автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимизация процесса плоского шлифования штампов и пресс-форм радиоэлектронной промышленности

На правах рукописи

Лгалов Владимир Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 о;<г 2013

005536763

Иркутск-2013

005536763

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Солер Яков Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Янюшкин Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»;

Беломестных Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ПТТАиС ФГКОУ ВПО «ВСИ МВД России»

ОАО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения», г. Иркутск

Защита состоится «21» ноября 2013 года в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.02 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

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 В.М. Салову e-mail: salov@istu.edu Автореферат разослан «18» октября 2013 г.

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

В.М. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Плоское шлифование получило широкое распространение при финишной обработке деталей штампов холодной листовой штамповки (ХЛШ) и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс. В радиоэлектронной промышленности они применяются для изготовления деталей реле, переключателей, разъемов, соединителей и др. В настоящее время наблюдается тенденция к миниатюризации этих изделий, что приводит к ужесточению технологических регламентов к штампам и пресс-формам. В частности этапе плоского шлифования необходимо добиться стабильного получения плоскостности опорных базовых и рабочих поверхностей формообразующих деталей по 5 - 6 квалитету точности и шероховатости поверхности в пределах /?а ё [ОД; 0,2] мкм. Для того, чтобы учесть эти требования при технологической подготовке производства, необходимо осуществить комплексную оптимизацию процесса по критериям микротвердости, макро- и микрорельефа. Традиционные математические методы оптимизации позволяют реализовать управление по одному критерию оптимизации, который может быть комплексным с детерминированным заданием параметров качества. Для управления процессом по мерам положения и рассеяния необходима реализация многокритериальной оптимизации с возможностью гибкого изменения критериев оптимизации, законов их достижения и приоритетов между ними. В области абразивной обработки и, в частности, плоского шлифования редко используют адекватные зависимости, позволяющие с высокой надежностью моделировать процесс. Как правило, существующие модели получены методом пассивного эксперимента и представлены только для высотных параметров микрорельефа, съема металла, износа шлифовальных кругов и мошности шлифования. К сожалению, шаговые параметры, опорная длина профиля и макрорельеф остаются вне зоны интересов исследователя. Не уделяется достаточного внимания и изменчивости обработки. Не предложены пути повышения точности параметрических моделей в случае неоднородных внутригрупповых дисперсий и отклонений наблюдений от нормального распределения. Применение универсальной модели шлифования связанным абразивом, базирующейся на физике контактных взаимодействий зерна и обрабатываемой поверхности, весьма затруднительно ввиду невысокой точности подобных решений. Для абразивной обработки характерна стохастическая природа протекания процесса. Это обусловлено рядом характерных особенностей, а именно: изменчивостью физико-механических свойств абразивных материалов; существенным разнообразием форм и размеров абразивных зерен в пределах основной фракции зернистости и связанным с этим рассеянием радиусов округлений и углов заострения режущих кромок; неориентированным расположением абразивных зерен в черепке инструмента в осевом и радиальном направлениях; разбросом физико-механических свойств связки; случайным характером размеров и расположения пор. Ввиду этих причин моделирование процесса плоского шлифования целесообразно вести с привлечением методов математической статистики.

Цель работы. Оптимизация технологической подготовки процесса сухого плоского шлифования формообразующих деталей штампов и пресс-форм.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1.Для повышения эффективности технологической подготовки плоскошлифовальных операций выполнить поиск регрессионных зависимостей между элементами режима резания и параметрами качества поверхностного слоя.

2. Для более гибкого управления процессом реализовать поиск поправочных коэффициентов, учитывающих влияние характеристик абразивного инструмента, марки материала и технологических приемов.

3. Повысить точность прогнозирования откликов путем применения непараметрических методов статистики.

4. Уточнить роль межпереходных припусков в формировании микротвердости, макро- и микрогеометрии поверхности при плоском маятниковом шлифовании деталей штампов и пресс-форм.

5. На базе полученных моделей реализовать многокритериальную оптимизацию процесса плоского шлифования, позволяющую гибко варьировать приоритеты в зависимости от стадии обработки и требуемого качества поверхности деталей штампов и пресс-форм с учетом изменчивости абразивной обработки.

6. Повысить робастность путем выбора подходящего плана эксперимента и минимизации дисперсий параметров качества поверхностного слоя.

7. Для расширения представлений о формировании микрорельефа при плоском шлифовании изучить влияние технологических факторов на опорную длину профиля и шаговые параметры микрорельефа.

8. Разработать мероприятия по повышению стабильности формирования параметров качества при плоском шлифовании операционной партии деталей.

9. С целью обеспечения бездефектной обработки изучить особенности формирования микротвердости прошлифованной поверхности исследуемых сталей в зависимости от условий проведения операции шлифования.

10. Оценить эффективность использования высокопористого инструмента, в том числе из микрокристаллического корунда.

Методы исследования. Работа базируется на научных основах технологии машиностроения, теории шлифования металлов, инженерии поверхности, теории планирования эксперимента, математической статистике и теории оптимизации.

Научная новизна работы:

1. Получены модели многомерного дисперсионного анализа с постоянными факторами (I МДА) для точечных и интервальных оценок параметров микротвердости, макро- и микрорельефа деталей штампов и пресс-форм при плоском маятниковом шлифовании без СОЖ.

2. Решена задача повышения точности прогнозирования параметров качества поверхности при плоском шлифовании путем введения коэффициента, учитывающего отклонение распределений случайной величины от нормальности и гомоскедастичности.

3. Получены поправочные коэффициенты к базовым моделям I МДА, расширяющие область их применения для различных этапов шлифования и структуры операции.

4. Дана оценка эффективности сухого шлифования плоских поверхностей деталей штампов и пресс-форм высокопористым инструментами из белого и микрокристаллического корунда.

5. Решена задача многокритериальной оптимизации процесса плоского шлифования деталей штампов и пресс-форм по мерам положения и рассеяния. При этом в качестве целевых функций (ЦФ) выступают модели I МДА с наложенными на них ограничениями, а движение к оптимуму реализуется при помощи симплекс-метода.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть рекомендованы к внедрению в инструментальных цехах и на предприятиях, занимающихся изготовлением штампов холодной листовой штамповки и пресс-форм. Разработаны оптимальные режимы для плоского шлифования базовых и рабочих поверхностей формообразующих деталей штампов ХЛШ и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс с учетом заданных параметров микротвердости, макро- и микрогеометрии обработанной поверхности. Они представлены в виде технологических рекомендаций (ТР) по проектированию операций плоского шлифования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модели I МДА точечных и интервальных оценок процесса по критериям качества поверхностного слоя, включающие в себя в виде переменных факторов продольную и поперечную подачу, глубину резания, а также межпереходный припуск и их значимые взаимодействия первого-четвертого порядков.

2. Решение задачи многокритериальной оптимизации плоского шлифования деталей штампов и пресс-форм, обеспечивающей высокую стабильность процесса и гибкое регулирование приоритетов целевых функций при различных начальных и конечных ограничениях, обусловленных технических требованиями к качеству плоских поверхностей деталей штампов и пресс-форм.

3. Возможность применения непараметрических методов статистики, свободных от ограничений какого-либо семейства распределений и нечувствительных к гетероскедастичности, с целью повышения точности прогнозирования моделей I МДА и интерпретации опытных данных.

4. Технологические рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности плоского шлифования рабочих и базовых поверхностей деталей штампов ХЛШ и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях: «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2009, 2010, 2012); «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010); «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2011); «Машиностроение - традиции и инновации» (Томск, 2011); «Международный научный форум студентов, аспирантов и

молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона» (Владивосток, 2012); «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» (Иркутск, 2012, 2013); «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2012); «Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования» (Пенза, 2012).

Достоверность полученных результатов подтверждена путем реализации физического эксперимента и сравнения опытных величин с прогнозируемыми.

Внедрение результатов работы. Результаты работы используются на ОАО «Иркутский релейный завод». Спроектированные операции плоского шлифования базовых и рабочих поверхностей формообразующих деталей штампов и пресс-форм позволили до 2,5 раз увеличить производительность шлифования и обеспечить стабильное получение параметров качества деталей, регламентированных в конструкторской документации. За счет повышения точности базовых поверхностей матриц удалось снизить вспомогательное время на электроэрозионной операции, при формировании рабочих окон матриц вырубных штампов. Благодаря оптимизации операции плоского шлифования формообразующих деталей пресс-форм из стали 40X13 удалось исключить из ТП их изготовления покрытие хромом и полирование.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 статей, в том числе четыре в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, и одна в российском переводном журнале на английском языке, входящем в систему Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, шесть глав, общие выводы, список литературы и приложения. Основные материалы работы зафиксированы на 172 страницах с 47 таблицами и 61 рисунком, библиографический список насчитывает 198 источников и, также 4 приложения. Общий объем диссертации - 184 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, представлены объект и методы исследования, научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ литературных источников отечественных и зарубежный исследователей по темам обеспечения качества деталей штампов и пресс-форм при плоском шлифовании и оптимизации процессов абразивной обработки. Приведены основные требования к качеству поверхности и точности формы (TFE) плоских рабочих и базовых поверхностей формообразующих деталей штампов ХЛШ (табл. 1) и пресс-форм (табл. 2).

Таблица 1

Требования к качеству поверхности формообразующих деталей штампов

Вид операции Точность блока штампа по ГОСТ 13139-74

2-й и 3-й класс 1-й класс (прецизионный блок)

TFE R„, мкм Rmax, мкм TFE R„, мкм Rmax, МКМ

Разделительная TFE6-TFE7 0,2 - 0,4 1,25-3,0 TFE5-TFE6 0,1 - 0,2 0,63 - 1,25

Гибочная TFE7 0,4 5,0 TFE6 0,1-0,2 0,63 - 1,25

Вытяжная TFE7 0,1 - 0,2 0,63 - 1,25 TFE6 0,012-0,1 0,16-0,63

Таблица 2

Требования к качеству поверхности формирующих деталей пресс-форм

Тип формы Точность блока и форма деталей

нормальной точности для деталей простой формы повышенной точности для деталей сложной формы

TFE Rai МКМ Rmax, МКМ Srm МКМ TFE Ra, МКМ Rmax, МКМ Sт. МКМ

Литье под давлением, прямое прессование TFE6 0,1-0,2 0,63-1,25 25-80 TFE5 0,05-0,1 0,32-0,63 25-80

Показан существенный вклад отечественных и зарубежных ученых:

A.К. Байкалова, Ю.М. Зубарева, С.Н. Корчака, З.И. Кремня, Г.Б. Лурье, Ю.М. Маслова, В.А. Носенко, А.Н. Резникова, Э.В. Рыжова, В.А. Сипайлова,

B.К. Старкова, И.Х. Стратиевского, А.Г. Суслова, JI.B. Худобина, A.B. Якимова, П.И. Ящерицына, С.С. Силина, В.М. Шумячера, A.C. Янюшкина, I. Inasaki, М. Jackson, F. Klocke, S. Malkin, I.D. Marinescu, W.B. Rowe, E. Uhlmann в развитие теоретических основ и практики абразивной обработки. Сформулирована цель исследования и предложены пути ее достижения.

Из проведенного анализа литературных источников следует:

1. Обеспечение качества поверхностей деталей штампов XJIIII и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс на этапе плоского шлифования является актуальной задачей.

2. Разработка эффективных методов моделирования и оптимизации технологического процесса является одной из главных задач, подлежащих решению для реализации адаптивного управления процессом обработки на станках с ЧПУ.

3. Выявлены существенные проблемы в реализации многокритериальной оптимизации процессов абразивной обработки. Практически отсутствуют решения, позволяющие гибко управлять приоритетами целевых функций.

4. Установлено, что при определении (выборе) целевых функций оптимизации недостаточное внимание уделено вопросам формирования шагового микрорельефа в продольном направлении и опорной длины профиля при плоском шлифовании.

5. Отсутствует методика проверки мощности параметрических статистик и не предложены пути выхода из ситуации, когда межгрупповые дисперсии неоднородны и (или) распределения наблюдений не аппроксимируются кривой Гаусса.

6. Крайне скудны сведения о генезисе погрешностей формы при плоском шлифовании. Отсутствуют зависимости, адекватно раскрывающие их формирование на этапах шлифования.

7. Недостаточно раскрыты особенности плоского многопроходного шлифования периферией абразивного круга. Отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору межпереходного припуска.

8. Слабо изучены особенности абразивной обработки специализированных сталей для формообразующих деталей штампов (Х12, Х12МФ и др.) и пресс-форм (40X13,95X18 и др.).

9. Скупо освещен вопрос плоского шлифования инструментальных сталей без применения СОЖ. Практически отсутствует информация о фазовых и структурных превращениях в высокохромистых полутеплостойких сталях и коррози-онностойких сталях мартенситного класса, происходящих вследствие высоких контактных температур в рабочей зоне шлифовального круга.

10. Отсутствует информационная база данных, позволяющая реализовать автоматизированный выбор абразивного инструмента и режима шлифования плоских деталей штампов и пресс-форм на основе многокритериального управления процессом.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов статистического анализа экспериментальных данных, теории планирования эксперимента и многокритериальной оптимизации откликов.

Для поиска зависимостей между входными (элементы режима резания) и выходными (параметры качества) параметрами процесса использованы методы регрессионного анализа. Полученные модели I МДА оценены на значимость, мощность, мультиколлинеарность, наличие выбросов и «влияющих» наблюдений.

В задачах прикладной статистики множества элементов представляющие независимые выборки I = 1; к равного объема V = 1; п, принято анализировать при помощи параметрических и непараметрических методов. Поиск прогнозируемых значений случайных величин (СВ), осуществлен согласно алгоритму, представленному на рис. 1.

ОднофаюорныИ дисперсионный анализ

Рис. 1. Алгоритм поиска ожидаемых значений случайной величины

8

Этапы 1-3 связаны с необходимостью выбора процедур для анализа влияния фактора. Известно, что параметрические статистики обладают наибольшей мощностью при выполнении двух условий к распределениям СВ: нормальности и гомоскедастичности. При их нарушении наибольшая эффективность анализа достигается при использовании непараметрических процедур, свободных от каких-либо ограничений.

После выбора наиболее эффективных методов интерпретации СВ переходят непосредственно к анализу изучаемого фактора. Этапы 4.1 и 5.1 параметрического и непараметрического одномерного дисперсионного анализа (ОДА) соответственно призваны выявить значимость влияния фактора на изучаемый параметр. Завершают анализ процедуры 4.2 (критерии множественного сравнения средних) и 5.2 (критерий Данна), позволяющие установить степень воздействия фактора на каждом уровне, иными словами выявить конкретные значимые разности мер положения (средних или медиан).

Таким образом, итоговая регрессия откликов принимает вид:

у = ДА; В; С; О) ■ кт ■ к, (1)

где /04; В; С; О) - базовая регрессия I МДА; кт - поправочный коэффициент, учитывающий погрешности параметрических статистик; к - произведение поправочных коэффициентов:

^ = к] = ка- к3- квр ■ кп ■ кВЫК ■ км, (2) 1 Х; = 1

учитывающих: ка - марку абразива, к, - зернистость круга; квр - врезание круга в деталь по схемам встречного и попутного шлифования; к„ - задание величины поперечной подачи на двойной и одинарный ходы; кыа - влияние выхаживающих проходов; км - марку материала детали. Их расчет для (1) и (2) реализован в соответствии с выражениями:

кт = (тУ;)/У)> = (ту;)/(пгу6аз), где тубаз - прогнозируемая медиана для базового способа шлифования; т^ -прогнозируемая медиана для сравниваемого варианта; У] - прогнозируемое среднее.

Для оценки стабильности процесса шлифования был использован коэффициент воспроизводимости процесса:

кзо = (5£>6аэ)/(5Д/), (3)

где 506аз и БО] - стандартные отклонения для базового и сравниваемого вариантов соответственно. При к50 < 1 базовая схема обработки отличается меньшей изменчивостью, а при к5В > 1 более стабильным признается альтернативное решение.

В третьей главе приведен классификатор исследуемых деталей штампов и пресс-форм радиоэлектронной промышленности. Рассмотрены условия проведения физического эксперимента и проанализированы данные, полученные по его итогам.

На Иркутском релейном заводе (ОАО «ИРЗ») применяют штампы с габаритными размерами матриц от 50 х 50 мм до 250 * 250 мм. По итогам изучения

новейшей оснастки для производства миниатюрных герметичных реле РЭК-83 и РЭК-100 и малогабаритных переключателей МПН-2 выявлена тенденция к уменьшению размеров матриц до 50-120 мм. Большинство вырубных пуансонов имеют фасонную форму с площадью плоской торцовой поверхности -40-150 мм2. Однако встречаются и простые пуансоны прямоугольного и цилиндрического сечения. По результатам анализа конструкторской документации пресс-форм, используемых на ОАО «ИРЗ», выделено две типовые группы деталей. При изготовлении оси с ротором малогабаритного переключателя, вилки и розетки цилиндрического соединителя применяются вставки цилиндрической формы с плоской торцовой поверхностью. Площадь шлифуемой поверхности составляет 25^100 мм2. При изготовлении деталей розеток типа КС широко применяются плоские знаки толщиной 1-8 мм и соотношением длина-ширина 20 х 20 мм - 50 х 50 мм, количество которых в сборном пуансоне достигает 46 штук.

Использованы образцы цилиндрической формы D х L = 40 х 40 мм из сталей: Х12 (HVKCX 788,55), Х12МФ (ЯКИСХ 790,39) и У8А (HVKCX 672,97) - для деталей штампов ХЛШ; ХВГ (ЯКИСХ 665,88) и 40X13 (ЯКИСХ 542,36) - для деталей форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс. Образцы шлифовали «по одному», что объясняется широкой номенклатурой и малой повторяемостью исследуемых деталей, характерными для единичного типа производства. Шлифование вели без применения СОЖ абразивными инструментами формы и размеров 1 250 * 20 х 76 по ГОСТ Р 52781-2007 следующих характеристик: 95А F46 L 6 V20; 25А F46 L 6 V20; 95А F60 L 6 V20; 95А F90 L 6 V20; 92А/25А F46 L 6 V20; 25А F46 L 10 У5-КФ35; 25А F60 М 10 У5-ПО и зарубежными кругами 09А F46 Н 8 V86 («MoleMab», Италия) 5SG F60 К 12 VXP («Norton», США).

Изучение микрорельефа поверхности деталей осуществляли по параметрам, представленным в ГОСТ 25142-82, в двух взаимно ортогональных направлениях (q = 1;2), параллельных векторам подач: 1 - s„ (fiQ(i), t40(i> и т- Д-); 2 - 5пр (Ra(2), ^40(2) и т. д.) с помощью системы на базе профилографа-профилометра мод. 252 завода «Калибр». Величины высотного и шагового микрорельефа также оценены KB по ГОСТ 2789-73. Макрогеометрия поверхности в соответствии с ГОСТ 24642-81 изучалась по отклонениям от прямолинейности (EFLp.cp = 0°;360°) и плоскостности (EFE) и регламентировалась допусками TFL и TFE соответственно. В качестве средства измерения отклонений от прямолинейности использован микрокатор 2-ИПМ (ТУ 2-234-229-89) с ценой деления 1 мкм. Применение среднего элемента взамен прилегающей прямой привело к появлению двух частных видов отклонений: + EFLv — выпуклости и — EFLfp - вогнутости. Квалитет геометрической точности детали окончательно оценивали параметром EFE, который получен как скалярная сумма максимального и минимального отклонений от прямолинейности EFLp, <р — 0°; 360 Поля допусков отклонений формы приняты для нормальной относительной геометрической точности по ГОСТ 24643-81: TFL = 0,6Г;

ТРЕ = 0,67", где Т- поле допуска на размер детали. Измерение микротвердости ЯК вели согласно ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3.

Для прогнозирования моделей I МДА параметров качества деталей выбран трехуровневый £)-оптимальный план эксперимента с числом опытов N = 38 при числе повторений каждого опыта п = 3, диапазон варьирования независимых факторов которого приведен в табл. 3.

Таблица 3

Натуральные и нормированные факторы Р-оптимального плана

Уровни Факторы

факторов .?11п, м/мин. (А) .чт мм/дв. ход (В) *,мм(О г, мм (В)

+ 1 18 12 0,02 0,3

0 12 6,5 0,0125 0,2

- 1 6 1 0,005 0,1

Технологические условия для проведения ОДА: ук = 35 м/с, лпр = 7 м/мин., = 1 мм/дв. ход, / = 0,015 мм, г = 0,15 мм, по встречной схеме врезания круга в деталь, без выхаживающих проходов.

В четвертой главе представлен поиск моделей I МДА для мер положения и рассеяния параметров качества поверхности в количестве 128 штук с помощью методов наименьших квадратов (НК-оценок) и максимального правдоподобия (МП-оценок). Полученные регрессии включают в себя значимые факторы и их взаимодействия вплоть до 4-го порядка. В качестве примера ниже приведена следующая модель МП-оценок:

Да( 1) = ехр(—0,85 + 0Д6Л + 0,78В + 0Д2С + 0,092£> - 0Д1Л2 -

- 0,4В2. +0,15Л2£> - 0,12В02 - 0,097С2Я). ( '

Из (4) видно, что на величину Яа(1) значимо влияют все исследуемые факторы и часть взаимодействий, позволяющих существенно повысить точность прогнозирования. Из анализа коэффициентов регрессии можно заключить, что наибольшее влияние на среднеарифметическое отклонение профиля оказывает поперечная подача (В). Наибольшие величины шаговых параметров микрорельефа в направлении q = \ прогнозируются при максимизации поперечной подачи (яп = 12 мм/дв. ход). Для средних шагов неровностей в продольном направлении выявлено значительное влияние межпереходного припуска. Его изменение от г = 0,3 мм (£> = + 1,0) до 2 = 0,1 мм(Д = - 1,0) позволяет снизить $т(2) на 1 КВ. Дисперсии шаговых и высотных параметров микрорельефа минимизируются при переходе от чернового к чистовому режиму шлифования. Для высотных параметров различие между их максимальной и минимальной величинами достигает трех порядков. Подробный анализ моделей позволяет изучить влияние каждого фактора. Например, установлено, что дисперсия 5т(2) имеет локальный максимум при А = — 0,5 (5пр = 9 м/мин.), а на участке А £ (— 0,5; + 1,0] монотонно убывает, достигая минимального значения при А = + 1,0 (л'пр =18 м/мин.). Вплоть до настоящего времени практически не изучена связь опорной длины профиля с элементами режима резания при плоском шлифовании. На значимо влияют многие взаимодействия факторов второго

и третьего порядка (см. рис. 2), что открывает возможности отыскания на поверхности точек локального максимума, увеличивающего несущую способность деталей штампов.

Так, из рис. 2, а видно, что наилучшим решением для одновременной максимизации £70щ и производительности шлифования будет выбор С = + 1,0 (? = 0,02 мм) и £> £ [- 0,5; 0,0] (г £ [0,15; 0,2] мм). При анализе рис. 2, Ь выявляется существенное влияние межпереходного припуска на формирование опорной длины профиля в продольном направлении.

-иГмр

а) Ъ)

Рис. 2. Влияние глубины (С) и припуска (О) на поверхности отклика 170^чу.

а — ^ = 1; 6 — <у = 2

Полученные модели ЁТЬ^.ф — 0°; 360 ° обусловлены силовыми взаимодействиями в технологической системе (ТС) «абразивный круг-деталь». Повышение нормальной силы шлифования Ру ведет к минимизации зазора в опорах качения шпиндельного узла. Максимум Ру и соответственно натяга в ТС отмечается на рабочих ходах круга при ср = 240°; 300 Поэтому в указанных сечениях ср наблюдаются положительные экстремумы функции Я/7^. Для ср = 150°; 210° ожидаемые завалы поверхности обуславливаются минимизацией натяга в системе. Минимальные средние дисперсии отклонений от прямолинейности ^(БТ7/,.) предсказаны при В = - 1,0 (5П = 6 мм/дв. ход) и £> = - 1,0 (г = 0,1 мм), а продольная подача (А) и глубина шлифования (С) не оказали существенного влияния на их вариацию. Установлено, что с ростом величины припуска и числа проходов имеют место фазовые и структурные изменения в поверхностном слое деталей. Последнее обусловлено накоплением тепла в подповерхностных слоях при многопроходном шлифовании. Эффективное управление величинами подач позволяет минимизировать разупрочнение поверхности, т. е. рост интенсивности теплового потока компенсируется ускорением перемещения его источника. Так, из рис. 3 видно, что одновременная минимизация продольной (А) и поперечной (В) подач ведет к существенному

разупрочнению поверхности, связанному с частичным распадом мартенсита на бейнит. При этом варьирование фактора В до 0,0 (5П = 6,5 мм/дв. ход) позволяет работать с любой величиной А (5ПР)-

-1,0 -0,5 0,0 +0,5 +1,0 А

Рис. 3. Анализ влияния продольной и поперечной подачи на микротвердость поверхности на чистовом этапе обработки (С = О = - 1,0) при:

1 -В=- 1,0; 2-В =0,0; 3-В = +1,0

Пятая глава включает в себя поиск поправочных коэффициентов, учитывающих влияние технологических приемов, материала формообразующих деталей штампов и пресс-форм и характеристик шлифовального круга. Для оценки стабильности обработки рассчитаны коэффициенты к50 (3). Установлено, что оптимальное число выхаживающих проходов равно двум. Это позволяет на 1 КВ снизить высотный микрорельеф, до 1,25 раза повысить стабильность его формирования, до 1,65 повысить воспроизводимость формирования опорной длины профиля и на 1 квалитет снизить отклонения от плоскостности. Дальнейшее повышение числа выхаживаний не оказало существенного влияния на качество поверхности, однако снизило производительность процесса. Встречная схема врезания круга в деталь обеспечивает благоприятное увеличение опорной длины профиля до 4,8 %. Однако, при попутном шлифовании высотный микрорельеф снижается на 1 КВ, а отклонение от плоскостности на 1 квалитет. Задание поперечной подачи в мм на двойной ход стола повышает стабильность формирования средних шагов в продольном направлении в 1,64 раза и опорных длин профиля до 1,37 раз. Задание подачи в мм на одинарный ход стола позволяет снизить изменчивость высотного микрорельефа в поперечном направлении до 1,29 раза.

Наилучшими по критериям качества поверхности и стабильности обработки являются инструменты из хромотитанистого электрокорунда 95А ¥А6 Ь 6 У20. Применение кругов на основе белого электрокорунда марки 25А негативно сказывается на теплонапряженности процесса. Снижение зернистости от Р46 до Б90 ведет к разупрочнению поверхности и практически не улучшает микро-

рельеф. Отечественные высокопористые круги следует рекомендовать для операций предварительного шлифования, где определяющую роль играет максимизация съема металла. Высокопористый инструмент из синтеркорунда 5SG F60 К 12 VXP фирмы «Norton» по критерию макро- и микрорельефа занимает промежуточное положение между отечественными ВПК и кругами 6-7 структуры.

По итогам сравнения наблюдаемых и прогнозируемых величин продемонстрирована высокая сходимость результатов. Разница между Ra(i) и ^а(1)мдд составляет 2,74 %, а между аналогичными Rmax - 1,66 %. По шаговым параметрам (S(2) и Sm(q)) наблюдаемые величины на одну KB меньше прогнозируемых У;ода и У;мда- Расхождение между у; и у;Мдд по отклонениям от плоскостности составило 0,61 мкм. Ожидаемое у;мдд микротвердости на 3,78 % меньше наблюдаемого.

В шестой главе представлены результаты многокритериальной оптимизации плоского шлифования рабочих и базовых поверхностей формообразующих деталей штампов и пресс-форм радиоэлектронной промышленности с использованием модифицированной интегральной функции толерантности, реализованной в программной среде State-Ease Design-Expert 8.0.5. В качестве целевых функций применялись модели I МДА мер положения и рассеяния, с наложенными на них ограничениями. Выбор критериев оптимизации осуществлен с учетом технологических регламентов, предъявляемых к рабочим и базовым поверхностям деталей штампов и пресс-форм. Решены вопросы назначения величины межпереходного припуска и функции, поддерживающей его на требуемом уровне.

В табл. 4 приведены два решения оптимизации по мерам положения при начальных условиях: Ra(i) = 0,2 мкм из множества (0,125; 0,2] мкм, ^max(i) = 1»25 мкм, и2с (0,8; 1,25] мкм, £р(ч) -* max, р = 20 %; 80 %, q = 1; 2, TFE6, U3S (0; 10] мкм с ограничением варьирования микротвердости в пределах HV е [740; 800]. Их выполнение позволяет рекомендовать полученные режимы для чистового шлифования плоских базовых и рабочих поверхностей разделительных, гибочных и формовочных штампов с блоками 1-го класса точности, а также вытяжных штампов с блоками 2-го и 3-го классов. Первое решение характеризуется максимальной величиной функции толерантности (d = 0,6406 «хорошо») и меньшими значениями параметров микрорельефа. Для второго показана меньшая величина d = 0,5936 «удовлетворительно» и большие значения параметров Ra и Rmax- Однако, второй вариант характеризуется существенно большей производительностью. Для него также предсказано отклонение от плоскостности EFE = 3,53 мкм (TFEA), т. е. на 2 квалитета точнее, чем inn} = 7,85 мкм (TFE6) у первого решения. При сопоставлении дисперсий sz(Ra(1)) и s2(Rmax(1)) установлено, что их величины для первой оптимизации в 1,71 и 5,48 раз меньше. Таким образом, имеется возможность выбора решений по критериям наибольшей производительности процесса и минимума мер положения и рассеяния микрорельефа.

Таблица 4

Выборочные результаты оптимизации шлифования матриц и пуансонов __прецизионных штампов_

d Технологические факторы Прогнозируемые параметры

0,6406 inp = 12,68 м/мин. (А = + 0,114) sn= 1,0 мм/дв. ход (В = - 1,0) / = 0,0061 мм (С = -0,859) г = 0,1 мм (£> = - 1,0) Ка(1)0,13(0,16), Rmaxil)0,99(1,0), 5m(1)39,7 (40), ¿20(1)10,9, ¿40(1)39,85, ¿60(1)73,38, ¿80(1)92,15, До(2)0,09(0,1), Sm(2)75,63(80), t20(2)ll,97, ¿40(2)36,88, t60(2) 74,36, i80(2) 95,33, EFE 7,85 (TFE6), HV 769,554, s2(ßa(1))0,0007, s2OWm)0,031

0,5936 snp = 12,37 м/мин. (А = + 0,062) s„ = 1,68 мм/дв. ход (В = - 0,877) / = 0,0195 мм (С = + 0,927) г = 0,1 мм (£> = - 1,0) Яа(1)0,2(0,2), /?majt(1) 1,25(1,25), Sm(1)48,3(50), t2om 12,14, ¿40(1)37,23, ¿60(1)69,96, t8O(1)92,05, Яа(2)0,1(0,1), 5m(2)86,21(100), ¿2o(2)9,96, ¿40(2)36,52, 57,65, ¿60(2)73,21, t80(2)92,82, EFE 3,53 (TFE4), fiV 765,334, s2(fla(1))0,0012, S2(Rmaxm)0M

Примечание. Относительные опорные длины Ьр в %, дисперсии в мкм2, остальные параметры в мкм; для параметров микрорельефа в скобках даны значения в КВ по ГОСТ 2789-73; для отклонений от плоскостности - квалитеты точности по ГОСТ 24643-81

С целью снижения вариабельности микрорельефа реализована оптимизация (см. табл. 5), в которую дополнительно включены критерии s2(ßa(ц) -» min и s2(Äjna*(i)) min . В сравнении с первым решением (табл. 4) она позволила дополнительно снизить указанные дисперсии в 1,25 и 3,6 раза соответственно. Эту оптимизацию следует признать наилучшей для чистового шлифования плоских рабочих и базовых поверхностей формообразующих деталей разделительных, гибочных и вытяжных штампов с блоками 2-го и 3-го класса по ГОСТ 13139-74 и в некоторых случаях прецизионных разделительных и гибочных штампов.

Таблица 5

Выборочные результаты оптимизации шлифования матриц и пуансонов

прецизионных штампов с минимизацией дисперсий

d Технологические факторы Прогнозируемые параметры

0,6523 snp = 13,97 м/мин. (А = + 0,329) sn= 1,0 мм/дв. ход (В = - 1,0) /=0,0058 мм (С = -0,892) г = 0,1 мм (D = - 1,0) Ка(1)0,14(0,16), йтах(1)1,01 (1,25), 5т(1)39,77(40), , t20(1) 11,02, ¿40(1)40,12, ¿60(1)73,46, ¿80(i)92,l, Ка(2)0,09(0,1), 5т(2)77,34(80), ¿5(2)2,08, ¿20(2)12,36, ¿40(2)36,75, ¿60(2)74,38, t80(2)93,33, EFE 7,85 (TFE6), fiV 781,251, s2(ßa(1))0,00056, s2(Rmaxm) 0,0086

Для подтверждения достоверности оптимизации реализован физический эксперимент, в рамках которого прошлифованы образцы из стали XI2 на режиме: vкp = 35 м/с, 5Пр = 13,97 м/мин. (А = + 0,329), 5„ = 1,0 мм/дв. ход (В = - 1,0), / = 0,0058 мм (С = - 0,892), г = 0,1 мм (I) = -1,0) с п = 30. Результаты

позволяют утверждать о высокой сходимости прогнозируемых и экспериментальных данных. Наблюдаемые средние высотных параметров микрорельефа в поперечном направлении демонстрируют несколько большие величины, чем прогнозируемые аналоги: Да(1)0,14 < (1)0,15 на 6,67 %. Однако, они укладываются в диапазон одной КВ. Их продольные параметры (д = 2) на одну КВ меньше ожидаемых. По средним шагам в продольном и поперечном направлениях наблюдается одинаковая тенденция: $т^ > (на 7,92 % (39,77 мкм и 36,85 мкм) для д = 1 и на 9,86 % (77,34 мкм и 70,4 мкм) для д = 2). Их вариация также не превысила одной КВ. По опорным длинам профиля в направлении <7 = 1 предсказаны несколько меньшие величины, а для д = 2 прогнозируемые отклики больше наблюдаемых. Следует отметить, что существенное расхождение (4,84 %) отмечено только для С40(2)- Последнее объясняется слабой корреляцией опорных длин профиля с параметрами режима резания. При сравнении у, и У1 для отклонений от плоскостности (7,85 мкм и 8,07 мкм) и микротвердости (781,25 и 783,98) получены практически идентичные результаты. Предсказанная дисперсия 52(йа(!)) отличается от наблюдаемой на 0,00004 мкм2 (на 6,67 %), что говорит об эффективности управления стабильностью обработки. Для параметра наблюдаемые меры рассеяния в 4,65 раза больше прогнозируемых, что связано с критерием /^-оптимальности моделей.

Также в главе приведены оптимизации для рабочих и базовых плоских поверхностей формообразующих деталей пресс-форм, предназначенных под покрытие хромом. В этом случае к указанным выше критериям оптимальности добавляется 5т(2)- Продемонстрировано, как совместное применение моделей (2) и поправочных коэффициентов (3) позволяет получать детали заданного качества.

По итогам работы сформированы ТР по выбору абразивного инструмента и технологии шлифования рабочих деталей штампов и пресс-форм для внедрения в инструментальном цехе ОАО «ИРЗ». Так, при плоском шлифовании базовой поверхности матрицы (80 х 80 мм) из стали Х12МФ штампа осадки основания реле РЭК-100 необходимо добиться отклонения от плоскостности по ТГЕ6 и шероховатости Яа = 0,2 мкм. Принятая на заводе операция плоского шлифования базовой поверхности матрицы предполагает обработку за два перехода. Первый со снятием припуска г = 0,3 мм на режиме: 5пр =12 м/мин. 5П = 0,5 мм/ход, I = 0,1 мм. Второй при г = 0,05 мм на режиме: 5пр = 10 м/мин., 5П = 0,5 мм/ход, / = 0,005 мм. Шлифование ведется без СОЖ и выхаживающих проходов кругом 25А Б46 Ь 6 У20. По заводскому технологическому процессу обеспечиваются следующие параметры качества обработанной поверхности: Да = 0,14 мкм, ЕРЕ = 22,5 мкм (ТРЕ1), НУ 743. Многокритериальная оптимизация рекомендуемым нами абразивным кругом 95А ¥46 Ь 6 У20 без СОЖ и выхаживающих проходов позволила получить следующие результаты: Яа = 0,2 мкм, ЕРЕ = 7,0 мкм (ТЕЕ5), НУ 771 - на режиме: 5пр = 12,5 м/мин., ,уп = 12 мм/дв. ход, / = 0,013 мм, г = 0,3 мм - на получистовом этапе шлифова-

ния; 5пр = 15 м/мин., 5П = 2 мм/дв. ход, t = 0,02 мм, г = 0,1 мм - на чистовом этапе. В результате операционное время снижено в 2,5 раза.

Для рабочих поверхностей пуансона осадки (9,25 х 4,15 мм, сталь Х12МФ) основания реле РЭК-100 необходимо обеспечить отклонение от плоскостности по ТГЕ6 и шероховатость 7?а = 0,16 мкм. Нами предложен чистовой режим: .?пр = 14 м/мин., = 1 мм/дв. ход, / = 0,006 мм, г = 0,1 мм с двумя выхаживающими проходами, который гарантирует параметры качества поверхности: Яа = 0,13 мкм, ЕЕЕ = 4,0 мкм (ТГЕб), НУ 780. Этот режим также можно рекомендовать для шлифования базовых и рабочих поверхностей знаков из стали ХВГ формы литья под давлением корпуса розетки КС-3. При снижении 5пр до 9 м/мин. и назначении попутной схемы врезания круга заданные технические регламенты обеспечиваются для знаков из стали 40X13, что позволяет исключить из ТП их изготовления операции хромирования и полирования.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Решены задачи моделирования и многокритериальной оптимизации сухого плоского шлифования базовых и рабочих поверхностей деталей штампов ХЛШ и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс. Это позволило прогнозировать меры положения и рассеяния параметров качества деталей с учетом их служебного назначения при ограничении по микротвердости. Разработаны оптимальные режимы плоского шлифования этих деталей.

2. Реализация ¿»-оптимального плана эксперимента с варьированием факторов на трех уровнях позволила снизить эллипсоид рассеяния ошибок при определении коэффициентов регрессии и повысить точность предсказания откликов внутри факторного пространства, что особенно важно в условиях ро-бастного проектирования шлифовальных операций.

3. Установлено, что наибольшая эффективность анализа экспериментальных данных обеспечивается при использовании непараметрических методов статистики. В связи с этим рассчитаны медианные поправочные коэффициенты к моделям IМДА, повышающие точность прогнозирования откликов.

4. Включение в модели I МДА наряду с традиционными элементами режима резания межпереходного припуска позволило повысить точность прогнозирования. Установлено, что изменение величины межпереходного припуска от г = 0,1 до г = 0,2 мм на чистовом этапе плоского шлифования позволяет снизить отклонения от плоскостности на 1 квалитет, средние шаги неровностей в продольном направлении на 1 КВ и повысить опорную длину профиля. В частности, при р = 70 % от 82 % до 85 %. Его возрастание на чистовом этапе плоского шлифования до г = 0,3 мм не желательно, т. к. ведет к температурным дефектам поверхности.

5. Получены поправочные коэффициенты к базовым моделям I МДА, учитывающие влияние выхаживающих проходов, схем задания поперечной подачи и врезания круга в деталь, марки обрабатываемого материала и характеристик кругов из различных электрокорундов, в том числе иностранного производства 5БО и 09А на параметры качества исследуемых деталей.

6. По совокупности точечных и интервальных оценок параметров качества чистовое шлифование плоских базовых и рабочих поверхностей деталей штампов и пресс-форм следует вести инструментом на основе хромотитанисто-го электрокорунда 95А F46 L 6 V20.

7. Проанализирована эффективность применения высокопористых инструментов и кругов на основе микрокристаллического корунда SG фирмы «Norton». По критерию отклонения от плоскостности в сравнении с отечественными ВПК круг 5SG F60 К 12 VXP демонстрирует повышение точности на 1 - 2 квалитета.

8. Для высокопористых шлифовальных кругов выявлен потенциал к повышению производительности съема металла при сохранении требуемой микротвердости обработанной поверхности, что позволяет рекомендовать их для предварительного шлифования базовых поверхностей матриц.

9. Изучена изменчивость абразивной обработки по коэффициентам kSD, стандартам отклонений, интерквантильным широтам (у0,75 - Уо.гэ) и Дисперсиям s2. Установлено, что оптимизация с привлечением интервальных оценок позволяет снизить изменчивость процесса по критерию высотного микрорельефа на три порядка, шагового - в 20,7 раза, макрорельефа - в 1,9 раза.

10. Установлено, что оптимальное число выхаживающих проходов равно двум и позволяет на 1 KB снизить высотный микрорельеф, до 1,25 раза повысить стабильность его формирования, до 1,65 повысить воспроизводимость формирования опорной длины профиля и на 1 квалитет снизить отклонения от плоскостности. Встречная схема врезания круга в деталь обеспечивает благоприятное увеличение опорной длины профиля до 4,8 %. При попутном шлифовании высотный микрорельеф снижается на 1 KB, а отклонение от плоскостности на 1 квалитет. Задание поперечной подачи в мм на двойной ход повышает стабильность формирования средних шагов в продольном направлении в 1,64 раза и опорных длин профиля до 1,37 раз. Выбор подачи в мм на одинарный ход гарантирует снижение изменчивости высотного микрорельефа в поперечном направлении до 1,29 раза.

11. Адекватность результатов моделирования и оптимизации доказана путем сравнения ожидаемых и экспериментальных точечных и интервальных оценок процесса. По высотным параметрам микрорельефа максимальное расхождение между наблюдаемыми и прогнозируемыми величинами составило 6,67 %, по шаговым - 9,86 %, по отклонениям от плоскостности - 3 %, по микротвердости обработанной поверхности - 3,78 %.

12. По итогам работы сформированы технологические рекомендации плоского шлифования рабочих и базовых поверхностей деталей штампов и пресс-форм, которые позволили повысить производительность процесса в 2,5 раза. За счет оптимального проектирования операции плоского шлифования и применения стали 40X13 в качестве материала формирующих деталей пресс-форм изменена структура ТП их изготовления, т. к. это позволило отказаться от операций хромирования и полирования покрытия. Полученные рекомендации применяются на ОАО «Иркутский релейный завод».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Лгалов В.В. Оценка режущих свойств абразивных кругов различной пористости по критерию точности формы плоских деталей штампов из стали Х12 / Я.И. Солер, В.В. Лгалов, А.Б. Стрелков // Металлообработка. - СПб.: Изд-во «Политехника», 2012. - № 1 (67). - С. 5-10.

2. Лгалов В.В. Изучение микротвердости формообразующих деталей штамповой оснастки при абразивном шлифовании / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Вестник ИрГТУ. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. - № 7 (66). - С. 48-54.

3. Лгалов В.В. Прогнозирование качества рабочих поверхностей деталей пресс-форм при абразивном шлифовании по критерию микрорельефа / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // СТИН. - М.: Издательский дом МИСиС, 2012. - № 9. -С. 20-27.

4. Лгалов В.В. Робастное проектирование плоского шлифования рабочих деталей штампов / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Вестник ИрГТУ. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. - № 6 (77). - С. 33-40.

В российских переводных журналах:

5. Lgalov V.V. Predicting the surface microrelief of press-mold components in abrasive grinding / Ya.I. Soler, V.V. Lgalov // Russian Engineering Research. -2013. - № 4 (33). - P. 229-235.

В прочих изданиях:

6. Лгалов В.В. Влияние абразивных кругов нормальной и высокой пористости на микротвердость штампов из стали Х12 / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. ст. 10-й МНТК. -Брянск: БГТИА, 2009. - С. 112-115.

7. Лгалов В.В. Выбор абразивных кругов нормальной и высокой пористости по критериям микрорельефа формообразующих деталей штампов / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. ст. 12-й МНТК. - Брянск : БГТИА, 2010. - С. 105-110.

8. Лгалов В.В. Макрогеометрия деталей пресс-форм при шлифовании абразивными кругами различных характеристик / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Современные технологии в машиностроении : сб. ст. XIV-й МНПК. - Пенза: АНОО ПДЗ, 2010. - С. 101-106.

9. Лгалов В.В. Прогнозирование макрогеометрии деталей штампов при абразивном шлифовании / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе : сб. мат-лов 9-й ВНПК. - Новосибирск: НГТУ, 2011. - С. 85-88.

10. Лгалов В.В. Микротвердость деталей штампов и пресс-форм из стали ХВГ при плоском шлифовании кругами различной пористости / В.В. Лгалов //

Машиностроение — традиции и инновации : сб. тр. Всерос. молодежной конф. — Томск: ТПУ, 2011. - С. 224-229.

11. Лгалов В.В. Выбор абразивных кругов по критерию макрогеометрии деталей штампов из стали Х12 / В.В. Лгалов // Материалы международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихокеанского региона. - Владивосток : Инженерная школа ДВФУ, 2012. -С. 679-683.

12. Лгалов В.В. Качество поверхности деталей штампов из сталей Х12 и Х12МФ при абразивном шлифовании / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Жизненный цикл конструкционных материалов : сб. ст. П-й Всерос. конф. с междунар. участием. - Иркутск: ИрГТУ, 2012 - С. 227-235

13. Лгалов В.В. Влияние схемы продольной подачи на качество поверхности плоских деталей штампов при маятниковом шлифовании / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. ст. 16-й МНТК. - Брянск: БГТИА, 2012. - С. 97-102.

14. Лгалов В.В. Микрорельеф поверхности рабочих деталей штампов и пресс-форм из стали ХВГ при абразивном шлифовании / В.В. Лгалов // Материалы П-й МНПК студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны». - Пенза: ПГУ, 2012. - С. 562-567.

15. Лгалов В.В. Прогнозирование шаговых параметров микрорельефа поверхности деталей штампов из стали Х12 при абразивном шлифовании / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования: сб. ст. ХУП-й МНТК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 78-82.

16. Лгалов В.В. Оптимизация процесса плоского шлифования рабочих деталей разделительных штампов / Я.И. Солер, В.В. Лгалов // Жизненный цикл конструкционных материалов : сб. ст. Ш-й Всерос. конф. с междунар. участием. - Иркутск: ИрГТУ, 2013 - С. 57-65.

Подписано в печать 16.10.2013. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Зак. 148. Поз. плана Юн.

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

д

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лгалов Владимир Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Я.И. Солер

Иркутск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ.................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................7

ГЛАВА 1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИ...............12

1.1 Качество поверхности деталей штампов при плоском

шлифовании..................................................................................12

1.2 Качество поверхности деталей пресс-форм при плоском

шлифовании..................................................................................17

1.3 Подходы к оптимизации процесса шлифования.................................19

1.4 Цель и задачи исследования.............................................................35

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ.............................................38

2.1 Методы поиска ожидаемых мер положения и рассеяния.........................38

2.1.1 Параметрические методы интерпретации случайных величин................38

2.1.2 Непараметрический дисперсионный анализ......................................41

2.1.3 Оценка вариабельности процесса..................................................43

2.1.4 Многомерный дисперсионный анализ с использованием.....................44

2.1.4.1 Планы, использованные для описания поверхности отклика..............44

2.1.4.2 Поиск параметрических моделей с использованием методов наименьших квадратов и максимального правдоподобия............................47

2.2 Многокритериальная оптимизация поверхности отклика.........................52

2.3 Поправочные коэффициенты к базовым моделям IМДА.........................55

Выводы по главе...................................................................................56

ГЛАВА 3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ И

ПРЕСС-ФОРМ..................................................................................57

3.1 Классификатор шлифуемых деталей штампов и пресс-форм..................57

3.2 Условия проведения физического эксперимента.................................62

3.3 Оценка достоверности экспериментальных данных.............................68

Выводы по главе..................................................................................71

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ ИЗ СТАЛИ Х12.......................72

4.1 Поиск базовых моделей I МДА.......................................................72

4.2 Прогнозирование параметров микрорельефа деталей штампов...............76

4.3 Прогнозирование параметров макрорельефа деталей штампов...............86

4.4 Микротвердость деталей штампов из стали Х12.................................91

Выводы по главе..................................................................................97

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ...............................................99

5.1 Изучение влияния выхаживающих проходов на микротвердость, макро- и микрорельеф поверхности.................................................................99

5.2 Выбор варианта задания поперечной подачи....................................106

5.3 Исследование схемы врезания круга в деталь...................................109

5.4 Влияние марки обрабатываемого материала на макро- и микрорельеф поверхности.................................................................................112

5.5 Исследование влияния материала абразивных зерен на микротвердость, макро- и микрорельеф поверхности.....................................................117

5.6 Изучение влияния выбора зернистости абразивного инструмента на микротвердость, макро- и микрорельеф поверхности......................................119

5.7 Сравнение абразивных кругов стандартной и высокой пористости........121

5.8. Сравнение результатов МДА и ОДА по мерам положения..................125

Выводы по главе................................................................................126

ГЛАВА 6. РОБАСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ....................129

6.1 Многокритериальная оптимизация плоского шлифования формообразующих деталей штампов...........................................................................129

6.2 Многокритериальная оптимизация процесса плоского шлифования формообразующих деталей пресс-форм...............................................146

6.3 Технологические рекомендации для проектирования плоскошлифовальных

операций деталей штампов и пресс-форм..................................................148

Выводы по главе.................................................................................150

Выводы по работе.............................................................................152

Библиографический список...................................................................155

Приложение А Модели I МДА 95A F46 L 6 V20 - Х12.................................173

Приложение Б Поправочные коэффициенты к моделям МДА........................178

Приложение В Акт внедрения результатов исследования в производство.........183

Приложение Г Акт об использовании результатов работы в учебном процессе.. 184

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВПК - высокопористый круг;

ДА - дисперсионный анализ;

КВ - категориальная величина;

ММП - метод максимального правдоподобия;

МНК - метод наименьших квадратов;

ОДА, МДА - одномерный и многомерный ДА соответственно; СВ - случайная величина; СК - сумма квадратов; СКО - стандартное отклонение; ТО - технологическая операция; ТР - технологические рекомендации; ТС - технологическая система; ХЛШ - холодная листовая штамповка; ЦФ - целевая функция; df - число степеней свободы; с1]Е- число степеней свободы ошибки; М85 - СК модели; МБ - средний квадрат; МЖ - средний квадрат ошибки; СК остатков; - сумма квадратов (СК); Ж-общая СК;

Ж - стандарт (СКО) наблюдения; ЗОЕ - стандарт (СКО) ошибки; г?кр - скорость круга, м/с; 52 - дисперсия выборки;

5Пр - продольная подача, м/мин; 5П - поперечная подача, мм/дв.ход, мм/ход; t - глубина шлифования, мм; У1 - отклик 1-й функции;

У1 - наблюдаемое среднее отклика /-й функции; У1 - прогнозируемое среднее отклика /-й функции; У1 - наблюдаемая медиана отклика г'-й функции; ту1 - прогнозируемая медиана отклика г-й функции; а2 - дисперсия генеральной совокупности.

ВВЕДЕНИЕ

Плоское шлифование получило широкое распространение при финишной обработке деталей штампов холодной листовой штамповки (ХЛШ) и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс. В радиоэлектронной промышленности они применяются для изготовления деталей реле, переключателей, разъемов, соединителей и др. В настоящее время наблюдается тенденция к миниатюризации этих изделий, что приводит к ужесточению технологических регламентов к штампам и пресс-формам. Для того, чтобы учесть эти требования при технологической подготовке производства, необходимо осуществить комплексную оптимизацию процесса по критериям микротвердости, макро- и микрорельефа. Традиционные математические методы оптимизации позволяют реализовать управление по одному критерию оптимизации, который может быть комплексным с детерминированным заданием параметров качества. Для управления процессом по мерам положения и рассеяния необходима реализация многокритериальной оптимизации с возможностью гибкого изменения критериев оптимизации, законов их достижения и приоритетов между ними. В области абразивной обработки и, в частности, плоского шлифования редко используют адекватные зависимости, позволяющие с высокой надежностью моделировать процесс. Как правило, существующие модели получены методом пассивного эксперимента и представлены только для высотных параметров микрорельефа, съема металла, износа шлифовальных кругов и мощности шлифования. К сожалению, шаговые параметры, опорная длина профиля и макрорельеф остаются вне зоны интересов исследователя. Не уделяется достаточного внимания и изменчивости обработки. В отечественной практике регрессионные модели не проходят проверку на наличие выбросов и «влияющих» наблюдений. Не предложены пути повышения точности параметрических моделей в случае неоднородных внутригрупповых дисперсий и отклонений наблюдений от нормального распределения.

Для эффективного управления технологией абразивной обработки необходимо обладать обширной информацией с базовыми моделями шлифования для

параметров качества и поправочными коэффициентами, учитывающими особенности реализации операции.

В первой главе реализован анализ литературных источников отечественных и зарубежный исследователей по темам обеспечения качества деталей штампов и пресс-форм при плоском шлифовании и оптимизации технологических процессов абразивной обработки. Приведены основные требования к качеству поверхности и точности плоских поверхностей формообразующих деталей штампов. Это позволило сформулировать цель работы и наметить пути её достижения.

Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей статистической обработки данных, теории планирования эксперимента и многокритериальной оптимизации откликов.

В третьей главе представлен классификатор исследуемых деталей. Приведены условия проведения натурного эксперимента и использованные средства технологического оснащения. Проанализированы данные, полученные по итогам эксперимента.

В четвертой главе представлен поиск моделей НК и МП оценок многомерного дисперсионного анализа с постоянными факторами для средних величин и дисперсий параметров микротвердости, макро- и микрорельефа. Рассмотрена методика проверки моделей на наличие выбросов, адекватность, мощность, мульти-коллинеарность и наличие влияющих (атипичных) наблюдений. Полученные модели позволили глубоко проанализировать процесс шлифования с учетом производительности процесса и качества получаемых деталей. При этом выявлена значимость величины межпереходного припуска в управлении качеством деталей.

В пятой главе выполнен поиск поправочных коэффициентов, учитывающих воздействие выхаживающих проходов, реализации поперечной подачи в мм на двойной и одинарный ход стола, встречной и попутной схемы шлифования, а также марки материала и характеристик круга. Для оценки стабильности обработки рассчитаны коэффициенты к3й. Также получены медианные поправки, позволяющие минимизировать негативное влияние гетерогенности дисперсий и отклонений распределений СВ от нормальной кривой.

Шестая глава включает в себя робастное проектирование процессов плоского шлифования формообразующих деталей штампов и пресс-форм с учетом их конструктивных требований и технологические рекомендации по повышению эффективности операции сухого плоского шлифования.

Цель работы. Оптимизация технологической подготовки процесса сухого плоского шлифования формообразующих деталей штампов и пресс-форм.

Объект исследования. Процесс плоского маятникового шлифования применительно к формообразующим деталям штампов и пресс-форм.

Методы исследования. Работа базируется на научных основах технологии машиностроения, теории шлифования металлов, инженерии поверхности, теории планирования эксперимента, математической статистике и теории оптимизации.

Научная новизна работы:

1. Получены модели многомерного дисперсионного анализа с постоянными факторами (I МДА) для точечных и интервальных оценок параметров микротвердости, макро- и микрорельефа деталей штампов и пресс-форм при плоском маятниковом шлифовании без СОЖ.

2. Решена задача повышения точности прогнозирования параметров качества поверхности при плоском шлифовании путем введения коэффициента, учитывающего отклонение распределений случайной величины от нормальности и гомоскедастичности.

3. Получены поправочные коэффициенты к базовым моделям I МДА, расширяющие область их применения для различных этапов шлифования и структуры операции.

4. Дана оценка эффективности сухого шлифования плоских поверхностей деталей штампов и пресс-форм высокопористым инструментами из белого и микрокристаллического корунда.

5. Решена задача многокритериальной оптимизации процесса плоского шлифования по мерам положения и рассеяния. При этом в качестве целевых функций выступают модели I МДА с наложенными на них ограничениями, а движение к оптимуму реализуется при помощи симплекс-метода.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть рекомендованы к внедрению в инструментальных цехах и на предприятиях, занимающихся изготовлением штампов холодной листовой штамповки и пресс-форм. Разработаны оптимальные режимы для плоского шлифования базовых и рабочих поверхностей формообразующих деталей штампов ХЛШ и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс с учетом заданных параметров микротвердости, макро- и микрогеометрии обработанной поверхности. Они представлены в виде технологических рекомендаций (ТР) по проектированию операций плоского шлифования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модели I МДА точечных и интервальных оценок процесса по критериям качества поверхностного слоя, включающие в себя в виде переменных факторов продольную и поперечную подачу, глубину резания, а также межпереходный припуск и их значимые взаимодействия первого-четвертого порядков.

2. Решение задачи многокритериальной оптимизации плоского шлифования деталей штампов и пресс-форм, обеспечивающей высокую стабильность процесса и гибкое регулирование приоритетов целевых функций при различных начальных и конечных ограничениях, обусловленных технических требованиями к качеству плоских поверхностей деталей штампов и пресс-форм.

3. Возможность применения непараметрических методов статистики, свободных от ограничений какого-либо семейства распределений и нечувствительных к гетероскедастичности, с целью повышения точности прогнозирования моделей I МДА и интерпретации опытных данных.

4. Технологические рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности плоского шлифования рабочих и базовых поверхностей деталей штампов ХЛШ и форм литья под давлением и прямого прессования пластмасс.

Достоверность полученных результатов подтверждена путем реализации физического эксперимента и сравнения опытных величин с прогнозируемыми.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях:

«Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2009, 2010, 2012); «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010); «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2011); «Машиностроение - традиции и инновации» (Томск, 2011): «Международный научный форум студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона» (Владивосток, 2012); «Жизненный цикл конструкционных материалов» (Иркутск, 2012, 2013); «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2012); «Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования» (Пенза, 2012).

Внедрение результатов работы. Результаты работы используются на ОАО «Иркутский релейный завод». Скорректированные ТП плоского шлифования базовых и рабочих поверхностей формообразующих деталей штампов и пресс-форм позволили до 2,5 раз увеличить производительность шлифования и обеспечить стабильное получение параметров качества деталей, регламентированных в конструкторской документации; снизить вспомогательное время на электроэрозионной операции, при формировании рабочих окон матриц вырубных штампов. Также благодаря применению формообразующих деталей пресс-форм из стали 40X13 удалось отказаться от их хромирования.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 статей, в том числе четыре в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, и одна в российском переводном журнале на английском языке, входящем в систему Scopus.

Структура и объем работы: Диссертация включает в себя введение, шесть глав, общие выводы, список литературы и приложения. Основные материалы работы зафиксированы на 172 страницах, с 47 таблицами и 61 рисунком, библиографический список насчитывает 198 источников и также 4 приложения. Общий объем диссертации - 184 страницы.

ГЛАВА 1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ ПРИ ПЛОСКОМ

ШЛИФОВАНИИ

1.1 Качество поверхности деталей штампов ХЛШ при плоском шлифовании

Методом плоского шлифования обрабатываются следующие поверхности формообразующих деталей штампов ХЛШ: плоские базовые поверхности матриц, сопрягаемые плоскости сборных матриц, плоские базовые и рабочие поверхности пуансонов [54,83,93]. Основные технологические регламенты к рабочим поверхностям этих деталей представлены в табл.1.1 [14,22,27,29,32,48,54,83,86,93,94,101, 112]. Для базовых поверхностей матриц и пуансонов важнейшим является соблюдение отклонения от плоскостности ТРЕ1-ТРЕ6 по ГОСТ 24643-81 [25].

Таблица 1.1

Требования к качеству рабочих поверхностей деталей штампов

Вид операции Точность блока штампа по ГОСТ 13139-74

2-й и 3-й класс 1-й класс (прецизионный �