автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимизация процесса многоступенчатой обработки свободными абразивами

р г в од

, ц ДЕН 1998

На правах рукописи

СИДИЛЕВА Анна Ивановна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ОБРАБОТКИ СВОБОДНЫМИ АБРАЗИВАМИ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Донского государственного технического университета.

Научный руководитель:

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор МА ТАМАРКИ Н доктор технических наук Б.Х ГРЯЗНОЕ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор М.А. КРАПЛИН

кандидат технических наук, доцент В.В. СИБИРСКИЙ

Ведущее предприятие: ОАО "Квант"

Защита состоится £9 декабря в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.27.03 в Донском государственном техническом университете по адресу': 344708. г. Ростов-на-Дону. ГСП-8. пл. Гагарина. 1, ауц 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Огзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан " ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Чукарин АН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшей задачей современного машиностроения является создание, освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной техники и технологии, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материало- и энергоемкости, улучшение качества и эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности в условиях рынка. Решение этой задачи связано с возрастанием трудоемкости и сложности конструкторских и технологических работ. В этих условиях традиционные методы проектирования не могут обеспечить своевременное и качественное выполнение работ по технологической подготовке производства новых изделий, сократить сроки и стоимость этих работ возможно на основе систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).

При выполнении отделочных операций рост производительности труда с одновременным улучшением качества продукции обеспечивает обработка свободными абразивами. Широкие технологические возможности методов обработки свободными абразивами при обработке деталей разной конфигурации, из различных материалов, высокие технико-экономические показатели, а также возможности механизации и автоматизации позволяют им занимать важное место при выполнении отделочных операций.

При решении сложных технологических задач в области отделочной обработки, когда необходимо получить высокое качество обрабатываемой поверхности детали при грубой исходной шероховатости применяется многоступенчатая обработка деталей свободными абразивами. Это позволяет в ряде случаев существенно сократить время обработки деталей, т.е. повысить ее производительность, обеспечивает требуемую точность и качество деталей, позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики. Для многих случаев многоступенчатая обработка свободными абразивами является единственной возможностью получения заданной шероховатости поверхности

Однако проектирование многоступенчатых технологических процессов обработки деталей свободными абразивами осложнено отсутствием теоретических моделей, пригодных для автоматического моделирования и оптимизации.

Недостаточно разработана теория формирования шероховатости поверхности обрабатываемых деталей, не полностью разработана методика оптимизации технологических факторов, влияющих на результаты обработки, недостаточно отработана методика расчета времени обработки. Отсутствует методика формализации проектирования и оптимизации многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами.

Поэтому следует считать актуальными исследования, направленные на разработку теоретических моделей процессов обработки деталей свободными абразивами, создание которых позволит формализовать и автоматизировать процесс проектирования многоступенчатых ТП.

Цель работы - разработка моделей многоступенчатых процессов обработки свободными абразивами, создание методики формализации технологического проектирования для решения задачи автоматизации проектирования оптимальных многоступенчатых технологических процессов.

Автор защищает:

• Теоретическую модель процесса съема металла.

• Модель формирования профиля установившейся шероховатости поверхности обрабатываемой детали.

• Методику и результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности.

• Методику расчета съема металла и параметров установившейся шероховатости.

• Методику проектирования многоступенчатых технологических процессов обработки деталей свободными абразивами.

• Методику оптимизации технологических параметров многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами.

Общая методика исследований. Теоретические исследования выполнялись на базе основных положений технологии машиностроения, теории резания, теории вероятностей, теории случайных процессов. Основные научные результаты в работе получены теоретически и подтверждены экспериментально. Решение задачи оптимизации технологических процессов выполняется с помощью ЭВМ, с использованием САПР ТП.

4

Научная новизна. Разработаны модели удаления металла с поверхности обрабатываемых деталей и формирования профиля установившейся шероховатости при обработке деталей свободными абразивами с учетом микротопографических характеристик шероховатости поверхности. Разработана методика расчета шероховатости обработанной поверхности и времени обработки. Разработана методика оптимизации многоступенчатых технологических процессов. Разработаны алгоритмы и программы оптимизации многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами.

Практическая ценность работы. Разработаны математические модели для расчета съема металла, шероховатости обрабатываемой поверхности и времени обработки. Разработана методика инженерных расчетов оптимальных технологических параметров многоступенчатой обработки. Предложенный блок многоступенчатой обработки может быть включен в состав САПР ТП обработки свободными абразивами, что значительно расширит область ее применения.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены на ОАО "Ростсельмаш", АО "Сибкриотехника". Годовой экономический эффект от их внедрения составил 150 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на:

- Международной научно-технической конференции (г.Севастополь - Донецк, 10-13 сентября, 1996г.) "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс";

- Юбилейной научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов (г.Н.Новгород, 1997) "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении";

Международной научно-технической конференции (г.Севастополь -Донецк, 9-12 октября, 1997г.) "Прогрессивные технологии машиностроения и современность";

Научно-технической конференции (г.Волжский, 14-16 октября, 1998г.) "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы";

V международной научно-технической конференции (г.Севастополь -Донецк, 8-11 сентября 1998г.) "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века";

III Международной научно-технической конференции (г.Евпатория, 8-12 сентября 1998г.) "Вибрации в технике и технологиях";

региональных научно-технических семинарах "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (г.Ростов-на-Дону, 19941998гг.);

ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ (1994-1998гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы Она содержит 215 страниц машинописного текста с приложениями, 42 рисунка, 26 таблиц, список литературы, включающий 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований Описаны сущность и технологические возможности методов обработки деталей свободными абразивами.

Произведен краткий обзор работ в области многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами. Проанализированы основные положения работ А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, М.А. Тамаркина, В.О. Трилисского, Ш.М. Билика, З.И. Кремня, Ю.М. Барона, Ф.Ю. Сакулевича, П.И. Ящерицына и т.д.

На основании анализа работ, посвященных исследованию процессов обработки деталей свободными абразивами, сделаны следующие выводы:

- в результате экспериментальных исследований выявлены широкие технологические возможности процессов, получены эмпирические зависимости, описывающие влияние основных технологических параметров на производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности;

- опираясь, в основном, на экспериментальные исследования доказывается целесообразность применения многоступенчатых технологических процессов;

- в известных работах отсутствует методика определения необходимого количества ступеней, режимов обработки и характеристик рабочих сред на каждой ступени;

- полученные теоретические зависимости для расчета времени обработки основаны на двухмерной модели шероховатости поверхности, что не всегда позволяет получить точную оценку необходимою времени обработки даже при одноступенчатом процессе;

- не созданы теоретические предпосылки для автоматизации проектирования многоступенчатых процессов обработки свободными абразивами при помощи ЭВМ.

Анализ результатов исследований в области многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами позволяет определить цель работы и сформулировать задачи исследований, проведение которых сделает возможным ускоренное внедрение оптимальных технологических процессов обработки свободными абразивами в различных отраслях промышленности. Задачи исследований:

1. Формализация проектирования многоступенчатых технологических процессов обработки деталей свободными абразивами.

2. Определение микротопографических характеристик поверхности.

3. Уточнение модели единичного взаимодействия абразивных частиц с поверхностью детали.

4. Разработка методики расчета удаления металла.

5. Теоретические и экспериментальные исследования формирования профиля шероховатости обрабатываемой поверхности.

6. Разработка методики расчета времени обработки при проектировании многоступенчатых процессов обработки деталей свободными абразивами.

7. Разработка методики автоматизированного проектирования многоступенчатой отделочно-зачистной обработки.

2. Теоретические исследования процесса многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами В настоящее время разработано несколько методик проектирования многоступенчатых технологических процессов размерной обработки деталей. Одна из них, основанная на применении метода последовательных уточнений, четко сформулирована в работе A.C. Мельникова. В ней в качестве показателя качества (ПК) используется величина допуска на обрабатываемую поверхность, а уточнение определяется как отношение допусков заготовки и детали.

7

Поскольку обработка свободными абразивами является безразмерной, т.е. не обеспечивает определенный размер обрабатываемой детали, нами предложено в качестве ПК использовать среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности Однако в метрологии не установлены величины допусков на параметры шероховатости поверхности. Поэтому в качестве полей допусков нами предложено использовать значение интервалов Яа обрабатываемой поверхности по классам и подклассам ГОСТ 2789-73. Это позволяет однозначно определить величину уточнений ПК в соответствии с предлагаемой методикой:

1. Выбирается метод обработки (МО) и технологическая система (ТС), которые обеспечивают достижение заданного ПК поверхности, со!^ дет<П1а:>ал Выбранная таким образом ТС будет работать последней, т.е. имеет номер N.

2. Затем по формуле со бхс ориентировочно определяется значение исходной шероховатости поверхности для И-ной ступени. Если со 11а <0)1^ заготовки, то необходима многоступенчатая обработка.

3. Определяется исходная шероховатость поверхности Ы-ной ступени, которая одновременно является результатом обработки на N-1 ступени, т.е. юЕаисхК=со11амдЫ 1 таким образом, выбираются МО и ТС, которые могут обеспечивать достижение шероховатости поверхности шКаИСХ К > о>11азад .

4. Далее вычисляется ориентировочное значение шероховатости поверхности детали, являющейся условно исходной для N-1 ступени и достигаемой для N-2.

п детЫ-2 „ исхГч'-] N-1 N-1

СйИ,, = СйР-а ^ТЛа БТС

Если

г, исхК-1 _ исх ©Иа ^ соЯе (*)

то весь процесс достижения шероховатости поверхности детали может быть реализован двумя последовательно работающими ТС, т.е. N=2.

Если же условие не выполняется, то выбирается еще одна ТС и так до тех пор, пока условие типа (*) не будет достигнуто.

При обработке свободными абразивами каждой ступени обработки может соответствовать несколько с и каждому из них набор МО и ТС, дающих в

зад

конечном итоге заданную шероховатость поверхности .

Перебор всех б и соответствующих им МО и ТС представляет собой трудоемкую задачу, которая может быть решена оптимизационными методами.

Каждому сочетанию технологических параметров обработки соответствует функция 1^(0 имеющая граничные значения, характеризующие технологические возможности обработки детали в заданных условиях. Известно, что эта функция имеет экспоненциальный характер

Ка^^Г-Кау^е'1^ +11ауст (1)

где Иа уст - среднее арифметическое отклонение установившейся шероховатости; ки - коэффициент интенсивности изменения шероховатости; I -время обработки.

Для однозначного определения ки нами предложено понятие условной исходной шероховатости 11аи<хус, которое позволяет более точно определить время обработки, используя строго определенную часть экспоненты в интервале от

_ исх 0

Ка ДО Кауст.

При проектировании процесса многоступенчатой обработки необходимо использовать весьма точные зависимости расчета ки и Оценка шероховатости в работах вышеперечисленных авторов сводилась к тому, что изменение микронеровностей на обрабатываемой поверхности обуславливается процессом взаимодействия абразивных частиц с поверхностью детали, хотя геометрическая схема взаимодействия не отражала объемный характер выступов шероховатости поверхности.

Анализ зависимостей для расчета шероховатости поверхности и времени получения заданной шероховатости при обработке свободными абразивами показал, что при решении задач контактного взаимодействия необходимо пользоваться ее трехмерным представлением - микротопографией шероховатости поверхности, описанной в работах Хусу А.П., Виттенберга Ю.Р., Рудзита Я.Н. и др. Ими получены зависимости для расчета среднего арифметического отклонения шероховатости поверхности относительной опорной площади поверхности г|ц, объема шероховатой поверхности Уи расположенного выше уровня и, числа выбросов поверхности Иц за уровень и.

Пользуясь микротопографической моделью шероховатости, при представлении пятна контакта с поверхностью детали в виде эллипса с глубиной внедрения частицы средним углом взаимодействия частицы с поверхностью

9

детали р, объем удаляемого металла без учета коэффициента стружюобразования, можно определить как объем выбросов над пятном контакта

Уед= ?8(и)<1и (2)

где (3 и - функции характеризующие поверхность эллипсоида и поверхность детали.

Общее уравнение эллипсоида с интересующим нас сегментом над пятном контакта имеет вид

х2 У2 (со" Ьтах) и2

ао ио Со

Для нахождения уравнения кривой используются известные зависимости Тамаркина М.А. для расчета размеров полуосей пятна контакта а и Ь. По ним определяются координаты точек ао, Ь0 и с^ что позволяет определить Уед. При этом Б равна площади пятна контакта, т.е. гаЬ.

Ввиду трудоемкости использования полученной зависимости с учетом малого числа выбросов над пятном контакта предложена упрощенная зависимость для инженерных расчетов.

а3кз

,3 ' '-^

Уед— 155кс 3/4 к5

кй'Уозтр

(3)

5 У

'3 с о5

где к<;- коэффициент стружюобразования; К - коэффициент, учитывающий влияние зернистости на площадь контакта; ^ - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости обрабатываемой поверхности; кт - коэффициент, учитывающий влияние соседних частиц; У0 - скорость частицы; рч - плотность материала частицы; ст5 - предел текучести материала детали; с - коэффициент оценивающий несущую способность контактной поверхности; (- коэффициент пропорциональности.

Значением определяющим предложено считать величину относительной опорной длины профиля на уровне

Рассмотрены особенности взаимодействия свободных абразивов и детали при различных методах обработки.

Для разработки методики расчета съема металла О, в известную зависимость

0 = (4)

10

где Ыр - число взаимодействий приводящих к микрорезанию; рд -плотность материала детали.

Введем коэффициент кпр , учитывающий микротопографию шероховатости поверхности:

О _ Упроф Кпр

УслЗЯ (5)

где Упроф - объем действительной поверхности выше заданного уровня; Услоя - условный объем сплошного слоя поверхности. Тогда

О^рУедРдкпр0 (6)

Подставляя значение Ир, после преобразований получим

д =р.р.гвУсдРдк°„р^ (7)

где Р! - геометрическая вероятность события, заключающегося в том, что любая точка квадрата упаковки покрывается пятном контакта за один цикл воздействия абразивных частиц; Р2 - вероятность события заключающегося в том, что взаимодействие приведет к микрорезанию; Гв - частота циклов воздействия массы абразивных частиц на поверхность детали.

Для достижения установившейся шероховатости при обработке свободными абразивами необходимо полностью удалить профиль исходной шероховатости. При этом объем металла, удаленного над площадью квадрата упаковки, с учетом микротопографической модели можно рассчитать по зависимости:

Х^Х"0^2 (8)

После преобразований получим

Время обработки, необходимое для изменения шероховатости от исходной до заданной можно определить из зависимости (1)

а 1чаус г

.—и

кИ

к

а ус ту

(10)

При этом велчина коэффициента интенсивности определяется из зависимости:

, Р Р feV , RaycT

ku =-г-r In --—

Я DHcxycp2 рисхус_р о KnplVa rv Ч К-а К.аусх/

Параметры установившейся шероховатости можно определить по методике Тамаркина М.А., используя новые зависимости для определения параметров единичного соударения.

3. Методика проведения экспериментальных исследований

Приведены технические характеристики оборудования и приборов для экспериментальных исследований, дано описание образцов и специальных приспособлений, характеристик рабочих сред.

Съем металла определяется на аналитических демпферных весах модели BJIA-100 и BJIP-200 с точностью измерения до 0,2 мг. Измерение шероховатости поверхности и запись профилограммы осуществлялись на профилометре-профилографе модели 201.

Твердость образцов определялась на приборе ТК-2 по методу Роквелла и на приборе ТБ модели ТШ-2М по методу Бринеля.

Расчет параметров шероховатости поверхности производился на ЭВМ по специально разработанной программе.

В связи с тем, что получение характеристик трехмерной шероховатости поверхности путем профилографирования процесс достаточно трудоемкий и требует в каждом случае построение микрокарты шероховатости поверхности для которой необходимо снятие нескольких десятков профилограмм в продольном и поперечном направлении, решалась задача оценки объема, лежащего выше произвольного уровня профиля и, и, следовательно, площади сечения профиля шероховатости поверхности на этом уровне по результатам 12 профилографирований.

Разработана методика проведения машинного эксперимента.

Задача машинного эксперимента сводится к определению объема металла лежащего выше заданного уровня и.

Полагая, что профилограмма снимается на достаточной базовой длине и дает представительные оценки высотных и шаговых параметров, установлена связь между S(u), V(u) и результатами нескольких профилографирований.

12

Сделано допущение, что сечения выступов имеют форму эллипсов и известный одинаковый эксцентриситет на всех уровнях и. При заданном соотношении осей эллипса а и Ь производится серия экспериментов заключающася в случайных бросаний перпендикулярных прямых на эллипс. По квадратам полученных отрезков дается оценка площади эллипса и ее отклонения. Находится площадь опорной поверхности на уровне и, получаемая умножением площади эллипса на квадрат числа пересечений уровня и с профилем на площади, равной квадрату базовой длины профилографирования. Осуществляется оценка объема выступов, находящегося выше заданного уровня.

4. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров на производительность и качество обработки Для комплексной проверки адекватности теоретической модели удаления металла с поверхности детали произведено сравнение результатов теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований при вибрационной обработке. При этом установлено, что теоретическая модель процесса удаления металла правильно отражает влияние режимов обработки и характеристик абразивных гранул на производительность обработки и позволяет достаточно точно (в пределах 20%) прогнозировать удаление металла с поверхности детали.

Для проверки приведенных выше гипотез об изменении шероховатости поверхности проведена серия экспериментов на специальных образцах из 7 различных материалов в 6 рабочих средах.

Проведены комплексные исследования изменения параметров шероховатости поверхности среднего угла наклона сторон неровностей профиля 0, опорных кривых, нормированных корреляционных функций профиля шероховатости. Образцы имели по три участка с различной исходной шероховатостью поверхности.

Установлено, что теоретическая модель формирования профиля установившейся шероховатости правильно отражает влияние режимов обработки, характеристик рабочих сред и механических свойств материала детали на высотные параметры профиля и параметры установившейся шероховатости. Теоретическая модель позволяет достаточно точно (в пределах 25%) рассчитать среднее арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости.

Приведены результаты машинного эксперимента. Установлено, что для оценки плошадей эллипсов в наибольшей степени подходит бета-распределение. Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы:

1) возможно вычисление опорных площадей на заданном уровне по значениям опорной длины;

2) при этом оценка опорных площадей и вышележащих объемов дается с достаточной для практических расчетов точностью. Дисперсия оценки составляет для изотропных поверхностей 5-10%, для анизотропных поверхностей 30-40%;

3) возможна оценка объема металла находящегося выше заданного уровня по результатам нескольких профилографирований.

Произведены комплексные экспериментальные исследования по определению коэффициента интенсивности при различных условиях обработки. Для определения ки по экспериментальным значениям Ra(t) разработана программа для ЭВМ, апрокеимирующая эти функции методами Чебышева и наименьших квадратов.

Установлено, что расчетные значения ки имеют достаточно хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований.

На основании результатов исследований и теоретических расчетов сформирован бак данных ки для различных методов обработки свободными абразивами, предназначенный для использования в САПР ТП многоступенчатой обработки.

5. Оптимизация многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами.

В качества критерия оптимизации выбрано минимальное время обработки. В качестве ограничительных функций использовалась заданная шероховатость поверхности, либо необходимый радиус скругления острой кромки и т.д. Таким образом при выборе и анализе вариантов различных сочетаний МО, их технологических режимов и характеристик рабочих сред будут приниматься во внимание лишь такие проектные решения, которые удовлетворяют заданным техническим условиям. Оптимальным будет решение

14

при котором общая производительность обработки будет максимальной, несмотря на дополнительные затраты времени при переходе от одной ступени к другой.

Сложность процесса проектирования, многовариантность технологических решений, большая трудоемкость определения оптимального варианта вызывает необходимость использования САПР ТП.

Разработанная программа содержит следующие основные блоки: модуль заставки и защиты, главное меню, блок выбора метода обработки, блок расчета оптимальных технологических параметров обработки, включающий и расчет многоступенчатых ТП, блок выбора моделей оборудования с расчетом его потребного количества, рабочих камер и сред, экономический блок, включающий расчет материальных затрат на осуществление выбранного варианта технологического процесса, сервисный блок, включающий в себя формирование бланков технологической документации, работу по корректировке и пополнению баз данных, работу с базами в режиме просмотра в целях получения справочной информации и т.д.

В рассматриваемой САПР ТП наиболее важным ключевым блоком является расчетный блок. Именно в расчетном блоке определяются основные технологические параметры обработки: режимы обработки, характеристики абразивной среды и время, необходимое для достижения заданных показателей качества.

В качестве исходных данных, необходимых для начала расчета вводятся значения исходной и заданной шероховатости поверхности, предел текучести материала и предполагаемый методы обработки. Затем, согласно условию го!1а дет < та^ подбираются технологические параметры, обеспечивающие выполнение данного условия обработки. Подбор производится из исходной базы данных (1ВО), где хранится информация о возможных сочетаниях параметров обработки, а также соответствующие им значения установившейся шероховатости. При выборке из исходной базы данных программа формирует рабочую базу данных (ШЗО), куда вносятся сочетания технологических параметров, удовлетворяющих условию обработки. Если условию Де1 £ 'ГОазад, не соответствует ни одно сочетание параметров, то обработка невозможна, и программа выдает соответствующее сообщение.

15

Далее из всех выбранных сочетаний параметров, программой выбираются

нсх , __ исх ус

только те варианты, при которых выполняется условие юКа < ТЯа , т.е. необходимо чтобы исходная шероховатость поверхности детали была меньше условной исходной шероховатости, определяемой технологическими возможностями конкретного сочетания метода, режимов обработки и зернистости абразивной среды. Для выбранных вариантов рассчитывается время обработки. Рассчитанное время является временем одноступенчатой обработки.

1с тл исх исх ус

Когда условию о>Ка < ТН3 не соответствует ни одно сочетание параметров, т.е. ни одна ТС не может выполнить обработку за одну ступень, необходимость многоступенчатой обработки очевидна. Однако расчет многоступенчатого варианта технологического процесса ведется для всех записей рабочей базы данных, т.к. возможность осуществления одноступенчатого процесса не отражает оптимальность выбора. Из исходной базы данных по

, N N-1 „ N-1 ™ иа ус „ N-1 „ N _

условию к„ <ки , сзЯа уст < Тка , сока уС1 >юка уст выбираются сочетания технологических параметров для Ы-1ступени. Вновь выбранные сочетания, проверяются по условию <вНаВ£Х< ТЯа"иус. Если условие выполняется, то для выбранных вариантов значений рассчитывается время обработки, с учетом вспомогательного времени. В этом случае обработка будет выполняться за две ступени. Если же условие ш11аисх 2 "ГО/"ус не выполняется, то цикл подбора сочетаний будет продолжаться до его выполнил. Отсутствие выбора параметров обработки предыдущей ступени для всех записей рабочей базы, по выше приведенным условиям, является окончанием работы блока.

Вышеописанный блок САПР ТП доведен до состояния алгоритмов и программ, позволяющих вести технологическое проектирование.

Результаты исследований использованы для оптимизации многоступенчатых ТП обработки свободными абразивами при внедрении их в производство. Так на заводе копнителей АО "Ростсельмаш" внедрен процесс шлифования и полирования стола газовой плиты из нержавеющей стали, на АО "Сибкриотехника" (г.Омск) внедрен процесс шлифования и полирования деталей цилиндропоршневых групп машин микрокриогенной техники.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ^ 1. Обоснована и решена комплексная научная задача проектирования оптимальных параметров многоступенчатых технологических процессов на

базе раскрытия закономерностей удаления металла и формирования шероховатости обработанной поверхности, созд ания методики формализации технологического проектирования, разработки и практической реализации принципов оптимизации проектных решений на базе персональных ЭВМ.

2. Предложена методика формализации проектирования многоступенчатых процессов обработки деталей свободными абразивами методом последовательных уточнений показателей шероховатости обработанной поверхности.

3. Разработана модель единичного взаимодействия абразивных частиц с поверхностью детали с учетом шероховатости обрабатываемой поверхности.

4. Получена микротопографическая модель удаления металла при обработке свободными абразивами, учитывающая трехмерность шероховатости поверхности.

5. В результате проведения комплексных экспериментальных исследований подтверждена адекватность предложенных моделей..

6. На основании теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости для расчета времени обработки при решении различных технологических задач. 1

7. Разработана методика выбора метода обработки свободными абразивами и расчета основных технологических параметров процесса при удалении дефектного слоя, достижении заданной шероховатости поверхности, округлении острых кромок, удалении заусенцев и облоя.

8. Предложена методика оптимизации технологических процессов при обработке свободными абразивами с помощью ЭВМ, позволяющая обеспечить минимальное время обработки за счет рационального выбора метода обработки, характеристик рабочей среды и режимов обработки.

9. На основании результатов исследований разработан блок автоматизированного проектирования многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами. Предложенный блок может быть эффективно использован также как составная часть САПР ТП обработки деталей свободными абразивами.

10. Результаты работы прошли промышленную апробацию и внедрены на двух промышленных предприятиях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Тамаркин М.А., Рысева Т.Н., Сидилева А.И., Чаава М.М. Оптимизация техпроцесса многоступенчатой обработки свободными абразивами // Межвуз. сб. науч. ст. "Вопросы вибрационной технологии" - Ростов н/Д, 1996. - с. 37-40.

2. Тамаркин М.А., Шевцов A.B., Гончаров Г.Г., Сидилева А.И. Исследование параметров шероховатости поверхности деталей с использованием ПЭВМ // Межвуз. сб. науч. ст. "Вопросы вибрационной технологии" - Ростов н/Д, 1996. -с. 61-64.

3. Тамаркин М.А., Сидилева А.И. Автоматизация проектирования технологических процессов многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами // Шлифабразив-97: Сб.науч.-техн.конф."Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы", 14-16 окт.-Волжский, 1997. -с. 120-122.

4. Тамаркин М.А., Сидилева А.И., Лебеденко В.Г. Формализация проектирования технологического процесса многоступенчатой обработки свободными абразивами // ДГТУ.-Ростов н/Д, 1997.-14с.-Деп. в ВИНИТИ 28.02.97, N 634.

5. Тамаркин М.А., Сидилева А.И. Разработка методики проектирования технологических процессов многоступенчатой обработки деталей свободными абразивами // Прогрессивные технологии машиностроения и современность: Сб.тр.междунар.науч.-техн.конф., Севастополь, 9-12 сенг.-Донецк, 1997.-е. 244245

6. Сидилева А.И. К определению продолжительности многоступенчатой виброабразивной обработки деталей // Шлифабразив-98: Сб.науч,-техн.конф."Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы", 7-11 сенг.-Волжский, 1998. - с. 167-170.

7. Сидилева А.И. Определение времени для многоступенчатой вибрационной обработки деталей // Вибрации в технике и технологиях: Tp.III междунар.науч,-техн-конф., 8-12 сенг.-Евпатория, 1998. - с. 234-237.

8. Тамаркин М.А., Сидилева А.И., Шевцов A.B., Гончаров Г.Г. Вопросы проектирования многоступенчатых технологических процессов обработки деталей свободными абразивами // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Материалы V международ.науч.-техн.конф., Севастополь, 8-11 сент.-Донецк, 1998. - Т.З. - с. 170-172.

ЛР №020693 от 26.04.96 В набор 10.11.98. В печать 17.11.98. Объем 1,2 усл. п л., 1,0 уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84x16 Бумага тип № 3. Заказ № 450. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ.

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, плГагарина, 1.



ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СИДИЛЕВА Анна Ивановна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ОБРАБОТКИ СВОБОДНЫМИ АБРАЗИВАМИ

05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Тамаркин М.А.

Научный консультант

Д.Т.Н.

Грязное Б. Т.

Ростов-на-Дону -1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................................................8

1.1. Сущность и технологические возможности методов обработки свободными абразивами..............................................................................8

1.2. Краткий обзор работ в области многоступенчатой обработки свободными абразивам..............................................................................22

1.3. Цель и задачи исследований.......................................................................36

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СВОБОДНЫМИ АБРАЗИВАМИ..........................................................................................................37

2.1. Формализация проектирования многоступенчатых ТП...........................37

2.1.1. Выбор плана обработки.............................................................................37

2.1.2. Применение метода последовательных уточнений для безразмерных методов обработки.......................................................................47

2.2. Теоретические исследования парамегров шероховатости поверхности при обработке свободными абразивами..............................................52

2.2.1 Определение микротопографических характеристик поверхности.........52

2.2.2. Методика расчета параметров единичного взаимодействия абразивных частиц с поверхностью детали..............................................61

2.2.3. Особенности взаимодействия свободных абразивов и детали при различных методах обработки....................................................................70

2.2.4. Методика расчета удаления металла........................................................78

2.2.5. Расчет параметров установившейся шероховатости.................................82

2.2.6. Расчет времени обработки..........................................................................84

2.3. Прогнозирование качества поверхностного слоя детали..........................89

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................................93

3.1. Технологическое оборудовали е.................................................................93

3.2. Приборы и приспособления для экспериментальных исследований.......93

3.3. Выбор материалов для образцов................................................................96

3.4. Рабочие среды.............................................................................................96

3.5. Исследования процесса съема металла......................................................98

3.6. Исследование шероховатости поверхности...............................................98

3.7. Методика машинного эксперимента.......................................................101

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ОБРАБОТКИ............................108

4.1. Моделирование процесса удаления металла...........................................108

4.1.1. Удаление металла с поверхности детали при ВиО.................................108

4.1.2. Удаление металла с поверхности детали при ЦРО.................................109

4.2. Моделирование формирования профиля шероховатости обработанной поверхности........................................................................................117

4.2.1. Изменение шероховатости поверхности в процессе обработки.............117

4.2.2. Исследование параметров установившейся шероховатости...................125

4.3. Результаты машинного эксперимента......................................................130

4.4. Исследование коэффициента интенсивности..........................................137

4.5. Исследование времени достижения установившейся шероховатости... 147

5. ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ СВОБОДНЫМИ АБРАЗИВАМИ.............148

5.1. Методические вопросы оптимизаии........................................................148

5.2. Разработка общей структуры САПР ТП..................................................154

5.3. Выбор метода обработки..........................................................................160

5.4. Параметрическая оптимизация технологических операций...................165

5.5. Расчет потребного количества оборудования и рабочих сред................167

5.6. Промышленная реализация результатов исследований и технико-экономическая эффективность многоступенчатой обработки свободными абразивами...........................................................................170

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................173

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................175

ПРИЛОЖЕНИЯ

186

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс и связанное с ним увеличение количества и сложности создаваемых изделий новой техники приводят к резкому возрастанию трудоемкости и сложности конструкторских и технологических работ. Наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли инженерного труда в общей трудоемкости изделий. Основной причиной этого является несоответствие между уровнем и темпами механизации и автоматизации физического труда и труда ИТР.

Технологическая подготовка производства (ТПП) новых изделий характеризуется большой трудоемкостью и длительными сроками проведения проектных работ. Затраты времени на проектирование операционной технологии значительно превышают время изготовления детали. Проектирование нескольких вариантов технологического процесса с последующим выбором оптимального значительно увеличивают трудоемкость ТПП.

В этих условиях традиционные методы проектирования не могут обеспечить своевременное и качественное выполнение работ по ТПП новых изделий и приходят в противоречие с требованиями научно-технического прогресса. В настоящее время сократить сроки и стоимость ТПП возможно на основе создания систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).

Современные процессы обработки деталей машин как правило включают в качестве отделочной операции абразивной обработку. При этом для простых по форме деталей обычно применяются методы обработки закрепленным абразивом, а для деталей сложной формы - свободными абразивами. Такие методы позволяют сочетать высокую производительность обработки с хорошим качеством обработанной поверхности деталей сложной конфигурации из различных материалов при простом по конструкции оборудовании. Высокое качество обработанной поверхности, имеющей грубую исходную шероховатость, при

обработке деталей свободными абразивами в ряде случаев достигается применением многоступенчатой обработки.

Развитие работ по автоматизации проектирования технологических процессов многоступенчатой обработки деталей сложной формы натолкнулось на серьезные трудности. Они в первую очередь связаны с недостаточной разработкой теории пригодной для автоматического моделирования и алгоритмизации процессов многоступенчатой обработки свободными абразивами.

В настоящее время в технологии машиностроения еще не достаточно разработаны аналитические зависимости связывающие параметры обрабатываемой детали со структурой и режимами многоступенчатых процессов обработки свободными абразивами. Технологическое проектирование таких процессов является комплексной научной проблемой, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки, оптимизации и отбора вариантов.

Решению некоторых из этих задач посвящена настоящая работа.

Рассмотрена микротопографическая модель шероховатости поверхности и на ее основе разработаны модели съема металла при единичном взаимодействии абразивной гранулы с поверхностью детали и удаления металла с поверхности детали в процессе обработки.

Получены закономерности формирования параметров шероховатости поверхности в процессе обработки деталей свободными абразивами.

В результате комплексных экспериментальных исследований установлена адекватность теоретических зависимостей.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации многоступенчатых технологических процессов обработки свободными абразивами.

Разработан блок САПР ТП многоступенчатой обработки свободными абразивами. Предложенный расчетный блок может быть включен составной частью

в известные и вновь разрабатываемые САПР ТП обработки свободными абразивами.

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Донского государственного технического университета.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Сущность и технологические возможности методов обработки

свободными абразивами

Развитие современного производства ставит задачи повышения производительности труда и качества изделий в различных отраслях промышленности. Обработка деталей абразивными инструментами является одним из путей реализации этой задачи в машиностроительном производстве. Возможность достижения требуемой точности и качества деталей при высокой производительности, повышение надежности и долговечности машин в процессе эксплуатации способствуют непрерывному росту объема абразивных операций в современном машиностроении. Разработка новых технологических процессов, способствующих повышению качества деталей является одной из наиболее важных задач повышения эффективности производства.

Абразивная обработка по виду применяемого режущего инструмента делится на обработку закрепленным абразивом (шлифование, хонингование и т.д.) и свободными абразивами. Обработка свободными абразивами включает вибрационную обработку (ВиО), центробежно-ротационную обработку (ЦРО), струйно-абразивную обработку (CAO), турбоабразивную обработку (ТАО), обработку свободным абразивом уплотненным инерционными силами (ОСАУИС), магнитно-абразивную обработку (МАО).

В настоящее время большее распространение получили методы обработки закрепленным абразивом. Эти методы обеспечивают высокую производительность и геометрическую точность деталей, низкую шероховатость поверхности и возможность обработки высокотвердых материалов. К их недостаткам можно отнести ограниченность форм обрабатываемых поверхностей. Динамика взаимодействия абразивного зерна с поверхностью детали в процессе обработки

закрепленным абразивом, рассмотренная в работах многих исследователей, обуславливает ухудшение физико-механических свойств и появление нежелательных структурных превращений в поверхностном слое деталей. Шлифовальные круги требуют периодической правки, что приводит к повышенному расходу абразивных материалов.

Процессы обработки закрепленным абразивами исследованы достаточно подробно. В работах /10, 32, 39, 40, 41, 52, 53, 54, 56, 69, 122, 124, 125/, разработаны теоретические основы обработки связанным абразивом и методика выбора технологических режимов. В опубликованных работах содержатся сведения о свойствах и оптимальных методах использования абразивов при чистовых операциях обработки деталей различных конфигураций, проведена систематизация материалов, содержащихся в стандартах, отраслевых нормах и технологической литературе. Для применения методов в конкретных производственных условиях изданы справочники и нормативы режимов резания. Имеется ряд разработок в области оптимизации технологических режимов резания при обработке закрепленным абразивом /39, 40, 54, 69/. Современные САПР ТП позволяют автоматизировать проектирование процессов обработки закрепленным абразивом /67, 73, 76, 77, 81, 82, 92, 114/.

Применение методов обработки свободными абразивами связано со стремлением удешевить окончательную обработку и отделить режущий инструмент от державки, шпинделя и станка, что делает возможным обработку поверхностей сложной формы.

К преимуществам обработки свободными абразивами можно отнести более полное использование режущей способности зерен за счет равномерного распределения их режущих кромок относительно обрабатываемых поверхностей и их переориентации в процессе обработки. Имея сравнительно простые кинематические схемы оборудования методы обработки свободными абразивами позволяют осуществлять обработку деталей сложной конфигурации, в больших размерных диапазонах, из различных материалов. Особенности обработки дета-

лей свободными абразивами позволяют получить высокое качество поверхности без нежелательных дефектов (прижогов, микротрещин и структурных изменений).

Используя широкие технологические возможности методов обработки свободными абразивами можно осуществлять операции шлифования, полирования, удаления заусенцев и облоя, скругления острых кромок, упрочнения и нанесения покрытий, производить комбинированную и многоступенчатую обработку.

Применение многоступенчатой обработки особенно эффективно, когда необходимо достигнуть высокого качества обработанной поверхности деталей с грубой исходной шероховатостью. Обычно на первых ступенях обработки интенсивно удаляют основную часть припуска, а на последних ступенях обеспечивают высокое качество поверхности за счет изменения режимов обработки и зернистости рабочей среды.

При этом общее время обработки может быть значительно сокращено, несмотря на дополнительные затраты времени при переходе от одной ступени обработки к другой.

Оптимизация технологических процессов многоступенчатой обработки свободными абразивами являестя весьма сложной задачей.

Для решения задачи оптимизации технологического проектирования многоступенчатых процессов обработки свободными абразивами необходимо проанализировать физико-технологические особенности рассматриваемых методов.

Наиболее распространенным методом обработки свободными абразивами является вибрационная обработка. Она представляет собой механический или химико-механический процесс (для комбинированных методов) съема металла и его окислов с обрабатываемой поверхности, сглаживания микронеровностей путем их пластического деформирования.

Обработка происходит в рабочей камере, заполняемой рабочей средой требуемой характеристики. Рабочая камера, установленная на упругой подвеске, может колебаться в различных направлениях (рис 1.1). Привод рабочая камера по-

лучает от инерционного вибратора с частотой до 50 Гц и амплитудой в диапазоне от 0,5 до 8 мм. В процессе обработки, детали и частицы рабочей среды относительно перемещаются, совершая два вида движений: колебательное и вращательное. Последнее заключается в циркуляционном движении всей массы загрузки.

Механизм динамического воздействия абразивных частиц на обрабатываемую деталь обеспечивает удержание ее во взвешенном состоянии, исключая грубые забоины и повреждения, что позволяет обрабатывать детали малой жесткости. Циркуляция массы загрузки позволяет производить обработку во всех зонах рабочей камеры с небольшой разницей по эффективности процесса.

Большинство операций ВиО производится с непрерывной или периодической подачей технологической жидкости (ТЖ), что обеспечивает удаление продуктов износа, смачивает детали и среду, помогает разделению и равномерному распределению деталей в рабочей среде, способствует охлаждению обрабатываемой детали.

К преимуществам ВиО можно отнести возможность обработки различных по размерам деталей, хорошие условия для удаления стружки и шлама. ВиО позволяет одновременно обработать большое количество деталей различных размеров и жесткости без закрепления.

Основными технологическими факторами являются амплитуда и частота колебаний, характеристики рабочей среды, материала детали и время обработки.

Используя различные сочетания амплитуды и частоты колебаний рабочей камеры и абразив различной зернистости при многоступенчатой ВиО, можно получить заданную шероховатость поверхности за более короткий промежуток времени. При разработке многоступенчатого ТП следует учитывать время на изменение амплитуд и частот, сепарацию массы загрузки при замене абразива или использовании на следующей ступени другого метода обработки свободными абразивами.

Способ объемной центробежно-ротационной обработки заключается в том, что гранулированная обрабатывающая среда и детали приводятся во вращательное движение вокруг вертикальной оси таким образом, что приобретают форму тора, в котором частицы движутся по спиральным траекториям. Тороидально-винтовой поток обеспечивается конструкцией рабочей камеры станка (рис. 1.2), состоящей из неподвижной обечайки и примыкающего к ней вращающегося ротора, имеющего в наиболее распространенном варианте форму тарелки.

Обрабатываемые детали загружаются в рабочую камеру "внавал" и перемещаются вместе с рабочей средой. Относительное перемещение и взаимодействие абразивных гранул и деталей, смачиваемых жидкостью, непрерывно подаваемой в рабочую камеру, обеспечивает съем металла. ЦРО могут обрабатываться детали с достаточной для исключения деформации в тороидально-ви