автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифования деталей ГТД на основе контроля качества абразивного инструмента с учетом структурной неоднородности

На правах рукописи

РГВ ОД

МИХРЮТИН ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

"3 Дпр 2т

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА С УЧЕТОМ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ

Специальность 05.03.01. —Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск - 2000

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Рыкунов Н.С.

доктор технических наук, профессор Волков Д.И.

доктор технических наук, профессор, Трусов В.В.,

кандидат технических наук Полетаев ВЛ.

ОАО «Рыбинские моторы»

Защита состоится 15 марта 2000 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 064.42.01 при Рыбинской государственной авиационной технологической академии по адресу 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

7

Автореферат разослан " " февраля 2000 г.

Ученый секретарь

Конюхов БМ.

диссертационного совета

Л \i/2h ЛЛ £ _ ао 4- 1/Ъ.с.з. з. ~~Г)С.Г) /И - /Г- л Y, _ £~~ПТ Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Методы абразивной обработки последовательно расширяют область своего применения. Одним из перспективных технологических процессов для обработки изделий из труднообрабатываемых материалов, таких, как детали газотурбинных двигателей (ГТД), является глубинное шлифование, обеспечивающее сочетание высокой производительности и качества обработки.

В то же время, физические процессы, сопровождающие глубинное шлифование, зависят от ряда технологических условий. Неравномерность рабочих движений, нарушение условий подвода охлаждающей жидкости и дисперсия качества абразивного инструмента приводят к браку ответственных деталей. В частности, неравномерность строения инструмента оказывает влияние на условия теплообмена в зоне контакта, стабильность которого определяет устойчивость глубинного шлифования. Потеря устойчивости влечёт образование нерегулярной волнистости и других дефектов поверхностного слоя детали. Следовательно, для надёжной оценки работоспособности инструмента необходим учёт неоднородности его строения, что представляет трудоёмкую задачу.

Критическая зависимость процессов глубинного шлифования от неоднородности строения абразивного инструмента обуславливает актуальность задачи повышения эффективности шлифования на основе учёта структурной неоднородности при контроле инструментов.

Цель работы. Повышение эффективности шлифования на основе контроля качества абразивных инструментов с учётом структурной неоднородности.

Методы исследования. Работа выполнена с привлечением методов теории колебаний, теории матриц, теории алгоритмических измерений и метода конечных элементов. Моделирование процессов шлифо-

вания основано на законе сохранения энергии.

Научная новизна.

1. Разработаны теоретические предпосылки и математическая модель комплексной аттестации на основе акустического контроля абразивного инструмента, учитывающая его структурную неоднородность.

2. Разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга с неравномерно распределёнными свойствами, позво-_ ляющая по спектру колебаний рассчитывать комплекс характеристик конкретного абразивного инструмента — звуковой индекс и коэффициент структурной неоднородности.

3. Установлено, что вид спектра свободных колебаний (соотношение между частотами) может быть использован для оценю! неоднородности строения инструмента.

4. Обоснован новый критерий оценки качества и работоспособности абразивного инструмента — коэффициент структурной неоднородности и методика его определения.

5. Разработана математическая модель процесса шлифования с учётом структурной неоднородности инструмента.

Практическая ценность.

1. Разработана автоматизированная система комплексного акустического контроля абразивного инструмента.

2. Разработана методика определения коэффициента структурной неоднородности абразивного инструмента как критерия его аттестации на операциях обработки ответственных деталей.

3. Разработана методика аттестации абразивного инструмента на ответственных операциях по результатам комплексного входного контроля инструмента по звуковому индексу и структурной неоднородности.

4. Разработана методика расчёта режимов шлифования, учитывающая структурную неоднородность конкретного абразивного инструмента, и обеспечивающая бездефектную обработку.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований внедрены на ОАО «Рыбинские моторы», АББ УНИТУРБО.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: IX Российской научно-технической конференции "Теплофизика технологических процессов" (Рыбинск, 1996); Всероссийской молодёжной научной конференции "XXTV Гагаринские чтения" (Москва, 1998); XXVI конференции молодых учёных и студентов (Рыбинск, 1999); Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов" (Рыбинск, 1999); техническом семинаре отдела неразрушающего контроля ОАО "ВНИИАШ" (Санкт-Петербург, 1999); технической выставке малого предпринимательства (Рыбинск, 1999).

Публикации. Результаты работы отражены в 10 печатных работах — статьях и тезисах научно-технических конференций.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения, содержащего документы о внедрении результатов работы. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста, 56 страниц занимают иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность проблемы повышения эффективности шлифования за счёт применения аттестованных- по структурной неоднородности инструментов.

В первой главе на основе изучения опубликованных работ выполнен анализ причин, обуславливающих необходимость расширенного входного контроля и аттестации абразивного инструмента (АИ) по структурной неоднородности, существующих методов контроля и ана-

логического расчета спектров свооодных колебаний систем с распределёнными параметрами.

Жёсткие требования, предъявляемые к качеству обработанных поверхностей деталей, определяющих надёжность ГТД, вызывают необходимость стопроцентного входного контроля режущего инструмента, поступающего на операции механической обработки.

Качество инструмента, поступающего на операции абразивной обработки, претерпевает существенные колебания. Формируясь на стадии изготовления, оно зависит от массы причин. Технология изготовления АИ представляет, по сути, закрытый процесс — не удаётся ни контролировать его, ни управлять им. Существующая методика выборочного. контроля полностью не гарантирует верности маркировки инструмента — не более половины шлифовальных кругов (ШК) соответствует ей.

Характерен пример исследования связи свойств пористого инструмента с показателями качества обработки. В 7 партиях ШК с характеристиками 24А 10П ВМ1...ВМ2 12К5 ПСС-40-20 измерялись (рис. 1): твёрдость Я (1, на твердомере ТФ—21—1), частота плоских колебаний /а (2, на приборе «Звук—202»), показатель открытой пористости Я (3, на опытном приборе для определения пористости ПКП—1). Обработанные кругами хвостовики лопаток ГТД проходили контроль по микротрещинам, дающий оценку брака Б (4), приходящегося на один круг в партии.

Твёрдость и пористость исследованных инструментов колеблются в широких пределах. Брак по микротрещинам в значительной мере связан с разбросом свойств внутри партии. Материалы исследования позволяют с уверенностью утверждать, что для надёжной оценки работоспособности высокопористого инструмента необходимо дополнять данные по звуковому индексу (ЗИ) контролем и других параметров.

Процессы глубинного шлифования крайне чувствительны к стабильности условий теплообмена, зависящих от равномерности распределения режущих зерен в зоне контакта. Термодинамическая неста-

Средние значения контролируемых величин

И,

10

1 1 1 8

6

Б, и 4

2

гит КГ!/ 0

кр

1 __й . д

Г- ч ¿Л "г !н- <

4 {

2 г~

1. - . < Г*1 Н г

70

%

60 55 50 45

П

1 2 3 4 5 6 7

Условный номер партии — Рис. 1.

бильность процесса в теплонапряжённых условиях приводит к появлению недопустимого брака — микротрещин, которые, являясь концентраторами напряжений, резко снижают предел усталостной прочности деталей ГТД, что критически сказывается на надёжности последних.

Использование АИ со значительными колебаниями свойств связано с повышенной вероятностью появления недопустимого брака обработанных заготовок. Поскольку при разработке технологического процесса приходится ориентироваться на инструмент с худшими показателями, повысить эффективность шлифования ответственных деталей ГТД можно за счёт стабилизации качества применяемого абразивного инструмента, что требует проведения стопроцентного входного контроля и аттестации инструментов по ЗИ и структурной неоднородности.

Известные методы контроля не отвечают требованиям комплексного входной аттестации. Следует разработать систему контроля АИ, основываясь на наиболее перспективном методе — акустическом.

Представленные обстоятельства позволили сформулировать цель работы. Поставленная цель и проведённый анализ состояния вопроса определили следующие задачи исследования: 1. разработать аналитическую модель процессов свободных колеса-

нни инструмента с неравномерно распределёнными параметрами;

2. разработать автоматизированную систему акустического контроля абразивного инструмента;

3. разработать методику управления выбором инструмента и режимами шлифования с учётом структурной неоднородности шлифовального круга.

Во второй главе разработано математическое и программное обеспечение автоматизированной системы акустического контроля абразивного инструмента, предложен новый параметр контроля.

Разработанная система представляет собой мультимедийное \Утс1о'ш-приложение для персонального компьютера, оснащенного платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Реализуется акустический контроль по методу свободных колебаний, рис. 2. Колебания ШК, возбуждённые ударом бойка Б, воспринимаются микрофоном М и подаются на АЦП, оцифровываются и записываются в память. Запись подвергается разложению в спектр при помощц быстрого преобразования Фурье, что позволяет одновременно определять спектр частот свободных колебаний {/}, логариф-

Принцип контроля

V м '// '

шк

ПК ГП (Он, Ьв, Ь)

АЦП

БД

• а »

а

п

т.

с, Г

Рис. 2.

мические декременты затухания у. Используя геометрические параметры ГП инструмента, разработанное программное обеспечение ПО определяет комплекс выходных данных (включающих скорость распространения упругих волн С; и звуковой индекс), которые могут быть выведены на дисплей Д, принтер Я, занесены в базу данных БД. Система функцио-

нирует в автоматическом режиме. Использование частоты дискретизации АЦП до 44,1 кГц позволяет контролировать АИ наружным диаметром от 200 мм и выше.

Вид спектров колебаний (рис. 3), накопленных с помощью разработанной системы, проявляя закономерную зависимость от геометрии абразивного инструмента, подвержен нерегулярным деформациям (рис. 4), которые не удаётся объяснить исключительно погрешностями размеров. Теория колебаний объясняет подобные деформации изменениями массы и жёсткости в объёме испытуемой колебательной системы.

Технология изготовления АИ неизбежно приводит к неравномерному распределению массы (плотности) и упругих свойств в объёме инструмента. Следует принять, что на деформации спектра в основном влияют упругие свойства, так как колебания только плотности абразивной массы круга вызывают дисбаланс, не встречающийся на практике.

Поскольку неравномерность распределения плотности и упругости в теле АИ влияет на такие важные его характеристики, как структура, твёрдость и пористость, целесообразно будет использовать степень подобной неоднородности для оценки качества инструмента.

Спектр колебаний шлифовального круга Деформации 445x40x203 ПП 28А25НМЗ12К11ПСС—80—25 спектра

1

0,8

| 0,6

I

I 0,4 С 0,2

. л -I

Г/

Д».

4 Г

кГц 10

К—

Л

Рис. 3.

Рис. 4.

Предложено ввести в практику акустического контроля комплексный критерий оценки качества и работоспособности абразивного инструмента — коэффициент структурной неоднородности Ки, представляющий собой параметр закона распределения упругих свойств в теле инструмента. Закон распределения упругих свойств можно оценить по характеру деформаций спектра, для чего нужно аналитически рассчитать спектр свободных колебаний и сравнить его с действительным. Следует отметить, что даже если деформации спектра определялись бы" только геометрическими погрешностями, технология изготовления АИ такова, что эти погрешности либо обусловлены неоднородными плотностью и упругими свойствами, либо неизбежно приводят к ним.

В третьей главе разработана конечно-элементная колебательная модель неоднородного шлифовального круга.

Шлифовальные круги, применяемые на операциях шлифования деталей ГТД, имеют соотношение высоты к наружному диаметру h/D < 0,1, что позволяет моделировать их колебания используя теорию изгиба тонких пластин. В основу модели ШК (рис. 5) положен четырёхузловой изгибной элемент (рис. 6) с 12 степенями свободы. Поле деформаций элемента рассчитано в соответствии с моделью изгиба тонких пластин в полярных координатах. Функции формы элемента представляют собой 12-ти членный неполный полином 4 порядка и найдены посредством эрмитовой интерполяции. Выражения для матриц жёсткости и масс элемента найдены в аналитической форме. Глобальные матрицы круга определяются в ходе проведения расчётов численным путём.

Принятый закон распределения упругих свойств в теле инструмента задаётся масштабирующими коэффициентами при коэффициентах жёсткости элементов. Внутри элемента свойства распределены изотропно, величина модуля упругости Е изменяются только при переходе от элемента к элементу в глобальной модели. Процесс изготовления АИ (в том числе обжига), позволяет принять в качестве закона распределе-

Модель шлифовальнго круга

<Р <

Изгибной элемент

V

г, х А 4

Е = £о

Рис. 5.

ния упругих свойств в теле инструмента (рис. 5) косинусоиду, что качественно согласуется с результатами проведённых исследований колебания величины пористости вдоль окружности абразивного инструмента

Е(<р) = Е0(1 + К^еткр), (1)

где Е0 — средняя величина нормального модуля упругости; Кн — коэффициент структурной неоднородности. Параметр Кн учитывает в колебательной модели структурную неоднородность ШК, приводящую к деформациям спектра (рис. 4). Спектр свободных колебаний инструмента определятся решением основного дифференциального уравнения, записанного в терминах матриц жёсткости Я и масс М с характеристическим уравнением вида

¿е! \Я-Х-М\ - 0, (2)

где Л = р2 — собственное значение пучка матриц И — М. Здесь р — частота свободных колебаний шлифовального круга, Гц. По уравнению (2) определяются собственные частоты ШК

60 Л

Я

2я" Дй2 «121

7Л,

¡С/, Гц

(3)

где Л — высота шлифовального круга, м;

Ш — размер конечного элемента (рис. 6), м.

Выражение (3) качественно соответствует формуле Тимошенко для изгибной частоты fi с двумя узловыми диаметрами. Модель удовлетворительно согласуются с полученными эмпирическими данными и аналитическими выражениями для частоты — формулой Тимошенко с поправкой Мак-Мастера, и соответствующими зависимостями акустического метода контроля на приборах типа «Звук,» и «Grindo Sonic».

Величина коэффициента структурной неоднородности, используемая при аттестации абразивных кругов, определяется численным путем методом последовательных итераций. В качестве показателя сходимости итераций выбран минимум функции потерь (остатков) отношений величин соответствующих частот действительного и расчетного спекгров. Отношениями пользоваться предпочтительнее, поскольку сокращаются постоянные члены выражения (3). Аналогичная методика используется для определения коэффициента Пуассона ц, который полезно использовать для контроля соблюдения рецептуры связки круга.

Наличие действительного (f аеиспз} и расчётного спектров колебаний позволяет определять по ним усреднённую скорость распространения упругих волн Ch используемую для контроля твёрдости АИ.

Исследования показывают, что расчётный коэффициент Пуассона АИ находится в пределах /л = О,17... 0,22, структурная неоднородность — Кн = 0... 0,1. При значениях Кн > 0,15, шлифовальный круг не удаётся отбалансировать. Инструмент без искусственного порообразователя и соответствующий маркировке по твёрдости, обладает ^=0,19...0,21.

В четвёртой главе проведен анализ процесса шлифования с учетом структурной неоднородности шлифовального круга.

Объемную плотность расположения абразивных зёрен в поверхностном слое ШК с большой достоверностью можно принять равной произведению градиента плотности С„ на величину рассматриваемого слоя. С учётом скорости распространения упругих волн Си м/с, и структурной неоднородности Кн в работе установлена следующая зависимость

Су, = К0'г^{31 - 5Я)[2,314 • 10"4с/ - 3,576 • Ю"10^ + + 2.098 • 10~6С/2 - 5391 • 10_3С/ + 6,013^1 + Кн сов^) '

+

(4)

где Ко' — числовой коэффициент, зависящий от материала абразива; Бк, 2к — коэффициенты, численно равные номеру структуры и зернистости круга соответственно; у/— угол между началом координат и рассматриваемым участком.

При шлифовании зёрна экранируют друг друга. Первоначально рассчитывается расстояние между зёрнами вдоль оси круга. Число наиболее выступающих зёрен, которые могли бы оставить след даже на остановленной детали, определено из условия наибольшей вероятности расположения только одной вершины зерна в кольцевом коридоре шириной Ах и высотой Ау на поверхности круга. Число зёрен с коническими вершинами, условно относимых к первой группе, на поверхности круга шириной Ь составляет

где Л* — радиус круга, м; <р—угол между образующей и осью конуса.

Угловое расстояние между зёрнами в пределах коридора шириной Ах определяется следующим образом. В процессе работы возможен физико-химический износ вершин зёрен (затупление круга) и выламывание зёрен из связки (самозатачивание круга). Оба процесса присутствуют всегда. В процессе самозатачивания изменяется Су. Процесс затупления вершин зёрен можно учесть изменением кинематических условий взаимодействия круга и детали. Наиболее вероятное расстояние между зёрнами на поверхности круга с неравномерно распределёнными свойствами и с учётом вибраций определяется трансцентным уравнением

(5)

Ч'! ¥ АхЯк\ ■

0 Ау

I т, т, . а)г>В.„ 1 I

где } = | К2 - Кв + +

Здесь щ — угловое расстояние между зернами, рад; К2 — кинематический параметр, определяемый режимами обработки, м; Кв, £0в — амплитуда, м, и круговая частота, рад/с, колебаний круга относительно заготовки; щ — фазовый сдвиг частоты колебаний, рад; уй — износ наиболее выступающей вершины зерна, м; щ — сдвиг участка круга с наименьшей плотностью относительно рассматриваемого, рад.

Уравнение (6) в окончательном виде после интегрирования приведено в работе. Подача на одно зерно определяется угловым расстоянием между активными зёрнами. Расчеты показали, что при затуплении круга и увеличении плотности зёрен, часть их будет упруго или пластически деформировать обрабатываемый материал без снятия стружки.

Устойчивость процесса глубинного шлифования определяется температурой между воздействиями режущих зерен. Температура на вершинах активных зерен определяется величиной тепловых потоков в зерно, стружку, деталь и теплофизическими свойствами обрабатываемого материала, зависящими, в свою очередь, от температуры. На основе баланса тепловой и механической энергии с учетом равенства средних температур на площадках контакта выведено уравнение, связывающее неизвестные величины между собой

Л) ¡з ^/ш а , урп9пз) ^¡вд>

Ре

1 + —ЯП

Лр «1 вот

в.

'дт

«1

\_Лрах9шКаХ Р" Р" рзт} -

в,

(7)

где Ре =

ае

■ безразмерный комплекс, аналогичный критерию Пекле;

"Л

ТА — температура на вершине режущего зерна, °С; Д — угол наклона условной плоскости сдвига, рад; а/ — толщина среза зерна, м; ТРЗ, Ч'рп

1 3

— отношение интенсивности тепловых потоков на задней и передней поверхности режущего выступа к интенсивности тепловыделений в условной плоскости сдвига; вр3, врП, вт, &зп — выражения, учитывающие повышение температуры для задней, передней поверхностей резца и взаимовлияние источников на передней и задней поверхностях.

Располагая характеристикой конкретного инструмента, возможно назначить для него режимы шлифования, обеспечивающие наибольшую эффективность. Методика расчетного определения режимов шлифования решает две задачи: назначение режимов шлифования (и характеристики инструмента) для проектируемой операции (функцией цели является наименьшая себестоимость обработки) и корректировка режимов на основе данных контроля. Для черновых ходов ограничением является допустимая температура остывания между воздействиями зерен. Функцией цели является производительность: при варьировании скоростью круга V, ищется максимум подачи уЛ определённой решением 2

« п г

-ехр

ехр

а

-ад

Я

—(2яи + щ)-ти

а

~ад

—(2яп + у/{)

ад:

(2яп + щ)-ти

—(2ял + ^,-)

, (8)

-иж

: О

где — тепловой поток в деталь со стороны зерна, Вт/м2; а— коэффициент теплообмена, Вт/(м2С); [Т]^ — допустимая температура, °С.

В работе определение режимов шлифования производится градиентным методом нелинейной оптимизации. При этом накладываются ограничения на скорость круга, подачи и мощности резания, износ круга и зёрен по соответствующим нормам и паспортным данным. В диссертации приведена схема алгоритма расчёта режимов шлифования.

При заданных режимах и характеристиках АИ по выражению (8) можно найти допустимый уровень структурной неоднородности [Кн\, позволяющий выдержать требуемое качество обработки. Проведение

аттестации АИ по данному параметру позволяет перегруппировать инструмент по операциям в соответствии с его работоспособностью. Методика аттестации заключается в определении [Ля], проведении акустического контроля и определении действительного значения Кн < [Л"я].

Аттестации АИ позволяет: снизить брак за счёт применения АИ, сгруппированного по близкой работоспособности; повысить производительность за счёт ориентации на однородные АИ и разбиения припуска на минимальное число проходов. На операциях шлифования лопаток ГТД снижение разброса свойств АИ с 6 до 4% снижает брак по микротрещинам с 5 до 2 шт/круг. Селективная разбраковка инструмента по звуковому индексу и структурной неоднородности способствует повышению технико-экономической эффективности шлифования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Научная новизна и практическая ценность работы определены следующими положениями.

1. Для пористого абразивного инструмента, применяемого на операциях шлифования деталей ГТД, стандартная характеристика — звуковой индекс — оказывается недостаточной информацией для однозначного прогнозирования его работоспособности. Индекс следует дополнить информацией о неоднородности строения инструментов, поскольку процессы шлифования, на которых они применяются, проявляют критическую зависимость от переменного распределения свойств в теле абразивного инструмента — структурной неоднородности.

2. Структурная неоднородность находит отражение в изменении вида спектра свободных колебаний (соотношения частот) абразивных инструментов, что следует использовать для оценки подобной неоднородности в ходе акустического контроля.

3. Разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга, учитывающая неравномерное распределение свойств в

объёме последнего, позволяющая по спектру колебаний проводить оценку закона такого распределения.

4. Предложен и обоснован новый параметр контроля и аттестации абразивного инструмента — коэффициент структурной неоднородности Кн, представляющий собой параметр закона неравномерного распределения свойств в теле инструмента.

5. Разработана автоматизированная система комплексного акустического контроля абразивного инструмента.

6. Разработана модель процесса шлифования кругом с неравномерно распределёнными свойствами, методики определения режимов шлифования неоднородным кругом и аттестации инструмента на соответствие условиям конкретной операции.

7. Проведение аттестации позволяет: снизить брак за счёт применения инструмента, сгруппированного по равноценной работоспособности; повысить производительность за счёт ориентации на инструмент с минимальной неоднородностью и разбиения припуска на минимальное число проходов, отвечающих условию бездефектной обработки.

8. На операциях шлифования лопаток ГТД снижение разброса свойств АИ с б до 4% снижает брак по микротрещинам с 5 до 2 шт/круг.

9. Результаты разработок внедрены на ОАО «Рыбинские моторы», АББ УНИТУРБО.

Основные результаты опубликованы в печатных работах

1. Волков Д.И, Михрютин О.В. Моделирование тепловых процессов при глубинном шлифовании на основе дискретного представления источника тепла //Теплофизика технологических процессов: Тез. докл. — Рыбинск: РГАТА, 1996. — С. 71.

2. Михрютин В.В., Михрютин О.В. Распределение теплоты деформации при резании //Теплофизика технологических процессов: Тез. докл. — Рыбинск: РГАТА, 1996. — С. 72.

3. Рыкунов Н.С., Волков Д.И. Михрютин О.В. Специфика расчёта теплового поля при глубинном шлифовании //Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов: Тез. докл. —Тула: ТулГУ, 1997. — С. 56.

4. Михрютин В.В., Михрютин О.В. Экспериментальное определение числа режущих зерен при глубинном шлифовании //Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов: Тез. докл.— Тула: ТулГУ, 1997.- С. 57.5. Рыкунов Н.С., Михрютин О.В. Методика выбора характеристик рабочего слоя абразивного инструмента //XXIV Гагаринские чтения: Тез. докл. — М: МГАТУ, 1998. — 4.6. — С. 66.

6. Рыкунов Н.С., Михрютин О.В. Разработка акустического способа контроля структуры абразивного инструмента //XXIV Гагаринские чтения: Тез. докл. — М: МГАТУ, 1998. — 4.6. — С. 67.

7. Волков Д.И, Михрютин О.В. Исследование тепловых полей при высокопроизводительном врезном шлифовании //Вестник Верхневолжского отделения Академии технологических наук РФ: Сб. науч. тр. — Рыбинск: РГАТА, 1998. —С. 135 — 141.

8. Волков Д.И, Михрютин О.В. Исследование динамики поведения локальных температур в зоне контакта при глубинном шлифовании //XXVI конференция молодых учёных и студентов: Тез. докл.: В 2-х ч. — Рыбинск: РГАТА, 1999. — Ч. 2. — С. 36.

9. Рыкунов Н.С., Михрютин О.В. Коррекция режимов шлифования на основе автоматизации контроля характеристик абразивных кругов //XXVI конференция молодых учёных и студентов: Тез. докл.: В 2-х ч. — Рыбинск: РГАТА, 1999. — Ч. 2. — С. 41.

ю. Рыкунов Н.С., Волков ДИ, Михрютин О.В. Использование акустического контроля для прогнозирования качества абразивной обработки //Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов: Тез. докл.: В 2-х ч. — Рыбинск: РГАТА, 1999. Ч 1.—С. 61.

7

Глава 1 .Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 11 1.1. Вопросы обеспечения качества инструментов, поступающих на операции шлифования.

1.1.1. Формирование качества абразивных инструментов.

1.1.2. Нестабильность свойств инструментов.

1.1.3. Связь нестабильности свойств пористого инструмента с дефектами шлифования деталей ГТД.

1.2. Обзор методов контроля абразивных инструментов

1.2.1. Механические методы контроля.

1.2.2. Динамические методы.

1.2.3. Сравнительная оценка различных методов контроля.

1.3. Основные представления об акустическом контроле.

1.3.1. Теоретические основы. Зависимость частот колебаний от упругих характеристик абразивных инструментов.

1.3.2. Недостатки существующего метода.

1.4. Аналитическое определение спектров колебаний.

1.4.1. Прямые методы определения низших частот собственных колебаний.

1.4.2, Приближённые методырасчёта частот.

Выводы по главе. Задачи исследования.

Глава 2.Разработка автоматизированной системы акустического контроля абразивного инструмента.

2.1. Общие принципы построения системы.

2.1.1. Выбор платформы разработки.

2.1.2. Описание системы.

2.1.3. Состав программного обеспечения.

2.2. Функционирование системы контроля.

2.2.1. Подсистема разложения в спектр.

2.2.2. Порядок работы.

2.3. Экспериментальное исследование процессов свободных колебаний с помощью системы контроля

2.3.1. Связь спектра колебаний с параметрами абразивных инструментов

2.3.2. Исследование возможности определения косвенной оценки качества абразивных инструментае по спеюпру свободных колебаний.

2.3.3. Структурная неоднородность.

2.3.4. Характер распределения неоднородности свойств.

Выводы по главе.

Глава 3.Моделирование процессов свободных колебаний шлифовальных кругов с неравномерно распределёнными свойствами.

3.1. Разработка колебательной модели шлифовального круга.

3.1.1. Основные принципьг построения модели.

3.1.2. Выбор типа конечного элемента.

3.1.3. Определение фунтщй формы изгибаемого элемента.

3.1.4. Определение матриц коэффициентов конечного элемента.

3.1.5. Принципы построения глобальных матриц жёсткости и масс шлифовального круга.

3.1.6. Расчёт частот свободных колебаний конечно-элементной модели круга.

3.2. Методика аналитического определения спектра колебаний шлифовального круга с неравномерно распределёнными свойствами.

3.2.1. Учёт неравномерности строения при расчёте частот собственных колебаний.

3.2.2. Условия достоверного определения коэффициента структурной неоднородности.

3.2.3. Методика подбора коэффициентов структурной неоднородности,

Пуассона и скорости распространения упругих волн.

3.3, Анализ конечно—элементной колебательной модели ввее«вавв®®»свл»»»ввв«в«*а®®е»*во*еве»ввоаавв»®в«овв»а»в*аваааавевввввеа»ава*ааввв

3.3.1. Оценка адекватности модели.

3.3.2. Исследования спектров колебаний с помощью разработанной модели.

Выводы по главе.

Глава 4.Разработка модели процесса шлифования с учётом структурной неоднородности инструмента.

4.1. Параметры зоны контакта.

4.1.1. Определение числа режугцих зёрен.

4.1.2. Динамика изменения плотности зёрен в процессе работы.

4.1.3. Учёт структурной неоднородности при определении числа зёрен!

4.2. Расчет сил резания.

43. Тепловые процессы при шлифовании.«,.*.«.

4.3.1. Определение повышения твмператпур стружки и детали от плаапических деформаций в зоне стружкообразования,.

4.3.2. Определение memtepamyp контактных поверхностей зерна.

4.3.3. Совместное определение сил и температур при резании одного зерна.

4.3.4. Расчет температуры на поверхности детали при шлифовании с учетом дискретности зоны контакта.

4.4. Повышение эффективности шлифования.

Процессы абразивной обработки последовательно расширяют область своего применения. Существуют целые классы изделий, в частности, из труднообрабатываемых материалов, которые не могут быть эффективно изготовлены без использования тех или иных методов абразивной обработки. В этой связи, является важной проблема повышения эффективности таких процессов.

В то же время, внедрение высокопроизводительных методов шлифования на операциях обработки ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) сдерживается высокой степенью нестабильности качества поступающего на операции обработки ответственных деталей пористого абразивного инструмента, что обусловлено следующими причинами.

С одной стороны, качество абразивного инструмента (АИ) формируется на стадии изготовления и зависит от множества факторов, что на фоне отсутствия методик надёжного контроля приводит к серьёзным колебаниям его свойств как относительно партий инструментов, так в пределах одной партии и, даже, в теле самого инструмента. Положение усугубляется для высокопористого инструмента, применяемого на операциях глубинного шлифования деталей ГТД.

С другой стороны, процессы высокопроизводительного шлифования проявляют критическую зависимость от стабильности условий протекания теплообмена в зоне контакта, на которые оказывает влияние ряд технологических факторов, таких как неравномерность рабочих движений, подвода смазочно-охлаждающей жидкости. Наряду с ними одним из важных факторов является равномерность распределения свойств в рабочем слое применяемого абразивного инструмента. Вызванная теми или иными факторами термодинамическая неустойчивость процесса приводит к появлению недо8 пуетимого брака ответственных деталей в виде ирижогов, микротрещин и нерегулярной волнистости — макрогеометрического дефекта, также сопровождаемого появлением микротрещинами.

Таким образом, критическая зависимость процессов высокопроизводительного шлифования от неоднородности строения абразивного инструмента на фоне высокой нестабильности свойств применяемого пористого инструмента обуславливают актуальность задачи повышения эффективности шлифования ответственных деталей ГТД за счёт селективного применения абразивных инструментов, аттестованных по структурной неоднородности.

Успешное решение задачи связано с разработкой методики аттестации качества абразивного инструмента, основанной на производительном методе контроля, отвечающей условиям стопроцентного входного контроля. Решение вопроса о приемлемости каждого конкретного инструмента на данной операции связано, в свою очередь, с разработкой модели процесса шлифования, учитывающей неравномерное распределение свойств в применяемом АИ. Комплексному решению указанного круга вопросов и посвящена настоящая работа.

В первой главе на основе изучения опубликованных работ выполнен анализ причин, обуславливающих необходимость расширенного входного контроля абразивных инструментов, применяемых на операциях обработки деталей ГТД, существующих методов контроля и аналитического расчёта спектров свободных колебаний систем с распределёнными параметрами, какими являются абразивные инструменты.

Во второй главе разработано математическое и программное обеспечение автоматизированной системы комплексного акустического контроля абразивного инструмента. Приводится общее описание системы, разрабо9 тайных алгоритмов и результаты исследований спектров колебаний, выполненных с помощью разработанной системы. По материалам исследования предложено ввести в практику акустического контроля новый параметр контроля — структурную неоднородность инструмента Ки, обсуждён общий принцип его определения.

В третьей главе разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга, учитывающая влияние неоднородности распределения свойств на спектр колебаний. Приводится методика определения параметра коэффициента Пуассона и усреднённой скорости распространения упругих волн — оценки твёрдости абразивного инструмента.

В четвертой главе проведен анализ процесса шлифования с учетом структурной неоднородности шлифовального круга. Разработаны методики назначения режимов шлифования и аттестации абразивного инструмента по структурной неоднородности.

Научяая новизна:

1) разработаны теоретические предпосылки и математическая модель комплексной аттестации на основе акустического контроля абразивного инструмента, учитывающей структурную неоднородность последнего;

2) разработана конечно-элементная колебательная модель шлифовального круга с неравномерно распределенными свойствами, и позволяющая по спектру колебаний рассчитывать комплекс характеристик конкретного абразивного инструмента — звуковой индекс и коэффициент структурной неоднородности;

3) установлено, что вид спектра свободных колебаний (соотношение между частотами) может быть использован для оценки строения инструмен

10

4) обоснован новый критерий оценки качества и работоспособности абразивного инструмента — коэффициент структурной неоднородности и методика его определения;

5) разработана математическая модель процесса шлифования с учётом структурной неоднородности абразивного инструмента.

Практическая ценность:

1) разработана автоматизированная система комплексного акустического контроля абразивного инструмента;

2) разработана методика определения коэффициента структурной неоднородности абразивного инструмента как критерия его аттестации на операциях обработки ответственных деталей;

3) разработана методика аттестации абразивного инструмента на ответственных операциях по результатам комплексного входного контроля инструмента по звуковому индексу и структурной неоднородности;

4) разработана методика расчёта режимов шлифования, учитывающая структурную неоднородность конкретного абразивного инструмента, и обеспечивающая бездефектную обработку.

Результаты работы внедрены на ОАО «Рыбинские моторы», ожидаемый годовой экономический эффект составляет 165 838 руб., совместном предприятии АББ УНИТУРБО, ожидаемый годовой экономический эффект составляет 34 652 руб.

Работа выполнена под научным руководством д.т.н., проф. Рыкунова Н.С. и научном консультировании д.т.н., проф. Волкова Д.И.

Экспериментальные и теоретические исследования проведены на кафедре «Станки и инструменты» Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

11

9) Результаты работы внедрены на двух предприятиях, общий экономический эффект составляет 200490 деноминированных руб. в соответствии с ценами на 1996 г.

1. Ипполитов Г.М. Абразивно—алмазная обработка. — М. Машиностроение. 1969. —336 е.: ил.

2. Баку ль В.Н., Никитин Ю.И., Верник Е.Б., Селех В.Ф. Основы проектирования и технология изготовления абразивного И ШХЫаЗНОГО МКС TipV IvX © М Г£1.М. Машиностроение, 1975. —296 е.: ил.

3. Байкалов А.К. Введение в теорию шлифования материалов. — Киев. Наукова думка. 1978. — 206 е.: ил.

4. Попов С.А., Малевский II. П. Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твёрдых сплавов. — М.: машиностроение, 1977. — 264 с.: ил.

5. Боровский Г.В. и др. Эльбор в машиностроении. — Л.: Машиностроение,1977. —280 с.: ил.

6. Иванишников В.Т. Режущие свойства шлифовальных кругов с различным содержанием зерна при постоянной твёрдости //Абразивы и алмазы: Науч.-техн. реф. сб. ВНИИАШ. — М., 1967. — №2.

7. Глузмак И .Я., Тумакова Е.И. Об образовании связки в процессе обжига огнеупоров на основе карбида кремния //Огнеупоры. — 1965. —№5.

8. Згонник Н.П., Кудасов Г.Ф., Плят Ш.Н. Влияние режима термической обработки кругов на их шлифующую способность //Абразивы: Выпуск №24. —М., 1959. — €.27—32.

9. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов. — М.: Машиностроение, 1967. — 112 с.

10. Лобанов А.В., Волков Д.И. Взаимосвязь эксплуатационных характеристик пористого абразивного инструмента с качеством шлифуемых деталей /Андроповское производственное объединение моторостроения. Андропов, 1986. — 11 с. — Деп. в ВНИИТЭМР. №>80мш 86ден.

11. Силин С.С. и др. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов. — М.: Машиностроение, 1984. — 64 с.

12. Славина Л.Я. Автоматизация контроля шлифовальных кругов по их фи-зико-мехаюгаеским характеристикам: Дисс. канд. техн. наук. — Л, 1987. — 230 с.

13. Глаговский Б.А. и др. Электроника и автоматика в абразивной промышленности. — Л.: Машиностроение, 1972. — 208 е.: ил.

14. Устройство для визуализации и экспресс-анализа спектра частот* свободных колебаний изделий: Проект Паспорта 1019.01.000 ПС. — Санкт -Петербург: ОАО «ВНИЙАШ». — 1999. —30 с.

15. Измеритель частот собственных колебаний абразивных инструментов и изделий из других видов материалов «Звук—1 ЮМ»: Паспорт 1019.00.00.000 ПС. — Санкт-Петербург: ОАО «ВНИИАШ». —-1998. —П о 1 .:. О 1j i Ь.

16. Измеритель частот собствешшх колебаний абразивных инструментов и изделий из других видов материалов «Звук—-203М»: Паспорт. — Санкт-Петербург: ОАО «ВНИИАШ». — 1998. — 46 с.

17. Глаговский Б.А., Московенко И.Б. Низкочастотные акустические методы контроля в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1977. — 208 е.: ил.

18. Контроль качества абразивного инструмента акустическим методом: Методические рекомендации. — М.: НИИмаш, 1984. — 60 е.: ил.

19. Московенко И.Б. Метод свободных колебаний — самый древний метод акустического контроля //В мире неразрушатощего конгроля. — 1998. — №2. — С. 10- 13.

20. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. — М,—Л.: Энергия, 1965. — 248 е.: ил.

21. Славина Л.Я. Исследование спектра частот собственных колебаний абразивных кругов большого диаметра //Труды ВНИИАШ: Выпуск №15. — М., 1974. — С.105—109.

22. Бабаков И.М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1968. — 560 е.: ил.

23. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. — М.: Наука, 1967. — 444 е.: ил.

24. Неразрушающие испытания. Справочник / Под ред. Мак-Мастера: Книга 2. — М.— Л.: Энергия, 1965. — 207 с.

25. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Под ред. В.Н. Челомей. — М.: Машиностроение, 1978. —Т. 1. —352 е.: ил.

26. Еидерман В.Л. Теория механических колебаний. — М.: Высш. школа, 1980. — 408 е.: ил.

27. Дондошанский В.К. Расчёты колебаний упругих систем на электронных вычислительных машинах. —М.—Л.: Машиностроение. 1965. — 368 е.:202ИЛ.

28. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.— М.: Мир. 1984.— 428 е.: ил.

29. Ланкастер П. Теория матриц. — М.: Наука, 1982. — 272 с.

30. Кузнецов A.A. Кузнецов O.A. Элементы быстродействующих аналого-цифровых преобразователей. — М.; Энергия, 1969. — 96 е.: ил.

31. Петелин Р.КЗ., Петел mi ГО. В. Звуковая студия в PC. — СПб.: БХВ— Санкт-Петербург, 1999. —256 е.: ил.

32. Максимов В.П. и др. Измерение, обработка и анализ быстро переменных процессов в машинах. —М.: Машиностроение, 1987. — 208 е.: ил.

33. Фролов A.B., Фролов Г.В. Мультимедиа для Windows. — М.: "Диалог-— МИФИ", 1995. —284 е.: ил.

34. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. — М.: Энергоатомиздат. 1990. —256 е.: ил.

35. Гольденберг Л. М. и др. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и вязь, 1990. —256 с.: ил.

36. Приём импульсных сигналов в присутствии, шумов: Сборник переводных статей /Под ред. К.П. Воронин. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 384 е.: ил.

37. Математические основы теории автоматического регулирования, т. 2. /Под ред. Б.К. Чемоданова. ■—М.: Высш. школа, 1977. — 455 е.: ил.

38. На дел ь В.Е., Захаров В.П. Расчёт составляющих дисбаланса шлифовальных кругов //Процессы и оборудование абразивно--алмазной обработки. Вып. 1. —М.: ВЗМИ, 1977. — С.54—57.

39. Муцянко В.И., Никулкин Б.И. Влияние дисбаланса круга на процесс шлифования //Труды ВНИИАШ: Выпуск №11. —М.:НЙИМаш, 1970. — С.59—63.

40. Носов Н.В. Повышение эффективности и качества абразивных инструментов путём направленного регулирования их функциональных показателей: Автореф. дисс. докт. техн. наук. — Самара. 1997. — 46 с.

41. Лепендин Л.Ф. Акустика. — М.: Высш. школа. 1978. — 448 е.: ил.

42. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. — М.: Мир, 1984. — 264 е.: ил.

43. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. — М.: Мир, 1986. — 318 е.: ил.

44. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. — М.: Мир, 1981. —304 е.: ил.

45. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. — М.: Наука, 1984.—320 с.

46. Гулд С. Вариационные методы в задачах о собственных значениях. — М.: Мир, 1970. — 328 с.

47. Писсанецки С. Технология разрежённых матриц. — М.: Мир, 1988. — 410 е.: ил.

48. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разрежённых систем уравнений. —М.: Мир, 1984. —333 е.: ил.

49. Коллатц Л., Альбрехт Ю. Задачи по прикладной математике. — М.: Мир, 1978. — 168 е.: ил.

50. Уилкинсон Дж., Райнш К. Справочник алгоритмов на языке АЛГОЛ. Линейная алгебра. — М.: Машиностроение, 1976. — 389 е.: ил.204

51. Икрамов Х.Д., Численное решение матричных уравнений. — М.: Наука,1984. —192 с.

52. Чу раков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы. — М.: Энергоагом-издат, 1987. —256 е.: ил.

53. Годлевский В.А. Введение в анализ экспериментальных данных. — Иваново: ИГУ, 1993. — 176 е.: ил.

54. Боровиков Б. П., Боровиков И. П. STATISTIC А — статистический анализ и обработка данных в среде Windows. — М.: НИД «Филин», 1998. — 608 е.: ил.

55. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере. .-М.: ИНФРА-М, 1988. ----- 528 е.: ил.

56. Нейман В.Г. Решение научных, инженерных и экономических задач с помощью ППП "Statgraphics". — М.: МП Память, 1993. — 88 е.: ил.

57. Волков Д.И. Математическое моделирование и оптимизация процессов высокопроизводительного шлифования с учётом анализа устойчивости термомеханических явлений: Дисс. докт. техн. наук. — Рыбинск, 1997. — 408 с.

58. Сухов Е.И. Кинематика и термомеханические явления при глубинном шлифовании деталей газотурбинных двигателей: Дисс. канд. тех. наук. —- Рыбинск, 1983. — 260 с.

59. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1992. — 123 с.

60. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ.— М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.

61. Крагельский И.В., Михин U.M., Узлы трения машин. Справочник. — М.: Машиностроение. 1984. — 280 с.

62. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом. —М.: Машиностроение, 1988, 96 с.

63. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. — Л.: Машиностроение, 1979. — 248 с.

64. Werner G. Schneller Abtrag und hohe Bearbeituiigsgute durch innovativeHEDG-Schleifprozesse//Maschinenmaikt, Wuraburg.— 1997. Vol. 103, -.N.36.—S.44-49

65. CxmaibioB B.A. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1979. — 167 с.

66. Михрютин В.В. Повышение эффективности глубинного шлифования путем стабилизации термодинамических условий обработки, дисс. канд. техн. наук. Рыбинск, — 1994. — 238 с.

67. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки. — М.: Машиностроение. 1981. —280 с.

68. Резников А.Н., Шатерин М.А., Кунин B.C., Резников Л.А. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. — М.: Машиностроение, 1986.232 с.

69. Силин С.С. Теория подобия в приложении к технологии машиностроения. — Ярославль: ЯПИ, 1989. — 108 с.

70. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. — М.: Машиностроение, 1974. — 279 с.

71. Васильев Г.П. Автоматизация проектирования металлорежущих станков.М.: Машиностроение, 1987. — 280 е.: ил.Разбиение матрицы жёсткости на блокиро ! ; ъ I ! Яг Яз