автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифовальной обработки малогабаритных валов на основе определения периодичности правки круга по запасу устойчиовсти динамической системы

На правах рукописи

Козлов Дмитрий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРАВКИ КРУГА ПО ЗАПАСУ УСТОЙЧИВОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005546640

005546640

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина ЮЛ.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Игнатьев Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: Давиденко Олег Юрьевич

доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., заведующий кафедрой «Технология машиностроения»

Горбунов Владимир Владимирович

кандидат технических наук, начальник отдела автоматизации ООО «НПП Подшипник-СТОМА» (г. Саратов)

Ведущая организация: Институт проблем точной механики

и управления РАН (г. Саратов)

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ф--

А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших процессов финишной обработки малогабаритных валов является шлифование на автоматизированных станках. К снижению качества валов приводит влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование, например высокие температуры, что влечет истирание режущих кромок абразивных зерен шлифовального круга, скалывание режущих кромок, заполнение свободных пор металлической стружкой и ряд других факторов. Все это приводит к потере геометрической формы шлифовального круга, его износу, ухудшению шлифовальных свойств, вследствие чего данные факторы приводят к браку в изделии. В связи с этим требуется производить правку круга для восстановления свойств рабочего инструмента. Время до очередной правки круга зависит от качества материала абразивного инструмента, условий процесса обработки, материала заготовки и других параметров, влияющих на процесс шлифования. Вопрос определения интервала между правками является очень важным, так как от этого зависят качество обработки, стоимость шлифовального процесса и эффективность процесса шлифования в целом.

Качество обработки малогабаритных валов обеспечивается управлением процессами шлифования, в основе которых лежит анализ возмущающих факторов. Одним из возмущающих факторов являются динамические процессы, протекающие в технологической системе, оценивающиеся с помощью виброакустических (ВА) колебаний при обработке. Амплитуда и частотный состав ВА колебаний при шлифовании являются основными показателями динамических характеристик станков, они оказывают существенное влияние на формирование геометрических показателей точности, таких как отклонение от круглости, огранка, волнистость и шероховатость валов, а также на качество поверхностного слоя валов.. Исследованиями по вышеупомянутой тематике занимались В.А. Куди-нов, С.С.Кедров, В.И. Попов, М.Л.Орликов, Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев и ряд других исследователей.

Требования к качеству и эффективности шлифования повышаются по ходу технического прогресса и, тем самым, повышаются требования к точности управления процессом абразивной обработки, одним из критериев которого является определение момента правки круга.

Достоинства процесса шлифования реализуются при условии обеспечения качественного восстановления характеристик шлифовального круга правкой его рабочей поверхности. С помощью процесса правки формируются необходимые режущие свойства круга и восстанавливается его геометрическая форма. Исследованиями процесса правки круга занимались А.В.Королев, И.Н.Янкин, С.А. Попов, Н.П. Малевский, Н.Н Васильев, И.П.Никифоров, Xipeng Xu, Н. Kaliszern ряд других ученых.

Однако, для повышения эффективности шлифования в целом, необходимо определять момент, при котором необходимо осуществлять правку круга, т.к. зачастую правку круга проводят слишком часто, тем самым нерационально расходуя абразивный и алмазный инструмент, и затрачивается дополнительное время на правку круга непосредственно. В ряде работ имеются сведения, связанные с определением момента правки круга по уровню ВА колебаний динамической системы (ДС), однако наличие стохастических составляющих в спектре ко-

лебаний затрудняет формирование критерия, по которому достаточно точно определяется момент правки круга. Актуальность данной темы определяется тем, что путем обработки зарегистрированных при шлифовании ВА колебаний ДС обосновывается критерий назначения момента правки круга, базирующийся на вычислении запаса устойчивости ДС.

Цель работы - повышение эффективности шлифовальной обработки валов с обеспечением заданной точности на основе определения периодичности правки шлифовального круга по запасу устойчивости динамической системы (ДС), оцениваемому по реальному состоянию шлифовального круга, идентифицированному по виброакустическим колебаниям шпинделей станка при обработке.

Методы и средства исследования. Проведенные теоретические исследования основываются на методах теории автоматического управления положениях применительно к динамике станков, процессах абразивной обработки. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях на автоматизированном круглошлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 для обработки валов, с применением средств измерения ВА колебаний узлов станков, в том числе виброизмерителя ВШВ - 003M3, был проведен контроль качества деталей в лабораторных условиях, для проведения измерений использовались: вихретоковый дефектоскоп ПВК - К2М, кругломер Talyrond 131, профилограф Hommel Т1000, универсальный прибор для контроля геометрических характеристик Twinner Т4М. Научная новизна работы:

1. Построена и обоснована модель динамической системы круглошлифо-вального станка в виде передаточной функции, связывающей силу резания на выходе с подачей круга на входе системы, учитывающая изменение во времени режущих свойств и износ круга, позволяющая обосновать, что динамическая система по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое.

2. Выявлена корреляционная связь изменения запаса устойчивости динамической системы шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга, определяемого по показателю колебательности, полученному экспериментально-аналитическим методом при обработке зарегистрированных виброакустических колебаний из передаточной функции замкнутой динамической системы, с изменением геометрических параметров точности (шероховатость, отклонение от крутости, прямолинейность профиля) и физико-механических параметров поверхностного слоя, измеренных вихретоковым методом, что дает возможность установить реальный момент правки круга.

3. Разработано методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости динамической системы, критериально оцениваемому по превышению значения показателя колебательности, полученного экспериментально-аналитическим путем, на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки, целеори-ентированное на изготовление деталей с заданным качеством, рациональное использование абразивного и алмазного инструмента.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработан метод определения периодичности правки круга на шлифовальных станках по

стохастическим характеристикам ВА колебаний, регистрируемых в диапазоне до 4000 Гц при обработке малогабаритных валов. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость результатов, полученных при анализе теоретической модели ДС. Экспериментально установлена рациональная периодичность правки шлифовального круга, которая в 2,5 раза больше применяемой ранее с сохранением заданных показателей качества деталей. Практическая реализация результатов работы осуществлена на ООО «Бош Пауэр Тулз» для повышения эффективности шлифовальной обработки, что подтверждается актом передачи результатов исследований. Результаты также используются в учебном процессе на кафедре "Автоматизация, управление, мехатроника" СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на пяти конференциях различного уровня: Международных конференциях «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Математические методы в технике и технологии-24» (Саратов, 2011); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2011), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2012), на заседаниях кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2009-2013 гг. и межкафедральном семинаре института электронной техники и машиностроения СГТУ имени Гагарина Ю.А. в 2013 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (173 наименования) и приложений, изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков, 5 таблиц.

На защиту выносятся:

1. Модель динамической системы круглошлифовального станка в виде передаточной функции, учитывающая изменение во времени режущих свойств круга, позволяющая обосновать, что динамическая система по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое.

2. Связь изменения запаса устойчивости динамической системы шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга, полученного при обработке виброакустических колебаний динамической системы, с изменением геометрических параметров точности и физико-механических параметров поверхностного слоя деталей.

3. Методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости динамической системы, оцениваемому по превышению значения показателя колебательности на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки.

4. Практическая реализация методики определения рациональной периодичности правки круга на автоматизированном шлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 для окончательной обработки малогабаритных валов по идентифицированной модели динамической системы, обеспечивающей высокую эффективность, заданное качество поверхностного слоя и геометрическую точность вала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу факторов, влияющих на качество круглого шлифования, исследованиям по данной тематике посвящены работы Л.Н.Филимонова, Г.Б.Лурье, Е.Н.Маслова, А.В.Королева и других ученых. Исследования по управлению шлифованием на автоматизированных станках проведены в работах В.Н.Михелькевича, М.М.Тверского, В.Д.Эльянова и других исследователей. В работах В.А.Кудинова, Б.М.Бржозовского, В.Н.Михелькевича, А.А.Игнатьева, М.М.Аршанского рассматриваются модели ДС станков, оценивается влияние динамических процессов при шлифовании на качество обработки. Вопросами влияния правки круга на качество процесса шлифования занимались В.И. Аверченков, В.Ф. Безъязычное, Д.Г. Евсеев,

A.B. Королев, И.Н.Янкин, И.П.Никифоров, B.Rhoney, T.Oku, Y.Suzuki, Н. Kaliszer и другие исследователи. По результатам исследований A.B. Королева и И.Н.Янкина установлено, что процесс правки может быть достаточно эффективно использован в качестве управляющего фактора для процесса шлифования, от периодичности правки шлифовального круга сильно зависят показатели процесса шлифования и характер распределения абразивных зерен на круге.

В СГТУ выполнен ряд работ, исследующих ВА колебания при шлифовании, которые можно рассматривать как интегральный показатель взаимодействия круга и детали в ДС, что дает возможность на основе оценки запаса устойчивости динамической системы определить реальный момент правки круга.

В соответствии с изложенным и целью работы сформулирован ряд задач исследования, решение которых отражено в последующих главах.

Во второй главе разработана модель динамической системы круглошли-фовалыюго станка с учетом изменения режущих свойств и износа круга. За основу взята модель ДС шлифовального станка, разработанная

B.Н. Михелькевичем, и впоследствии модернизированная С.А. Игнатьевым:

где К,,« - коэффициент передачи объекта по приращению толщины среза, Тд, Ти - постоянные времени, обусловленные собственными частотами элементов шпиндельных узлов, 11д, Ьи - коэффициенты, обусловленные статической жесткостью элементов шпиндельных узлов, уи - относительный коэффициент демпфирования шпиндельного узла, тд- время обработки одной детали.

С учетом того, что в модели (1) учитываются как динамические свойства основных узлов формообразующей подсистемы, так и процесс резания, но не учитывается изменение режущей способности круга, в модель (1) было внесено уточнение. Согласно выводам В.Н. Михелькевича, коэффициент режущей способности шлифовального круга Креж имеет связь с коэффициентом передачи объекта по приращению толщины среза Крез через время запаздывания тд

Щ(Р) =

TJP2 + 2 [уи + KjxTö {hö + hu )]TU p + l'

(1)

б

Согласно выводам Л.Н.Филимонова, изменение коэффициента режущей способности шлифовального круга во времени происходит по определенной закономерности и отражает степень затупления круга

К ¡¡еж ~ Крежа • е ; (3)

где К- значение коэффициента режущей способности в начале работы, К 1хт -текущее значение коэффициента режущей способности, X - постоянная, зависящая от условий шлифования.

Подставляем (3) в (4), получаем

—Т17^- (4)

Принимая во внимание, что изображение по Лапласу для еи будет выглядеть следующим образом

<•('"1^ <5>

Сделаем преобразование для упрощения (4), вводя обозначение

1

К

Л рвжО

Подставляя (5) и (6) в (4) получаем

к

(6)

С учетом формулы (7) преобразовываем передаточную функцию (1)

Ш=_^У+2-^+1)_

^^Ч^^д^^чг-^-т/а+^г^./о+ра-г^+^^+А^ы (8)

По результатам исследований динамических характеристик станков выявлено, что колебания при шлифовании могут приводить к потере устойчивости ДС станка. Основываясь на критерии устойчивости Гурвица, можно оценить устойчивость ДС по передаточной функции (8). Для этого необходимо получить характеристическое уравнение из знаменателя передаточной функции (8). Обозначим выражения при степенях операторар как аъ, а2, а,, а0:

а,=Тд2+к-ки-Тд2, (9)

а =2-у;Г-Т)г-Л+к-2-у,?д-11и, (10)

а, =1-2 ТЛ+^Л+^Л, (11)

а„=-Л. (12)

Подставляя (9) - (12) в (8), получаем

мг/.^.^в

я, • р' +а2- р + а, • р + а0

где а3,а2,а|,ао - коэффициенты характеристического уравнения, 7Д - относительный коэффициент демпфирования элементов шпиндельного узла. Значения коэффициентов для расчетов взяты из работ В.Н.Михелькевича.

Исходя из критерия устойчивости Гурвица, необходимым условием устойчивости ДС является условие положительности всех коэффициентов характеристического уравнения. Анализируя (13) делаем вывод, что система считается неустойчивой, т.к. ав < 0. Соответственно, сила резания на выходе неуклонно возрастает. Недостаток передаточной функции (13) заключается в том, что процесс на выходе не соответствует практическим данным, и неизвестно, в какой именно момент необходимо осуществлять правку круга.

В связи с этим является необходимым, кроме изменения режущей способности круга, учесть закономерность износа круга. Для этого вводим обратную связь по износу круга по аналогии с работой В.Н.Михелькевича, но в данном случае коэффициент износа круга Кш является переменной величиной.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема процесса врезного шлифования с учетом потери режущей способности и износа шлифовального круга

Как было сказано ранее, изменение коэффициента режущей способности шлифовального круга во времени происходит по определенной закономерности и отражает степень затупления круга. После выявления данной закономерности необходимо определить границу, при которой ДС теряет устойчивость. Передаточная функция, соответствующая рис.1 , будет выглядеть следующим образом:

Щр) =_КГ.У+гу.т.р+о_

(р-Л) (Т;рг + р + 1)+к(р\+ Т;кУ + 2/Л + Кр + + 2у.Т. /> + К„,) ^ После алгебраических преобразований в знаменателе передаточной функции (15), получаем характеристическое уравнение, приравнивая полученное выражение к нулю:

СГ„2 +кТ^1и)р' + (2уиТ -Т„ гЛ + к2у„Т„ /г„ +кКиуТ„')р2 + +(1-2у11Т„Л + кк,+кИ11 + кКт 2уиТи )р + (кКт -Л) = 0 Определим устойчивость ДС по критерию Гурвица, для этого обозначим выражения при степенях оператора р как я,, а2, л,, а0

+ (16)

« = 2ГХ ~ТЫ 2Л+к2уиТи ки +кКжТи 2 (17)

в, = 1 -2уиТи Л + кк0 + кНи + кКж2гЛ (18),

ао=кКи«-& ■ (19)'

Подставив формулы (16)-(19) в передаточную функцию (14), получаем

а,р+агр +а,я + а„

По критерию Гурвица ДС является устойчивой, так как д, >0,а2 >0,0, >0,аа >0 и а2 -а, >а, ■ а(].

Согласно (20), все коэффициенты положительны, но, как видно из (19), а0=кКт-Л, однако по мере износа круга коэффициент износа круга Кт стремится к нулю при тонком шлифовании, и в определенный момент ДС достаточно резко переходит в неустойчивое состояние, согласно исследованиям Г.Б.Лурье. Принимая это во внимание, подставив Кш = 0 в (19), получаем, что а0 = -Л. Согласно критерию устойчивости Гурвица, при ап < 0 ДС становится неустойчивой, т.е. переход от устойчивого состояния к неустойчивому определяется изменением коэффициента износа шлифовального круга Кт в сочетании с коэффициентом режущей способности круга К , которые изменяются с течением времени.

Постоянная изменчивость свойств, структуры круга и заготовки приводит к изменению передаточной функции, то есть ДС в целом является нелинейной. Но если принять допущение, что в пределах времени шлифования одной детали не происходит существенных изменений параметров процесса и свойств детали и круга, то можно рассматривать ДС как линейную, и, соответственно, определить ее передаточную функцию, затем из передаточной функции замкнутой системы, запас устойчивости. По запасу устойчивости, как показали результаты работ А.А.Игнатьева, С.А.Игнатьева, определяется режим шлифования с наиболее высокой эффективностью с сохранением заданных параметров точности обработки. Из передаточной функции замкнутой ДС станка W/^f)заменой Р = ja можно получить частотную функцию W,(_/'«), после чего из частотной функции возможно определить амплитудно-частотную характеристику А(а)), на основе которой определяется запас устойчивости замкнутой ДС по показателю колебательности Мшах (для хорошо демпфированных систем значение М1Гм составляет 1,1...1,5):

(2.)

Ai

По мере роста значений показателя колебательности, определяемого по формуле (21), запас устойчивости ДС снижается.

Для построения графика АЧХ (рис. 2) и вычисления М^ необходимо знать численные значения параметров динамической системы станка и процесса шлифования:hu,Л,,,Г,,,Кик,ун,Л,к . Исходные значения взяты из работ В.Н.Михелькевича и Л.Н.Филимонова, далее, на основе передаточной функции (14), построена АЧХ ДС для оценки запаса устойчивости по показателю колебательности.

1

1 1 : 1

/ / \

V V ___

0 • Часто!«, КГц03

Рис.2. Теоретическая амплитудно-частотная характеристика ДС, учитывающая изменение режущей способности и износ круга

Таким образом, на основе рис. 2 можно теоретически вычислить запас устойчивости ДС по показателю колебательности.

В нашем случае запас устойчивости изменяется по мере износа круга. Исходя из положений теории автоматического управления, система должна обладать запасом устойчивости, который позволит определить момент правки круга, при котором высокая эффективность сочетается с заданным качеством обработанных валов. Как показали данные известных работ, повышение запаса устойчивости минимизирует колебания в зоне обработки, что снижает температуру шлифования и, соответственно, не нарушает структуру поверхностного слоя валов. Вычисление запаса устойчивости осуществляется из передаточной функции ДС, полученной из автокорреляционной функции (АКФ) в стационарном режиме обработки, когда закончился переходной процесс. ВА колебания содержат стохастическую составляющую, однако преимущество использования АКФ при анализе стохастических процессов заключается в том, что она обладает фильтрующими свойствами и выделяет детерминированные составляющие колебаний ДС.

Для дальнейшей практической реализации в производстве было разработано методическое обеспечение, представленное на рис. 3.

Рис. 3. Методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости ДС

Таким образом, построена и обоснована .модель Д С круглошлифовального станка в виде передаточной функции, учитывающая изменение во времени режущих свойств круга, позволяющая обосновать, что ДС по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое, предложено методическое обеспечение для практического определения в производственных условиях момента правки круга.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований связи динамических характеристик шлифовальных станков и качества обработки малогабаритных валов для определения наибольшей эффективности процесса шлифования. Измерения производились на автоматизированном круг-лошлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05. Валы изготовлены из стали марки А40Г, обработка производилась шлифовальным кругом марки 2A80M8V2AH при постоянных значениях режима шлифования: скорость вращения шпинделя детали - 600 об/мин, скорость вращения шпинделя круга - 2000 об/мин, снимаемый припуск-0,1 мм, подача-0,005 мм/об.

Для измерений использовались комплект виброизмерительной аппаратуры ВШВ-ООЗМЗ с датчиком ДН-3, фиксирующим виброускорение в диапазоне 1...4000 Гц, ноутбук Dell (рис. 4.а), для оценки качества поверхностного слоя обработанных валов использовался автоматизированный вихретоковый прибор IIBK-K2M (рис. 4.6). Для оценки точности обработки проводились измерения отклонения от круглости валов на кругломере Talyrond 131(рис. 4.в), шероховатости на профилографе Hommel tester Т1000 (рис. 4.г) и прямолинейности профиля рабочей поверхности вала на приборе Twinner Т4М.

в г

Рис.4. Аппаратурное обеспечение измерений: а - виброизмерительная аппаратура, б - автоматизированная система вихретокового контроля ПВК-К2М, в - кругломер Talyrong ! 31, г - профилограф Homme) tester Т1000

Для выбора момента правки круга по характеристикам ВА колебаний, согласно материалам главы 2, разработана методика обучающего эксперимента, по результатам применения которой вносятся корректировки в программу станка.

С помощью магнитных опор в зону резания был установлен вибродатчик (рис. 5). Сигналы датчика подавались на виброизмеритель ВШВ-ООЗМЗ и регистрировались в режиме линейного усиления в диапазоне частот до 4000 Гц. Колебания в этом диапазоне частот вносят наиболее существенный вклад в динамику процесса взаимодействия круга и детали и в формирование значений параметров точности детали и физико-механических характеристик их поверхностного слоя. До проведения предварительного эксперимента правка круга по технологии в производственных условиях проводилась через каждые 30 деталей.

Соответственно, был проведен эксперимент для оценки релевантности интервала в 30 валов между правками. На рис.6 представлены запись вибраций и АКФ вала №30. АКФ были получены с помощью программы Ма^аЬ.

Рис. 5. Вибродатчик установлен в зоне резания

^^яяшяшг**

Рис. 6. Запись вибрации автоматизированного шлифовального станка с ЧПУ Weiss WKG-05 и соответствующая ей автокорреляционная функция

Для аппроксимации АКФ используется формула

К {г) = А ■ е(I + т cos Sir) cos а)„т (22)

где А - постоянный коэффициент, а - коэффициент затухания,О - частота огибающей АКФ, w0 - основная частота АКФ, m - коэффициент модуляции. Используя известную формулу, полученную Скляревичем А.Н.

Щ(р)-Щ-р) = К„(р) + К„(-р) (23)

где W3(p) - передаточная функция замкнутой ДС станка, К(р) - изображение по Лапласу АКФ К(т).

При условии, что входной сигнал есть сигнал типа «белый шум», вычисляем по АКФ передаточную функцию замкнутой ДС W^(P)

Щр) =

[(р+а? +И, +П)2][(р+йг)3 +(й!, -П)2]

(24)

Функция (24) аналогична для всех экспериментов в исследуемом интервале между правками, но меняются только значения коэффициентов. Далее для каждой Н'.ДР) вычисляется АЧХ, которая представлена на рис. 7, и показатель колебательности М .

Частота, кГц

Рис. 7. Амплитудно-частотные характеристика ДС вала №30

Согласно технологическому процессу на предприятии, где производился эксперимент, интервал между правками круга составлял 30 деталей. По результатам проведенных измерений, все качественные характеристики для 30 деталей находятся в пределах допустимых значений. В экспериментальных целях интервал был увеличен до 85 деталей, после обработки трижды были произведены измерения валов из интервала в 85 деталей, на рис.8 показаны математические ожидания по трем измерениям показателя колебательности, отклонения от круглости и шероховатости для обработанных валов с 1 по 85.

Рис. 8. Результаты измерений шлифованных валов с увеличенным интервалом между правками круга

Как видно из рис. 8, на первой обработанной детали показатель колебательности выше, чем на нескольких последующих. Это связано с приработкой шлифовального круга. Исходя из значений, показанных на рис. 8, можно сделать вывод, что показатель колебательности стабилен на протяжении интервала с 1 по 52 деталь, разброс значений не превышает 11 %. Геометрические параметры точности также находятся в пределах границы допуска (круглограмма и профилограмма

представлены на рис. 10 и 11, соответственно). По мере повышения значения показателя колебательности запас устойчивости снижается.

Также необходимо учесть прямолинейность профиля обработанных валов, в частности такой параметр как корсетность, т.к. по мере износа затупляются кромки круга. Под корсетностью понимается отклонение формы профиля продольного сечения цилиндра, при котором диаметры торцов больше диаметра среднего сечения. Для этого на каждом валу был измерен внешний диаметр шлифованной рабочей поверхности в пяти сечениях (рис.9) на приборе Тулппег Т4М. Заниженные значения внешнего диаметра валов были выявлены, начиная с вала №83 в первой и третьей экспериментальных партиях, и начиная с вала №84 во второй экспериментальной партии, соответственно.

Рис. 9. Точки для определения корсетности

......... ^ с>и

•ЭЕГ" "'*■■' ЙЕ.-.т

Рис. 10. Круглограмма вала №30 Рис. 11. Профилограмма вала №30

Таким образом, на основании результатов экспериментов, можно сделать вывод, что правку круга нецелесообразно осуществлять через интервал в 30 валов, т.е. интервал между правками круга можно увеличить.

По результатам эксперимента видно, что шероховатость и отклонение от круглости выходят за границу допустимого значения начиная с вала, обработанного 84 по счету после правки круга, показатель колебательности начинает линейно возрастать начиная с вала №83, прямолинейность профиля валов выходит за пределы допустимого значения начиная с вала № 83. В главах 3 и 4 диссертации также проведен вихретоковый контроль шлифованной поверхности валов, на валах №84,85 был выявлен шлифовальный прижог, оцененный в 2 балла по классификатору ОАО «Саратовский подшипниковый завод», что является недопустимым.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов выявлена связь изменения запаса устойчивости ДС шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга с изменением геометрических параметров точности (шероховатость, отклонение от круглости, прямолинейность профиля) и физико-механических параметров поверхностного слоя, измеренных вихретоковым методом, что дает возможность установить реальный момент правки круга. Осуществление правки круга с интервалом в 30 валов не является целесообразным, т.к. параметры качества деталей находятся в пределах допустимых значений и разброс значений показателя колебательности не превышает

11 %, что в данном случае является допустимым. Начиная с 83 вала видна тенденция резкого увеличения показателя колебательности, и, как видно по результатам измерений геометрических характеристик, очевидна корреляция между значениями показателя колебательности и качественными показателями валов.

Можно сделать вывод, что при превышении значения показателя колебательности, полученного экспериментально-аналитическим путем, на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки, необходимо осуществлять правку круга, т.к. ДС становится неустойчивой, что приводит к дальнейшему производственному браку.

В четвертой главе рассматривается практическая реализация методического обеспечения для определения периодичности правки круга по запасу устойчивости ДС шлифовального станка. Представлены результаты применения методики на автоматизированном шлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 при шлифовании малогабаритных валов.

После увеличения интервала между правками круга были сделаны записи вибраций (рис. 12) и получены соответствующие им АКФ (рис. 13), т.к. по результатам эксперимента в предыдущей главе было установлено, что ДС теряет запас устойчивости начиная с вала, обработанного 83 по счету.

в

Рис.12. Записи вибраций автоматизированного шлифовального станка с ЧПУ Weiss WKG-05: а - вал № 50, б - вал № 75, в- вал № 85

а б в

Рис. 13. Автокорреляционные функции: а - вал № 50, б - вал № 75, в - вал № 85

Аппроксимация АКФ была осуществлена с помощью формулы (22). По полученным из АКФ передаточным функциям были вычислены АЧХ замкнутой ДС, а затем были проведены 3 эксперимента, аналогичных экспериментам в 3 главе, для подтверждения достоверности и повторяемости полученных ранее результатов. В ходе экспериментов были определены показатели колебательности, проведены измерения шероховатости, отклонения от круглости, также был про-

изведен вихретоковый анализ поверхностного слоя шлифованных валов, обобщенные результаты измерений представлены на рис. 14, сканограммы вихрето-кового контроля представлены на рис. 15. Кроме того, были произведены измерения внешнего диаметра для определения корсетности, во всех трех экспериментах внешний диаметр был занижен на 0,03 мм на валах № 84,85.

Рис.14. Результаты измерений шлифованных валов после увеличения интервала между правками круга

Рис.15. Результаты вихретокового контроля: а-вал№80, б-вал№85

Как можно видеть на рис. 15, на валу №85 имеется шлифовальный при-жог, оцененный в 2 балла согласно классификатору ОАО «Саратовский подшипниковый завод».

Для оценки справедливости использования показателя колебательности в качестве критерия для определения момента правки круга, были рассчитаны коэффициенты корреляции для показателя колебательности и качественных характеристик вала. Полученные значения варьируются в интервале от 0,90 до 0,96 (доверительные интервалы от 0,048 до 0,06), что свидетельствует о высокой взаимозависимости исследуемых характеристик.

Полученные результаты подтвердили справедливость выводов, сделанных по результатам экспериментов в 3 главе. Показатель колебательности на валу №83 имеет значение, на 25% превышающее результат, зарегистрированный при стационарном режиме обработке, и коррелирует с показателями качества валов.

Тем самым были проведены обучающие эксперименты, в ходе которых формируются эталонные значения запаса устойчивости станков, которые в процессе эксплуатации используются для сравнительной оценки с текущими значениями запаса устойчивости, и в случае их несовпадения проводятся мероприятия по корректировке интервала между правками круга.

Рис. 16. Схема практической реализации в производстве

Таким образом, результаты измерений вибраций шлифовальных станков и качества валов позволили установить их связь, оценить динамические характеристики станка. Результаты исследований показывают, что динамическое состояние станков является одним из доминирующих факторов, определяющих эффективность процесса шлифования малогабаритных валов. Можно сделать вывод, что рациональным интервалом между правками круга для конкретного технологического процесса является интервал в 75 деталей (интервал рассчитан согласно методу 6 сигма), т.к. все качественные характеристики находятся в пределах границы допуска и, кроме того, необходимо предусмотреть запас устойчивости, т.к. показатели качества выходят за предел допустимых значений начиная с вала № 83. Расчет технико-экономической эффективности показал, что производительность процесса шлифования повышается на 5%, эффективность процесса шлифования повышается в 2,5 раза, т.к. ресурса одного шлифовального круга хватает для обработки 87450 валов, а до проведения экспериментальных исследований ресурс был рассчитан для обработки 35000 валов. По результатам исследований были внесены изменения в технологию на производстве, что подтверждается актом внедрения. Предложенное методическое обеспечение для определения периодичности интервала между правками круга может быть применено для других процессов круглого шлифования.

Кроме того, с помощью установки на постоянной основе вибродатчика на станок, и внедрения микроконтроллера в систему управления станка, в который будет интегрировано программное обеспечение, возможна автоматизация определения периодичности правки круга.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ научно-технической информации по вопросу обеспечения эффективности и качества шлифовальной обработки валов показал недостаточную эффективность существующих методов определения периодичности правки круга и позволил обосновать целесообразность контроля виброакустических характеристик станка для обоснования момента правки шлифовального круга, что способствует повышению эффективности процесса шлифования с сохранением заданного качества обработки.

2. Построена модель динамической системы круглошлифовального станка в виде передаточной функции, учитывающая изменение режущей способности и износ круга, что позволяет построить амплитудно-частотную характеристику системы, с помощью которой возможно определить запас устойчивости динамической системы по показателю колебательности.

3. Обосновано, что при превышении значения показателя колебательности, полученного экспериментально-аналитическим путем, на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки необходимо осуществлять правку круга, т.к. динамическая система становится неустойчивой, что приводит к дальнейшему производственному браку.

4. Разработано методическое обеспечение для экспериментально-аналитического определения рациональной периодичности правки круга, критериально оцениваемого по запасу устойчивости динамической системы станка в интервале между правками круга, ориентированное на повышение эффективности процесса шлифования, изготовление деталей с высокой производительностью и с обеспечением заданной точности обработки деталей.

5. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на автоматизированном круглошлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 в условиях эксплуатации, установили связь между запасом устойчивости динамической системы, производительностью и точностью обработки поверхности с помощью рассчитанных коэффициентов корреляции (значения коэффициентов варьируются в интервале от 0,90 до 0,96), что позволило определить рациональную периодичность правки круга, при которой динамическая система имеет достаточный запас устойчивости и заданное качество деталей.

6. Практическая реализация метода определения рациональной периодичности правки круга позволила повысить эффективность шлифования в связи с увеличением интервала между правками круга в 2,5 раза и продления срока эксплуатации дорогостоящего алмазного инструмента за счет сокращения числа правок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование частоты правки шлифовального круга / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета 2011. № 2 (56). С. 80-84.

2. Козлов Д.В. Динамическая модель процесса врезного шлифования с учетом износа шлифовального круга / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета 2011. №3(58). С. 62-65.

3. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование шлифованных валов вихретоковым методом / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 3 (58). С. 65-67.

4. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование процесса шлифования валов по автокорреляционным функциям виброакустических колебаний для идентификации динамической системы шлифовального станка / Д.В.Козлов, М.В.Виноградов, В.А.Добряков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. № 1 (69). С. 160-165.

Публикации в других изданиях

5. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование процесса шлифования валов по автокорреляционным функциям виброакустических колебаний / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ,2013. С. 47-52.

6. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование шлифованных валов методом вихретокового конгроля / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. науч. тр. по материалам 8-й Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Приволжский дом знаний, 2013. С. 15-18.

7. Козлов Д.В. Оценка устойчивости динамической системы шлифовального станка / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев II Наука:21 век: сб. науч. тр. Энгельс: ИЦ «Рата», 2012. № 2. С. 47-52.

8. Козлов Д.В. Модель динамической системы шлифовального станка Weiss WKG-05 / Д.В.Козлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2012. С. 80-82.

9. Козлов Д.В. Математическая модель процесса врезного шлифования / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: сб. науч. тр. по материалам 6-й Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Приволжский дом знаний, 2011. С. 34-36.

10. Козлов Д.В.Обеспечение качества обработки деталей при круглом наружном шлифовании / Д.В.Козлов // Информационные технологии, САПР и автоматизация: сб. науч. тр. Балаково: БИТТУ, 2011. С. 75-79.

11. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование влияния режимов шлифования на качество обработанных поверхностей на круглошлифовальном станке Weiss WKG-05 / Д.В.Козлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 125-128.

12. Козлов Д.В. База знаний экспертной системы наружного круглого шлифования / Д.В.Козлов // Математические методы в технике и технологии: сб. науч. тр. по материалам 14-й Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 129-131.

13. Козлов Д.В. Экспертная система управления процессом шлифования на основе размерного контроля с помощью КИМ / Д.В.Козлов // Инновации и

актуальные проблемы техники и технологий: сб. науч. тр. по материалам Всероссийской науч.-практ. конф. Молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2010. С. 30-31.

14. Козлов Д.В. Мониторинг процесса механической обработки с применением нейронной сети для коррекции управляющей программы / Д.В.Козлов II Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 110-114.

15. Козлов Д.В. Автоматизированная коррекция механической обработки на основе размерного контроля с помощью координатно-измерительной машины/ Д.В.Козлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 115-117.

16. Козлов Д.В. Коррекция погрешности механической обработки на основе размерного контроля с помощью координатно-измерительной машины в производстве электромеханического инструмента / Д.В.Козлов // Современные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. по материалам 13-й Междунар. на-уч.-практ. конф. Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. С. 176-178.

17. Козлов Д.В. Управление качеством продукции с использованием координатной измерительной машины для контроля деталей со сложной геометрией / Д.В.Козлов // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 200., С. 205-209.

Козлов Дмитрий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ

МАЛОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРАВКИ КРУГА ПО ЗАПАСУ УСТОЙЧИВОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Автореферат

Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 25.11.13 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 204

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-8739, e-mail: izdat@sstu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

04201454396

Козлов Дмитрий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ

МАЛОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРАВКИ КРУГА ПО ЗАПАСУ УСТОЙЧИВОСТИ

ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.02.07 —Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Игнатьев Александр Анатольевич Саратов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................4

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

1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО КРУГЛОГО ШЛИФОВАНИЯ............................................................................10

1.1. Классификация показателей качества шлифованных валов..............10

1.1.1. Геометрические показатели качества поверхности валов........12

1.1.2. Физико-механические показатели качества валов.................19

1.2. Анализ влияния возмущающих факторов на устойчивость динамической системы..................................................................25

1.3. Влияние режущих свойств круга на выходные параметры качества обрабатываемой детали................................................................29

1.4. Правка круга как метод обеспечения эффективности процесса шлифования абразивным инструментом. Постановка задач исследования.............................................................................34

2. МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСА КРУГА.........................................45

2.1. Моделирование динамической системы шлифовального станка........45

2.1.1. Модель динамической системы шлифовального станка с учетом изменения режущей способности шлифовального круга.......45

2.1.2. Модель динамической системы шлифовального станка с учетом износа шлифовального круга.........................................54

2.2. Методика оценки момента правки круга по изменению запаса устойчивости динамической системы..............................................58

2.3. Выводы...............................................................................62

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРАВКИ КРУГА С КАЧЕСТВОМ ШЛИФОВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ.........................................................63

3.1. Методическое обеспечение экспериментальных исследований.........63

3.1.1. Методика эксперимента.................................................63

3.1.2. Аппаратурное обеспечение измерений................................67

3.2. Экспериментальные исследования связи виброакустических колебаний с качеством шлифования на станке Weiss WKG-05................69

3.2.1. Анализ изменения качества обработки и запаса устойчивости динамической системы в интервале между правками круга согласно установленному технологическому процессу.............................................................................69

3.2.2. Экспериментальное определение целесообразной периодичности правки круга по изменению запаса устойчивости динамической системы..........................................................78

3.3. Выводы...............................................................................86

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ НАЗНАЧЕНИЯ МОМЕНТА ПРАВКИ КРУГА ПО ЗАПАСУ УСТОЙЧИВОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ШЛИФОВАЛЬНОГО СТАЖА........................................................87

4.1. Определение критерия для назначения периодичности правки шлифовального круга на автоматизированном шлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05....................................................................88

4.2. Оценка технико-экономической эффективности методики правки круга по реальному состоянию ДС станка........................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................102

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................104

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................123

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКФ - автокорреляционная функция,

ВА - виброакустический,

ДС - динамическая система,

ОУ - объект управления,

ОУВ - общий уровень вибраций,

ТАУ - теория автоматического управления,

СОТС - смазочно-охлаждающая технологическая среда,

ТС - технологическая система,

ШУ - шпиндельный узел.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших процессов финишной обработки малогабаритных валов является шлифование на автоматизированных станках. К снижению качества валов приводит влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование, например высокие температуры, что влечет истирание режущих кромок абразивных зерен шлифовального круга, скалывание режущих кромок, заполнение свободных пор металлической стружкой и ряд других факторов. Все это приводит к потере геометрической формы шлифовального круга, его износу, ухудшению шлифовальных свойств, вследствие чего данные факторы приводят к браку в изделии. В связи с этим требуется производить правку круга для восстановления свойств рабочего инструмента. Время до очередной правки круга зависит от качества материала абразивного инструмента, условий процесса обработки, материала заготовки и других параметров, влияющих на процесс шлифования. Вопрос определения интервала между правками является очень важным, так как от этого зависит качество обработки, стоимость шлифовального процесса и эффективность процесса шлифования в целом.

Качество обработки малогабаритных валов обеспечивается управлением процессами шлифования, в основе которых лежит анализ возмущающих факторов. Одним из возмущающих факторов являются динамические процессы, протекающие в технологической системе, оценивающиеся с помощью виброакустических (ВА) колебаний при обработке. Амплитуда и частотный состав ВА колебаний при шлифовании являются основными показателями динамических характеристик станков, они оказывают существенное влияние на формирование геометрических показателей точности, таких как отклонение от круглости, огранка, волнистость и шероховатость валов, а также на качество поверхностного слоя валов.. Исследованиями по вышеупомянутой тематике занимались В.А.

Кудинов, С.С.Кедров, В.И. Попов, М.Л.Орликов, Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев и ряд других исследователей.

Требования к качеству и эффективности шлифования повышаются по ходу технического прогресса и, тем самым, повышаются требования к точности управления процессом абразивной обработки, одним из критериев которого является определение момента правки круга.

Достоинства процесса шлифования реализуются при условии обеспечения качественного восстановления характеристик шлифовального круга правкой его рабочей поверхности. С помощью процесса правки формируются необходимые режущие свойства круга и восстанавливается его геометрическая форма. Исследованиями процесса правки круга занимались А.В.Королев, И.Н.Янкин, С.А. Попов, Н.П. Малевский, Н.Н Васильев, И.П.Никифоров, Xipeng Xu, Н. Kaliszer и ряд других ученых.

Однако, для повышения эффективности шлифования в целом, необходимо определять момент, при котором необходимо осуществлять правку круга, т.к. зачастую правку круга проводят слишком часто, тем самым нерационально расходуя абразивный и алмазный инструмент, и затрачивается дополнительное время на правку круга непосредственно. В ряде работ имеются сведения, связанные с определением момента правки круга по уровню ВА колебаний динамической системы (ДС), однако наличие стохастических составляющих в спектре колебаний затрудняет формирование критерия, по которому достаточно точно определяется момент правки круга. Актуальность данной темы определяется тем, что путем обработки зарегистрированных при шлифовании ВА колебаний ДС обосновывается критерий назначения момента правки круга, базирующийся на вычислении запаса устойчивости ДС.

Цель работы: повышение эффективности шлифовальной обработки валов с обеспечением заданной точности на основе определения периодичности правки шлифовального круга по запасу устойчивости динамической системы (ДС), оцениваемому по реальному состоянию

шлифовального круга, идентифицированному по виброакустическим колебаниям шпинделей станка при обработке.

Методы и средства исследования. Проведенные теоретические исследования основываются на методах теории автоматического управления положениях применительно к динамике станков, процессах абразивной обработки. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях на автоматизированном круглошлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 для обработки валов, с применением средств измерения ВА колебаний узлов станков, в том числе виброизмерителя ВТ IIB

- 003M3, был проведен контроль качества деталей в лабораторных условиях, для проведения измерений использовались: вихретоковый дефектоскоп ПВК

- К2М, кругломер Talyrond 131, профилограф Hommel Т1000, универсальный прибор для контроля геометрических характеристик Twinner Т4М.

Научная новизна работы:

1. Построена и обоснована модель динамической системы круглошлифовального станка в виде передаточной функции, связывающей силу резания на выходе с подачей круга на входе системы, учитывающая изменение во времени режущих свойств и износ круга, позволяющая обосновать, что динамическая система по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое.

2. Выявлена корреляционная связь изменения запаса устойчивости динамической системы шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга, определяемого по показателю колебательности, полученному экспериментально-аналитическим методом при обработке зарегистрированных виброакустических колебаний из передаточной функции замкнутой динамической системы, с изменением геометрических параметров точности (шероховатость, отклонение от круглости, прямолинейность профиля) и физико-механических параметров поверхностного слоя, измеренных вихретоковым методом, что дает возможность установить реальный момент правки круга.

3. Разработано методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости динамической системы, критериально оцениваемому по превышению значения показателя колебательности, полученного экспериментально-аналитическим путем, на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки, целеориентированное на изготовление деталей с заданным качеством, рациональное использование абразивного и алмазного инструмента.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработан метод определения периодичности правки круга на шлифовальных станках по стохастическим характеристикам ВА колебаний, регистрируемых в диапазоне до 4000 Гц при обработке малогабаритных валов. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость результатов, полученных при анализе теоретической модели ДС. Экспериментально установлена рациональная периодичность правки шлифовального круга, которая в 2,5 раза больше применяемой ранее с сохранением заданных показателей качества деталей. Практическая реализация результатов работы осуществлена на ООО «Бош Пауэр Тулз» для повышения эффективности шлифовальной обработки, что подтверждается актом передачи результатов исследований. Результаты также используются в учебном процессе на кафедре "Автоматизация, управление, мехатроника" СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на пяти конференциях различного уровня: Международных конференциях «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Математические методы в технике и технологии-24» (Саратов, 2011); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2011), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2012), на заседаниях кафедры «Автоматизация и управление технологическими

процессами» СГТУ в 2009-2013 гг и межкафедральном семинаре института электронной техники и машиностроения СГТУ имени Гагарина Ю.А. в 2013 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.

На защиту выносятся:

1. Модель динамической системы круглошлифовального станка в виде передаточной функции, учитывающая изменение во времени режущих свойств круга, позволяющая обосновать, что динамическая система по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое.

2. Связь изменения запаса устойчивости динамической системы шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга, полученного при обработке виброакустических колебаний динамической системы, с изменением геометрических параметров точности и физико-механических параметров поверхностного слоя деталей.

3. Методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости динамической системы, оцениваемому по превышению значения показателя колебательности на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки.

4. Практическая реализация методики определения рациональной периодичности правки круга на автоматизированном шлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 для окончательной обработки малогабаритных валов по идентифицированной модели динамической системы, обеспечивающей высокую эффективность, заданное качество поверхностного слоя и геометрическую точность вала.

1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО КРУГЛОГО

ШЛИФОВАНИЯ

1 Л. Классификация показателей качества шлифованных валов

Качество поверхностного слоя валов после шлифования по своим свойствам отличается от поверхностных слоев, полученных после других видов механической обработки, что оказывает достаточно сильное влияние на эксплуатационные характеристики изделий. Для прогнозирования качества валов при щлифовании очень важным является исследование процесса формирования поверхностного слоя и его связь с технологическими факторами обработки шлифованием, а также связь с эксплуатационными показателями .

На две группы можно подразделить качественные показатели поверхностного слоя деталей - на геометрические и физико-механические (рис. 1.1) [104]. Каждая из данных групп разделяется на подгруппы: геометрические - шероховатость, волнистость, отклонение профиля и т.д.; физико-механические — прижоги, микротрещины, микроструктуру, внутренние напряжения и микротвердость. Показатели, перечисленные выше, являются основными показателями качества поверхностного слоя деталей. Остальные показатели либо связаны с приведенными, либо могут быть заданы только для конкретных материалов. Основные конструкторско-технологические факторы непосредственно связаны с качественными показателями поверхностного слоя: материалом детали и их термообработкой, техническим состоянием станочной системы, режимом обработки, составом СОТС, характеристиками абразивного инструмента. Каждый перечисленный выше фактор влияет определенным образом на качественные показатели поверхностного слоя валов и, в результате, на долговечность валов.

Показатели качества поверхностного слоя валов

Геометркчгаске спеиры неровностей поверхности и ее профшей

Фимпсо-механич е ские

Продо.тыезх подача шш чпс~о дкойных ХОДОЕ Б ШПГ-Ту

Пгряодичко драк:

Скорость праькн

Подача праякн

¿грнигтостъ

Ткрдогть

Пористость

Стр'-'ктура

Н?однор одность качггтха

Селдш

Рис. 1.1. Показатели качества поверхностного слоя деталей в зависимости от условий

шлифования [57]

1.1.1. Геометрические показатели качества поверхности валов

Шероховатость шлифованной поверхности имеет важное значение для надежной работы детали, она в основном определяется режимами обработки и характеристиками абразивного инструмента. Первоначальный износ детали определяется главным образом шероховатость поверхности, а рабочий износ детали определяется качеством поверхностного слоя. Сложным физическим процессом, в котором активно взаимодействуют все материалы, является формирование микрогеометрии поверхности и качества поверхностного слоя в зоне обработки, в конкретном случае многое является следствием копирования траектории массового перемещения абразивных зерен круга по отношению к заготовке (рис.1.2) [88,89,113, 168].

Большое число микроцарапин, которые формируют микропрофиль в результате действия абразивных зерен, наносится на поверхностный слой заготовки. Такое формирование микропрофиля также зависит от природы абразивного зерна, взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала, удельной нагрузки круга на обрабатываемую заготовку, жесткости ДС и др. Формирование шероховатости обработанной поверхности происходит после того, как абразивный инструмент множество раз проходит по определенному участку детали, значение шероховатости зависит от таких факторов как свойства и геометрические параметр�