Материал лопаток - жаропрочный сплав ЖС6У. Производство крупносерийное. Введение операций ПГПШ для обработки елочных хвостовиков лопаток позволило значительно сократить брак и повысить производительность обработки в несколько раз.

Волжский автомобильный завод ввел операции ПГПШ для изготовления обоймы внутреннего шарнира. Материал обоймы - сталь 14ХГН. Производство массовое. Использование операций ПГПШ позволило устранить образование микротрещин на рабочих поверхностях обоймы при значительном повышении производительности обработки.

На целом ряде предприятий определялась не только потребность в операциях ПГПШ, но и были внедрены нами эти операции в производство (приложение 4).

АО "СТИЗ" (Ставропольский инструментальный завод) изготавливает рамки штангенциркуля ШЦ-125. Материал рамки - сталь 50. Производство серийное. Требуемая шероховатость на лицевой стороне рамки - Яа 0,8. Введение операций ПГПШ позволило заменить при обработке лицевой стороны рамки три операции традиционного шлифования, а при обработке тыльной стороны -две операции.

ЛАО "ИЗМЕРОН" (Санкт-Петербургский инструментальный завод) изготавливает штанги штангенвысотомера. Материал штанг - сталь 50. Производство серийное. Использование одной операции ПГПШ позволило заменить при обработке боковых поверхностей штанги три операции традиционного шлифования.

АО "КАЛИБР" (Московский инструментальный завод) изготавливает штанги штангенциркуля ШЦ-125. Материал штанги - сталь 50. Производство серийное. Использование одной операции ПГПШ позволило заменить две операции - профильное фрезерование и последующее традиционное шлифование.

АООТ "Булат" (Златоустовский машиностроительный завод) изготавливает стабилизаторы - 024. Материал стабилизаторов - сталь 40ХФА. Производство серийное. Использование одной операции ПГПШ позволило заменить три операции профильного фрезерования.

Анализ результатов показал, что внедрение операций ПГПШ в действующие технологические процессы позволяет, во-первых, значительно повысить производительность и качество обработки, во-вторых, повысить уровень автоматизации производства, в-третьих, снизить себестоимость изделий.

Стратегический маркетинг заключался в поиске предприятий, имеющих потребность в операциях ПГПШ.

АО "ЧТЗ" (Челябинский тракторный завод) изготавливает шестерни для двигателей тракторов. Материал шестерни - сталь 20Х. Производство серийное. Проведенные эксперименты показали, что введение операции ПГПШ для обработки зубьев позволяет повысить ее производительность в 1,5 раза.

АО "ГСЗ" (Гродненский с�