автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности круглого наружного врезного шлифования путём управления скоростью поперечной подачи по интенсивности звукового сигнала

На правах рукописи

004664435

АГАФОНОВ ВЛАДИМИР ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ВРЕЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОПЕРЕЧНОЙ ПОДАЧИ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 июЯ 2070

Ульяновск-2010

004604435

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

В.Ф. Гурьянихин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

М.Г. Косов

кандидат технических наук, доцент А.В. Гордеев

Ведущая организация - ОАО «Ульяновский моторный завод» (г. Ульяновск)

Защита диссертации состоится 24 июня 2010 г. в 11:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 в первом корпусе Ульяновского государственного технического университета по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432027, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УлГТУ.

Автореферат разослан " ¿1 " мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Н.И. Веткасов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производительность и стоимость операций шлифования во многом определяются выбранным рабочим циклом шлифования и способом управления им. Известные циклы шлифования с управлением по силе резания, мощности шлифования, шероховатости шлифованной поверхности заготовок и др. не позволяют контролировать текущее состояние режущей способности шлифовального круга (ШК), а значит максимально использовать его ресурс как на станках с ручным управлением, так и на станках с ЧПУ.

Вследствие большой инерционности круглого наружного врезного шлифования (КНВШ) существенное влияние на продолжительность рабочего цикла, а следовательно, и производительность обработки, оказывают переходные процессы при врезании ШК в заготовку, переключении подач в процессе обработки и выхаживании. Анализ систем управления циклом шлифования, в том числе и адаптивных, свидетельствует о необходимости поиска быстродействующих, надежных и экономичных источников информации и способов внесения поправок в алгоритм управления, оказывающих определяющее влияние на производительность и качество обработки заготовок. Одним из перспективных путей решения этой задачи является использование в качестве источника информации звукового сигнала (ЗС), генерируемого в зоне обработки, адекватно отражающего выходные показатели процесса шлифования. Однако до сих пор отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по разработке и использованию систем текущего контроля и управления процессом шлифования, работающих на основе информации об интенсивности ЗС, особенно при обработке заготовок кругами большого диаметра (до 600 мм). В связи с этим тема работы, посвященной повышению эффективности КНВШ путем управления скоростью поперечной подачи по интенсивности ЗС, является актуальной.

Автор защищает: 1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований ЗС, возникающих при КНВШ, и в частности, уточненную математическую модель, описывающую связь звукового давления с технологическими параметрами процесса шлифования, размерами и характеристикой круга.

2. Результаты математического моделирования интенсивности звуковых сигналов, возникающих при различных условиях КНВШ.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов КНВШ на амплитуду звукового давления и показатели процесса шлифования.

4. Алгоритм управления скоростью поперечной подачи на этапах врезания и выхаживания по скорости изменения амплитуды звукового давления.

5. Новый способ определения постоянной времени и два способа управления процессом КНВШ по интенсивности ЗС, а также результаты их опытно-промышленных испытаний.

Цель работы. Повышение производительности КНВШ путем интенсификации процесса обработки на основе использования ЗС для управления

скоростью поперечной подачи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести теоретико-экспериментальные исследования основных характеристик звукового поля, создаваемого в процессе КНВШ кругами различных характеристик, имеющими форму кольцевой пластины и соотношение размеров H/D = 0,05 - 0,07 и d/D= 0,5 - 0,66.

2. Уточнить математическую модель образования звукового давления, возникающего при КНВШ, для различных условий шлифования.

3. Выполнить математическое моделирование интенсивности ЗС, возникающих при различных условиях КНВШ и проверку адекватности уточненной математической модели.

4. Экспериментально исследовать влияние технологических факторов КНВШ на амплитуду звукового давления и показатели процесса шлифования.

5. Исследовать переходные процессы и разработать алгоритм управления скоростью поперечной подачи при КНВШ по интенсивности ЗС.

6. Разработать методику и программное обеспечение автоматизированного формирования цикла операции КНВШ по интенсивности ЗС.

7. Провести опытно-промышленные испытания предложенных разработок и разработать рекомендации по проектированию технических средств управления скоростью поперечной подачи при КНВШ по интенсивности ЗС.

Научная новизна. 1. На основе теоретико-экспериментальных исследований существенно уточнена математическая модель, описывающая звуковое давление, возникающее в процессе обработки заготовок кругами различной зернистости, твердости и структуры, имеющими форму кольцевой пластины и соотношение размеров H/D = 0,05 - 0,07 и d/D = 0,5 - 0,7.

2. Выполнено математическое моделирование интенсивности ЗС в процессе шлифования, позволяющее создать базу данных для проектирования систем управления процессом КНВШ с использованием ЗС.

3. Получены регрессионные математические зависимости амплитуды звукового давления, износа и шероховатости шлифованных поверхностей заготовок от режимов шлифования.

4. Разработан алгоритм управления скоростью поперечной подачи при КНВШ на этапах врезания и выхаживания по скорости изменения амплитуды звукового давления.

5. Предложены на уровне изобретений способ определения постоянной времени и два способа управления процессом КНВШ по интенсивности ЗС.

Практическая полезность и реализация работы: 1. Разработана методика и создано программное обеспечение автоматизированного формирования рабочего цикла операции КНВШ по интенсивности ЗС, на основе которой разработаны на уровне изобретений новые способы управления процессом врезного шлифования.

2. Разработаны рекомендации по проектированию технических средств для

управления скоростью поперечной подачи с использованием ЗС, позволяющие осуществлять обработку в автоматическом режиме.

Результаты опытно-промышленных испытаний, проведенных на операциях КНВШ шеек валов в основном производстве ЗАО «Кардан» (г. Сызрань) и ЗАО «Орский завод компрессоров» (г. Орск), показали, что новый способ управления КНВШ по интенсивности ЗС позволяет увеличить производительность обработки на 20 - 30 % при обеспечении заданного качества деталей.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) УлГТУ в 2004, 2006 - 2009 г.г.; НТК "Молодежь и современные информационные технологии", г. Томск, 2009; международных НТК «Прогрессивные технологии развития», г. Тамбов, 2006; "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы", г. Волжский, 2006, 2009; на научно-технических семинарах кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" УлГТУ в 2008,2010 г.г.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях из Перечня ВАК, получены 2 патента и положительное решение на выдачу патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (173 наименования) и приложений (14 страниц), включает 181 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 21 таблицу.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, её научная и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу результатов теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей по способам и средствам оценки режущей способности ШК и их работоспособности, дан анализ способов управления, видов рабочих циклов КНВШ и методов их проектирования.

Показано, что в настоящее время отсутствуют простые и надежные способы и средства текущего контроля состояния режущей способности ШК в производственных условиях, а работоспособность кругов косвенно определяют по отдельным критериям режущей способности, полученным в лабораторных условиях, в результате чего ресурс НЖ используется не полностью. Показано, что на круглошлифовальных станках независимо от способа их управления отсутствует текущий контроль состояния режущей способности ШК и момента его правки, не учитывается динамика переходных процессов в цикле шлифования, а существующие методики не позволяют сформировать рабочие циклы шлифования, которые обеспечивали бы предельно допустимую по станку производительность обработки.

Отдельные исследования в принципе показали, что ЗС, генерируемые при шлифовании, можно использовать в качестве информационных для контроля и диагностики процесса шлифования. Однако эти исследования выполнены лишь

при плоском маятниковом шлифовании заготовок ШК диаметром до 250 мм и их результаты нельзя распространять без экспериментальной проверки на круги большего диаметра (до 600 мм), так как для них не разработаны математические модели возникновения и распространения ЗС при КНВШ.

Учитывая вышеизложенное, нами предложен комплексный критерий оценки работоспособности ШК - приведенный коэффициент режущей способности круга Кр> связывающий производительность шлифования W (мм3/мин) со звуковым давлением Р3 (Па), возникающим в процессе шлифования:

„ W S,-z-B

гз гз

где S, - скорость поперечной подачи, мм/мин; г - величина снимаемого припуска, мм; В - длина шлифуемой шейки заготовки, мм.

Коэффициент Кр отличается универсальностью, адекватно реагирует на нестационарность и стохастичность процесса шлифования, а также динамические характеристики технологической системы станка (ТСС), например, колебательный характер силы резания, и позволяет оптимизировать режимы шлифования при автоматическом управлении циклом шлифования, в том числе адаптивном (пат. № 2254977 и положительное решение по заявке №060273). В заключение сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.

Во второй главе представлены теоретико-экспериментальные исследования звуковых сигналов, возникающих при КНВШ, и методика проведения экспериментальных исследований ЗС.

Эксперименты проводили на круглошлифовальном станке ЗМ152МВФ2. Шлифовали образцы из сталей ШХ15, HRC 61...64, Р6М5, НВ 255...300 и 40ХГНМ, HRC 63...65 стандартными кругами 1 - 600x30x305 из электрокорунда белого 24А зернистостью 16, 25 и 40*, твердостью СМ1, СМ2, С1 и СТГ на керамической связке* со структурой 5 и 10 на следующих режимах шлифования: S, = 0,2 - 0,8 мм/мин; z - 0,2 - 0,5 мм; частота вращения заготовки щ =150 - 300 мин"1; окружная скорость круга Ук = 35 и 50 м/с. ШК правили алмазным карандашом типа С - 2 следующим образом: 3 прохода с врезной подачей 0,03 мм/дв.ход, 2 прохода с подачей 0,015 мм/дв.ход, 3 прохода без подачи. В качестве СОЖ использовали 3 % -ную эмульсию Аквол - 6, подаваемую в зону шлифования поливом с расходом 10 л/мин.

В качестве основных характеристик ЗС использовали: частоту /(Гц) звуковых колебаний; звуковое давление Рз (Па); амплитуду звукового давления Аз (В), определяемую амплитудным значением эффективного напряжения исследуемого ЗС. ЗС принимали и регистрировали с помощью первичного преобразователя (микрофона МКЭ - 3), а также двухканального аналогово - цифрового преобразователя - звуковой карты Conexant Hight Definition Audio-Venice 5045,

" Для маркировки твердости (СМ1, С1, СТ1), зернистости (16, 25, 40) и связки (К), в соответствии с новыми ГОСТ Р 52587-2006, ГОСТ Р 52381-2005 и ГОСТ Р 5288-2006, используются соответственно новые обозначения: твердость - К, М, О; зернистость - Р100, />60, />40; связка - V.

встроенной в IBM - совместимый компьютер HP 530. Цифровую обработку ЗС производили с помощью специализированного программного обеспечения {«Cool Edit Pro» и «PAS Analyzer Spectrum»), обеспечивающего запись амплитудно-частотных характеристик (спектров) ЗС и их обработку.

На первом этапе исследовали методом последовательного наложения спектры частот ЗС элементов ТСС; в результате был выявлен диапазон информативных частот, позволяющих идентифицировать режущую способность ШК и контролировать выходные показатели процесса шлифования, а также диапазон частот шумовых помех, не несущих полезной информации о протекании процесса обработки. Установлено, что диапазон звуковых частот/= 840...890 Гц, является наиболее чувствительным и информативным для процесса КНВШ. Анализ измеренных частот собственных колебаний 850...900 Гц круга и полученных информативных частот 840...890 Гц свидетельствует о почти полном их совпадении, а это в свою очередь означает, что звуковое давление, возникающее в процессе шлифования, является результатом собственных колебаний ШК.

Одной из основных задач, возникающих при разработке систем текущего контроля режущей способности ШК и управления процессом шлифования по ЗС, является определение значения звукового давления на информативной частоте.

Строгий математический расчет звукового поля, создаваемого ШК в процессе шлифования, с учетом сложности постановки начальных и граничных условий, а также взаимодействия звуковых волн внутри защитного кожуха, весьма сложен. Как установлено нами [1], механизм образования ЗС при КНВШ идентичен таковому при плоском маятниковом шлифовании. Поэтому в данной главе предпринята попытка приближенного описания звукового давления Рз, создаваемого при КНВШ, на основе экспериментальной оценки его значения в ближней и дальней зонах звукового поля при шлифовании заготовок и уточнения математической модели звукового давления, полученной В.В. Югановым для плоского маятникового шлифования кругами 0250 мм, которая не учитывает изменения характеристики ШК. Расчет звукового давления по этой математической модели показал, что погрешность определения величины Р3 составляет порядка 44 %, поэтому без внесения соответствующей коррекции эту модель нельзя использовать для оценки звукового давления, возникающего при КНВШ кругами 0600 мм.

Исследование основных характеристик ЗС дальней* зоны (kL > 1, где к -волновое число, м'1; L - расстояние от источника до приемника звука, м) звукового поля в пространстве, окружающем свободный круг (без кожуха) при КНВШ, показали (рис. 1), что основным источником звуковых сигналов при шлифовании заготовок шлифовальными кругами, имеющими форму кольцевой пластины и вышеприведенное соотношение размеров, являются собственные изгибные колебания торцев круга, причем звуковое давление у его периферии меньше, чем в области планшайбы. Такое распределение давления близко к

' Данная зона звукового поля в нашем случае начинается при Ь > 0,076 мм.

Рис. 1. Дальняя зона свободного звукового поля (без кожуха) при шлифовании заготовок: распределение звукового давления Р3 в сечении, проходящем через ось вращения круга 2 и заготовки 1; ШК - 24А25НСМ1К5, Ук = 35 м/с; Уд = 0,9 м/с; ф = 0,6 мм/мин; г = 0,3 мм; £ = 100 мм; Н= 30 мм

«зонтичному» распределению, что позволяет считать ШК осциллирующим источником звукойых колебаний поршневого типа. Распределение звукового давления при шлифовании кругами 0 250 мм аналогично вышеприведенному, но имеет вогнутую форму от периферии круга к его центру, что можно объяснить различной модой собственных колебаний круга 0 600 мм, когда создаются из-гибяые колебания ШК с одной узловой окружностью Такая форма изгибных колебаний наблюдается, если круг колеблется как свободная пластина.

Установлено, что величина звукового давления Р3 с увеличением окружной скорости круга Ук с 35 до 50 м/с уменьшается в среднем в 1,2 раза. Звуковое давление внутри защитного кожуха в направлении, перпендикулярном торцу круга, на расстоянии Ь от 40 до 90 мм остается практически постоянным, поэтому месторасположение датчика (микрофона) в этой зоне определяется конструкцией защитного кожуха и размерным износом круга по его высоте и диаметру.

На основе результатов экспериментальных исследований, анализа и обобщения данных других исследователей, в зависимость (2) были введены поправочные коэффициенты ки к2, къ (табл. 1), учитывающие влияние характеристики ШК на величину звукового давления, при этом установлено, что информативную / частоту ЗС, входящую в формулу, следует рассчитывать как для «свободного» круга с одной узловой окружностью.

1. Значения поправочных коэффициентов ки к2, к3, учитывающих _характеристику ШК_

Р ГШ и 1 и V .1. О Твср до сть Структура

16 1 25 | 40 СМ1 1 С1 1 СТ1 6 | 8 | 10

к кг к3

1,2 1 1,0 1 0,8 1,0 | 1,26 | 1,34 1,0 | 0,84 | 0,75

С учётом вышеприведённого уточненная математическая модель для определения звукового давления, возникающего при КНВШ, примет следующий вид: _

3 О и п-Н) \н) {(¡) '23 V)

где р - плотность окружающей среды (воздуха), кг/м3; с - скорость распространения звука в среде, м/с; Дц) - функция коэффициента Пуассона; (? - мо-

дуль сдвига ШК, МПа; к - 2rJX„ - волновое число, м-1 (ли - длина изгибной волны круга, м); Ру, Pz - соответственно радиальная и касательная составляющие силы резания, Н, определяемые по формулам Переверзева П.П.

Расчеты звукового давления по уточненной зависимости (2), с учетом скорректированных выше параметров, и экспериментальная проверка её адекватности показали, что погрешность определения величины Р3 составляет не более 11 % и подтвердили возможность использования этой зависимости для математического моделирования интенсивности ЗС, возникающих при различных условиях КНВШ.

Математическое моделирование интенсивности ЗС, возникающих при КНВШ на информативной частоте 870 Гц, проводили на основе методики, реализованной в программе для персонального компьютера Microsoft® Office Excel 2003. Установлено (рис. 2), что увеличение поперечной подачи St оказывает доминирующее влияние на повышение звукового давления Р3. Так, увеличение z от 0,2 до 0,5 мм и скорости поперечной подачи S, с 0,2 до 0,8 мм/мин приводит к пропорциональному росту звукового давления Pi на 50 и 60 % соответст-

Рис. 2. Влияние режимов шлифования (а, б) и размеров ШК (в) на величину звукового давления Ру. а, б, в - ШК - 1 - 600x40x305,24А25НСМ17К5; а - Кк = 35 м/с; б - Кд = 0,9 м/с; в - Ук = 35 м/с, & = 0,8 мм/мин, Уц = 0,9 м/с; а, б, в - г = 0,5 мм; сталь ШХ15 венно, независимо от изменения окружных скоростей заготовки и ШК. Увеличение величины г'к во всех случаях приводит к уменьшению звукового давления Р3 не более чем на 10 %, при этом наблюдается аналогичный характер влияния режимов шлифования на величину звукового давления Р3, что и при обработке с Кк = 35 м/с. Выявленная закономерность имеет важное значение для практики шлифования, так как позволяет при разработке алгоритма управления КНВШ адекватно описать реальный процесс съема припуска изменением звукового давления или его амплитуды А3, а в дальнейшем, выбрав в качестве управляющего параметра скорость изменения амплитуды звукового давления, оценить текущее состояние режущей способности круга.

Математическим моделированием влияния размеров ШК (см. рис. 2, в) на величину Р3 установлено, что изменение высоты круга Я оказывает меньшее влияние на частоту его колебаний, чем изменение диаметра круга Д так как

при уменьшении £> и увеличении Я увеличивается жесткость ШК и начинают превалировать плоские колебания, при этом величина Рз уменьшается. Кроме того, при увеличении твёрдости круга в диапазоне от СМ1 до СТ1 звуковое давление возрастает практически по линейному закону в 1,4 раза, а увеличение зернистости ШК с 16 до 40 и структуры с 6 до 10, наоборот, ведет к уменьшению звукового давления соответственно на 20 и 5 %.

Проверка адекватности результатов математического моделирования показала, что погрешность определения звукового давления Рз не превышает 20 %, причем большее влияние из исследуемых факторов оказывает поперечная подача (погрешность 17 %) и зернистость круга (погрешность 20 %), а наименьшее - окружная скорость круга (погрешность 6 %).

Таким образом, результаты математического моделирования интенсивности ЗС, создаваемых в процессе КНВШ, позволяют оптимизировать режимы шлифования и создать базу данных для проектирования систем управления процессом КНВШ по интенсивности ЗС.

В третьей главе представлены методика и результаты экспериментальных исследований взаимосвязей между технологическими факторами КНВШ и интенсивностью ЗС, на основе которых разработаны основы формирования рабочего цикла операции КНВШ с использованием ЗС для управления скоростью поперечной подачи.

Для построения алгоритма управления скоростью поперечной подачи по ЗС эксперимен-

0,35 мм 0,5

Рис. 3. Влияние скорости поперечной подачи круга снимаемого припуска г и частоты вращения заготовки «з на амплитуду звукового давления Ау. 1 -из = 150 мин'1; 2- и3 = 300 мин'1; круг 24А25НСМ17К5; Ук = 35 м/с; сталь ШХ15

тально выявлены связи между наиболее значимыми технологическими факторами КНВШ и параметрами соответствующих ЗС. В результате проведения эксперимен- г —*■

тов, поставленных по плану полнофакторного эксперимента (рис. 3), и расчета аппроксимирующей функции, получены математические (линейные) модели критериев оценки работоспособности ШК (амплитуды Аз звукового сигнала, размерного износа круга AR и параметра шероховатости Ra шлифованной поверхности заготовок) от поперечной подачи St, снимаемого припуска z и частоты вращения заготовки щ.

Анализ математических моделей подтверждает наличие прямой пропорциональной зависимости между звуковым давлением Рз (или его амплитудой Аз) и силой резания [см. зависимость (2)], а сила резания возрастает с увеличением значений St, z и щ. Кроме того установлено (см. рис.3), что амплитуда Аз звукового давления возрастает с увеличением скорости поперечной подачи St,

величин г и щ, что обусловлено увеличением количества абразивных зерен (АЗ), вступающих в контакт с обрабатываемой заготовкой; как следствие, возрастает звуковое давление, возникающее в процессе шлифования, при этом режущая способность ШК уменьшается. Эта закономерность позволяет при разработке алгоритма управления процессом КНВШ адекватно описать реальный процесс съема припуска изменением амплитуды Аз звукового давления, а в дальнейшем, выбрав в качестве управляющего параметра скорость изменения амплитуды звукового давления, оценить текущее состояние режущей способности ШК.

Для определения момента потери ШК режущей способности, ухудшения показателей качества шлифованных поверхностей (Да, отклонения формы Дф) и возникновения на шлифованной поверхности заготовок следов дробления и прижогов проведены стойкостные испытания. Как видно из рис. 4, а, величина Аз в течение 70 ... 80 % всего времени шлифования Т, независимо от поперечной подачи 5/, увеличивается, а затем наблюдается некоторый спад, что объясняется потерей ШК своих режущих свойств (см. рис. 4, 6) и увеличением его износа, в результате чего ухудшается шероховатость шлифованной поверхности (появляются следы дробления и прижоги). Установлена критическая величина ^зу уставки амплитуды звуковою давления (например, при = 0,8 ... 1,0 мм/мин л^у = 0,24 В), являющаяся ограничением по точности и качеству обработки при максимально возможной в данных условиях производительности.

Для оптимизации режимов шлифования в автоматическом цикле с управлением по ЗС необходимо установить взаимосвязь величины А3 с показателями качества шлифованных поверхностей заготовок. С этой целью провели сравнительные стойкостные испытания (рис. 5) при шлифовании по стандартному циклу (врезание, установившийся процесс шлифования и выхаживание) и по циклу с управлением скоростью поперечной подачи по ЗС (с уставкой Азу) без выхаживания (врезание и установившийся процесс шлифования). Величину уставки А3у выбирали с учетом качества (Яа < 1,25 мкм) и точности обработки (Дф < б мкм, что соответствует 6-7 квалитетам диаметральных размеров дета-

А зу

250

мм3

кПа-мин

Кг

150 •р 100

50

И

\N \

\ к

\ s

0

0,9 1,

0,025 В

t 0,015

Аз o,oi 0,005 0

0,9 1,8 2,7 3,6 4,5 мин 6,3

а)

Рис. 4. Изменение амплитуды Аз звукового давления (а) и коэффициента Кр режущей способности круга (б) за период 7 стойкости ШК: г = 0,5 мм; щ = 225 об/мин; 1 -St= 0,8 мм/мин; 2-Sf- 1 мм/мин; круг24А25НСМ17К5; VK = 35 м/с; сталь 1ИХ15

2,7 3,6 4,5 мин 6,3 б)

лей). Установлено (см. рис. 5), что при работе по циклу с управлением по ЗС без выхаживания стойкостная наработка снижается на 50... 80 % по сравнению со стандартным циклом при одинаковой погрешности формы Дф (см. рис. 5). Следовательно, в этом случае, чтобы не снижать производительность обработки по сравнению со стандартным циклом и обеспечить требуемое качество обработки, следует ввести этап управляемого чистового шлифования или выхаживания.

При КНВШ оптимальный цикл обработки определяется минимальным временем, регламентируемым изменением скорости поперечной подачи в зави-

0,04

в

0,03

I 0,02 Аз

0,01

з; 2 / <4зуз

---- — Л ЗУ 2

"7

\

мкм б

8 мин 10

'//Л ¿/А У//Л / "////

3 У 2 ^фдо 1

1

10 12 14 1бмкн18

8 мин 10

Тв)

Рис. 5. Изменение амплитуды звукового давления А\ и погрешности Дф формы детали за период 1 стойкости круга: г = 0,5 мм; щ = 225 мин"1; 1 - = 0,2 мм/мин; 2 - = 0,6 мм/мин; 3 — = 0,8 мм/мин; а, б - цикл с управлением по звуковому сигналу (по уставке Лзу); в - стандартный цикл; круг 24А25НСМ17К5; Ук = 35 м/с; сталь ШХ15

симости от текущей величины припуска. Вследствие большой инерционности процесса КНВШ на продолжительность этого времени существенное влияние оказывают, как отмечалось ранее, переходные процессы, время протекания которых до сих пор практически не учитывается при формировании цикла обработки.

В нашей работе процесс КНВШ как объект управления представлен апериодическим звеном первого порядка, а переходный процесс при врезании описывается функцией в виде модифицированной экспоненты:

где ( - скорость съема припуска, мм/с; 5 - величина снимаемого припуска, мм; Д - скорость съема припуска в установившемся режиме, мм/с;

t - текущее значение времени переходного процесса, с; Тп - постоянная времени процесса, с.

Считая режущую способность ШК при шлифовании одной шейки заготовок постоянной, можно принять скорость съема припуска в установившемся

режиме равной скорости поперечной подачи S, круга. Тогда, при сделанных допущениях, Ти можно рассматривать как постоянную величину, которая обратно пропорциональна коэффициенту режущей способности и жесткости ТСС. С другой стороны, как видно из выражения (3), изменение скорости съема припуска, а следовательно, и время переходного процесса 1ПП (рис. 6), характеризуется постоянной времени Тп, от точности определения которой зависит производительность и качество обработки заготовок.

Как показали эксперименты (см. рис. 3) величина амплитуды звукового давления А3 пропорциональна не только изменению значений Sb z, из, но и скорости съема материала с заготовки W (рис. 7). Такое изменение величин A3 и Ж во времени позволяет при разработке алгоритма управления процессом шлифования адекватно описать реальный съем припуска изменением амплитуды звукового давления.

t

A3

Аз

0,020 В 0,010 0,005 0

3000 ------- ----------1--------1--------,

мм*1 A3

| МИН . i 2800

W 2700 ____/у О^ w > ; ~ 1 ;

2600 i :

о

12 т -

24

12 1 -

24

Рис. 6. Зависимость амплитуды звукового давления А3 от режимов и времени т шлифования на этапе врезания: У^ =

35 м/с; 1 = 0,5 мм; щ = 225 мин"1; 1 - 5} = 02 мм/мин: 2 - & = 0.8 мм/мин: сталь ШХ15

Рис. 7. Изменение амплитуды звукового давления Лз и скорости съема материала IV во времени г па этапе врезания: сталь ШХ15; = 0,8 мм/мин; 2 ~ 0, 35 мм; щ = 225 мин"1; Гк = 35 м/с

Учитывая вышеизложенное, переходный процесс на этапе врезания ШК в заготовку при использовании в качестве выходного управляющего параметра амплитуды Аз звукового давления (см. рис. 6), можно описать экспоненциальной функцией и адекватно реализовать бесступенчатым увеличением поперечной подачи 5у.

--">), (4)

dt

¿А3 т>/ {¿А*

где - скорость изменения амплитуды звукового давления, В/с; I л ш

dt

скорость изменения амплитуды звукового давления в установившемся режиме, В/с; / - текущее значение времени переходного процесса, с.

Зависимость (4), если рассматривать задачу построения автоматического цикла как задачу об оптимальном быстродействии, является оптимальным алгоритмом управления, в котором корректирующий сигнал формируется в

функции постоянной времени Тп, Аппроксимация этого участка прямой на практике приводит к уменьшению снимаемого припуска.

Следует отметить, что использование ЗС для формирования команды на переключение привода поперечной подачи ШК в момент касания кругом заготовки позволяет уменьшить на 18-23 % потери времени на «шлифование воздуха» и время работы на переходных режимах, в течение которого часть движения подачи 5/ расходуется на упругое деформирование элементов ТСС. Учитывая, что величина Т„ определяет динамические свойства ТСС, которые изменяются в зависимости от условий шлифования, нами предложен способ определения постоянной времени (пат. 2328711) по изменению амплитуды Аз звуковых колебаний (сигналов) в переходном процессе, в котором фиксируют с помощью компьютера время ¿пп полного затухания переходного процесса согласно условию

ограничиваемое величиной уставки амплитуды ЗС, а постоянную времени Тг определяют по формуле

где и А3.+1 - среднее значение амплитуды звукового давления в двух последовательных точках измерения, В; ¿зхх - среднее значение амплитуды звукового давления, измеряемое непосредственно перед врезанием круга в заготовку, В; К3 - коэффициент, характеризующий затухание переходного процесса [6].

Для реализации управления процессом врезания по интенсивности ЗС экспериментально исследовали связи между переходной характеристикой процесса шлифования Тп и величиной А3 звукового давления в зависимости от режимов шлифования. Установлено (см. рис. 6), что использование ЗС для оценки величины Та позволяет сократить время переходного процесса на этапе врезания на 20 ... 25 %, а также открывает возможность управления этим процессом, варьируя значением уставки А3у в зависимости от ограничений по производительности и качеству обработки деталей.

Как известно, на этапе выхаживания происходит обратный врезанию процесс снятия натяга в ТСС. Нами выдвинуто предположение, что, используя ЗС в качестве управляющего параметра, можно сократить время цикла, если ввести этап управляемого чистового шлифования или выхаживания, изменяя скорость амплитуды А3 по экспоненциальной зависимости:

где г = тв - текущее время переходного процесса на этапе выхаживания.

Для реализации управления процессом выхаживания по ЗС экспериментально исследовали связь между переходной характеристикой процесса выха-

(5)

Тп = 0,33-1,

пп>

(6)

живания Тп и величиной Аз звукового давления в зависимости от режимов шлифования. Выхаживание производили двумя способами.

Способ 1. Значение времени выхаживания тв] (рис. 8), отвечающее стандартному циклу (врезание, установившийся процесс шлифования и выхаживание), устанавливали согласно нормативам, одновременно регистрируя изменение величины А3 за время выхаживания. Затем тв) последовательно сокращали на секунду, две секунды и т.д., фиксируя соответствующие им значения величин

Аз, параметра Ка и погрешности формы Лф.

Способ 2. Время управляемого выхаживания тВ2 ограничивали [по зависимости (7)] величиной уставки А'зу (см. рис. 8), определяемой требуемыми величинами /?<2лпп и Дфдоп по 6 - 7 квалитетам (рис. 9). Весь цикл шлифования осуществляли с управлением по ЗС. Величину Тп на этапе выхаживания определяли по вышеприведенной методике [6].

Так, при увеличении времени тв с 1 до 5 с (см. рис. 8), амплитуда Аз уменьшается в среднем на 54 %, при этом во всех случаях увеличение тв приводит к уменьшению шероховатости (Яа) обработанной поверхности в среднем на 32 %.

Экспериментальные данные, полученные путем компьютерной обработки диаграмм изменения амплитуды Аз, подтвердили корректность зависимости (7) и показали, что время переходного процесса на этапе выхаживания ~„2 (см. рис. 3) с управлением по ЗС можно уменьшить на 25 ... 30 % по сравнению с шлифованием по первому способу. Кроме того, анализ переходного процесса на этапе управляемого выхаживания по изменению величины Аз (см. рис.8) позволил, определить величину Тщ, ее математическое ожидание М( ТП2) и величину снимаемого припуска на этапе управляемого выхаживания:

гв=5гм(гП2]. (8)

Знание величины гв позволяет установить время окончания режима установившегося шлифования, т.е. определить критическую точку для подачи команды на выхаживание.

0,02 в 0,016 0,014 } 0,012 Аз 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002

\\\ Л

\\х\

\Ч

4зу 2'

—|"л---\- Гв! --- --- А'"

1 Г„2 1Л

]

0 1 2 3 4 5 с 7

Рис. 8. Изменение амплитуды звукового давления Аз за время тц выхаживания в зависимости от режимов шлифования: Кк = 35 м/с; = 0,8 мм/мин; гв = 0,5 мм; щ = 225 мин'1; 1 - выхаживание по стандартному циклу; 2 - выхаживание по циклу с управлением по ЗС; 1,2и Г,2'-соответственноэкспериментальные и теоретические кривые; ШК - 24А25НСМ17К5; сталь ШХ15

Таким образом, установлено, что амплитуда А3 звукового давления, возникающего при шлифовании, имеет корреляционную связь с динамикой переходных процессов и выходными параметрами процесса шлифования - Ка, Дф, Кр и АЛ. Это позволяет использовать амплитуду А3 звукового давления на каждом этапе цикла шлифования в качестве надежного информационного параметра, характеризующего текущее состояние режущей способности ПЖ, и, по величине уставки, управлять циклом КНВШ.

На основе полученных зависимостей (1) - (8) и с учетом технологических ограничений по осыпаемости ШК, точности и качеству обработки деталей, критерия оптимальности (минимальное время °>06 цикла), разработана методика и создано программное обеспечение для автоматизированного формирования рабочего цикла операции о,04 шлифования, а также предложена акустиче- 1 екая (звуковая) адаптивная система управления КНВШ, в которой исходная и текущая информация, поступающая от датчика, работающего в режиме аналогового преобразователя звуковых сигналов, обрабатывается персональным компьютером и воздействует через устройство ЧПУ на привод поперечной подачи ШК.

Для реализации алгоритма адаптивного управления использовали легко контролируемый в процессе шлифования критерий режущей способности круга [см. зависимость (1)].

Диаметр шлифуемой поверхности

0,02

мкмЮ

Рис. 9. Изменение амплитуды звукового давления А3 в зависимости от погрешности формы детали Дф! г = 0,5 мм; щ = 225 мин'1; 1 - = 0,2 мм/мин;

2 - Я, = 0,6мм/мин; 3 - ^ = 0,8 мм/мин; стандартный цикл

шейки контролировали прибором активного контроля ПАК, а звуковое давление (т.е. его амплитуду А3) задавали (как уставку Азу) на экране компьютера, исходя из условия обеспечения заданного качества шлифованной поверхности.

В качестве управляющих параметров для поддержания постоянной величины Кр используются величина звукового давления (т.е. его амплитуда А3) и скорость поперечной подачи Я,. Подача команды на переключение ШК с быстрого подвода на рабочую скорость врезания осуществляется по возникновению ЗС в момент контакта круга с заготовкой [9], а переключение с врезания на установившийся режим шлифования - по достижению величины уставки Азу звукового давления. Скоростью подачи б1, на этом этапе управляют так, чтобы А3 = А3у, т.е. действительная скорость подачи £>,ф сравнивается с расчетной и выдается

команда на изменение скорости подачи Б, при невыполнении этого условия, что позволяет обеспечить максимальную производительность и требуемое качество обработки. Продолжительность управляемого выхаживания устанавливается по затуханию переходного процесса, контролируемого величиной уставки А 'зу или ПАК.

В четвертой главе приведены рекомендации по проектированию технических средств управления скоростью поперечной подачи при КНВШ по интенсивности ЗС, расчет экономической эффективности разработок и результаты их опытно - промышленных испытаний в условиях основного производства ЗАО «Кардан» (г. Сызрань) и ЗАО «Орский завод компрессоров» (г. Орск). Установлено, что новый способ управления скоростью поперечной подачи при КНВШ по интенсивности ЗС позволяет увеличить производительность обработки на 20 - 30 % при сохранении заданного качества шлифованных деталей на уровне 6-7 квалитета в результате стабилизации режущей способности круга. Расчетный годовой экономический эффект составил 75340 руб. на один станок.

Приложения включают результаты расчета погрешности измерения величин Ra и А3, результаты полнофакторного эксперимента по влиянию режимов шлифования на выходные показатели процесса шлифования, структурную схему алгоритма формирования цикла КНВШ по интенсивности ЗС, акты опытно-промышленных испытаний.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненных теоретико-экспериментальных исследований получены следующие научные выводы и практические результаты:

1. Доказана возможность повышения эффективности КНВШ на основе управления скоростью поперечной подачи по интенсивности ЗС.

2. Уточнена математическая модель, описывающая звуковое давление, возникающее в процессе КНВШ заготовок кругами различных характеристик, имеющими форму кольцевой пластины и соотношение размеров H/D = 0,05 -0,07 и d/D =0,5 - 0,7.

3. Математическое моделирование интенсивности ЗС, создаваемых в процессе шлифования, позволило создать базу данных для проектирования систем управления скоростью поперечной подачи при КНВШ на основе использования ЗС.

4. Получены регрессионные математические зависимости амплитуды звукового давления, износа ШК и шероховатости шлифованных поверхностей заготовок от режимов шлифования.

5. Разработан алгоритм управления поперечной подачей при КНВШ на этапах врезания и выхаживания по скорости изменения амплитуды звукового давления.

6. Предложены на уровне изобретений способ определения постоянной времени на основе изменения амплитуды звукового давления в переходных процессах и два способа управления процессом КНВШ по интенсивности ЗС.

7. Разработана методика и создано программное обеспечение для автоматизированного формирования рабочего цикла операции КНВШ по интенсивности ЗС.

8. Разработаны рекомендации по проектированию технических средств для управления скоростью поперечной подачи по интенсивности ЗС, позволяющие осуществлять обработку в автоматическом режиме.

9. Результаты опытно-промышленных испытаний позволяют рекомендовать новый способ управления процессом КНВШ по интенсивности ЗС к использованию в производстве.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гурьянихин, В.Ф. Исследование переходных процессов круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового излучения / В.Ф. Гурьянихин, В.В. Агафонов. -Вестник УлГТУ. - 2005, - №1. - С. 37-39.

2. Агафонов, В.В. Исследование звукового поля при круглом наружном врезном шлифовании / В.В. Агафонов, В.Ф.Гурьянихин // Молодежь - науке будущего: сб. трудов 3-й междунар. заочной молодежной научно-техн. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - С. 9 - 11.

3. Агафонов, В.В. Оценка режущей способности шлифовальных кругов по акустическому критерию / В.В. Агафонов // Прогрессивные технологии развития: сб. трудов 3-ей междунар. научно-техн. конф. - Тамбов: ТГТУ, 2006. - С. 46 - 47.

4. Гурьянихин, В.Ф. Способ управления врезным шлифованием на основе использования звукового излучения / В.Ф. Гурьянихин, В.В, Агафонов // Процессы абразивной обработки, абразивный инструмент и материалы: сб. трудов 10 -й междун. научно-техн. конф. -Волжский инж.-строит. ин-т. - Волжский, 2006. - С. 151 -152.

5. Гурьянихин, В.Ф. Управление процессом круглого наружного врезного шлифования с использованием акустического сигнала / В.Ф. Гурьянихин, В.В. Агафонов, A.A. Панков. -СТИН. - 2009. - №8. - С. 35-40.

6. Агафонов, В.В. Моделирование интенсивности звуковых сигналов, возникающих при различных условиях круглого наружного врезного шлифования / В.В. Агафонов // Молодежь и современные информационные технологии: сб. трудов VII Всеросийской научно-практич. конф., часть 1. - Томск: ТПУ, 2009. - С.79 - 80.

7. Агафонов, В.В. Экспресс - метод оценки режущей способности шлифовальных кругов и обрабатываемости материалов по звуковому сигналу / В.В. Агафонов, А.Д. Евстигнеев, В.Ф. Гурьянихин //Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы: сб. статей междунар. научно-техн. конф. - Волгоград : ВолгГАСУ, 2010 - С. 146 - 148.

8. Пат. 2254977 Российская Федерация, МПК В 24 В 51/00. Способ управления процессом врезного шлифования / Гурьянихин В.Ф., Аринин Д.В., Агафонов В.В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. тех. ун-т. -№2004101429; заявл. 16.01.2004; опубл. 27.06.2005, Бюл. № 18.-4 с.

9. Пат. 2328711 Российская Федерация, МПК001М 7/02. Способ определения постоянной времени механических колебательных систем / Гурьянихин В.Ф., Агафонов В.В., Панков A.A.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. тех.ун-т. - N9 2007100888; заявл. 09.01.2007; опубл. 10.07.2008, Бюл. № 19. - 3 с.

10. Положительное решение о выдаче патента по заявке №2008146122/02 от 26.02.2010. Способ управления процессом круглого наружного врезного шлифования / В.Ф. Гурьянихин, В.В. Агафонов, A.A. Панков; заявитель Ульян, гос. техн. ун-т. - Заявл. 20.11.2008.

АГАФОНОВ Владимир Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ВРЕЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОПЕРЕЧНОЙ ПОДАЧИ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА

Автореферат

Подписано в печать 19.05.2010. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,16. Тираж 110 экз. Заказ 574.

Типография УлГТУ. 432027, Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.

СПИСОК СОДОАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОСВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОГО (ЗВУКОВОГО) СИГНАЛА, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ШЛИФОВАНИИ, С СОСТОЯНИЕМ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ И РЕЖИМАМИ ШЛИФОВАНИЯ.

1.1. Оценка состояния рабочей поверхности шлифовального круга. Способы и средства оценки режущей способности шлифовальных кругов

1.2. Анализ способов управления, видов рабочих циклов круглого наружного врезного шлифования и методов их проектирования

1.3. Звуковое излучение, сопровождающее процесс круглого наружного врезного шлифования.

1.3.1. Источники и условия возбуждения звуковых колебаний (сигналов) при круглом наружном врезном шлифовании

1.3.2. Использование звукового сигнала для текущего контроля состояния режущей способности шлифовальных кругов и управления скоростью поперечной подачи при круглом наружном врезном шлифовании.

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ КРУГЛОМ НАРУЖНОМ ВРЕЗНОМ ШЛИФОВАНИИ.

2.1. Методика измерения параметров звуковых сигналов при кругл ом наружном врезном шлифовании.

2.1.1. Параметры звуковых сигналов, определяющих звуковое поле.

2.1.2. Контролируемые параметры и средства их измерения

2.1.3. Условия и порядок проведения экспериментов.

2.2. Теоретико-экспериментальное исследование основных характеристик звукового поля, создаваемого при круглом наружном врезном шлифовании заготовок.

2.2.1. Исследование звукового поля, создаваемого в процессе круглого наружного врезного шлифования.

2.2.2. Уточнение математической модели звуковых сигналов, возникающих при круглом наружном врезном шлифовании

2.3. Математическое моделирование интенсивности звуковых сигналов, возникающих при различных условиях круглого наружного врезного шлифования.

2.4. Проверка адекватности математической модели звуковых сигналов, возникающих при различных условиях круглого наружного врезного шлифования.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЦИКЛА ОПЕРАЦИИ КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ВРЕЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА.

3.1. Методика экспериментального исследования взаимосвязей между технологическими факторами круглого наружного врезного шлифования и интенсивностью звукового сигнала.

3.1.1. Критерии оценки технологической эффективности процесса шлифования и звукового сигнала.

3.1.2. Контролируемые параметры и средства их измерения

3.1.3. Экспериментальная установка.

3.1.4. Образцы для проведения исследований.

3.1.5. Номенклатура шлифовальных кругов.

3.1.6. Режимы шлифования и правки.

3.1.7. СОЖ и техника ее применения.

3.1.8. Математическое планирование экспериментов, количество и состав опытов.

3.2. Влияние технологических факторов круглого наружного врезного шлифования на амплитуду звукового давления и показатели процесса шлифования.

3.2.1. Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на интенсивность звукового сигнала.

3.2.2. Исследование переходных процессов круглого врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала.

3.3. Разработка и апробация методики управления циклом операции круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала.

3.4. Разработка технических средств управления циклом круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

4.1. Рекомендации по проектированию технических средств управления циклом шлифования по интенсивности звукового сигнала и их апробация в промышленности.

4.2. Источники и расчет технико-экономической эффективности результатов исследования.

4.3. Выводы.

С повышением точности машин и их деталей, а также точности заготовок, доля шлифовальных станков в общем станочном парке машиностроительных предприятий постоянно возрастает, причем из всего шлифовального оборудования более 50 % станочного парка составляют круглош-лифовальные станки [100]. При этом резко возросли требования к технико-экономической эффективности шлифовальных операций, особенно в автоматизированном производстве.

Производительность и стоимость операций шлифования во многом определяется выбранным циклом шлифования и способом управления им. Известные циклы шлифования с управлением по силе резания, мощности шлифования, шероховатости шлифованной поверхности заготовок и другие не позволяют контролировать текущее состояние режущей способности шлифовального круга (ШК), а значит, максимально использовать его потенциальные возможности как на станках с ручным управлением, так и на станках с ЧПУ. Всё это приводит к снижению производительности обработки и увеличению расхода ШК.

При круглом наружном врезном шлифовании оптимальный цикл обработки определяется минимальным временем, регламентируемым изменением скорости поперечной подачи в зависимости от текущей величины припуска. Вследствие большой инерционности процесса шлифования на продолжительность цикла, а следовательно, производительность обработки, существенное влияние оказывают переходные процессы при врезании ШК в заготовку, переключении подачи в процессе шлифования и выхаживании, время протекания которых до настоящего времени не учитывается при проектировании циклов шлифования.

Анализ многочисленных систем управления циклом шлифования, в том числе и адаптивных, свидетельствует о необходимости поиска быстродействующих, надежных и экономичных источников информации и способов внесения поправок в алгоритм управления, оказывающих определяющее влияние на производительность и качество обработки заготовок. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является использование в качестве источника информации звукового сигнала, генерируемого в зоне обработки.

Однако до настоящего времени не разработано научное и технологическое обеспечение, позволяющее объективно и всесторонне исследовать специфику использования звукового сигнала для управления процессом круглого наружного врезного шлифования, аналитически и экспериментально оценить влияние переходных процессов с целью сокращения времени цикла обработки и повышения технологической эффективности операции круглого наружного врезного шлифования заготовок.

В основу диссертации положены результаты аналитических и экспериментальных исследований звуковых сигналов, возникающих в процессе круглого наружного врезного шлифования, возможности использования их в качестве информационного сигнала для текущего контроля состояния режущей способности шлифовального круга, оценки переходных процессов и адаптивного управления циклом шлифования. Предложенные способы определения постоянной времени и управления процессом круглого наружного врезного шлифования по звуковому сигналу защищены тремя патентами на изобретение.

Основные результаты научных исследований апробированы путем опытно-промышленных испытаний на операциях круглого наружного врезного шлифования в условиях основного производства ЗАО «Орский завод компрессоров» и ЗАО «Кардан» (г. Сызрань). Полученные данные согласуются с результатами лабораторных исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору УлГТУ, к.т.н. В.Ф. Гурьянихину, сотрудникам кафедры "Технология машиностроения" УлГТУ за помощь в работе и творческое сотрудничество.

4.3. Выводы

1. На основе теоретико-экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний для практического использования результатов работы разработаны рекомендации по проектированию технологических средств адаптивного управления циклом круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала, обеспечивающие максимальную производительность обработки и требуемое качество поверхностей обрабатываемых заготовок.

2. Результаты опытно - промышленных испытаний нового способа управления процессом круглого наружного врезного шлифования заготовок находятся в полном соответствии с данными теоретико — экспериментальных исследований

3. Разработан на уровне изобретения новый способ управления процессом круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала, позволит увеличить производительность обработки по машинному времени на 20 - 30 % по сравнению со стандартным циклом шлифования, обеспечивая при этом требуемые параметры качества шлифованных деталей.

4. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования звуковой адаптивной системы управления циклом круглого наружного врезного шлифования составляет 75340 руб. на один станок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлены результаты теоретико — экспериментальных исследований повышения эффективности круглого наружного врезного шлифования путем управления скоростью поперечной подачи по интенсивности звукового сигнала. В результате исследований получены следующие новые выводы и практические результаты:

1. Доказана возможность повышения эффективности круглого наружного врезного шлифования на основе использования звукового сигнала для управления скоростью поперечной подачи.

2. На основе выполненных теоретико-экспериментальных исследований звуковых сигналов, возникающих при круглом наружном врезном шлифовании, уточнена математическая модель, описывающая звуковое давление, создаваемое в процессе обработки заготовок кругами различных характеристик, имеющих форму кольцевой пластины и соотношение размеров H/D = 0,05 - 0,07 и d/D = 0,5 - 0,7 для различных условий шлифования. Экспериментальная проверка адекватности данной модели показала возможность её использования для оптимизации режимов резания и разработки адаптивной системы управления циклом круглого наружного врезного шлифования с использованием звукового сигнала.

3. В результате математического моделирования звуковых сигналов, создаваемых в процессе шлифования выявлено, что интенсивность звуковых сигналов в основном определяется поперечной подачей ШК и величиной снимаемого припуска, что позволило создать базу данных для проектирования систем управления скоростью поперечной подачи при круглом наружном врезном шлифовании на основе использования звукового сигнала.

4. Получены регрессионные математические зависимости амплитуды звукового давления, износа ШК и шероховатости шлифованных поверхностей заготовок от режимов шлифования.

5. Установлено, что звуковое давление или его амплитуда тесно связаны с технологическими и выходными параметрами процесса шлифования, с динамикой переходных процессов, что позволяет оценивать текущее состояние режущей способности ШК и рассчитывать величину уставки для управления скоростью поперечной подачи по интенсивности звукового сигнала.

6. Разработан оптимальный алгоритм управления поперечной подачей при круглом наружном врезном шлифовании на этапах врезания и выхаживания по скорости изменения амплитуды звукового давления, адекватно описывающий реальный процесс съема припуска, в котором корректирующий сигнал формируют в функции постоянной времени, что позволяет рассматривать задачу построения автоматического цикла шлифования, как задачу об оптимальном быстродействии.

7. Предложен на уровне изобретения способ определения величины постоянной времени на основе измерения динамического параметра - изменения амплитуды звукового давления во времени в переходных процессах. Установлено, что постоянная времени переходных процессов имеет корреляционную связь с амплитудой звукового давления и режимами шлифования.

8. Разработана методика и создано программное обеспечение для автоматизированного формирования рабочего цикла операции круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового сигнала, на основе которой разработаны на уровне изобретений способы управления процессом врезного шлифования и предложена звуковая адаптивная система управления скоростью поперечной подачи. Доказано, что применение данных способов управления циклом круглого врезного шлифования позволяет увеличить производительность обработки на 25-30 % по сравнению со стандартным циклом шлифования за счет управления переходными процессами цикла на этапах врезания и выхаживания, оптимального перераспределения припуска и стабилизации режущей способности ШК, обеспечив требуемое качество шлифованных деталей на уровне 6 — 7 квалите-тов.

9. Разработаны рекомендации по проектированию технических средств для управления скоростью поперечной подачи по интенсивности звукового сигнала, позволяющие осуществлять обработку в автоматическом режиме.

10. Проведены опытно-промышленные испытания нового способа управления скоростью поперечной подачи по интенсивности звукового сигнала на операциях шлифования шеек вала в действующем производстве ЗАО «Кардан» (г. Сызрань) и ЗАО «Орский завод компрессоров» (г. Орск), подтвердившие его эффективность. Расчетный годовой экономический эффект от использования предложенной звуковой адаптивной системы управления циклом круглого наружного врезного шлифования составляет 75340 руб. на один станок.

1. А.с. 1009733 СССР, МКИ В24 В51/00. Способ управления врезным шлифованием / В.А. Ратмиров, А.С. Чубуков и В.И. Паршин. -№3309409/25-08; заявл. 25.06.81; опубл. 08.04.83, Бюл. .№13. 8 с.

2. А.с. 1357202 СССР, МКИ В24 В49/00. Способ определения момента правки шлифовального круга / В.А. Ратмиров, П.М. Рашко-вич и П.В. Бирштейн. №3981092/25-08; заявл. 09.09.85; опубл. 07.12.87, Бюл. №45.-4 с.

3. А.с. 1734991 СССР, МКИ В 24 В51/00. Способ управления круглым врезным шлифование и устройство для его осуществления / В.А. Иванов, А.С. Иванов. №4491918/08; заявл. 10.10.88; опубл. 23.05.92, Бюл. №19.-3 с.

4. А.с. 2133186 СССР, МПК В 24 В51/00. Способ управления процессом врезного шлифования и устройство для его осуществления. / А.Г. Решетов, А.И. Гречухин, В.Д. Шелеметьев, С.В. Стахов (RU). -№98108394/02; заявл. 29.04.1988; опубл. 20.07.1999. 10 с.

5. А.с. 2116185 СССР, МКИ В24 В55/00. Устройство для контроля режущей способности абразивного круга / Гурьянихин В.Ф., Макеев А.В., Юганов B.C. №96103008; заявл. 15.02.96. Опубликовано 27.07.98, Бюл. №21. - 5 с.

6. А.с. 607725 СССР, МКИ В24 В49/10. Способ переключения скоростей быстрого подвода шлифовального круга на рабочую подачу / В.Ю. Новиков. №2460599/25-08; заявл. 17.10.87; опубл.06.90, Бюл. №15.-4 с.

7. А.с. 975366 СССР, МКИ В 24 В 53/00. Способ определения момента правки шлифовального круга / Б.А. Глаговский, В.Г. Юрьев, Л.И. Линдунен. №3282637/25-08; заявл. 06.05.81; опубл. 23.01.1982, Бюл. № 43. - 6 с.

8. А.с. 1036508 СССР, МКИ В24 В51/00. Способ управления шлифованием / Б.А. Глаговский, В.Г. Юрьев и Л.И. Линдунен. — №3383675/25-08; заявл. 22.01.82; опубл. 23.08.83, Бюл. №31. 8 с.

9. А.с. 1144858 СССР, МКИ В24 В51/00. Способ управления процессом врезного шлифования / В.И. Сивачек, B.C. Мучкин. — №3470866/25-08; заявл. 16.07.82; опубл. 15.03.85, Бюл. №10. 12 с.

10. А.с. 1565650 СССР, МКИ В24 В55/00. Способ определения режущих свойств абразивного инструмента / В.В. Пузанов, M.JI. Кара-кулова, А.И. Хватов. №4287724/31-08; заявл. 21.07.87; опубл. 23.05.90, Бюл. №19.-3 с.

11. А.с. 526499 СССР, МКИ В24 В51/00, В24 В55/00. Способ контроля затупления шлифовальных кругов / Б.Я. Борисов, И.П. Козыряц-кий, Н.А. Костенко и А.Б. Борисов. -№1991439/08; заявл. 11.01.74; опубл. 30.08.76, Бюл. №32. 5 с.

12. А.с. 598746 СССР, МКИ В24 В55/00. Способ определения степени засаленности абразивного круга и устройство для его осуществления/ В.Ф. Гурьянихин, М.А. Белов. №2381335/25-08; заявл. 28.06.76. 0публ.25.03.78, Бюл. №11-4 с.

13. А.с. 598746 СССР, МКИ В24 В55/00. Устройство контроля засаленности абразивного круга/ В.Ф. Гурьянихин, Н.М. Мужиков. -№1797565-2508; заявл. 22.01.91. 0публ.23.02.93, Бюл. №7. 8 с.

14. А.с. 674879 СССР, МКИ В24 В53/00. Способ определения степени засаливания шлифовального круга / Р.Б. Мартиросян, С.Р. Марка-рян. -№2502157/25-08; заявл. 01.07.77; опубл. 25.07.79, Бюл. №27. -7с.

15. А.с. 1514588, МКИ В 24 В51/00. Способ управления процессом круглого врезного шлифования / Ф.В. Новиков, О.Н. Жаровский, А.В. Гришкевич, Ю.С. Билецкий. №4157932/25-08; заявл. 18.09.86; опубл. 15.10.89, Бюл. №38. -4 с.

16. Агафонов, В.В. Исследование звукового поля при круглом наружном врезном шлифовании / В.В. Агафонов, В.Ф.Гурьянихин // Молодежь-науке будущего: труды 3-й международн. заочн. молодежи, научно-тех. конф. /- Ульяновск: УлГТУ, 2006. С. 9 - 11.

17. Агафонов, В.В. Оценка режущей способности шлифовальных кругов по акустическому критерию /В.В. Агафонов // Прогрессивныетехнологии развития: сб. трудов 3-ей междун. науч.-тех. конф. / — Тамбов: ТГТУ. 2006. С. 46 - 47.

18. Адаптивное управление станками / Под ред. Б.С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973. — 688 с.

19. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Со-ломенцев, В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. — М.: Машиностроение, 1980. 536 с.

20. Ардашев, Д.В. Оценка работоспособности шлифовальных кругов по комплексу эксплуатационных показателей: дис. . канд. тех. наук: 05.03.01; защищена 27.10.05 / Ардашев Дмитрий Викторович. -Челябинск, 2005. 261 с.

21. Активный контроль в машиностроении: Справочник / Под ред. В.И. Педя. М.: Машиностроение, 1978. - 352 с.

22. Балакшин, Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 1982. Т. 1-2.

23. Бесекерский В.А, Теория систем автоматического решулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов М.: Наука. 1975. - 768 с.

24. Бишутин, С.Г. Изменение состояния абразивного инструмента в процессе шлифования/ С.Г. Бишутин, // Станки и инструмент. -2004.-№5.-С. 27-29

25. Блинова, Л.П., Акустические измерения / Л.П.Блинова, А.Е. Колесников, Л.Б. Лангас -М.: Изд. стандартов, 1971. 270 с.

26. Бобровницкий, Ю. И., О колебаниях тонких прямоугольных пластин в своей плоскости / Ю. И. Бобровницкий, М. Д. Генкин // Виброакустические процессы в машинах и присоединенных конструкциях: сб. статей. М.: Наука, 1974. С. 4-8.

27. Богомолов, Н. И. Исследование деформации металла при абразивных процессах под действием абразивного зерна /Н.И. Богомолов // Труды ВНИИАШ—1968, № 7. - С. 74 - 78.

28. Бокучава, Г. В. Трибология процесса шлифования / Г. В. Бокучава Тбилиси: Сабчота Сакартвело. — 1984. — 238 с.

29. Брятова, Л.И. Оптимизация врезного шлифования при использовании многоступенчатого цикла подачи / Л.И. Брятова, М.К. Клебанов, В.Ю. Новиков // Вестник машиностроения. 1981—№4. — С. 49-53.

30. Васин, М.П. Управление шлифование колец высокоточных подшипников с адаптацией режима / М.П. Васин, В.В. Горбунов, А.А. Игнатьев // СТИН. 2007. - №7. - С. 29 - 33.

31. Волосов, С.С. Автоматическое обеспечение точности размеров при шлифовании / С.С. Волосов // М.: Машгиз, 1958. 119с.

32. Волосов, С.С. Управление качеством продукции средствами активного контроля /С.С. Волосов, З.Ш. Гейлер // М.: Издательство стандартов, 1989, - 264 с.

33. Волосов, С.С. Основы точности активного контроля размеров / С.С. Волосов// М.: Машиностроение, 1969. 359 с.

34. Генкин, М. Д. Прохождение плоских волн через соединения пластин/ М. Д. Генкин, В. Н. Маслов // Виброакустические процессы в машинах и присоединенных конструкциях: сб. статей. -М.: Наука, 1974. С. 9-14.

35. Глаговский, Б. А. Международная конференция по шлифовальной технике / Б. А.Глаговский, В. А. Букин, В.П. Лапшин // Абразивы. -1974.-№4.-С. 28-30.

36. Глаговский, Б. А. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении / Б. А. Глаговский, И. Б. Маковенко // Л.: Машиностроение, 1977,- 208с.

37. Гурьянихин, В.Ф. Управление процессом круглого наружного врезного шлифования с использованием акустического сигнала / В.Ф. Гурьянихин, В.В. Агафонов, А.А. Панков. СТИН. 2009, -№8. - С. 35-40.

38. Гурьянихин, В. Ф. Повышение надежности операций глубинного шлифования лопаток турбин путем совершенствования техники очистки СОЖ / В. Ф.Гурьянихин, B.C. Юганов // Надежность механических систем. — Самара: ОПТУ, 1995. С. 61-62.

39. Гурьянихин, В.Ф. Исследование переходных процессов круглого наружного врезного шлифования по интенсивности звукового излучения / В.Ф. Гурьянихин, В.В. Агафонов. — Вестник УлГТУ. —2005,- №1.- С. 37-39.

40. Гурьянихин, В.Ф., Текущий контроль режущей способности шлифовального круга методом низкочастотной акустической эмиссии /

41. B. Ф. Гурьянихин, B.C. Юганов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Волжский: ВИСИ, 1997.1. C.86-88.

42. Гурьянихин, В.Ф. Исследование основных параметров звукового поля при шлифовании / В. Ф. Гурьянихин, B.C. Юганов // Вестник УлГТУ. 1999, - №3. - С. 81-87.

43. Гурьянихин, В.Ф. Способ управления врезным шлифованием на основе использования звукового излучения / В.Ф. Гурьянихин,

44. B.В. Агафонов // Процессы абразивной обработки, абразивный инструмент и материалы: сб. трудов 10-й междун. научно-техн. конф. / Волжский инж.-строит. ин-т. Волжский, 2006. — С. 151 —152.

45. Джонсон, К. Механика контактного взаимодействия / К. Джонсон// М.: Машиностроение, 1971. 510 с.

46. Евсеев, Д. Г. Контроль процессов резания по высокочастотному акустическому излучению / Д. Г.Евсеев, А. М. Брагинский, А.В. Арсентьев // Резание и инструмент. Харьков, - 1985. - №33. - С. 25-32

47. Евсеев, Д. Г. Акустикоэмиссионная диагностика процесса шлифования / Д. Г.Евсеев, Б. М.Медведев, Г. Г. Григорян // Изв. вузов. Машиностроение. 1993. - №6. - С. 104-108

48. Жвирблис, А.В. Выбор алгоритмов управления процессом прецизионного круглого наружного шлифования / А.В. Жвирблис, О.М. Гольфельд // Станки и инструмент. 1979. - №2. - С. 20 - 23.

49. Жвирблис, А. В. Управление точностью круглого шлифования / А.

50. B. Жвирблис, А. В. Лурье // Машиностроитель. 1979. - № 3.1. C. 14-15.

51. Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. М.: Машиностроение, 1992. -480 с.

52. Иголевич, В.А. Повышение производительности и точности обработки на круглошлифовальных станках с ЧПУ на основе динамических свойств процесса шлифования.: автореферат дис. . канд. тех. наук: 05.02.08 Челябинск, 1992.

53. Ипполитов, Г.М. Абразивно-алмазная обработка / Г.М. Ипполитов. М.: Машиносроение, 1985. - 480 с.

54. Каленник, Д.В. Исследование процесса внутреннего врезного шлифования при автоматическом управлении радиальным усилием: атореферат дис. . канд. тех. наук: 05.02.08. Челябинск, 1974.

55. Кибальченко А.В. Акустическая диагностика процесса механической обработки: типовые операции применения / А.В. Кибальченко, С.П. Бабак, Н.Н. Рассказов // Известия вузов. Вып. 476. М.: Машиностроение, 1987. - С.57-73

56. Корчак, С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей / С.Н. Корчак. М.: Машиностроение, 1974. — 280 с.

57. Корчак, С.Н. Структура паспорта эксплуатационных показателей шлифовальных кругов разных характеристик / С.Н. Корчак, Д.В. Ардашев // Абразивный инструмент и металлообработка: сб. научн. трудов Челябинск: ЮУрГУ, 2002. - С. 6 -12.

58. Кошин, А.А. Исследование процесса шлифования акустическим методом. / А.А. Кошин, Д.В. Ардашев // Абразивное производство: сб. науч. трудов /- Челябинск, ОАО «Уральский научно-исследовательский институт абразивов и шлифования». 2004. — С. 105-110.

59. Красильников, В. А. Звуковые волны / В. А. Красильников// М.:66