автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Научные основы обеспечения качества шлифования специальных покрытий в условиях гибкого компьютерно-управляемого производства (CIM)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

р г б ОД

1т

Наш

- 5 СЕН .

Тандияа^ технических наук Иванов Вяадахкр Александрович

на правах рукописи

УДК 621. 923

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ШЛИФОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ГИБКОГО КОМПЬЮТЕРНО-УПРАВЛЯЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА (С1М)

Специальности 05. 03. 01. "Процессы механической и физико- технической

обработки,станни и инструмент" 05.02.08. "Технология машиностроения"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени погтора техннчесгкх науг

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1994

Работа выполнена в Санкт- Петербургском государственном техническом университете

Научный консультант: академик Л. И. Федотов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

д. т. н. , профессор Л. Н. Филимонов

д. т. н. , профессор 3. И. Кремень

Я- т. н. , профессор В. И. Петров

Ведущая организация

Акционерное общество открытого типа

"Абразивы и шлифование" АО ВНИИАШ (Санкт-Петербург)

Защита состоится "25" октября 1994г. в 16 часов

на заседании специализированного совета Д 063. 38. 16

при Саннт- Петербургском государственном техническом университете

по адресу: 195251 Саннт-Петербург, Политехническая ул. 29

Санкт-Петербургский государственный технический университет а

1 корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета

Автореферат разослан "/9" О С-'й. 1994г.

Учёный секретарь специализированного совета И. А. Сенчило

ОБЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы-

Качество выпускаемой продукции становится решающий фантором конкурентоспособности в индустриально развитых странах мира. Это обуславливается постоянно возрастающими требованиями надёжности эксплуатации, а танже энологической безопасности выпускаемых машин и механизмов.

Повышенные требования к качеству продунции часто не могут быть обеспечены классическими материалами и традиционными процессами обработни. Большие потенциальные возможности многих современных конструкционных материалов,кан например, технической керамини, композиционных материалов и понрытий могут быть успешно реализованы в различных конструкциях тольно при условии изменения и "приспособления" технологических процессов обработни применительно н этим материалам. Поэтому специализированная относительно материала детали технология обработки является необходимым условием экономичного и качественного изготовления деталей иэ новых нострунционных материалов. Качество изделий определяется при этом начеством процессов чистовой обработки.

Структурное изменение рынков сбыта, характеризуемое переходом от больших размеров серий при малом количестве типоразмеров н малым сериям с большим разнообразием вариантов, требует применения интегрируемых, гибких и надёжных процессов механической обработки, и,в частности, финишных операций. Дальнейшее развитие технологии чистовой обработни происходит в направлении разработки гибких автоматизированных ячеен чистовой обработки с встроенными компьютерными системами управления обработкой и обеспечения качества. Наличие таких ячеен является основой создания компьютерно-управляемого производства (С1М).

Автоматизация процессов обработки геометрически неопределенными режущими лезвиями связана,однако,с определенными трудностями, обусловленными многообразием трудно поддающихся точному математическому описанию технологичесних параметров. Несмотря на очевидный прогресс, прогнозирование протекания процесса обработни представляет по-прежнему значительные трудности. Важнейшей предпосылкой создания автоматизированных гибних ячеек чистовой обработни является их метрологическое обеспечение. Особенно большое значение приобретают в этих условиях измерения в процессе обработни, т. е. активный контроль различных технологических параметров.

В связи с этим данная диссертационная работа, посвящённая решению нрупной научной проблемы обеспечения качества шлифования специальных покрытий в условиях гибкого компьютерно-управляемого производства, имеет важное научное и практическое значение.

Целью работы является установление, технологическое описание и прогноз параметров качества при шлифовании деталей с плазменным напылением для разработки автоматизированных процессов шлифования, комплексно обеспечивающих качество обработни изделий с покрытиями в условиях гибкого компьютерно-управляемого производства (С1М).

Основная идея работы заключается в разработке и использовании для прогноза параметров качества деталей с покрытиями различных статических, динамических, тепловых и деформационных моделей технологической системы и её отдельных элементов.

В задачи исследований входило: —выявить технологические особенности шлифования деталей с плазменным напылением; —разработать алгоритмы управления автоматизированными процессами шлифования, комплексно обеспечивающими качество обработки деталей с покрытиями.

—разработать модели теплового и напряжённо-деформированного состояния материала покрытия с учётом воздействия теплового и силовых факторов;

—разработать модели статического и динамичесного поведения технологической системы; —разработать конструкции приборов активного контроля шероховатости деталей с покрытиями,-Методы исследований. Работа выполнена на основе решения аналитических и численных задач теплопроводности, механики деформируемого твёрдого тела, теории упругости,прочности и жёсткости балон,с использованием эмпирических зависимостей показателей процесса шлифования от технологических параметров, разработки алгоритмов управления и их математического описания,конструкторских разработок специальных приборов, проведения многочисленных экспериментальных исследований, обобщения и статистической обработки их результатов и промышленных испытаний рекомендованных мероприятий, их экономической оценни. *

Основные защищаемые научные положения. 1. Обработка напылённых покрытий в основном подчиняется технологическим закономерностям процесса шлифования традиционных конструкционных материалов,однано имеет ряд особенностей, обусловлен-

ных технологией процесса напыления и химического состава исходных порошков. Шлифование металлосодержащих покрытий алмазным инструментом сопровождается адгезионно-диффузионным износом режущих зёрен, при этом абразивный износ практически отсутствует. Потеря режущих свойств алмазного инструмента происходит вследствие образования налипов на связке,интенсивность которого выше у шлифовальных кругов на металлических и ниже на органических связках. Энергетические параметры процесса шлифования понрытий неснолько ниже, а шероховатость обработанной поверхности несколько выше соответствующих показателей при шлифовании сплавов аналогичного состава. Шлифование покрытий является процессом с пониженной вибро- и деформационной устойчивостью.

2. Качество процесса шлифования деталей с напылёнными поверхностями в условиях автоматизированного производства обеспечивается алгоритмами управления, комплексно учитывающими качественные показатели обработанных изделий. Алгоритмы управления должны быть построены на основе функциональных зависимостей количественных значений параметров качества от технологических параметров процесса. Реализация алгоритмов управления должна производиться по принципу обратной связи с использованием информации о тенущем состоянии процесса.

3. Основным ограничивающим критерием повышения производительности процесса шлифования напылённых поверхностей является уровень напряжённо-деформированного состояния материала покрытия. Развитие временных и остаточных напряжений с достаточной для пранти-чесних целей степенью точности описывается в рамках упруго-пластической модели деформируемого твёрдого тела. Использование этой модели приводит н следующим результатам:

- временные напряжения, обусловленные тепловым фактором,нан в пределах пятна контанта шлифовального нруга и детали, тан и вне его имеют сжимающий характер,причём их максимум наблюдается в области задней кромки шлифовального круга;

- временные напряжения вдоль направления поверхности детали, обусловленные силовыми факторами,в пределах большей части пятна контакта носят сжимающий характер,а в области задней кромки переходят в растягивающие,достигая своего мансимума в непосредственной близости от зоны контанта;

- временные напряжения, перпендикулярные направлению поверхности детали и обусловленные силовыми фанторами, имеют качественный вид; соответствующий вдавливанию тела в плоскую поверхность;

- величина и знан остаточных напряжений определяются суперпозицией абсолютных значений временных напряжений, обусловленных кан тепловым, так и силовыми факторами, а также прочностными характеристиками материала покрытия и основного материала.

4. Процесс-.шлифования покрытий сопровождается достаточно значительными статическими деформациями и является склонным н динамической неустойчивости. Прогноз величины статичесних деформаций и динамического поведения достигается на основе численной реализации уравнений статических и динамических перемещений технологической системы. Собственные частоты технологической системы находятся в области возможного появления автоколебаний, обусловленных как шлифовальным кругом, так и обрабатываемой деталью. Эффективным и достаточно простым способом выхода из виброопасной 'зоны является целенаправленное изменение параметров технологического процесса.

Научная новизна работы.

1. Разработаны модели изнашивания шлифовальных кругов, устанавливающие новые специфические особенности шлифования деталей с покрытиями, которые заключаются в следующем:

-износ алмазных зёрен при шлифовании металлосодержащих покрытий имеет явно выраженный адгезионно-диффузионный характер , следы абразивного исноса практически отсутствуют;

- потеря режущих свойств алмазного инструмента происходит вследствие образования налипов на связке, интенсивность которого выше у шлифовальных кругов на металлических и ниже на органических связнах.

2. Установлено, что алмазные шлифовальные нруги на органических связках и кубонитовые инструменты обеспечивают наиболее высокие значения объёмного коэффициента шлифования и наименьшие энергетические затраты при шлифовании покрытий различных составов.

3. Разработаны новые алгоритмы управления многоступенчатыми процессами шлифования, которые комплексно обеспечивают показатели качества обработки деталей с покрытиями. Продолжительность каждого этапа и процесса в целом,а также абсолютные значения элементов режима резания на каждом этапе определяются функциональным назначением и комплексом параметров качества, обеспечиваемых данным этапом. Показано, что в многоступенчатом процессе врезного шлифования с управляемым по шероховатости этапом чистового шлифования зависимость продолжительности обработки от скорости подачи на этапе чернового шлифования является экстремальной функцией с од-

ним минимумом.

4. Разработаны модели расчёта теплового и напряжённо-деформированного состояния при шлифовании деталей с понрытиями, учитывающими воздействие как теплового, так и силовых факторов. Расчёт температуры шлифования выполнен аналитическим и численным методами на сетне постоянного шага и сгущённой в области приложения источни на тепла. На границе напыления и основного материала наблюдается излом изотерм, величина которого тем больше, чем более разнородны теплофизические свойства покрытия и подложни.

5.Показано, что напряжённо-деформированное состояние материала пон-рытия определяется как тепловыми, так и силовыми фанторами. Упруго- пластическая модель, построенная на основе принципа Лагранжа методом конечных разностей, позволяет определить суммарную величину напряжении и оценить раздельно внлад тепловой и силовых составляющих в развитие временных и остаточных напряжений. Установлено, что преобладание теплового фактора способствует формированию сжимающих временных и растягивающих остаточных напряжений. Уменьшение теплового фактора при неизменной силовой составляющей приводит н формированию остаточных напряжений сжатия.

6. Установлено, что для снижения тепловой напряжённости процесса и формирования благоприятных с эксплуатационной точки зрения остаточных напряжений сжатия следует:

-при работе в зоне скорости резания, меньшей 100 м/с , скорость главного движения уменьшать до значений,при которых ещё обеспечивается требуемая шероховатость и геометрическая точность обработанной поверхности, а составляющие силы резания и упругие отжатия технологической системы не превышают предельно допустимых величин;

-в зоне высокоскоростного шлифования (свыше 100 м/с) скорость главного движения увеличивать до значений, допускаемых технологическим оборудованием; *

- применять кубонитовые шлифовальные круги;

-проводить дополнительное антивирование режущей поверхности инструмента после правки и в процессе шлифования;

- при использовании маятникового метода шлифования уменьшать глубину резания и одновременно пропорционально увеличивать скорость подачи.

7. Установлено,что изменение абсолютных значений показателей степени в эмпирических формулах зависимости составляющих силы резания от технологических параметров подчиняется следующим занономер-

ностям:

- увеличение глубины шлифования и снорости подачи приводит к уменьшению, а снорости резания н увеличению абсолютных значений показателей степени; -с достаточной для прантичесних цепей степенью точности можно утверждать, что уменьшение температуры шлифования при возрастании соответствующего элемента режима резания будет наблюдаться в случаях, когда показатели степени в формулах расчёта касательной составляющей силы резания имеют следующие значения: при глубине шлифования меньше 0.25, при снорости подачи меньше 0.5, а при скорости резания больше 1. О. 8. Решена задача определения статичесних перемещений и анализа динамического поведения технологической системы методом конечных элементов. Модель статических перемещений позволяет определить величину фактической глубины шлифования и форму обрабатываемой детали в осевом направлении. При помощи динамической модели произведён расчёт собственных частот, форм колебаний и амплитудно- частотной характеристики технологической системы. Установлено, что увеличение суммарной жёстности переднего центра и шпинделя изделия,а также суммарной жёсткости заднего центра и пиноли задней бабки при круглом наружном шлифовании способствуют увеличению собственных.частот высших гармоник, в то же время величина

м

1 собственной частоты практически не изменяется. Увеличение суммарной жёсткости шлифовальной бабки приводит к увеличению, а увеличение массы шлифовального круга н уменьшению абсолютных значений первых собственных частот, абсолютная величина собственных частот высших гармоник изменяется при этом незначительно. Существенное влияние на абсолютные значения собственных частот оказывает изменение местоположения шлифовального круга вдоль оси обрабатываемой детали и её конфигурация. 3. Разработаны и научно обоснованы принципы действия и конструкции приборов активного контроля шероховатости. Изготовлены и опробованы щуповые и ёмкостные приборы антивного и послеоперационного контроля шероховатости обрабатываемой поверхности. 10. Предложена принципиальная схема системы обеспечения качества шлифования деталей с покрытиями в условиях автоматизированного производства.

Прантичесная ценность и реализация работы. Практическая ценность заключается в экспериментальном определении зависимости выходных показателей процесса шлифования деталей с покрытиями от технологи-

ческих параметров, в разработке моделей теплового, напряжённо-деформированного состояния материала покрытия, а также моделей статического и динамичесного поведения технологической системы, позволяющих производить выбор оптимальных режимов шлифования деталей с напылёнными поверхностями. Предложенные алгоритмы управления автоматизированными процессами шлифования, комплексно обеспечивающие качество обработки деталей с понрытиями,а также метрологическое обеспечение этих алгоритмов приборами активного контроля шероховатости позволяют решать задачи обеспечения начества шлифования деталей с понрытиями в условиях автоматизированного производства.

Разработанные на основе предложенных моделей процессы шлифования были внедрены на ряде предприятий, в том числе, на заводе "Кам-набель" (Пермь ), номбинате шёлковых тканей (Чайковский ), НПО "Привод" (Лысьва ), комбинате "Пермнефтеоргсинтез " (Пермь ). Результаты исследований использованы при разработке новых технологических процессов напыления в Проблемной научно-исследовательской лаборатории порошковой металлургии (Пермь). Статический и динамичесний анализ некоторых моделей шлифовальных станков фирмы BWF (Берлин), выполненный на основе разработанной методики, был использован для внесения конструктивных изменений, улучшающих характеристики станков.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на следующих совещаниях, конференциях и конгрессах: Республиканской конференции "Проблемы создания гибких производственных систем в машиностроении"(Каунас, 1987), Всесоюзной научно- технической конференции "Оптимшлифабразив- 88"(Ленинград-Новгород, 1988),VII Всесоюзной научно-технической конференции "Технологическая теплофизика" (Тольятти, 1988 ), Республиканской конференции "Совершенствование технологических процессов производства,их механизация, автоматизация и внедрение результатов" (Вильнюс, 1988 ), Зональной конференции "Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механичесной и фиэи-ко-химической обработки изделий машиностроения" (Рыбинск, 1988 ), Всесоюзной конференции молодых учёных "От новых технологий производства абразивного инструмента и обработни-н техническому прогрессу в машиностроении" (Ленинград, 1989 ), Всероссийской конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработни материалов давлением" (Пермь, 1990), Всесоюзном шноле-семинаре "Передовой опыт алмазно-абразивной обработки прецизионных деталей машин" (Моснва-Одесса, 1990 ), 34н и 38м Международных коллоквиумах в г. Ильменау (Германия, 1987,1993 ), научно-технических совещаниях

учебных и научно- исследовательских институтов (Пери. гос. тех. унив. , Пробл. научн. - иссл. лаб. порошн. металл. , Пермь, С.-Петерб. гос. техн. унив. , С. - Петерб. инж. акад. ), технических советах НПО "Привод" (Лысь-ва), завода "Намнабель" (Пермь), фирмы ВШР (Берлин),на кафедре и в институте станков и технологических процессов Технического университета г. Брауншвейга в ходе прохождения десятимесячной научной стажировни в ФРГ в 1984-85 г. г. под руководством проф. Э. Салье и в

1992 г. под руководством проф. 31 Вестнэмпера, в институте прецизионной техники и автоматизации Технического университета г. Ильменау в

1993 г. (науч. руковод. проф. Г. Лине).

Публикации. Основные результаты исследований опублинованы в 26 работах, включающих 4 авторских свидетельства. Всего по теме диссертации опубликовано 47 работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, изложенных на 321 странице машинописного текста, некоторых примеров практического применения результатов, заключения, включает 248 рисунков, 21 таблицу и библиографический список из 316 наименований.

Работа выполнена на кафедрах гибких автоматических комплексов Санкт-Петербургского государственного технического университета и станков и инструментов Пермсного государственного технического университета по результатам восьми научно- исследовательских работ, в которых автор был научным руководителем. В выполнении работы в разные периоды участвовали сотрудники и студенты кафедры станков и инструментов Перм. ГТУ. Всем им автор выражает искреннюю благодарность. Весьма признателен автор проф. а Вестнэмперу (ТУ Брауншвейг, Германия) за предоставленную возможность проведения ряда экспериментальных и теоретических исследований. Автор выражает исключительную признательность академику А. И. Федотову за высокопрофессиональное руководство и постоянное внимание н работе в период целевой докторантуры.

ОСНОВНОЕ СОДЕРГАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние изученности проблемы.

Обработка напылённых покрытий осуществляется, нак правило, методами абразивной обработки, в частности ,шлифованием. Значительный вклад в исследование технологических особенностей процесса шлифования понрытий внесли работы Э. В. Рыжова, & А. Рыбицного, П. И. Ящерици-на и других авторов. Однако, рекомендации по выбору технологических параметров процесса шлифования покрытий имеют достаточно противо-

речивый и зачастую взаимоисключающий характер.

Основными видами дефектов при шлифовании напылённых покрытий являются трещины и отслоения покрытия от подложки. Появление указанных дефектов обусловлено напряжениями, возникающими в процессе шлифования и связано с технологическими параметрами процесса,теп-лофизическими и механическими характеристиками покрытия и основного материала. Значительная часть методических подходов к описанию напряжённо- деформированного состояния при шлифовании основывается на широно известных теоретических работах по анализу теплового процесса при шлифовании учёных В. А. Сипайлова, А. Е Якимова, А. Н. Резникова, В. И. Островсного, С. С. Силина, П. И. Ящерицина, Н. Н. Рыкалина, А. В. Подзея и др. Существенный вклад в изучение проблемы напряжённого состояния деталей с понрытиями внесли работы, выполненные в Одесском политехническом институте под руководством А. & Якимова. Известные математические модели имеют,однано, частный характер, не учитывают комплексного влияния теплового и силовых факторов, что существенно ограничивает возможности их применения.

Точность обработки деталей с покрытиями в значительной мере определяется статическими и динамичесними характеристиками технологической системы. Вопросам изучения динамики процесса шлифования посвящено достаточно много работ, выполненных нан отечественными, тан и зарубежными исследователями. Одним из первых вопросы динами-ни процесса шлифования изучал В. А. Нудинов. Существенный вклад в развитие теории динамичесних процессов при шлифовании внесли систематизированные теоретические и экспериментальные исследования, выполняемые в течение длительного периода времени в Германии. Особенно следует отметить работы учёных Технического университета г. Брауншвейга под руководством Э. Салье, Высшей Технической школы г. Аахена под руководством В. Кёнига и М. Венка, а в последние годы и работы в университете г.Ганновера (руководитель X. - К. Тёнсхофф). Существующие методики оценни статических и динамичесних показателей базируются, нан правило, на основе экспериментальных измерений. При этом форма и размеры обрабатываемой детали, шлифовального круга и координаты точни контакта во внимание не принимаются. Недостаточно изучены вопросы влияния жёстности технологической системы и динамических характеристик на отклонения формы деталей типа тел вращения. Углублённое изучение этих вопросов представляется особенно актуальным при шлифовании деталей с покрытиями вследствие ряда технологических особенностей этих материалов, ноторые могут явиться причиной возникновения вынужденных или автоколебаний.

Качество процесса шлифования деталей с напылёнными поверхностями в автоматизированном производстве обеспечивается алгоритмами управления,комплексно учитывающими качественные показатели обработанных изделий. Вопросам разработки алгоритмов управления шлифовальными станками посвящены работы В. Н. Михепькевича, Г. Б. Лурье, В. Ю. Новикова, Л Н. Филимонова, С. С. Силина , С. Н. Корчана , А. Е Жвирблиса и ряда других авторов. Достаточно обширные исследования в этом направлен и были выполнены под руководством Э. Салье в Техническом университете г. Брауншвейга (Германия). Известные в настоящее время алгоритмы управления процессами шлифования не имеют математического обеспечения,функционально устанавливающего зависимость технологических параметров процесса от требуемых показателей качества. Назначение элементов режима резания и продолжительности обработни на отдельных этапах многоступенчатых процессов шлифования производится, как правило, на основе априорной информации, причём параметры отдельных этапов между собой нинак не связаны. Это приводит к тому, что обеспечение требуемых показателей качества зачастую связано со значительными затратами машинного времени и соответствующим снижением производительности обработки.

Получение требуемых выходных показателей процесса шлифования в условиях автоматизированного производства возможно только при условии осуществления активного контроля параметров технологического процесса и использования полученной информации для управления процессом обработки. В настоящее время для контроля геометрических размеров обрабатываемых деталей используются серийно выпускаемые приборы. Известны также разработки приборов, позволяющих с достаточной для практических целей точностью определять такие параметры процесса, как сила резания и мощность, координаты местоположения круга, момент касания, уровень вибраций и др..Одним из наиболее сложных и в то же время необходимых вопросов для обеспечения качества выпускаемой продукции является создание датчиков активного контроля шероховатости. Решением этой проблемы занимались сотрудники ВНИИАШ, ЭНИМС, Всесоюзного научно- исследовательского и конструкторского института средств измерения в машиностроении , Пензенского , Тульсного, Каунасского политехнических институтов и некоторых других организаций. Значительный объём работ е этой области выполняется в Техническом университете г. Брауншвейга (Германия). Однано, известные в настоящее время приборы активного контроля шероховатости не отвечают современным требованиям точности и воспроизводимости результатов измерений. Кроме этого, неноторые особенности деталей с

понрытиями и,прежде всего,достаточно высокая пористость, не позволяют эффективное использование приборов известных конструкций для' активного измерения шероховатости при шлифовании деталей этого класса.

Танин образом, для комплексного обеспечения качества обработки изделий с понрытиями в условиях гибкого компьютерно-управляемого производства (С1М) требуется выявить технологические особенности шлифования деталей с плазменным напылением и разработать модели прогнозирования параметров качества с целью проектирования алгоритмов управления автоматизированными процессами шлифования.

2. Исследование влияния вида понрытий на технологические свойства заготовон при алмазно-абразивной обработке.

Эксплуатационные, технологические и другие свойства понрытий определяются в основном химическим составом исходных порошков и в значительной мере способом газотермического нанесения покрытий. Одним из наиболее перспективных направлений повышения качества понрытий является применение в начестве исходных материалов композиционных порошков. Имеющиеся в специальной литературе сведения о структуре и свойствах напылённых покрытий недостаточно систематизированы и зачастую имеют противоречивый характер. Для прогнозирования технологических свойств напылений, в частности их поведения в процессе шлифования, требуется проведение в каждом конкретном случае экспериментальных исследований по определению номплекса механических и теплофизических характеристик покрытия и их зависимости от температуры. Использование расчётных методик, предлагаемых в данной работе,требует наличия информации о следующих физино-механических и теплофизических параметрах поирытия: модуле упругости; коэффициенте Пуассона; плотности; теплоёмкости; коэффициенте теплопроводности; коэффициенте температурного расширения; пределе прочности и пределе тенучести при растяжении и сжатии; кривых деформирования при растяжении и сжатии. Для проведения испытаний по определению этих характеристик могут быть использованы методики, предложенные в в данной работе.

В качестве понрытий, представляющих газотермические напыления ■э порошков сплавов для проведения исследований были выбраны самофлюсующиеся сплавы на основе никеля СНГН и ПН70Х17С4Р4. Свойства групп покрытий из композиционных порошков изучались на примере покрытий из порошка карбида хрома-титана, плакированного нинелем и молибденом (Т1С+СгзС2)ШМо, а также покрытий из конгпомерированного

порошка нарбонитрида титана, молибдена и никеля КНТ-65. Группа напылений из порошков оксидов была представлена покрытиями на основе оксида алюминия А12°3- Таким образом для исследований были выбраны покрытия, достаточно полно характеризующие наиболее широко распространённые на практике группы напылений.

Адекватная оценна влияния условий шлифования на появление дефектов обрабатываемой поверхности возможна тольно при наличии надёжной оценки вида разрушения покрытия и обусловленного этим выбора модели разрушения. Установлено, что преобладающим для самофлюсующихся сплавов является вязкое, а для покрытий КНТ- 65 и А120з хрупкое разрушение.

Преобладающим видом износа алмазных зёрен шлифовальных кругов при обработке металлосодержащих покрытий является комбинированным адгезионно-диффузионный износ. Абразивный износ практически отсутствует. Обработка металлосодержащих покрытий алмазными шлифовальными кругами на металлических связках после достаточно непродолжительного времени приводит к полной потере их режущих свойств вследствие интенсивного налипания частичен обрабатываемого матери-риала на режущую поверхность шлифовального круга. Алмазные шлифовальные круги на органической связке,нубонитовые и абразивные круги на керамической связке работают в режиме самозатачивания, однако применение абразивных кругов может оказаться экономически невыгодным вследствие их чрезвычайно интенсивного износа и обусловленной этим необходимости более частого кондиционирования рабочей поверхности и более частой их замены. При обработке керамических оксидных покрытий все шлифовальные нруги работают в режиме самозатачивания, сохраняя в течение достаточно продолжительного времени свои режущие свойства. Шлифование нетаппосодершавих покрытий сопровождается в общем случае более интенсивным износом шлифовальных кругов и более высокими значениями мощностно-силовых показателей в сравнении с обработкой керамических оксидных покрытий.

Наиболее высокими значениями объёмного коэффициента шлифования, характеризующего способность инструмента сопротивляться разрушению и износу при одновременном сохранении режущих свойств, обладают алмазные шлифовальные круги на органических связках и нубонитовые круги, а наименьшими- абразивные инструменты.

Наименьшие значения мощностно- силовых показателей при обработке покрытий различных составов обеспечивает при прочих равных условиях применение кубонитовых шлифовальных кругов. Наибольшими удельными затратами мощности сопровождается процесс шлифования абразивны-

на кругами. Наибольшее влияние на мощностно- силовые показатели как при плоском, так и при круглом наружном шлифовании оказывает изменение глубины резания. Поэтому, с энергетической точки зрения, более выгодным является повышение производительности процесса увеличением других кинематических параметров. Мощность и составляющие силы резания при обработке покрытий в 1,1-1,7 раза ниже, чем при обработке сплавов аналогичного химичесного состава. Изменение кинематических параметров в выбранных диапазонах оназывает существенно большее влияние на мощностно- силовые показатели при плоеном шлифо-фовании, чем при круглом наружном. Это объясняется, по- видимому, значительно большей кинематичесной длиной контакта в первом случае.

Величина упругих деформаций технологической системы в значительной степени зависит от режущей способности шлифовального круга. Существенное влияние на уровень мощности и деформаций технологической системы оказывает процесс кондиционирования шлифовального круга. Дополнительное, после правки, активирование режущей поверхности бруском НЗ снижает уровень мощности на 30-3556.

Для обеспечения требуемой точности и шероховатости обрабатываемых деталей с понрытиями необходимо учитывать отставание снорости фактического съёма припусна во время шлифования от теоретического значения, а также наличие съёма металла в процессе выхаживания. Учёт отжатий технологической системы представляется целесообразным и предпочтительным производить на основе информации, получаемой при помощи систем активного контроля.

Достаточно высокая пористость напылённых понрытий наряду с эффектом вырывания твёрдых включений и образования "нратеров" на поверхности в процессе шлифования предопределяет достаточно высокую шероховатость поверхности детали. В большей степени это характерно для покрытий из оксидной керамики, чем для металлосодержащих покрытий. Лучшее' качество поверхности достигается при шлифовании алмазными кругами на органической связке и кубонитовыми кругами.

Уменьшение снорости главного движения при шлифовании напылённых покрытий приводит н снижению эффективной мощности резания, что благоприятно сказывается на уменьшении теплового потока и снижении тепловой напряжённости процесса. Однако, одновременно с этим увеличиваются составляющие сипы резания,'упругие деформации технологической системы, уменьшается скорость фактического съёма материла, ухудшаются показатели геометрической точности обрабатываемых деталей и увеличивается шероховатость шлифуемой поверхности.

3. Разработка алгоритмов управления автоматизированными процессами алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий

Повышение качества изделий с - напылёнными поверхностями I условиях автоматизированного производства выдвигает на первый пла1 разработку алгоритмов управления процессом шлифования, обеспечивающих наряду с показателями качества требуемую производительность I себестоимость обработки.

Принимая во внимание тот факт,что большинство поверхностей, на которые наносятся напылённые покрытия, являются телами вращения, для управления процессом круглого наружного врезного шлифования разработано математическое обеспечение алгоритма управления, схема которого изображена на рисунке 1. Символами на схеме обозначены: V®- скорость подачи суппорта на этапе чернового шлифования; V*®- скорость фактической подачи (скорость съёма припуска) на этапе черно-нового шлифования; У^ф" скорость сьёма припусна на этапе остановки шлифовальной бабки ; V** -скорость съёма припуска на этапе чистового шлифования.

в °> Е - С

V СЕ 1Ф

А уАВ / 1ф \ „ЕИ _ уЕН Чф " 1

Е \ \ V 1 н

г*в т ВС ТСЕ ХЕН т с

• —"1 ■

Рис.1. Алгоритм управления процессом нруглого врезного шлифования

На этапе чернового шлифования устанавливается скорость подачя суппорта V® , при этом фактическая скорость подачи (сноростъ съёма припуска) вследствие отжатий в технологической системе изменяется по кривой АВ. Окончание чернового шлифования производится в момент достижения заранее -заданного значения диаметра детали, ноторое регистрируется прибором активного нонтроля диаметра. В этот момент

шлифовальная бабка останавливается, производится разгрузка технологической системы и скорость съёма припуска У^® уменьшается по нри-вой СЕ. Уменьшение снорости съёма припусна приводит к уменьшению высоты шероховатости обрабатываемой детали. Таким образом,на этапе останова шлифовальной бабки происходит непрерывное уменьшение высоты шероховатости обрабатываемой детали. Это уменьшение продолжается до точки Е, в которой измеренное прибором активного контроля шероховатости значение высоты шероховатости становится равным шероховатости, требуемой чертежом детали. В точке Е производится включение подачи шлифовальной бабки для осуществления чистового шлифования, причём снорость поперечной подачи шлифовальной бабни устанавливается равной фактической снорости съёма припуска = У®" в точке Е, измеренной при помощи датчика вычисления снорости съёма припуска (дифференциатора). Чистовое шлифование продолжается до тех пор, пока не будет получено требуемое отклонение формы и требуемый диаметр обрабатываемой детали. Момент достижения этого диаметра фиксируется прибором активного контроля диаметра и соответствует на чертеже точке Н.

Для практической реализации этого способа шлифования необходимо знать продолжительность каждого этапа шлифования и соответствующую ему величину съёма припусна. Эта задача решена при помощи уравнении перемещения нруга, учитывающих упругие деформации технологической системы. Продолжительность участка АВ определится из условия окончания переходного процесса при выполнении соотношения:

V*® = V® - • (1)

где Ф- некоторая малая величина.

Продолжительность участка СЕ определится из условия, что шероховатость в точке Е должна быть равна заданной чертежом детали, причём абсолютная высота минронеровностей полагается пропорциональной скорости съёма припуска:

Ка = с, ( У1ф >Сг <2)

Кроме требуемой шероховатости в конце обработки, в точке Н,

должны быть обеспечены требуемый диаметр и отклонения от правильной геометричесной формы, в данном случае отклонение от круглости.

ЕИ

Таким образом, за время шлифования т отклонения формы, полученные на этапе чернового шлифования, должны быть уменьшены до требуемых значений. Следовательно, продолжительность этапа ЕН и величина съёма припуска на этом этапе могут быть найдены из рассмотрения отнлоне-нениИ формы на всех участках.

Результаты экспериментов автора позволяют сделать вывод о возможности аппроксимации зависимости отклонения формы на этапе АВ от элементов режима резания следующим выражением:

Л(т) = с V» V" (3)

(ф я

где с- коэффициент, а Е1 и Е2- показатели степени, определяемые опытным путём. Уменьшение погрешностей формы на этапах СЕ и ЕН может быть представлено следующей зависимостью:

-аг1-' =-а(У1ф)ь (Мт) - к) (4)

где и Л(т)=Л(тс) для участка СЕ

и Д(т)=Л(тЕ) для участка ЕН. Общее время обработки определится следующим выражением:

V. - ■.[-«{■)]• ЬИ-;г '^И'

Д(г") Р2

тг

гле П = -А(У^)Ь и Р2 = Ак(У*»)Ь+1

Анализ выражения (5) позволяет сделать вывод о том, что.время обработки является функцией параметров, которые условно могут быть разделены на три группы:

г требования качества обработки (шероховатость К . отклонение от „ а

нруглости й(г );

- свойства технологической системы, задаваемые в первую очередь жёсткостью, определяемой косвенно постоянной времени т^ ,а также коэффициентами и показателями степени с ; с^ А; Ь; к; с; Е1; и Е2 в формулах для расчёта шероховатости и отклонений формы;

- кинематические параметры, среди которых важнейшим, как это видно из формулы (5), является скорость поперечной подачи V® , т. е. подачи, устанавливаемой перед началом обработни на станке.

Для реализации изложенного способа управления процессом круглого врезного шлифования разработано устройство, защищённое авторским свидетельством.

Дл/Г управления автоматизированным процессом круглого наружного шлифования с продольной подачей автором разработан способ управления круглошлифовальным станком, в нотором в процессе шлифования производится непрерывное измерение диаметра заготовки до зоны обработки, непосредственно за зоной обработки и измерение шерохова-

тости за зоной обработки. Результаты измерений диаметра, произведённых за зоной обработни, используют для регулирования положения кромни шлифовального круга относительно заготовки. Если диаметр детали за зоной обработни оказывается больше заданного, то производится перемещение шлифовальной бабки в направлении оси детали. Если диаметр детали будет меньше, то шлифовальная бабка перемещается в противоположном направлении. Эти действия повторяют до получения требуемого диаметра за зоной обработки. Далее по разности измерений диаметров детали до зоны и непосредственно за зоной обработки определяют фактическую глубину резания. Значительные отклонения формы заготовки,обуславливающие значительные колебания фактической глубины резания, наблюдаются, в частности, на поверхности деталей, подвергнутых плазменному напылению.

Одновременно с измерением диаметров детали производится непрерывное измерение шероховатости обработанной поверхности. Известно, что увеличение фактической глубины резания при неизменной скорости продольной подачи приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности. В соответствии с разработанным способом в случае превышения фактической шероховатостью заданного значения скорость продольной подачи уменьшают,в противном случае подачу увеличивают. Изменение скорости продольного перемещения осуществляется до тех пор,пока величина .шероховатости не будет равна заданному значению.

Для обеспечения бездефектности шлифуемых изделий предельно допустимые значения кинематических параметров в разработанных алгоритмах управления должны определяться на этапе технологической подготовки процесса шлифования при использовании математических моделей расчёта напряжённо-деформированного состояния обрабатываемых деталей и динамичесних показателей технопогичесной системы.

Практическая реализация разработанных алгоритмов управления предполагает' использование средств антивного контропя диаметра и шероховатости обрабатываемой детали. Последние, однако, не выпускаются серийно как отечественной,так и зарубежной промышленностью. В связи с этим появляется необходимость создания средств активного контроля шероховатости.

4. Исследование тепловой напряжённости и- напряжённо-деформированного состояния при алмазно-абразивной обработке заготовок с напылёнными покрытиями Разработка теоретических моделей, описывающих механизм формирования напряжённо-деформированного состояния при шлифовании деталей

с напылением имеет ряд существенных особенностей, обусловленных прежде всего различием физико- механических и теппофизических свойств основного материала и напылённого слоя. Для обеспечения необходимого качества процесса шлифования необходимо разработать математические модели, устанавливающие взаимосвязь выходных параметров качества процесса шлифования с технологическими входными параметрами. Наличие таких моделей создаёт предпосылки для разработки алгоритмов управления гибкими автоматизированными ячейками чистовой обработки, которые являются составными элементами компьютерно-интегрированного производства (С1М).

Задача определения напряжённо-деформированного состояния может быть разделена на ряд взаимосвязанных проблем:

- разработка моделей вычисления силы резания и теплового потока;

- решение задачи распределения температуры шлифования; -расчёт напряжённо-деформированного состояния;

Точность проведения расчётов зависит не только от совершенства моделей формирования теплового и напряжённо-деформированного состояния, но в значительной степени от точности задания входных параметров, важнейшими из которых являются составляющие силы резания и тепловой поток. Важное значение имеют не только их абсолютные значения, но и распределение, т. е. плотность вдоль линии контакта шлифовального круга и обрабатываемой детали. Показано, что наиболее надёжной-с прантичесной точки зрения является степенная модель расчёта составляющих силы резания.

Для расчёта температуры шлифования напылённых покрытий разработаны три математические модели: аналитическая одномерная, численная двумерная модель на сетке постоянного шага, численная двумерная модель на сетке с переменным шагом.

Аналитическая модель позволяет достаточно быстро и с достаточной степенью точности оценить максимальные значения температуры шлифования под источником тепла.

Численные модели дают возможность построения температурных полей. Применение сетки с переменным шагом позволяет уменьшить время машинного счёта при исследовании кинетики охлаждения обработанной поверхности и увеличить точность определения значений температуры под источником путём более мелкой разбивки в этой области.

Расчёт температур производится на основе уравнения теплопроводности, которое для рассматриваемой задачи записывается в виде:

с

(6)

Для решения задачи уравнение (6) необходимо дополнить граничны-ными условиями. На границе, по которой взаимодействуют шлифовальный круг и покрытие, задан тепловой поток:

<7)

На остальной части границы выполняются граничные условия теплообмена третьего рода (закон Ньютона):

\ 4-у ♦ « (Т " Тс) " 0 (8)

где в - коэффициент теплоотдачи с поверхности тела; Т - температура оиружаюпей среды.

Далее предполагается,что термосопротивление на границе раздела сред отсутствует, и для точек, лежаяих на этой границе, справедливо равенство тепловых потоков:

Э Т а Т

Х1 7Т = -5-Т (9)

где Т^ и Тг температура соответственно в верхнем слое и основном материале, а и Х2 их теплопроводности.

Численное решение задачи теплопроводности строится на неравномерной, сгущённой в области приложения температурных нагрузок, разностной сетке. Уравнение теплопроводности (6) интегрируется по явной разностной схеме.

Напряжённо-деформированное состояние приповерхностного слоя обрабатываемой детали при шлифовании определяется суммой температурных напряжений и деформаций,а также напряжений и деформаций, являющихся следствием воздействия механической силы резания.

Основные уравнения для решения двумерной нестационарной термоупругой задачи механини деформируемого твёрдого тела могут быть записаны в следующем виде:

1. Уравнения равновесия:

-3-^-0 (10) где <г - компоненты тензора напряжений, причём 1, j - [1,2] .

2. Физические соотношения в форме Дюгамеля-Неймана:

- в«(еи - »»Л4*) (11)

где е - компоненты тензора упругой деформации; Вк1- компоненты тензора жёсткости; а - коэффициенты теплового расширения; АТ- приращение температуры; 5 - символ Кроненера.

3. Геометрические соотношения:

, ,зи а и

«„ - -Н-гг1 ♦ ттН ) <12>

где л = [1, 2 ] и и^, и^-компоненты вектора смещений точен попя тепа.

Решение краевой нвазистатической задачи теории упругости выполнено на неравномерной разностной сетке, которая была использована при решении задачи теплопроводности. Верхняя граница считается свободной, а боковые и нижняя стороны прямоугольной области закреплены. На неноторой части верхней границы действуют сжимающая распределённая нагрузка р и сдвигающая р ,величина которых определя-У 2

ется соответственно радиальной и касательной составляющими силы

резания при шлифовании.

Плоская задача теории упругости решается на основе принципа

Лагранжа. При этом потенциальная энергия деформирования, отнесённая

к единичной ширине зоны Н ,принимает вид: и /г н

х у

Пупр=-т| | [в„<"^(-!т)2 + »„(*•*>

а и а у сПГ э у

о

I ^

♦ в22(-)(4Т] + вэз(х'у)(4т + -Н-) ] <13>

Здесь Нх, Ну-размеры области; и, V-перемещения соответственно вдоль осей х и у.

Работа внешних сил для выбранной расчётной схемы, отнесённая к

ширине Н , находится по формуле:

г X X

„2 „2

А = р_(х)и бх +

внешн 21

Ру(х)V ах (14)

здесь [х1 , х2] - интервал приложения нагрузни.

Распределение и направление распределённых нагрузок (плотностей

касательной и радиальной составляющей сип резания) р и Р„ можно

ъ у

задавать произвольным.

Полная энергия системы определяется нан:

Аполн ~ Пупр " Авнешн Тогда в силу вариационного принципа Лагранжа, согласно которому из

всех кинематически возможных полей перемещений реализуется то, при котором полная энергия системы принимает минимальное значение, можно записать уравнение для нахождения перемещений:

6А„„„„ =0 (16)

полн

Численное решение уравнения (16) находится на основе вариационно- разностного метода. Зная узловые перемещения и^ и V , можно по

+

Н / 2 х

формулам центральных конечных разностей найти деформации:

11 • 22 " 13

Здесь (1,1) - текущий номер узла с координатами х^ , у .причём индекс 1 обозначает положение по координате у ,а индекс } - по ноординате х . Для крайних узлов сетки центральные разности использовать нельзя, поэтому использовались правая и левая разности.

По величине деформаций согласно выражению (11) могут быть определены напряжения в узлах:

<1 ■ <>> ■ <1

При вычислении напряжений отдельным вопросом является нахождение напряжений, действующих на границе раздела двух материалов. Исходя из граничных условий в напряжениях на поверхности раздела при полной адгезии слоёв и условия совместности деформаций:

а1 = а" ; о1 = а" ; е1 = е" 22 22 ' 12 12 ' 11 11

можно получить выражения для напряжений и деформаций в слоях на границе раздела. Индекс I относится н понрытию, а м -н основному материалу.

Для определения термоупругих напряжений используются соотношения Дюгамеля- Неймана (11).

Вышеприведённые вынладни справедливы для материалов с идеально упругими свойствами. Однако большинство реальных материалов, в том числе используемых для нанесения плазменных понрытий, обладают не только упругими, но и пластическими свойствами. Для построения модели пластичности использовалась деформационная теория Ильюшина. В соответствии с этой теорией на протяжении всего периода нагруже-жения т. е. когда де(>0 осуществляется процедура определения интенсивности напряжении и соответствующих им интенсивностей деформаций. При разгрузке (<1е <0) определяются остаточные деформации в элементах:

где £®-упругая часть общей деформации; пластическая часть общей деформации. По величине можно определить величину остаточных

напряжений:

ЗЕ о

Указанные выше соотношения могут быть использованы нак в случае нагружения материала растягивающими, тан и сжимающими нагрузками.

Для оценни прочности покрытия и основного материала были ис-

пользованы критерии наибольших нормальных, касательных напряжении ■ энергетический критерия П. П. Баландина.

Изменение толщины напылённого слоя оназывает сложное влияние на распределение температуры шлифования и определяется соотношением теплофизичесних свойств покрытия и основного материала. Если покрытие обладает более "теплоннерцнонными" свойствами по отношению н основному материалу, то уменьшение толщины напылённого слоя приводит к уменьшению температуры в поверхностных слоях, в противном случае температура увеличивается. Если толщина покрытия больше 0,2-0,3 мм, то влияние основного материала весьма незначительно.

Кинематические параметры оказывают существенное влияние на температуру резания и напряжённо- деформированное состояние. Скорость главного движения и скорость подачи оказывают сложное влияние на температуру шлифования. Уменьшение теплонапряжённости процесса при одновременной повышении производительности обработки, точности и улучшении качества поверхности деталей может быть постигнуто увеличением скорости главного движения в области, превышающей 90-100 м/с. Однако для реализации таких скоростей требуется наличие уникального дорогостоящего технологического оборудования. При использовании традиционных шлифовальных станков,обеспечивающих скорости главного движения не более 60-80 м/с для уменьшения температуры следует уменьшать скорость резания до величины, при которой ещё обеспечивается требуемая точность и заданная шероховатость обработанной поверхности. Одновременное изменение глубины шлифования и противоположно направленное пропорциональное изменение скорости подачи детали оназывает существенное влияние на температуру резания. Характер изменения температуры при этом имеет прямо противоположные тенденции для областей иаятнинового и глубинного шлифования. Обработка напылённых покрытий не может производиться методом глубинного шлифования, т. к. толщина напылённого слоя не превышает, нак правило, 0,5 мм, а припуск на обработку измеряется сотыми долями миллиметра. Для уменьшения температуры при использовании маятникового метода шлифования следует стремиться к уменьшению глубины и одновременному пропорциональному увеличению скорости подачи. Глубина резания не должна быть больше 0,03- О, 04 мм.

Влияние режимов резания на температуру влифования можно упрощенно объяснить при помощи температурной модели, предложенной Д. Егерои и К. Карслоу. После несложных преобразований зависимость максимальной температуры влифования от элементов режима резания может быть представлена выражением:

т

А I

(Е^-О,25)

(19)

шах

где Л - коэффициент, учитывающий теппофизические свойства материала, диаметр шлифовального нруга и степень его износа, ширину контакта и некоторые другие параметры процесса; е^, е2 и Е3 ' показатели степени в формуле расчета насательной составлявшей силы резания; 1 - глубина шлифования; V - снорость подачи; V - снорость главного движения.

Показано,что удобные с практической точки зрения степенные модели зависимости выходных параметров процесса шлифования от технологических режимов адекватно описывает функциональную взаимосвязь в пределах ограниченной области изменения технологических параметров. Анализ экспериментальных данных позволил произвести прогноз качественного изменения показателей степени в зависимости от соответствующего технологического параметра. Увеличение глубины шлифования и скорости подачи приводит н уменьшению, а снорости резания к увеличению абсолютных значений степеней. С достаточной для практических целей степенью точности можно утверяяать,что уменьшение температуры шлифования при возрастании соответствующего элемента режима резания будет наблюдаться в случаях, когда показатели степени имеют следующие значения: при глубине меньше О. 25, при скорости подачи меньше О. 5, а при скорости резания больше 1. О.

Показано,что напряженно-деформированное состояние материала покрытия определяется как тепловыми, тан и силовыми фанторами. Упруго- пластическая модель позволяет определить суммарную величину напряжений и оценить раздельно вклад тепловой и силовых составляющих в развитие временных и остаточных напряжений. Типичный характер теплового поля, термических, механических и суммарных напряжений, расчитанных по упруго-пластической модели, показан на рисунке 2, а распределение температуры шлифования и напряжений по глубине в различных точнах обрабатываемой детали на рисунке 3.

Анализ результатов многочисленных вычислений по этой модели позволяет сделать следующие выводы: временные напряжения, обусловленные тепловым фантором, кан в пределах пятна контакта шлифовального круга и детали, тан и вне его имеют сжимающий характер, причём их максимум наблюдается в области задней кромки шлифовального нруга; временные напряжения вдоль направления поверхности детали, обусловленные силовыми факторами, в пределах большей части пятна контакта носят сжимающий характер, а в области задней кромки переходят в ра-

У

зоо -

- МПа -

У

05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0Л тгл 0,5 '-1-1-1-1-1-^^

Рис. 3. Распределение температуры шлифования и напряжений ст^ по глубине в различных точках обрабатываемой детали.

стягивающие, достигая максимума в непосредственной близости от зоны контакта; временные напряжения, перпендикулярные направлению поверхности детали и обусловленные силовыми факторами, имеют качественный вид, соответствующий вдавливанию тела в плоскую поверхность; величина и знак остаточных напряжений определяются суперпозицией абсолютных значений и градиентов временных напряжений, обусловленных как тепловым, так и силовыми факторами, а также прочностными характеристиками материала покрытия и основного материала. Установлено, что преобладание теплового фактора способствует формированию сжимающих временных и растягивающих остаточных напряжений. Наличие в зоне за шлифовальным кругом механических растягивающих напряжений, больших по величине сжимающих температурных напряжений, способствует формированию остаточных сжимающих напряжений.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что снижение тепловой напряжённости процесса и формирование благоприятных с эксплуатационной точки зрения остаточных напряжений сжатия достигается за счёт: уменьшения, а в зоне высокоскоростного шлифования повышения скорости резания; применения нубонитовых шлифовальных кругов; дополнительного активирования режущей поверхности инструмента после правки и в процессе шлифования.

Для более полного использования режущих свойств нубонитовых кругов следует тщательно планировать процесс их кондиционирования. Правку рекомендуется выполнять методом Touch-Dressing. После правки требуется,как правило, проведение активирования рабочей поверхности. Эффективность применения традиционных шлифовальных кругов из обычных абразивных материалов существенно возрастает в случае выполнения непрерывной правки в процессе шлифования (Continuous Dressing). Для практической реализации правки методом Touch--Dressing.a также шлифования с непрерывной правкой требуется модернизация обычных шлифовальных станков.

5.Технологическое обеспечение точности обработки в автоматизированных процессах обработки деталей с напылёнными понрытиями Для определения величины фактической глубины шлифования и формы обрабатываемой детали в осевом направлении разработана математическая модель на основе методики расчёта балок на прочность в жёсткость методом конечных элементов.

Из рассмотрения величин установленной глубины резания и упругих отжатий в зоне контакта шлифовального нруга и обрабатываемой

детали получено следующее выражение:

Ру(г) и'(г) + = О (20)

где установленная на станке глубина шлифования; и1 (г)-упругое относительное перемещение шлифовального круга и детали под действием неноторой единичной силы Р1(г); Ру(г)- радиальная составляющая силы резания, определяемая выражением:

Ру(г) = (21)

Уравнение (20) решалось методом Ньютона. Определение перемещений и1(г) в пределах длины обрабатываемой детали при действии единичной нагруэни производилось при помощи системы уравнений:

[к] {и1} = {Р1} (22)

Здесь [к] - глобальная матрица жёсткости, которая формируется на основе элементов технологической системы, составляющих расчётные цепи. Количество и размеры этих элементов определяются конструктивным оформлением шпинделей, пинолей, а также формой и размерами обрабатываемой детали.

Результаты расчёта радиальной составляющей силы резания и фактической глубины по изложенной методине для круглого шлифования качественно и количественно подтверждаются экспериментальными исследованиями, в ходе которых производилось непрерывное измерение составляющих сипы резания в процессе шлифования и измерение диаметра детали в различных сечениях после обработки.

Расчёт собственных частот технологической системы производился по уравнению, ноторое в матричном виде записывается в виде:

([к] - и2[га]) {и} = 0 (23)

Система (23) имеет ненулевые, нетривиальные решения в случае, когда её определитель равен нулю:

бе1 ([к] - ы2[ш]) = 0 (24)

Для практической реализации этого метода решения ранее сформированную матрицу жёстности [к] необходимо дополнить диагональной матрицей масс [т].

Формы колебаний определяются из однородной системы (23) путём подстановки в неё соответствующих значений собственных частот с точностью до произвольного постоянного множителя с помощью нормированных относительно максимального значения амплитуд.

Результаты решения задачи о собственных колебаниях в зависимости от количества конечных элементов свидетельствуют о достаточно хорошей сходимости метода.

Установлено, что увеличение суммарной жёсткости переднего центра и шпинделя изделия, а также суммарной жёсткости заднего центра и линоли задней бабки при круглом наружном шлифовании способствует увеличению собственных частот высших гармоник, в то же время абсо-

и

лютная величина 1 собственной частоты практически не изменяется. Увеличение суммарной жёстности шлифовальной бабки приводит к увеличению, а увеличение массы шлифовального круга к уменьшению абсолютных значений первых собственных частот, абсолютная величина собственных частот высших гармоник изменяется при этом незначительно. Изменение местоположения шлифовального круга вдоль оси обрабатываемой детали и её конфигурация оказывают существенное влияние на абсолютные значения собственных частот.

Формы колебаний обрабатываемой детали на собственных частотах при круглом наружном шлифовании зависят от суммарных жёсткостей переднего центра и шпинделя изделия,заднего центра и линоли задней бабки, шлифовальной бабки,а танже местоположения шлифовального круга,его масссы и конфигурации обрабатываемой детали. Наиболее

н

"чувствительной" является форма колебаний на 1 собственной частоте. Как правило,эта форма имеет и наибольшие амплитуды перемещений отдельных сечений обрабатываемой детали.

Расчётная схема при решении задачи о вынужденных колебаниях полностью совпадает со схемой для расчёта собственных частот за исключением того,что уравнение (23) дополняется матрицей диссипа-тивных коэффициентов [р] и вводится возмущающая нагрузна, заданная в виде сосредоточенной силы. В матричном виде это уравнение может быть записано следующим образом:

([к] + 1о [р] - и2[га]} {и} = {Р} <25. )

В данном случае матрица сил {Р} состоит из одного элемента- сосредоточенной силы в точке касания шлифовальным кругом обрабатываемой детали. Остальные значения этой матрицы имеют нулевые значения.

Полученная система уравнений решалась методом Гаусса, модифицированным для решения системы линейных уравнений с комплексными коэффициентами.

Разработанные модели позволяют оценить точность детали, обусловленную статическими и динамическими причинами уже на стадии разработки технологического процесса и при необходимости внести в него коррективы с целью компенсации или минимизации погрешностей, обусловленных этими причинами.

6. Метрологическое обеспечение автоматизированных процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий

Для практической реализации алгоритмов управления автоматизированными процессами алмазно-абразивной обработни напылённых покрытий требуется использование средств активного контроля, и прежде всего,датчиков диаметра и шероховатости обрабатываемой поверхности. Приборы активного нонтроля размеров обрабатываемых деталей достаточно широко выпускаются нак отечественной,тан и зарубежной промышленностью. В тоже время практически все известные в настоящее время приборы контроля шероховатости предназначены для использования в стационарных условиях и не могут быть использованы в условиях автоматизированного производства для активного контроля шероховатости в связи с наличием ряда дополнительных требований, предъявляемых к средствам активного контроля.

На основе анализа преимуществ и недостатков нонтантного и бесконтактного принципов измерения автором сделан вывод о практической целесообразности разработки нонтактных приборов активного нонтроля шероховатости.

Разработаны, изготовлены и опробованы пьезоэлектрический и ёмкостной датчики антивного контроля шероховатости при шлифовании, защищенные авторскими свидетельствами, ноторые могут быть использованы и для послеоперационного контроля.

Регулирование частоты контактирования измерительного наконечника пьезоэлектрического прибора путём наложения принудительных колебаний в зависимости от заданного интервала измерения , среднего числа минронеровностей и фактической скорости перемещения измеряемой поверхности существенно повышает стабильность измерений. Наложение принудительных нолебаний при измерении шероховатости достаточно пористых напылённых поверхностей создаёт благоприятные условия для работы измерительного наконечника, так как при его попадании в поры он принудительно выводится назад. Тем самым долговечность измерительного наконечника существенно повышается. Применение технологической смаэывающе- охлаждающей жидкости не приводит н изменению показаний пьезоэлектрического датчика,но существенно изменяет результаты измерений ёмкостного датчика.

Использование ёмкостного датчина позволяет производить одновременный контроль шероховатости и диаметра шлифуемой поверхности,что позволяет в принципе отказаться от использования специального датчика активного нонтроля диаметра при практической реализации автоматизированных процессов нруглого шлифования.

В силу достаточно высокой пористости напылённых понрытий и обусловленных этим трудностей использования стандартных измерительных методин и средств контроля шероховатости для этого типа деталей, перспективным представляется использование методов нонтрооля, производящих интегральную оценку шероховатости в пределах определённой площади измеряемой поверхности. К числу таких методов относится разработанный в данной работе ёмкостный прибор контроля шероховатости.

7. Некоторые примеры прантичесного применения результатов исследований

Разработанные теоретические и методичесние основы проектирования оптимальных автоматизированных процессов шлифования деталей с покрытиями позволили решить ряд практических задач,связанных с обработкой этого класса изделий на ряде предприятий.

На основе расчётов с использованием модели формирования напряжённо-деформированного состояния были определены технологические режимы обработии тяговых роликов волочильных машин с металлосодер-жащими и керамическими покрытиями на заводе "Намкабепь" (Пермь). Внедрение низкоскоростного шлифования эльборовыми нругами на рассчитанных режимах резания позволило существенно повысить качество обработанных деталей,устранить трещинообразование и отслоение понрытий.

Аналогично были выполнены расчёты для определения технологических режимов, обеспечивающих бездефектную обработку, при шлифовании дорогостоящих уникальных деталей типа роторов, подвергнутых восстановлению методом плазменного напыления на комбинате шёлковых тканей в г. Чайковском и на комбинате "Пермнефтеоргсинтез".

Актуальной проблемой для НПО "Привод"(Пысьва) является возможность осуществления контроля шероховатости крупногабаритных деталей непосредственно на рабочем месте. Для этих целей были изготовлены ёмностные приборы нонтроля шероховатости. Внедрение этих приборов позволило повысить качество обработки вследствие возможности объективной количественной оценки шероховатости.

На основе разработанных методик был выполнен анализ статических и динамических характеристик шлифовальных станков моделей Э14-СЫС и БК4!Ш-СИС фирмы В\№(Берлин). Полученные результаты были использованы для внесения конструктивных изменений в шпиндельный узел изделия. В результате этих изменений существенно повысилась точность обработки. Отдельные рекомендации по построению многоступенчатых

процессов врезного шлифования, были использованы на этом предприятии при разработке технологических процессов шлифования колец подшипников.

Результаты экспериментальных исследования и теоретических расчётов по формированию теплового поля и напряжённо-деформированного состояния при шлифовании деталей с понрытиями позволили сформулировать рекомендации по выбору толщины напылённого слоя, свойств основного материала и, при необходимости, промежуточного слоя. Эти рекомендации были использованы в Проблемной научно- исследовательской лаборатории порошковой металлургии (Пермь) при разработке технологических процессов плазменного напыления различных деталей.

8. Заключение

В диссертационной работе разработаны научные основы решения проблемы обеспечения качества шлифования деталей с напылёнными понрытиями в условиях гибкого, компьютерно-управляемого производства (С1М).

Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны методики определения физико-механических и теплофи-зичесних характеристик покрытий, позволяющих решить задачу подготовки исходных данных для проведения расчётов теплового и напряжённо-деформированного состояния покрытия и основного материала при шлифовании.

2. В результате экспериментальных исследований процесса шлифования деталей с покрытиями, достаточно полно характеризующих наиболее широно распространённые на практине группы напылений, выявлены технологические особенности шлифования понрытий, определены оптимальные характеристики шлифовальных кругов, а также элементы режима резания, обеспечивающие требуемое качество обработки и производительность. На основе результатов экспериментальных исследований разработаны технологические процессы шлифования деталей с понрытиями, внедрённые на ряде промышленных предприятий.

3. Разработаны модели изнашивания шлифовальных кругов, устанавливающие новые специфические особенности шлифования деталей с покрытиями, которые заключаются в следующем:

- износ алмазных зёрен при шлифовании метаппосодержащих покрытий имеет явно выраженный адгезионно-диффузионный характер, следы абразивного износа практически отсутствуют;

- потеря режущих свойств алмазного инструмента происходит вследст-

вие образования налипов на связке, интенсивность которого выше у шлифовальных кругов на металличесних и ниже на органических связках.

4. Установлено, что алмазные шлифовальные нруги на органических связках и кубонитовые инструменты обеспечивают наиболее высокие значения объёмного коэффициента шлифования и наименьшие энергетические затраты при шлифовании покрытий различных составов.

5. Разработаны новые алгоритмы управления многоступенчатым циклом круглого врезного шлифования и круглого шлифования с продольной подачей, комплексно учитывающих качественные показатели обработанных изделий на основе функциональных зависимостей параметров качества от технологических параметров процесса. Эти алгоритмы создают основу для управления процессом шлифования деталей с напылёнными покрытиями в условиях гибкого, компьютерно-управляемого производства (С1М).

6. Разработаны модели расчёта теплового и напряжённо-деформированного состояния при шлифовании деталей с покрытиями. Показано, что напряжённо-деформированное состояние покрытия определяется как тепловыми, тан и силовыми факторами. Произведён анализ влияния различных параметров технологического процесса на формирование температуры шлифования, временных и остаточных напряжений. Полученные теоретические зависимости подтверждены результатами экспериментальных исследований.

7. Установлено, что для снижения тепловой напряжённости процесса и формирования благоприятных с эксплуатационной точки зрения остаточных напряжений сжатия следует:

-при работе в зоне скорости резания, меньшей 100 м/с, скорость главного движения уменьшать до значений,при которых ещё обеспечивается требуемая шероховатость и геометрическая точность обработанной поверхности, а составляющие силы резания и упругие отжатия технологической системы не превышают предельно допустимых величин; -в зоне высокоскоростного шлифования (свыше 100 м/с) скорость главного движения увеличивать до значений, допускаемых технологическим оборудованием;

- применять кубонитовые шлифовальные круги;

- проводить дополнительное активирование режущей поверхности инструмента после правки и в процессе шлифования;

- при использовании маятникового метода шлифования уменьшать глуби-бину резания и одновременно пропорционально увеличивать скорость подачи.

8.Показано, что изменение абсолютных значений показателей степени в эмпиричесних формулах зависимости составляющих силы резания от технологических параметров подчиняется следующим закономерностям:

- увеличение глубины шлифования и снорости подачи приводит н уменьшению, а снорости резания н увеличению абсолютных значений показателей степени;

- с достаточной для практических целей степенью точности можно утверждать, что уменьшение температуры шлифования при возрастании соответствующего элемента режима резания будет наблюдаться в случаях, ногда показатели степени в формулах расчёта касательной составляющей сипы резания имеют следующие значения: при глубине шлифования меньше О. 25, при скорости подачи меньше О. 5, а при скорости резания больше 1. 0.

9. Решена задача определения статических перемещений и анализа динамического поведения технологичесной системы методом конечных элементов. Разработанные модели позволяют оценить точность детали, обусловленную статическими и динамическими причинами уже на стадии разработки технологичесного процесса и при необходимости внести в него коррективы с целью компенсации или минимизации погрешностей, обусловленных этими причинами. По этим моделям были выполнены расчёты статичесних и динамических показателей процесса обработки на внутришлифовальных станнах фирмы ЕШ1 (Берлин, Германия). Последующие экспериментальные исследования, проведённые в условиях фирмы, пока-казали аденватность полученных теоретически результатов и были использованы для внесения ряда конструктивных изменений.

10. Вследствие неравномерности физико-механических свойств напылённого слоя и припуска на обработку, достаточно интенсивного изменения режущих свойств шлифовального нруга, упругих отжатий технологической системы и других возмущающих факторов, обеспечение требуемых параметров шероховатости в условиях автоматизированного производства возможно только при использовании приборов активного контроля шероховатости. Разработаны и научно обоснованы принципы действия и конструкции приборов активного нонтроля шероховатости. Изготовлены и опробованы щуповые и ёмкостные приборы активного и послеоперационного нонтроля шероховатости обрабатываемой поверхности.

11. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании технологических процессов шлифования специальных покрытий в компьютерно-управляемом производстве (С1М). Однано и в условиях неавтоматизированной обработни деталей с напылёнными поверхностями результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследо-

ваний могут наЯти практическое применение при разработке технологий, обеспечивающих бездефектное шлифование деталей этого класса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Серебренник D. EL , Иванов В. А, Нацнельсон М. Д. , Ваврциньяк В. , Буты-лин А. В., Федосеев R Я. Правка абразивных кругов карандашами МААС //Синтетические алмазы. -1979. - N 11.-е. 47- 49.

2. Iwanow W. Einfluß des Abrichtens von Schleifkörpern auf die Oberflächengüte von Werkstücken //Jenaer Ingenieurtag. - Jena.-(ГДР)" 1979. - S. V17/1- V17/4.

3. Иванов R А. , Ваврциньяк В. Изменение характеристик режущей поверхности круга в процессе шлифования при различных видах правки //Межвузовский сборнин научн. трудов "Совершенствование процессов абразивно-алмазной, и упрочняющей технологии в машино-стростроении". Пермский политехнический институт. - Пермь. -1981. -с. 99-105.

4. Iwanow W. Einfluß des Abrichtens auf die Schleifkörperwirkflache und das Fertigungsergebnis beim Rundschleifen //Feingerätetechnik. - (ГДР)- 1981. -8(30). - S. 373.

5. Iwanow W..Wawrziniak W. Zur Bestimmung der Wechselwirkung von Schleifkörperwirkflache und Werkstückoberfläche //Wissenschaftliche Zeitschrift der FSU Jena - (ГДР)-1981. -6(30). - S. 785-791.

6. Wawrziniak W.,Iwanow w. Zum Einfluß des Abrichtens von Schleifkörpern auf Schleifkörperwirkfläche und Werkstückrauheit beim Rundschleifen//Feingerätetechnik. - (ГДР)-1982- Heft 11. - S. 512-516

7. Иванов В. А. , Ваврциньян В. Статистическое планирование эксперимента при исследовании процесса круглого наружного шлифования// Межвузовский сборник научн. трудов "Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей технологии в машиностроении". Пермский политехнический институт. - Пермь. -1983. - с. 149-153.

8. Salje Е.,Iwanow W.,Teiwes H.-H.,von See M. Einsatz von Feinschleifscheiben //VDI-Z. - (ФРГ)- Bd. 128(1986)Nr.6- S. 171-175.

9. Иванов В. А. , Нацнельсон М. Д. Оптимизация многоступенчатых процессов круглого наружного шлифования //Тезисы докл. Республик. НТК "Проблемы создания гибких производств, систем в машиностроении"-Каунас. - 1987. - с. 14-15.

Ю.Иванов В. А. , Паршаков А. Н. , Вешнянов И. Ю. , Агеев С. С. Теоретическое и экспериментальное определение температуры при шлифовани деталей с напылёнными покрытиями //Межвузовский сборник научн.

трудов "Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработни в машиностроении". Пермский лолитехничесний институт. - Пермь. -1988. - с. 39- 44.

11. Иванов В. А. , Кацнельсон M Д. Исследование тепловой напряжённости процесса шлифования деталей с напылёнными покрытиями //Тезисы докладов. VI I-Я Всесоюзной НТК "Технологическая теплофизика" Тольятти-1988. - с. 268.

12. Иванов В. А. , Кацнельсон M Д. , Агеев С. С. Шлифование г.оверхностей, полученных методом плазменного напыления //Тезисы докл. Республ. НТК "Совершенствование технолог, процессов производства, их механизация, автоматиз. и внедрение результатов"-Вильнюс-1988-с. 43-44

13. Иванов В. А. , Иванов А. С. , Кацнельсон М. Д. Моделирование и управление процессом нруглого наружного шлифования //Тезисы докладов НТК "Математич. обеспеч. и автоматич. управление высокопроизв. процессами механ. и физ. - хим. обработни изделий машиностроения" Рыбинск-1988- с. 56- 57.

14. Иванов В. А. , Иванов А. С. , Кацнельсон М. Д. Математическое моделирование и оптимизация процесса шлифования деталей с покрытиями //Тезисы докл. Всес. НТК "Оптимизация условий эксплуатации и выбора характеристик абразивного инструмента в машиностроении- Оптимшлифабразив- 88". - Ленинград- Новгород. -1988. - с. 53- 55.

15.Ostrowskij W.I.,Iwanow W.А.,Kazne1 son M.D. Technologische Voraussetzungen der rechnergestutzten,sensorgefürten Fertigung--CAM.dargestel1t am Beispiel des Fertigungsverfahrens Schleifen //34.Internat.Wissenschaft.Kolloquium. - TH Ilmenau (ГДР)-1989.-S. В 4. 3.

16. Иванов В. А. , Гулмутдинов Р. Г. , Кацнельсон М. Д. , Белкин A.B. Шлифование износостойких напылённых покрытий при низкой скорости резания //Всесоюзная НТК молодых учён, и спец. "От новых технологий производства абраз. инстр. и обработки к технологич. прогрессу в машиностр. "- Ленинград. -1989- с. 55.

17. А. с. 1504485 СССР, МКИ G 01 В 5/28. Датчик для измерения шероховатости / Глинсон М. А. , Иванов В. А. Опубл. 30. 08. 89. - Еюл. N 32.

18. Иванов R А. , Постных А. М. , Котов А. Г. , Иванкин В. D. , Чекалкин А. А. Расчёт тепловых попей и напряжений в композитных покрытиях при шлифовании //Тезисы докл. Всеросс. НТК "Математическое моделирование технологических процессов обработки материалов давлением" Пермь-1990, - с. 145-146.

19. Иванов а А. , Кацнельсон М. Д. , Агеев С. С. , Юрова Г. П. Исследование работоспособности шлифовальных кругов при обработке износостоН-

них покрытии //Межвузовский сборник научных трудов "Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей". Казанский авиационный институт. - Казань. -1990. - с. 26- 30.

20. Иванов Е А. Качество поверхности при шлифовании напылённых износостойких покрытий //Тезисы докл. Всес. школы- семинара "Передовой опыт алмазно-абразивной обработни прецизионных деталей машин". Одесса- Москва. -1990. - с. 25- 27.

21. А. с. 1618996 СССР, МНИ G 01 В 5/28. Датчик для измерения шероховатости и управления процессом обработки / Иванов В. А. , Гликсон М. А. Опубл. 07. 01. 91. - Бюл. N 1

22. А. с. 1734991 СССР, МНИ В 24 В 51/00. Способ управления нруглым врезным шлифованием и устройство для его осуществления / Иванов а А. , Иванов А. С. Опубл. 23. 05. 92. - Бюл. N 19.

23. А. с. 1762110 СССР, МКИ G 01 В 7/12,7/34. Ёмностное устройство для измерения шероховатости поверхности и диаметра металлического объекта / Иванов В. А. , Осипович В. П. , Зуев RH. .Поле в А. Е Опубл. 15. 09. 92. - Бюл. N 34.

24. Iwanow W. Konstruktion und Produktion von Nockenwellen //IWF TU Braunschweig. (Германия)-1992. -92S.

25.Fedotow A.,Iwanow w. Kapazitives Rauheits-und Durchmessermeßgerät //38.Internat.Wissenschaft.Kolloquium.-TU Ilmenau.(Германия)- 1993. - S. 596-605

26. Iwanow W.,Postnych A.,Kotow A.,Iwankin W. ,Tschekalkin A. ,Chro-nusow W. Beitrag zur Temperatur- und Spannungsberechnung beim Schleifen // Jahrbuch "Schleifen,Honen,Läppen und Polieren" Vulkan-Verlag. Essen. (Германия)-57. Ausgabe.- 1993.-S.1-19.