автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности алмазного выглаживания за счет управления динамикой процесса

На правах рукописи

Ханукаев Максим Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛМАЗНОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ПРОЦЕССА

Специальность: 05.02.07 —«Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2014

005555588

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ).

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор, зав. каф. «Автоматизация производственных процессов» ФГБОУ ВПО ДГТУ Заковорот-ный Вилор Лаврентьевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Тольят-тинского государственного университета Драчев Олег Иванович; Кандидат технических наук, доцент каф.«Машиностроение»Армавирского механико-технологического института (филиал Кубанского государственного технологического университета» Пучкин Владимир Николаевич Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Волгоградский государ-

ственный технический университет

Защита диссертации состоится « 7 » октября 2014 г. в 10:00часов на заседании диссертационного совета Д212.058.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан « 2 » июня 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ Бурлакова В.Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение изготовления деталей, удовлетворяющих требуемому качеству, является одной из основных задач машиностроительного производства. В связи с повышением требований к качеству таких деталей, все более широкие перспективы применения, на завершающей стадии технологического процесса изготовления, приобретает операция алмазного выглаживания.Этот способ обработки обеспечивает благоприятное, с позиции эксплуатационных свойств, сочетание параметров шероховатости,микротвердости, величины и характера распределения технологических остаточных напряжений при изготовлении широкого круга ответственных деталей. Таких как штоки, валы, оси и др., выполняемых, как правило, из высокопрочных сталей, и работающих в условиях высоких скоростей, повышенного износа и циклических нагрузок. Исследованию процесса алмазного выглаживания посвящены работы Я. И. Бараца, В. Ю. Блюменштейна, В.М., Драчева О.И., Кузнецова, И. И. Мамаева, А. И. Маркова, Д. Д. Папшева, В. М. Смелянского, В. М. Торбило, Л. А. Хворостухина, Г. И. Чекина и др. Однако, в этих работахпрактически отсутствуют системные исследования динамики алмазного выглаживания, в которых рассматривается единство проблем устойчивости траекторий движения алмазного инструмента, его возмущений, выбора параметров инструмента и технологических режимов, основанных на особенностях динамики. Диссертационное исследование посвящено анализу и синтезу динамических и конструктивных параметров инструмента, а также управлению динамикой алмазного выглаживания в единстве обеспечения устойчивости и управления реакцией системы на кинематические и силовые возмущения с целью повышения качества изготовления деталей, прежде всего, улучшения шероховатости. Этот тезис определяет актуальность темы диссертационного исследования.

Степень разработанности проблемы.Несмотря на большое количество исследований, посвященных обработке методом выглаживания, до

настоящего времени практически отсутствуют работы, в которых рассматриваются проблемы его динамики в единстве устойчивости и возмущенного движения. Вопросы динамики процесса выглаживания ограничены исследованиями Кузнецова В.М., Горгоца Г.Г. и других. Кроме этого, частично, без раскрытия механизмов потери устойчивости, динамика процесса выглаживания затронута в работе Бобровского H.H.. В этих работах потеря устойчивости процесса связывается с гистерезисными характеристиками формирования сил контактного взаимодействия при движении наконечника в сторону заготовки и от неё. Во-первых, все исследователи отмечают, что при определенных усилиях нормального давления наблюдается потеря устойчивости и в системе развиваются автоколебания. В этом случае на поверхности обрабатываемой заготовки формируются регулярные следы, величина которых может превышать величину шероховатости исходной поверхности. Во-вторых, при малых силах контактного взаимодействия объем пластической деформации в области контакта алмазного наконечника с обрабатываемой заготовкой не позволяет сгладить те исходные микронеровности, которые существуют на необработанной поверхности. Поэтому все исследователи отмечают существование оптимальных значений внешних сил, при которых эффективность процесса максимальна. Наконец, процесс выглаживания сопровождается некоторым силовым шумом. Он обусловлен, например, периодическими изменениями рельефа поверхности обрабатываемой заготовки. На силовой шум оказывает также влияние особенности пластической деформации в зоне контакта, которая связана с периодическим формированием поверхностей скольжения в приповерхностной области. Наконец, на динамику процесса оказываю влияние параметры инструмента.

Проблемы устойчивости формируемых в окрестности равновесия многообразий и возмущенного движения, а также выбор рациональных технологических режимов и параметров инструмента при алмазном выглаживании, характеризуют дальнейшую стадию совершенствования знаний о процессе, что определяет место исследований диссертации.

4

Целью диссертационной работыявляется повышение эффективности процесса алмазного выглаживания за счет управления его динамическим качеством. Под эффективностью понимается, прежде всего, шероховатость поверхности. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1. Разработать математическую модель процесса выглаживания, учитывающую динамику взаимодействия подсистем алмазного инструмента и обрабатываемой заготовки через динамическую связь, формируемую процессом.

2. Разработать методику и выполнить параметрическую идентификацию динамической модели.

3. Изучить условия и механизмы потери устойчивости траектории формообразующих движений.

4. Выполнить изучение многообразий, формируемых в окрестностях траектории формообразующих движений, и их влияние на параметры качества процесса выглаживания.

5. Выполнить экспериментальные исследования спектральных характеристик процесса в зависимости от постоянных сил прижима индентора к заготовке и глубины внедрения алмаза в поверхность детали.

6. Разработать метод диагностирования качества и настройки технологической системы процесса по вибрационным характеристикам.

7. Предложить основные этапы выбора конструктивных и параметриче-скихособенностей инструмента для алмазного выглаживания, адаптированных к заданным условиям обработки.

8. Выполнить опытно-промышленную проверку эффективности динамической настройки системыалмазного выглаживания.

Объектом исследования является динамическая система процесса алмазного выглаживания, представляющая совокупность взаимодействующих через процесс обработки подсистем инструмента и заготовки, а также формируемый в процессе микрорельеф поверхности.

Предметом исследования являютсяфакторы, влияющие на состояние равновесия системы выглаживания, механизмы потери устойчивости траекто-

5

рий формообразующих движений, а также возмущенное движение алмазного наконечника. Все эти факторы дополнительно рассматриваются под углом зрения формируемого при алмазном выглаживании микрорельефа поверхности, а также конструктивных особенностей инструмента.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории колебаний, нелинейной динамике систем с конечным числом степеней свободы, теории дифференциальных уравнений, исследованиях процессов поверхностно-пластическим деформированием, а также на математическом моделировании на ЭВМ.

Экспериментальные исследования, выполненные на токарном станке, снабженном необходимыми измерительными преобразователями, связанными с ЭВМ, основаны на методах экспериментальной динамики.

Научная новизна диссертационного исследования.

1. Предложена и исследована математическая модель процесса выглаживания с учетом взаимодействия подсистем алмазного инструмента и заготовки через динамическую связь, формируемую процессом. На ее основе выявлены механизмы потери устойчивости, определены зависимости устойчивости от технологических режимов, конструктивных и параметрических свойств инструмента.

2. Изучена структура сил, формируемых в системе выглаживания, в том числе показано, что в процессе обработки естественным образом, в зависимости от параметров динамической связи, формируются диссипативные или ускоряющие, гироскопические и циркуляционныесилы, определяющие различные механизмы потери устойчивости.

3. Определены факторы, приводящие к потере устойчивости системы, предложена математическая модель, позволяющая изучать их влияние на траектории формообразующих движений.

4. Получены и проанализированы многообразия, формируемые в окрестностях траекторий формообразующих движений, и их влияние на параметры качества процессов выглаживания.

5. Проанализированы факторы, возмущающие равновесие системы, среди которых рассмотрены кинематические, определяемые точностью станка; силовые, обусловленные самим процессом пластического деформирования и вариациями геометрии обрабатываемой детали.Раскрыты закономерности преобразования этих возмущений в траектории движения вершины инструмента относительно обрабатываемой детали.

6. Изучены спектральные характеристики процесса выглаживания для различных технологических режимов, при варьировании параметров инструмента и условий обработки, позволившие предложить критерий настройки инструмента по сигналу виброакустической эмиссии.

Практическое значение диссертационного исследования.

1. Установлена связь параметров динамической системы процесса выглаживания с технологическим режимом (величина внедрения инструмента в заготовку, скорость выглаживания, величина продольной подачи).

2. Предложены рациональные параметры и конструктивные характеристики инструментов для алмазного выглаживания.

3. Разработан метод диагностирования качества и настройки технологической системы по вибрационным характеристикам.

4. Повышение эффективности процесса проиллюстрировано на примере выглаживания на станке Нааэ5Т-2055У поверхности вала опорного подшипника скольжения гентри компьютерного томографа (материал 1Ж8-051400, исходная шероховатость Яа=2,8 мкм). Усовершенствованный процесс внедрен на предприятии ЗАО «ДИАЛАЙН». Удалось гарантированно получать поверхность обрабатываемой детали с величиной микронеровности не вы-шеКа=0,15 мкм, что соответствует функциональным назначениям изделия.

Достоверность результатов исследований основывается на положениях теории устойчивости, теории колебаний и станковедения. Адекватность моделей динамики процесса обосновывается использованием основанных на методах экспериментальной динамики алгоритмах и методиках идентификации параметров математических моделей, а также на сравнении результатов расче-

7

тов с имеющимися данными по потере устойчивости и собственном сравнении теории с экспериментами.

Все исследования выполнены на кафедре «Автоматизация производственных процессов ДГТУ» на основании задания №2014/38 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (код проекта: 2964), а также по гранту РФФИ № 14-08-00206.

Личный вклад автора. Автором диссертации проведен ряд экспериментов по алмазномувыглаживанию, получены и проанализированы притягивающие многообразия, формируемые в окрестности точки равновесия, получены спектральные характеристики колебаний, сопровождающих процесс обработки. Предложены алгоритмы выбора технологического режима, самостоятельно выполнены идентификация параметров подсистемы алмазного выглаживающего инструмента и реакций со стороны процесса обработки, получены характеристики вероятности превышения уровней для различных алмазных наконечников, определена зависимость площади деформируемого слоя от деформационных смещений инструмента.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 6 работ (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Результаты исследований представлены на 175 страницах основного текста, включающего 99 рисунков. Библиографический список диссертации из 102 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, отмечена ее научная и практическая новизна и достоверность результатов.

В первой главе даются современные представления о динамике процесса алмазного выглаживания. Определяется место исследований в системе знаний, приводится анализ современного состояния исследования в области алмазного выглаживания (Я. И. Барац, В. Ю. Блюменштейн, И. И. Мамаев, А. И.

8

Марков, Д. Д. Папшев, В. М. Смелянский, В. М. Торбило, Л. А. Хворостухин, Г. И. Чекин и др.). Даны описания прочих методов поверхностно-пластического деформирования, определено место алмазного выглаживания среди них. Также приведено описание самого процесса выглаживания, особенностей формирования выглаженной поверхности и факторов, влияющих на ее качество. Сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится обоснованная математическая модель динамической системы выглаживания, алгоритмы и результаты идентификации параметров.Так как жесткость подсистемы инструмента на порядок меньше жесткости заготовки, то базовое уравнение динамики процесса выглаживания представляется в виде:

т^+к™1+сХ=Р[(Х0:1-Х,),с1Х,/Л], (1)

гдеХ={Х/,Х2}г — упругие деформационные смещения вершины

г тц т211 г/1^ й21]

та;т = |т12 т22] _ матРиЧа инерционных коэффициентов;« = ^ | -

матрица диссипативных коэффициентов; с = с21| — матрица жестко-

сти;^Х„., -Х,),аХМ]={Р,[(Хо,, -Х,)4Х,/с11], Г2[(Х,К1 -Х,)М№],}, -вектор-функция динамической связи, формируемой процессом выглаживания.

В главе описывается двухэтапная методика идентификации параметров динамической системы (1), основанная на методах экспериментальной динамики. На первом этапе идентифицируются параметры динамической системы инструмента без процесса выглаживания. На основе статических испытаний нагружения вершины инструмента и измерения деформационных смещений по отношению к несущей системе определяются матрицы жесткости. Затем, на основе анализа импульсных реакций системы, оцениваются матрицы инерционных и скоростных коэффициентов. На втором этапе оцениваются все эти параметры в процессе выглаживания и вычисляются матрицы скоростных коэффициентов и упругости собственно процесса. Это выполняется для каждой точки равновесия при увеличении внедрения алмазного наконечника в заго-

товку и при различных технологических режимах. Наконец, на основе алгоритмов скользящей линеаризации восстанавливаются и аппроксимируются нелинейные вектор-функции сил в координатах состояния системы, то есть определяются правые части системы (1).

Выявлены следующие основные особенности матриц динамической жесткости и скоростных коэффициентов в линеаризованном в окрестностях равновесия уравнении динамической связи:

- при увеличении внедрения непропорционально быстро, по квадратиче-скомузакону, возрастают элементы матриц жесткости;

- деформационные смещения в направлении скорости выглаживания практически не вызывают силовых реакций со стороны процесса резания, за исключением случая, когда наблюдаются изгибные деформационные смещения инструмента;

- элементы матрицы скоростных коэффициентов процесса определяются запаздывающими аргументами, определяющими запаздывания сил по отношению к деформационным смещениям, причем, запаздывание тангенциальных составляющих сил всегда больше запаздывания их нормальных составляющих.

При изучении динамики необходимо принимать во внимание возмущения, действующие на систему. Их можно разбить на две группы.

К первой группе относятся кинематические возмущения, которые, во-первых, связаны с отклонениями траекторий движения суппорта от заданной. Во-вторых, вариации tP0, это координата поверхности заготовки по отношению к статической уставке инструмента. Если обрабатываемая деталь является идеально круглой, и она установлена в зажимном приспособлении без погрешности по отношению к оси ее вращения, то tP0 = const. В противном случае *ЛО(0 = 'ло +<?о(<-т)> гДе 'ло - постоянная величина; t'^it-Т) - периодическая функция времени (Г- период вращения заготовки).

ю

Ко второй группе относится силовой шум, формируемый в зоне обработки. Он обусловлен особенностями формирования поверхностей скольжения в области пластической деформации поверхности заготовки.

В третьей главе определены и описаны основные механизмы потери устойчивости. Первый .«ехаштюпределяется преобразованием симметричной составляющей матрицы скоростных коэффициентов из положительно определенной в отрицательно определенную. Причем, это преобразование определяется, прежде всего, величинами запаздывающих аргументов в матрице скоростных коэффициентов. Кинетическая же характеристика, изменяющая коэффициенты ^21Х=И2 2-Ик 2 П Л, = /г, , - /г,. , , в суммарной матрице скоростных коэффициентов, лишь увеличивает преобразование положительно определенной матрицы скоростных коэффициентов в отрицательно определенную. Здесь Аил. ^,2,2 " коэффициенты, учитывающие влияние скорости относительного скольжения на тангенциальную составляющую силы резания.Второй механизм потери устойчивости обусловлен формированием циркуляционных сил. Причем потеря устойчивости в этом случае проявляется в форме прецессионных колебаний по направлению против часовой стрелки.

С помощь прямого цифрового моделирования получены и проанализированы притягивающие многообразия, которые формируются в окрестности точки равновесия. Рассмотрено два случая. Изгибнымидеформациями можно пренебречь. Тогда уравнение динамики:

При моделировании такой системы в пакете прикладных программ 81гтшПпк,

были получены притягивающие многообразия, формируемые в окрестности

точки равновесия, а так же определены области ее устойчивости в параметри-

11

I < ' I г 1 ,, ,г

~ + Кг + + + с2 2Х2

^(/-Г2) = ф2(0; Ф^аХ-Х,)2-, Ф^аАС-Х.У.

(2)

ческом пространстве.Пример областей устойчивости представлен на рис. 1. Здесь области, находящиеся выше приведенных кривых, соответствуют неустойчивому поведению системы в вариациях относительно точки равновесия.

Рис. 1. Области устойчивости:! - г™ = 30,0-мкм ;2 - (¡,0) = 20,0мкм ;3 - г^01 = 10,0мкм

Второй случай соответствует условию, когда необходимо учитыватьиз-гибные деформационные смещения инструмента.Тогда формируются дополнительные силы, пропорциональные деформационному смещению в направлении Хт. Здесь за счет образования положительной обратной связи область устойчивости существенно уменьшаетсяи трансформируется в область,представленную на рис. 2. Положительная обратная связь здесь образуется в связи с тем, что при увеличении сил, за счет изгибных деформационных смещений, вершина индентора смещается в сторону заготовки.

Отмечаются следующие наиболее важные особенности областей устойчивости равновесия в динамической системе процесса выглаживания.

1. На потерю устойчивости важное влияние оказывает величина запаздывающего аргумента. По мере увеличения запаздывающих аргументов уменьшается предельное значение параметров матрицы динамической жесткости, при которых система теряет устойчивость. В свою очередь, указанные

параметры зависят от технологических режимов. В частности, от скорости выглаживания, влияющей на величины запаздывающих аргументов.

Т х 10"3, с 2,0

1,5

1,0

0,5

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Кх 103, кг/мм

Рис. 2. Область устойчивости для случая, когда учитывается связь сил с изгибными деформационными смещениями инструмента

2. Области устойчивости зависят от предварительного смещения координаты вершины алмазного инструмента относительно поверхности заготовки Х10 . Причем, по мере уменьшения предварительного смещения область устойчивости, при прочих неизменных условиях, расширяется.Обнаружено, что на расположение границ областей устойчивости практически не влияют недиагональные элементы матрицы жесткости подсистемы инструмента.

3. На коэффициенты Кг = 2а1Лг^и К2 = 2а2Х{влияет величина подачи

/

на оборот SP{t)= |[F,(/)-v,(/)]ai (К3(г))- функция изменения скорости продоль-

<-70

ной подачи, v3(/)- функция изменения скорости продольных упругих деформационных смещений вершины). Здесь наиболее важным является случай установившегося состояния системы, когда V, = const и v, = 0. В этом случае, очевидно, S,, = const. Тогда площадь контакта поверхности алмазного нако-

jy.1'

,2'

5, м=в- •4'

нечника и заготовки возрастает при увеличении величины подачи. Следовательно, возрастают и коэффициенты К, и К2. Поэтому для повышения устойчивости процесса целесообразно уменьшать величину подачи. Однако, в случае, когда условие V, = const и v3=0 не выполняется, то параметры К, и К2 становятся функциями времени и в системе возможны различные параметрические явления, например, параметрическое самовозбуждение системы.

4. Площадь контакта алмаза с поверхностью заготовки зависит и от радиуса закругления индентора. Здесь необходимо выбирать компромисс. С одной стороны, при уменьшении радиуса запас устойчивости повышается. С другой, по мере уменьшения радиуса, в зависимости от предварительной обработки, вариации микронеровностей исходной поверхности могут быть соизмеримыми с диаметром алмазного наконечника, что вызывает дополнительные возмущения в системе. Более того, если исходная шероховатость поверхности сформирована чистовым точением, то в динамической системе возможно формирование эффекта, близкого к образованию потенциальной ямы. При всех случаях величина диаметра алмазного наконечника должна выбираться существенно больше, шага неровности на исходной поверхности.

Примеры траекторий, формируемых в окрестности равновесия, в случае, когда система устойчива, представлены на рис. 3. При потере устойчивости в системе формируются автоколебания (рис. 4). При достаточной добротности контура, возможны формирования притягивающих многообразий типа двумерного инвариантного тора (рис. 5). В результате, на поверхности обрабатываемой заготовки, формируются характерные периодические следы. Режимы обработки, при которых это происходит, являются недопустимыми.

УЛЛЛЛЛЛ

Рис. 4. Траектории типа устойчивый предельный цикл

Рис. 5. Траектории типа двумерный инвариантный тор.

В третьей главе также приводятся результаты экспериментального изучения вибраций выглаживающего инструмента и возмущений, действующих на систему.

В четвертой главе приведены рекомендации по выбору технологического режима и параметров выглаживающего инструмента, позволяющие увеличить запас устойчивости динамической системы выглаживания и повысить качество получаемой поверхности. Показано, что при алмазном выглаживании необходимо выбирать компромиссное решение на основе следующих противоречивых тенденций.

1. При выборе диаметра выступающей части алмаза необходимо учитывать, что при увеличении диаметра возрастает перекрытие неровностей предварительно обработанной поверхности. В результате не только усредняются предварительные неровности, но и усредняются их изменения по площади контакта, что фактически приводит к фильтрации высокочастотной составляющей силовых и кинематических возмущений. Одновременно при возрастании диаметра система становится более склонной к потере устойчивости точки равновесия.

2. При увеличении величины внедрения алмазного наконечника в заготовку устраняются остаточные геометрические неровности исходной поверхности детали. Однако в этом случае система может потерять устойчивость точки равновесия.

3. При увеличении скорости резания, с одной стороны, возрастает интенсивность силового и кинематического шума. С другой, - расширяется область устойчивости равновесия системы. Поэтому существует оптимальное значение скорости, при которой система является устойчивой и ее вибрационная активность удовлетворяет требованиям.

4. При увеличении подачи, с одной стороны, наблюдается фильтрация высокочастотной составляющей кинематических возмущений. С другой, - при возрастании подачи повышается склонность к потере устойчивости.

5. Рациональный выбор геометрии алмаза и технологических параметров необходимо дополнить выбором основных конструктивных элементов инструмента для процесса выглаживания. При этом необходимо учитывать, что диапазон линейности пружины должен существенно превышать диапазон вариаций припуска в заготовке с учетом погрешности ее установки. Кроме того, геометрические параметры подвижного, упруго поджатого наконечника должны иметь радиус вращения при изгибных деформациях больший, радиуса закругления выступающей части алмаза.

Повышение эффективности процесса проиллюстрированы на примере изготовления вала опорного подшипника скольжения гентри компьютерного томографа (материал и^-С51400, исходная шероховатость Ка=2,8 мкм). Усовершенствованный процесс внедрен на предприятии ЗАО «ДИАЛАЙН». Для процесса выглаживания выбран станок Наа58Т-2088У, который имеем кинематические возмущения, характеризуемые дисперсией скорости продольной подачи не большей, чем 0,1% от математического ожидания. Радиальные биения шпинделя не превышают (1,5 — 2,0) мкм. Установлены следующие рациональные параметры инструмента и технологические режимы:

- радиус закругления индентора - 7,0 мм;

-жесткость прижимной пружины - 10 кг/мм;

-линейный ход пружины - 5,0 мм;

- скорость выглаживания — 80 м/мин;

- сила выглаживания - 35КГС;

-величина продольной подачи - 0,05 мм/об.

Удалось гарантированно получать поверхность обрабатываемой детали с величиной микронеровности не выше!1а=0,15 мкм, что соответствует функциональным назначениям изделия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Поставленная в диссертационной работе цель, заключающаяся в улучшении микрорельефа поверхностей деталей после алмазного выглаживания за

17

счет управления его динамическим качеством, достигнута. В ней выполнены системные экспериментально теоретические исследования, направленные на обеспечение устойчивости траекторий движения вершины алмазного инструмента относительно заготовки, а также их возмущенных движений. В ходе диссертационного исследования создана система знаний, позволяющая обеспечить выбор рациональных параметров инструмента, технологических режимов обработки с учетом особенностей динамики процесса выглаживания, а также обеспечить настройку процесса обработки по минимуму вибрационной активности в данных условиях.

В целом по диссертации можно сделать следующие выводы.

1. Разработана динамическая система выглаживания, состоящая из двух автономных подсистем инструмента и заготовки, которые объединяются в единую систему через динамическую связь, формируемую процессом. Она является возмущенной кинематическим шумом со стороны металлорежущего станка и силовым шумом со стороны процесса обработки.Устойчивость движения вершины алмазного наконечника выглаживающего инструмента относительно заготовки, а также возмущения принципиально влияют на эффективность процесса, в частности, на микрорельеф формируемой поверхности.

2. Выполненные методами экспериментальной динамики исследования позволили идентифицировать параметры динамической модели, в том числе нелинейные зависимости сил, действующих на инструмент, в зависимости от его внедрения, величины продольной подачи и скорости выглаживания. Это позволило предложить базовую динамическую модель процесса, учитывающую её главные особенности и возмущения на систему.

3. Показано, что динамическая система имеет единственную точку равновесия, являющуюся точкой в подвижной системе координат, движение которой определяется траекториями исполнительных элементов станка. За счет динамической связи процесса точка равновесия может быть асимптотически устойчивой или неустойчивой. При потере устойчивости в системы формируются стационарные многообразия, характеризующие установившиеся колеба-

18

ния вершины инструмента относительно заготовки. В этом случае, как правило, в системе формируются орбитапьно-асимптотически устойчивые предельные циклы, то есть автоколебания. При достаточной добротности колебательных контуров, образуемых подсистемой инструмента, возможно формирование двумерного инвариантного тора.

4. Определены два основных механизма потери устойчивости. Первый связан с формированием циркуляционных сил, образуемых кососимметричными составляющими суммарной матрицы жесткости. Второй обусловлен преобразованием симметричной части матрицы скоростных коэффициентов из положительно определенной в отрицательно определенную. При этом формируемые гироскопические силы не могут стабилизировать равновесие. На основе выявленных механизмов потери устойчивости и предложенной математической модели создана методика выбора технологических режимов и некоторых параметров инструмента, например, жесткости пружины, поджимающей алмазный наконечник к корпусу инструмента, по критерию устойчивости. Эта часть исследований может быть обобщена на изучение устойчивости движения механических систем, взаимодействующих с различными средами, в том числе трибологическими.

5. Показано, что все стационарные состояния в динамической системе являются возмущенными. Определены следующие основные возмущения:

- кинематические, зависящие от точности движения исполнительных элементов станка;

- микро и макро вариации геометрииисходной поверхности детали;

- собственно процесс пластической деформации характеризуется силовым шумом, формируемым множеством физических процессов (периодическим формированием поверхностей скольжения, движением дислокаций, в отдельных случаях адгезионными процессами).

Установлено, что на формирование кинематических возмущений, а также возмущений, вызванных топологией поверхности заготовки, оказывает влияние геометрия индентора и величина продольной подачи. Поэтому для повы-

19

шения качества алмазного выглаживания необходимо согласовать технологические режимы и геометрию инструмента с реальными характеристиками кинематических возмущений и топологией поверхности заготовки.

6. Экспериментально обнаружены зависимости частотных свойств возмущенных колебаний, возникающих в системе, от параметров технологического режима и упругих свойств инструмента:

- при увеличении заглубления индентора в поверхность заготовки и скорости выглаживания происходит смещение спектральных характеристик в высокочастотную область;

- при увеличении внедрения индентора в поверхность заготовки дисперсия спектральной характеристики вначале уменьшается, а затем возрастает (в диапазоне внедрения 4 мкм - 16 мкм наблюдается минимум);

- по мере увеличения скорости выглаживания в диапазоне 40-160 м/мин наблюдается непропорционально быстрое возрастание интенсивности возмущений.

Показано, что на основе наблюдения спектральных характеристик колебательных смещений индентора (девиации частоты, добротности основных осцилляторов и др.) в ходе обработки открывается возможность по спектральным характеристикам, в том числе на основе авторегрессионного спектрального анализа, оценивать основные параметры процесса. В частности, на основе определения дисперсии спектральной характеристики по мере внедрения вершины алмаза в заготовку предложен способ настройки технологического режима по минимуму дисперсии, которому соответствует минимальная шероховатость формируемой поверхности.

7. На основе отмеченных в п.6 особенностей возмущений разработаны алгоритмы настройки процесса по динамическим свойствам. При этом учитывается, что в процессе выглаживания существуют следующие компромиссы:

- с одной стороны, при увеличении скорости выглаживания возрастает запас устойчивости, с другой - возрастает интенсивность возмущений;

- увеличение диаметра алмаза, интегрирующего вариации микрорельефа поверхности заготовки по площади контакта, положительно сказывается на качестве обработки, при этом уменьшается область устойчивости;

- при увеличении глубины внедрения алмаза в заготовку в пределах исходной шероховатости уменьшается интенсивность возмущений и одновременно возрастает склонность системы к потере устойчивости.

8. Определено, что для достижения заданной шероховатости поверхности необходимо иметь требуемую исходную шероховатость поверхности выглаживаемой детали, а также параметры кинематических возмущений, в том числе, радиальных биений шпинделя и вариаций припуска в течение оборота заготовки. Эти параметры являются исходными для определения основных геометрических и конструктивных характеристик инструмента: длины и радиуса закругления алмазного наконечника (эти параметры должны обеспечивать радиус вращения наконечника при изгибных деформациях большим, чем радиус закругления индентора), жесткости прижимной пружины (выбирается исходя из требований устойчивости и необходимого внедрения алмаза в заготовку), длины хода деформационных смещений прижимной пружины (определяется величиной радиальных биений шпинделия и вариаций припуска). Кроме этого предложенная конструкция инструмента дополнена виброакселерометром, установленным на наконечнике, для настройки инструмента по минимуму дисперсии спектральной характеристики осевых колебаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ ИЗ ПЕРЕЧНЯ ВАК РФ 1. Ханукаев М.М. Динамическая диагностика процесса обработки методами поверхностного пластического деформирования / В.Л. Заковоротный, B.C. Минаков, М.М. Ханукаев// Вестник Донского государственного технического университета. 2012. №1 (62), вып.2. - С. 38-45.

2. Ханукаев М.М. Виброакустическая диагностика процесса алмазного выглаживания / В.Л. Заковоротный, М.М. Ханукаев // Вестник Донского государственного технического университета. 2013. №3-4. (72-73). - С. 33-40.

3. Ханукаев М.М. Устойчивость процесса алмазного выглаживания / В.Л. Заковоротный, М.М. Ханукаев // Вестник Донского государственного технического университета. 2014. №1(75). - С. 21-26.

ПУБЛИКАЦИИ В ДРУГИХ ИЗДАНИЯХ

1. Ханукаев М.М. Моделирование динамики процесса резания поликристаллическими алмазными инструментами в виде случайной импульсной последовательности / М.М. Ханукаев // Сборник трудов Международной конференции ИнЭРТ-2010, изд-во ДГТУ. 2010. - С. 33-34.

2. Ханукаев М.М. Устойчивость и многообразий в окрестности равновесия при управлении поверхностно-пластическим деформированием / М.М. Ханукаев // Международная молодежная научная конференция «Математическая физика и ее приложения» - Пятигорск. 2012. - С. 10.

3. Ханукаев М.М. Об устойчивости процесса выглаживания / М.М. Ханукаев // Сборник трудов конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии», Ростов-на-Дону, Экспо-Центр. 2013. - С.420-432.

ЛР№ 06769 от 21.04.2014. В набор 25.05.2014. В печать 25.05.2014 Объем 1,1 усл.п.л., 1,0 уч. - изд.л. Офсет. Бумага тип №3

Формат 60x84/16. Заказ № 20. Тираж: 100.

Типография «Крафт»

Адрес полиграфического предприятия:

344011, г. Ростов-на-Дону, пер. Доломановский, 70/2, тел.: 311-22-02, 311-2212.