автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимизация финишной обработки деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов эластичным абразивным инструментом

На правах рукописи

ПОДАШЕВ ДМИТРИИ БОРИСОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЭЛАСТИЧНЫМ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Специальности : 05.02.08 - Технология машиностроения

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

25 СЕН 2014

диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск-2014

005552737

005552737

Работа выполнена на кафедре «Конструирования и стандартизации в машиностроении» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «29» октября 2014 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д.212.073.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», с авторефератом - на официальном сайте университета www.istu.edu.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрГТУ; ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.02 Салову В.М.

Скан-копию отзыва отправить на e-mail: salov@istu.edu не позднее чем за 15 дней до защиты.

Автореферат разослан «15» сентября 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Димов Юрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой металлорежущие станки и инструменты Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева Короткое Александр Николаевич

кандидат технических наук, инженер-технолог Иркутского авиационного завода - филиала ОАО «Корпорация «Иркут» Макарук Александр Александрович

кандидат технических наук, профессор

В.М. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В металлообработке эластичные абразивные инструменты могут быть использованы для:

• шлифования и полирования,

• скругления острых кромок,

• зачистки поверхностей под пайку (сварку),

• подготовки поверхностей под лакокрасочные и гальванические покрытия,

• зачистки сварных швов,

• удаления окалины, ржавчины, старой краски,

• удаления заусенцев, грата и скруглении острых кромок,

• зачистки мест склейки деталей из резины и других материалов.

На многих предприятиях финишные зачистные операции выполняются вручную и на это тратится до 20% трудоемкости изготовления детали.

Замена ручного труда на механизированный и автоматизированный позволяет снизить трудоемкость, повысить качество и производительность труда.

Эластичные абразивные круги и щетки обладают некоторыми особенностями, без знания которых нельзя добиться высокой эффективности применения их в производстве. Внедрение процессов финишной обработки связано с необходимостью в каждом конкретном случае определять оптимальные условия процесса обработки (конструкция инструмента, его характеристики, режимы обработки).

Оптимизация параметров обработки эластичным абразивным инструментом даст возможность обрабатывающим предприятиям выполнять эти операции наиболее экономически эффективно.

На основании изложенного можно констатировать, что исследования обработки эластичными абразивными кругами актуальны для многих обрабатывающих отраслей и в первую очередь для машиностроения и приборостроения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по постановлению Правительства №218 от 9 апреля 2010 г. в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета».

Целью работы является разработка систем оптимизации процессов обработки поверхностей и скругления острых кромок деталей эластичными абразивными инструментами.

Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Исследовать процесс взаимодействия эластичного абразивного круга с обрабатываемой поверхностью, для чего:

• исследовать жесткость эластичных абразивных кругов;

• исследовать режущий микрорельеф эластичного абразивного круга и описать его математически;

• рассчитать математические ожидания количества зерен, находящихся в контакте с обрабатываемым материалом и глубины их внедрения;

• определить силы взаимодействия эластичного абразивного круга с обрабатываемой поверхностью.

2. Исследовать износостойкость эластичных абразивных кругов и температуру в зоне резания.

3. Разработать теоретические математические модели процесса съема материала и формирования достижимой шероховатости обработанной поверхности при зачистке поверхностей.

4. Определить параметры, характеризующие производительность процесса обработки и качество поверхности при скруглении острых кромок эластичным абразивным инструментом, разработать методики экспериментальных исследований и провести экспериментальные исследования принятых показателей в зависимости от режимов обработки.

5. Разработать математические модели показателей производительности процесса обработки и качества поверхности кромок на основании экспериментальных данных.

6. Разработать системы оптимизации процессов зачистки поверхностей и скругления острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом, а также программное обеспечение на ЭВМ для выполнения поставленных задач.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы математический аппарат, теория резания, научные основы технологии машиностроения, статистические методы исследования.

Экспериментальное исследование проводилось с использованием современных средств измерения:

• для измерения режущего микрорельефа эластичного абразивного инструмента использовался профилометр Taylor Hobson Form Talysurf 1200 (Великобритания);

• при исследовании нормальной и тангенциальной составляющих силы резания использовался трехкомпонентный динамометр фирмы Kistler (Швейцария), модель 9257В;

• для исследования температуры в зоне резания использован тепловизор FLIR Orion SC7000 (Швеция);

• измерение параметров скругления острых кромок выполнялось на большом инструментальном микроскопе с цифровым отсчетным устройством БМИ 1Ц (Россия);

• измерение шероховатости на скругленных кромках образцов производилось на оптическом профилометре Bruker Contour GT-KI (Германия).

При разработке программ оптимизации было использовано программное обеспечение Borland С++ Builder 6. Для проведения расчетов был задействован программный пакет Microsoft Excel и Enterprise Mathcad Edition 11.

На защиту выносятся:

1) Аналитические математические модели съема материала и формирования шероховатости обработанной поверхности, построенные на базе результатов исследований жесткости эластичных абразивных кругов и теории взаимодействия режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью;

2) Результаты исследования сил, действующих на обрабатываемую поверхность, износостойкости инструмента и температуры в зоне резания;

3) Методики экспериментальных исследований жесткости и микрорельефа режущей поверхности эластичных абразивных инструментов, параметров производительности и качества поверхности обработанных кромок;

4) Результаты экспериментальных исследований параметров производительности и качества поверхности при скруглении кромок;

5) Программы на ЭВМ для расчета съема материала и шероховатости обработанной поверхности при зачистке поверхностей, оптимизации процесса зачистки поверхностей и оптимизации процесса скругления острых кромок.

Научная новизна работы

1. Математически описаны и экспериментально исследованы жесткость и режущий микрорельеф эластичных абразивных кругов, которые положены в основу математических моделей съема материала и формирования шероховатости обработанной поверхности.

2. Разработаны математические модели и программы на ЭВМ для расчета съема материала и шероховатости обработанной поверхности.

3. Сформулированы, исследованы и математически описаны показатели производительности процесса обработки и качества поверхности скругленных кромок.

4. Разработано программное обеспечение оптимизации процессов зачистки поверхностей и скругления острых кромок деталей, в котором в качестве критерия оптимизации принята целевая экономическая функция, обеспечивающая минимум себестоимости выполнения операции.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых теоретических положений, подтвержденных результатами экспериментальных исследований процесса обработки деталей эластичным абразивным инструментом и статистической обработкой экспериментальных данных при заданной доверительной вероятности. Практическая значимость работы

1. Получены зависимости съема материала, шероховатости обработанной поверхности, износа инструмента и температуры в зоне резания от режимов обработки при зачистке поверхностей.

2. Получены зависимости параметров производительности процесса обработки и качества обработанной поверхности от режимов обработки при скруглении острых кромок.

3. Разработаны программы, позволяющие выбирать оптимальные эластичный инструмент и режимы обработки при зачистке поверхностей и скруглении кромок деталей.

4. Предложены технологические рекомендации, которые могут найти широкое применение в промышленности.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на I и II всероссийских научно-технических конференциях «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» 2011-12 г., г. Иркутск; 6-ой научно-технической интернет конференции с международным участием «Новые материалы, нераз-рушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» 2012 г., г. Тюмень; международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» 2012 г., г. Москва; международной научно-технической конференции «Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения» 2013 г., г. Комсомольск-на-Амуре; на III международной научно-практической конференции «Science and Education», 2013 г., Мюнхен, Германия; на II международной научно-практической конференции «Science, Technology and Higher Education», 2013 г., Вествуд, Канада.

Практическая реализация работы. Разработанные технологические рекомендации приняты к внедрению на ИАЗ - филиале ОАО «Корпорация «Ир-кут», в учебный процесс ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет, а также использованы при написании отчетов по выполнению комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета».

Публикации. По материалам исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 7 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Основной текст содержит 169 страниц, включая 70 рисунков, 33 таблицы, и библиографический список из 56 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ основных типов и конструкций существующих эластичных абразивных инструментов.

На основе работ Ю.В. Димова, С.Н. Корчака, В.В. Петросова, Л.В. Худоби-на, П.И. Ящерицына, А.Н. Мартынова, А.Д. Гридина и др. рассмотрены вопросы микрогеометрии режущей поверхности абразивного круга, процесс резания абразивным зерном, прослежены вопросы съема материала, формирования поверхностного слоя после обработки абразивными кругами, а также варианты решения задачи по эффективной обработке абразивными инструментом. Из обзора опубликованных работ видно, что не исследованы очень важные для теории и практики вопросы. Микрорельеф режущей части эластичного абразивного круга и его взаимодействие с обрабатываемой поверхностью (в свою очередь, имеющую собственный микрорельеф), в результате которого происходит процесс съема материала и формирования шероховатости обработанной поверхно-

сти, фактически не изучен. Не определены и не исследованы параметры качества и производительности процесса обработки при скруглении острых кромок.

Доказана актуальность работы, а также сформулированы цель и задачи исследований, которые изложены в общей характеристике работы.

Во второй главе рассмотрен процесс взаимодействия эластичного абразивного круга с обрабатываемой поверхностью.

В качестве обрабатываемого материала при исследовании принят алюминиевый сплав В95пчТ2, как типовой представитель высокопрочных алюминиевых сплавов, используемых в авиастроении (В95пчТ2, В95очТ2, В95очАТ2В, 1933Т2, 1933Т123, 1933T3,1933T3-n, 1163Т, 1163РДТВ).

Рассмотрена классификация эластичных абразивных инструментов. Для исследований использовались эластичные абразивные круги компании ЗМ (Minnesota Mining and Manufacturing Company), изготовленные из абразивного материала Scotch-Brite™: FS-WL 8А MED, FS-WL 6S FIN, FS-WL 2S CRS, DB-WL 8S MED и DB-WL 7S FIN и CF-FB 0,5A FIN.

Экспериментально исследованы и математически описаны жесткость и режущий микрорельеф эластичных абразивных кругов.

Жесткость единичного элемента площадью dS эластичного круга в

dP,

направлении оси Y можно представить уравнением С. = -

ydS

где у -деформация, мм; Ру -сила, действующая по оси Y, Н.

При экспериментальном определении жесткости на эластичный круг прикладывается сила Рк и измеряется его деформация Ду (рисунок 1).

Для случая контакта с жесткость круга (в Н/мм2) на ширины

(1 мм) определится как: Рг

плоскостью, единице его

С. = -

АС- Аус

RÎ

2 Р Гк_

Л'<Р ■ -, ^ ——-sm2®

90 v)

Рисунок 1 - Схема взаимодействия эластичного круга с плоскостью

- sin lip

где Дус - средне взвешенная деформация круга,

I 90

ДУс =-~г--

Поскольку исследуемые круги маложесткие и силы деформации небольшие, применить стандартные средства измерения жесткости невозможно. Поэтому исследование жесткости проводилось на специально изготовленной установке, показанной на рисунок 2.

Результаты определения жесткости приведены в таблица 1.

Для получения необходимых параметров для расчета взаимодействия режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью (среднее квадратичное отклонение профиля о = 11ф число максимумов т= 1/ ЯБ, число нулей (пересе-

чений со средней линией) п(0) = 2/ RSm, отношение ). = п(о)/ш) проведено про-филографирование на приборе Taylor Hobson Form Talysurf 1200 (Великобритания) с использованием слепков режущего микрорельефа и контрслепков для получения реальной картины микронеровностей (см. таблица 1).

Рисунок 2 — Схема установки для определения жесткости кругов:

1 - груз; 2 - индикатор; 3 - штатив; 4 - нагрузочная пята; 5 - круг; 6 - рычаг; 7 - механизм

регулировки высоты; 8 - корпус; 9 - оправка; 10 - гайка; 11 - призмы

Таблица 1 - Жесткость и параметры микрорельефа кругов

Круг Зернистость Жесткость Cr, »(мм2-мм) а, мкм m, мкм"1 n(0), мкм"1 X

ЗМ Сред няя, MKM

FS-WL-8AMED MEDIUM 55 0,4648 62,579 3,04-10"3 1,67-103 0,5488

FS-WL-6SFIN FINE 47,5 0,1853 55,4714 3,31 10"3 2,08-10"3 0,6277

FS-WL-2SCRS COARSE 200 0,0993 85,8067 1,96-10"3 1,92-10"3 0,9785

DB-WL-8SMED MEDIUM 55 0,2900 30,9504 4,09-10"3 2,94-10"3 0,7182

DB-WL-7SFIN FINE 47,5 0,2764 54,9083 3,64-10"3 2,21-10"3 0,6853

CF-FB-0.5AFIN FINE 47,5 0,0162 74,1072 3,22-10"3 1,79-10"3 0,5554

деталью

На основании информации о микрорельефе и жесткости кругов рассчитаны математические ожидания количества зерен, находящихся в контакте с обрабатываемым материалом, и глубины их внедрения.

Если рассматривать сближение шероховатого профиля с идеально гладкой поверхностью при прямолинейных mini] и ш2гп2 (рисунок 3), то математическое

ожидание глубины внедрения выступов, пластически деформирующих материал, т.е. выступов, расположенных ниже относительного уровня сечения уа, можно записать в виде:

Е(Уе) = а-туо) - У], где Е(у0) - математическое ожидание относительных высот максимумов,

Е(Гс) = '¡Г■/,(/)• ¿Г ■

Г

После преобразований получим:

¡г-

Е(Го)

и-ехр\ -^—г 1 + 42л - — -у- ехр\-—\-ф\— -у

1

■¿у

где А = п(о)/т , и2 = 1-0,25Л - параметры микрогеометрии; Ф{2) = } ■ Ге~' ^ • с// - функция Лапласа.

Решение данного уравнения производилось численным методом на ЭВМ. Количество зерен контакта на площади 1 мм2 Е(1Ч) определяется по уравнениям Е(ЛГ)= или £(Л') = 0,626б-/г2(0)-у-е^^ 2<2к

(1)

Зависимость показателя

имеет экстремальный характер с максимумом при у =1.

Для практических целей при у от +1 до -1 следует принимать значение

Е( М)

п (0)

= 0,38. В пределах оту = - 1доу = -3 число вершин выступов следует

Л г1м\ *-п2(°) *-п2(°) рассчитывать по формуле ЦМ] =-^^ ■ у ■ е к '---у-еу '.

242л 242л

Полученные уравнения математического ожидания средней глубины внедрения режущих выступов и количества зёрен эластичного круга, находящихся в контакте, позволяют разработать математические модели съема материала и формирования параметров шероховатости обработанной поверхности. При этом сближение уа (см. рисунок 3) зависит от нормальной составляющей силы. Рассмотрены силы, действующие на обрабатываемую поверхность. При вращающемся круге на обрабатываемую поверхность действуют упругая, центробежная и динамическая составляющие силы.

Для случая контакта круга с плоскостью (см. рис. 1) получено выражение

для определения упругой составляющей силы: Рк = ^ Сг ■ Я2К ■ ( п'^ - ¡чп 2ср

,2

ш_> ■ 1

Центробежная сила определится по формуле Рц =

тд ' уч

где та - масса деформированного материала круга, кг; уц - скорость вращения центра тяжести деформированного материала круга м/с, - расстояние от центра круга до центра тяжести деформированного материала круга, м.

Площадь деформированного материала круга 8 определится как: 5 = 2 • Ик ■ [ А -(р + В ■ ят<р],

где = А = (<1 + Ау)■ (1 -, В = ЯК -(-^- + 1), (1 = Як - гк- Ду,

А' Ау Ду

гк - радиус втулки круга, мм.

Расстояние от центра круга до центра тяжести Яц определится из выраже-

„ 2-RK (1

ния: R =-— ■

" \ J

A-RK-А-В + В-\ RK--fil-cos^,--А2 1

М-

2 J 2 cos p,

Динамическая составляющая силы на 1 мм ширины круга: р MK-V^sm<p^0,5-{R2K+rt2)

К к 'К,,' & к -юоо

где Мк - масса круга, кг; VK - скорость удара в точке начала контакта круга с обрабатываемой поверхностью, равная скорости вращения круга, м/мин; 1уд - длина участка, на котором длится ударный процесс, зависящая от жесткости круга Сг, мм;

Вк- ширина круга, мм.

При контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью силы, действующие со стороны инструмента (Рк, Рц и Рди„), и нормальная составляющая силы резания Ру равны между собой.

Ру = Кгэ2-fy-E(N)-LK , (2)

где К - предел текучести обрабатываемого материала на сдвиг, гэ - эквивалентный радиус закругления вершин неровностей, принятый без учета микрорельефа

3-Jtt

обрабатываемой поверхности г,=г =-;---, fv - безразмерный ко-

16л-2-m-n(0)-CT-1000 у v У

эффициент нормальной составляющей силы, аппроксимированный выражением

fy =14,387 -еЕ0-895 (3)

Погрешность данной аппроксимации не превышает 5%.

Для определения относительного сближения режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью у с использованием (1), (2), (3) получено уравнение

10,595

Рр+Ргг + Рл =Kr2L

Л Ц дин з к

0,62б6п2(0)-^°'5'Г^ -14,387\у[у0-802 + 0,97-г]--4 J I э J

Вычисление параметра у производилось численным методом. Экспериментально исследованы износостойкость эластичных абразивных кругов и температура в зоне резания.

В качестве показателя износа круга использована величина износа I (мм/мин) за единицу времени.

Величина I рассчитывалась по формуле I = ——!—^^—,

Ук-я-Ок-Ь-Т

где ук - плотность материала круга в г/мм3; G¡ и G2 - масса круга до и после обработки соответственно, г; b - ширина обрабатываемого образца, мм; DK - диаметр круга в мм; Т - время обработки длины образца I - T=l/S, мин.

Полученные экспериментальные зависимости были аппроксимированы формулой вида: I = arV2 + а2-Лу2 + a3-V+ а4-Лу + as-V-Ay + а6, (4)

где V - скорость резания, м/мин; Ду - деформация круга, мм; S - продольная подача, мм/мин.

Одним из главных факторов, определяющих процесс износа инструмента, является температура резания. Для исследования температуры в зоне резания использован тепловизор FLIR Orion SC7000 (Швеция).

Полученные экспериментальные зависимости были аппроксимированы формулой вида: {' = a¡ Ау+а2 • V+a3 -5+ а4Ау ■ V+a¡ Ау -S+üf, ■ V-S+a7Ay ■ V-S+as. (5) Для формул (4) и (5) получены значения коэффициентов ага5 и свободных членов а6 для каждого из исследованных инструментов.

В третьей главе рассмотрены математические модели съема материала и шероховатости обработанной поверхности при зачистке поверхностей.

Удельный съем q в мкм/(м мин) на с 1 мм2 площади обработки определяет-

Sr-E(N)-LK -S-106 ся по формуле q = с 4 ' —-т— , (2 л- ■RK-n — S)

где п - частота вращения круга, об/мин; Sc - площадь поперечного сечения стружки на единичном зерне; LK - длина участка контакта при заданной деформации круга Ду:

q, мкм/(м-мин) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

1.

• о О

* ♦ N2

150 2^0 3^0 4^0 5^0 6^0 7^0

850 V, м/мин _|_I

0,5 1 _1_

1,5

-L

2 2,5 3 3,5 4 Ду,мм

' i_I_I_I_I

0 50 100 150 200 250 300 350S,мм/мин

Рисунок 4 - Зависимости удельного съема материала q от: 1 - скорости резания V при Ду=4,5 мм, S=130 мм/мин; 2 - деформации круга Ду при V = 606,3 м/мин, S=130 мм/мин; 3 - продольной подачи S при Ду=4,5 мм, V = 606,3 м/мин для круга CF-FB-0,5AFIN

для плоской обрабатываемой поверхности:

LK =242AyRK~Ay2

Для подтверждения адекватности математической модели проведены расчет съема материала и экспериментальные исследования в зависимости от деформации круга, скорости резания и продольной подачи. На рисунке 4, в качестве примера для круга CF-FB-0,5AFIN, линиями показаны теоретические зависимости, полученные по математической модели взаимодействия режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью. Точками показаны результаты экспериментальных

исследований. Следует отметить хорошее совпадение экспериментальных и теоретических данных. Это говорит о том, что разработанная математическая модель адекватно отражает реальный процесс съема материала при обработке эластичными абразивными кругами.

Полученные зависимости по съему были аппроксимированы формулой вида:

q = arAy2+a2-V1+a3-S2+a4-Ay+as-V+a6-S+a7-Ay-V+as-AyS+a9-yS+a,o-Ay-V-S+an. (6)

Независимо от исходного состояния поверхности в процессе обработки формируется достижимая шероховатость, параметры которой зависят от условий обработки и свойств обрабатываемого материала.

Высота неровностей по 10-ти точкам Rz представляет собой среднюю глубину внедрения зерен с учётом наплыва и упругого восстановления царапин. Этот параметр напрямую определяется математическим ожиданием глубины

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra зависит от Rz в следующем соотношении: Ra = 0,25- Rz при Rz = 320 - 8 мкм; Ra = 0,20- Rz при Rz = 6,3 - 0,05 мкм.

На рисунке 5 в качестве примера для круга CF-FB-0,5AFIN, сплошными линиями показаны теоретические зависимости, полученные по математической модели взаимодействия режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью, а штриховыми линиями и точками показаны результаты экспериментальных исследований.

От продольной подачи поперечная шероховатость не зависит. Полученные зависимости достижимой поперечной шероховатости были аппроксимированы формулой вида:

Ra = в,Ау2+в2-У2+ в3-Ау+вгУ+ +в,-Ау-У+в6. (7)

Исследования достижимой продольной шероховатости показали, что Ra„pod для всех примененных кругов не зависит от заданных режимов резания. Статистической обработкой результатов экспериментов доказано, что при уровне значимости р=0,95 по критерию Фишера влияния Ду, V и S на Ra„pod являются незначимыми.

Для формул (6) и (7) получены значения коэффициентов ai-a10, bi-b10 и свободных членов ац, Ъц для каждого из исследованных инструментов.

Для реализации математических моделей съема материала и достижимой шероховатости обработанной поверхности по параметру Ra разработаны программы с использованием приложения С++ Builder 6.0.

внедрения абразивных зерен: Е(уЕ): Rz = Е(уЕ)

Ra, мкм

1,5 2 2,5 3 3,5 4 Ду,мм I I I I I I I 250 350 450 550 650 750 850 950 V, м/мин

Рисунок 5 - Зависимости поперечной шероховатости Ra от: 1 - скорости резания V при Ду=4,5 мм; 2 - деформации круга Ду при V = 606,3 м/мин для круга CF-FB-0.5AFIN

В четвертой главе рассмотрено скругление острых кромок деталей эла-

стичным абразивным инструментом, параметры которых приведены в таблице 2. Таблица 2 - Параметры эластичных абразивных инструментов_

Инструмент Ок, мм Вк, мм 11 к, мм Абразив Зерн. X, мкм

Круг СР-РВ-0,5АРПЧ 193 50 76,5 АЬОз 45-50

Круг Р8-ЧЛЪ-25СК5 147 26 25,4 -160

Щётка ВВ-гВ Туре С Р120 150 13 25,4 120

Круг СВ-гБРШ 75 45 - 80

Круг РБ-гЗ АСИЭ 75 45 - ею -160

Установлены и обоснованы причины неравномерности съема материала на входе в процесс резания и выходе из него при обработке кромок. В качестве параметров точности приняты отклонение месторасположения (позиционирование), которое представляет собой относительное отклонение от симметричности

X — У

расположения радиуса закругления: 8 = —=—, где X, У - координаты перехо-

X

да конца закругления в прямую линию (рисунок 6, а), X - средняя величина по

осям X и У (определяется по выражению X = 0,5 • (X + У)), а также относительная погрешность по круглости к=ДЬ/г, где ДЬ=Ь,-Ь (см. рисунок 6).

Измерение размеров X, У и р выполнялось на большом инструментальном микроскопе с цифровым отсчетным устройством БМИ 1Ц с точностью 0,001 мм.

Экспериментальными исследованиями установлены зависимости 5 от деформации инструмента ДХ и угла а: 3 =а1-а2+а2-Ах2 + а3-а+а4-Лх+ а5-Лх-а +а6, (8)

а также зависимость к от скорости резания V: к=Ь-У+с. (9)

Установлено, что изменение скорости резания и подачи не влияет на показатель 5, а деформация инструмента и подача вдоль кромки не влияет на показатель к. Это подтверждено статистической обработкой экспериментальных данных. Для формул (8) и (9) получены значения коэффициентов а1-а5 и Ь, а также свободных членов а6 и с для каждого из исследованных инструментов.

Производительность процесса скругления кромок характеризуется фактическим радиусом скругления г и относительным снятым слоем кромки р.

Фактический радиус скругления представляет собой радиус окружности, построенной по трем точкам: А, В и точка на вершине дуги по размеру Ь (см. рисунок 6):

X2 +У2 +41г2

г =-.

8И

Рисунок 6 - Схемы к определению: (а) - параметров скругления; (б) — параметров а и ДХ

Относительный снятый слой кромки представляет собой фактический размер снятой кромки при обработке одним миллиметром ширины инструмента:

На рисунке 7 в качестве примера для круга CF-FB-0.5AFIN приведена зависимость р от деформации круга ДХ, скорости резания V и подачи вдоль кромки S.

На основании проведенных исследований получена математическая зависимость р от всех параметров в виде полинома 2-й степени: р = а, -Ах2+а 2 ■ V2+a 3 S2+a4 -Ах+а 5 ■ V+a6 S+a 7 Ах ■ V+ag -Ах S++a9 ■ VS+ a10-Ax-V-S +а„.

Получены значения коэффициентов араю, а также свободных членов ац для каждого из исследованных инструментов.

Измерение шероховатости на скругленных кромках образцов производилось на оптическом профило-метре Bruker Contour GT-KI (Германия).

На основании проведенных исследований и измерений получены зависимости шероховатости на радиусах закругления от режимов обработки для исследованных инструментов.

Изменение скорости резания V и подачи S не влияет на показатель Ra. Это подтверждено статистической обработкой экспериментальных данных. Зависимость Ra от деформации АХ можно представить выражением

Ra=b-AX+c. Значения коэффициентов b и свободных членов с получены для каждого из исследованных инструментов.

В пятой главе рассмотрены системы оптимизации зачистки поверхностей и скругления острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом.

В качестве критерия оптимизации при зачистке поверхностей принята целевая экономическая функция (ЦЭФ), которая рассчитывается для определенного инструмента,

ЦЭФ=тзач ■ (ст + зэ п )+тв ■ ст + с,

где Тзач - основное время обработки, мин; Ст - тарифная ставка рабочего, руб/час; Зэл - затраты на расход электроэнергии в единицу времени работы, руб (рассчитывается по мощности на резание); Тв - вспомогательное время операции, мин;

0,0

—1

♦ «

• \ • •

'к г' *

J ♦

3,5 _1_

4,5 _1_

5 АХ, мм

300 450 600 750 900V,м/мин

I_I_I_I_I

25 50 75 100 125 S,мм/мин

Рисунок 7 - Зависимости относительного снятого слоя кромки одним миллиметром ширины инструмента (р): 1 - от

деформации ДХ при V=606,3 м/мин, S=82 мм/мин, 2 - от скорости резания V при ДХ=4 мм, S=82 мм/мин, 3 - от подачи вдоль кромки S при V=606,3 м/мин, S=82 мм/мин для круга CF-FB 0,5А FIN

С - стоимость эластичного абразивного круга на выполнение операции, руб (определяется исходя из объема изношенного на операцию инструмента).

Критерием выбора оптимального из рассматриваемых инструментов и режимов обработки является минимальное значение ЦЭФ.

Структура системы оптимизации при заданном инструменте представлена на рисунке 8.

Для выполнения операции зачистки поверхности необходимо исходную шероховатость Яа° довести до требуемой по чертежу шероховатости Как. При этом объем материала, который необходимо удалить с микронеровностей на

единице площади составит: ()ф = 3 • ' —

Время для выполнения операции зачистки определится по формуле Тзач = Тх ■ N, где N - количество проходов.

Целевые функции

~7

/

Основное время обработки

ЦЭФ min

Управляемые фактоы: скорость резания V, мм/мин; деформация круга Ду, мм; продольная подача Б, мм/мин \ Ограничительные функции

^ N

Удель

ный

съем

IS

Объем

снимаемого

материала

Стоимость АК на выполнение операции

з:

Достижимая шероховатость

Температура в зоне резания

Износ инструмента

Затраты на расход электроэнергии в единицу времени работы

Рисунок 8 - Структура системы оптимизации зачистки поверхностей

N = К

вф-1000

3-,

■ = к

Ra°-RaK 1-1000

q-L-Ц

q-LTx

где Кш - коэффициент, учитывающий ширину обрабатываемой поверхности; Т1 - время обработки поверхности за один проход, мин; L - путь перемещения

[,.Dk.n-S).T

поверхности круга относительно детали в м, L =-,

1000

где Т - время обработки в мин.

Для реализации системы оптимизации зачистки поверхностей разработана и зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности за №2014613558 программа на ЭВМ. Программа разработана с помощью Borland С++ Builder 6.

В качестве критерия оптимизации при скруглении острых кромок принята целевая экономическая функция (ЦЭФ), которая рассчитывается для определенного инструмента,

ЦЭФ = Тг-Ст+Тв-Ст, где Тг. - целевая функция основного времени обработки, Tr=lr/S, где 1Г- длина обрабатываемой кромки, мм; S - подача вдоль кромки, мм/мин.

Критерием выбора оптимального из рассматриваемых инструментов и режимов обработки является минимальное значение ЦЭФ.

Расход электроэнергии и износ инструмента в данной ЦЭФ не учитываются в связи с пренебрежимо малым влиянием на себестоимость по сравнению с трудозатратами.

Структура системы оптимизации при заданном инструменте представлена на рисунке 9.

Для реализации системы оптимизации скругления острых кромок разработана программа на ЭВМ с помощью Borland С++ Builder 6.

По программам оптимизации зачистки поверхностей и скругления острых кромок рассчитаны параметры обработки для алюминиевого сплава В95пчТ2, которые являются рекомендуемыми при внедрении обработки эластичными абразивными кругами на производстве.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические положения взаимодействия режущего микрорельефа эластичного абразивного инструмента, полученного профилографиро-ванием с обрабатываемой поверхностью на основании теории случайных процессов.

2. Теоретически и экспериментально исследованы и математически описаны жесткость и режущий микрорельеф эластичных абразивных кругов, которые положены в основу математических моделей съема материала и формирования шероховатости обработанной поверхности.

3. Определены силы взаимодействия эластичного абразивного круга с обрабатываемой поверхностью, износ инструмента и температура в зоне резания, установлены зависимости износа инструмента от силы и температуры. По известной величине нормальной составляющей силы резания или по известно-

му значению температуры в зоне резания можно прогнозировать износ инструмента.

4. На основе теории взаимодействия режущего микрорельефа эластичного абразивного круга с обрабатываемой поверхностью разработаны математические модели съема материала и шероховатости обработанной поверхности, которые являются основой разработанной системы оптимизации зачистки деталей эластичными абразивными кругами.

5. Установлены и обоснованы причины неравномерности съема материала на входе в процесс резания и выходе из него при обработке кромок. Сформулированы показатели качества поверхности обработанных кромок: точность месторасположения (позиционирование) - 5, точность формы радиуса (круг-лость) - к и шероховатость обработанной поверхности - Яа. Предложены показатели производительности процесса обработки кромок: фактический радиус скругления - г и относительный снятый слой кромки - р.

6. Получены закономерности изменения параметров качества и производительности скругления кромок от режимов обработки. По экспериментальным данным получены математические модели показателей производительности процесса обработки и качества поверхности кромок. Разработанные математические модели являются основой разработанной системы оптимизации скругления острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом.

7. Разработана и зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности программа на ЭВМ, предназначенная для реализации системы оптимизации процесса зачистки поверхностей.

8. Разработана программа на ЭВМ, предназначенная для реализации системы оптимизации процесса скругления острых кромок.

9. Предложены технологические рекомендации, которые могут найти широкое применение в промышленности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи в изданиях из перечня ВАК России:

1. Димов, Ю.В. Инструмент для финишной обработки отверстий [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Металлообработка. - 2011. - №4 - С. 5-9.

2. Димов, Ю.В. Круги для финишной обработки деталей [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Вестник ИрГТУ. - 2011. - №5. - С. 16-20.

3. Димов, Ю.В. Производительность и качество поверхности при обработке эластичными абразивными кругами [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Металлообработка. - 2012. - №4. - С. 7-11.

4. Димов, Ю.В. Производительность и качество при обработке эластичными абразивными кругами [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Вестник ИрГТУ. - 2012. - №7. - С. 37-40.

5. Димов, Ю.В. Скругление острых кромок деталей машин полимерно-абразивной щеткой [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Вестник ИрГТУ. -2012.-№11.-С. 48-53.

6. Димов, Ю.В. Скругление острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Вестник машиностроения. - 2013. - №8. - С. 50-54.

7. Димов, Ю.В. Скругление острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом [Текст] / Ю.В. Димов, Д.Б. Подашев // Вестник машиностроения.-2014.-№1. - С. 48-51.

8. Пат. 91509 Российская Федерация, МПК А 46 В 3/00. Щетка полимерно-абразивная для механической обработки деталей [Текст] / Димов Ю.В., Подашев Д.Б.; заявитель и патентообладатель Иркутский госуд. техн. университет. - № 2009136118/22(051009); заявл. 29.09.2009; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5. - 2 с. : ил.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Оптимизация финишной обработки деталей эластичным абразивным инструментом / Д.Б. Подашев - №2014613558 от 28.03.2014 г.

Статьи в других изданиях:

10. Подашев, Д.Б. Исследование характеристик эластичных абразивных кругов [Текст] / Д.Б. Подашев // III тысячелетие - новый мир. Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. - Москва, 2012. - С. 94-95.

11. Подашев, Д.Б. Скругление острых кромок деталей эластичным абразивным инструментом [Текст] / Д.Б. Подашев // Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения. Международная научно-техническая конференция: материалы и доклады. - Комсомольск-на-Амуре, 2013.-С. 66-74.

12. Dimov, Yu. V. Experimental study of normal and tangential components of cutting forces for handling parts of abrasive elasticity wheels / Yu. V. Dimov, D.B. Po-dashev // Science, Technology and Higher Education. Materials of the II international research and practice conference, Westwood, Canada, 2013 - p.l 11-116.

13. Dimov, Yu. V. Final polishing of details by polymeric and abrasive brooms / Yu. V. Dimov, D.B. Podashev // Science and Education. Materials of the III international research and practice conference, Munich, Germany, 2013 - p. 91-96.

14. Dimov, Yu. V. Rounding the sharp edges of machine parts by means of elastic abrasive tools/ Yu. V. Dimov, D.B. Podashev // Russian engineering research, New York, USA, 2013. -№11. - p. 632-638.

Подписано в печать 10.09.2014. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Зак. 174. Поз. плана 12н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83