автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифования заготовок на основе имитационного моделирования процесса формирования шероховатости поверхности

На правах рукописи

005017700

ШИРОКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с £012

Ульяновск — 2012

005017700

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Осипов Александр Петрович

Официальные оппоненты:

Захаров Олег Владимирович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.», профессор кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении»

Белов Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», доцент кафедры «Технология машиностроения»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432027, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

Автореферат разослан «_24_» апреля_ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Н.И. Веткасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатационные свойства деталей, определяющие надежность машин, такие как прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, контактная жесткость, зависят от точности изготовления деталей машин и состояния их поверхностных слоев.

Одной из основных характеристик качества поверхности является шероховатость. В большинстве случаев требования к ней устанавливают, используя определённое соотношение между значениями параметров шероховатости и точностью размеров соответствующих элементов детали. В ряде случаев к шероховатости предъявляют весьма высокие требования. Это относится, например, к поверхностям, работающим в условиях трения и изнашивания.

Одним из методов повышения эксплуатационных показателей деталей машин является нанесение на поверхности, работающие в условиях трения, износостойких покрытий из различных материалов, в частности, хрома. Перед нанесением износостойких покрытий такие поверхности обычно подвергают шлифованию. При этом часто недопустимо появление дефектов в виде абразивных царапин (ГОСТ 23505-79), которые снижают адгезионные свойства шлифованной поверхности и могут привести к отслаиванию покрытия в области царапины. Такие дефекты на практике устраняют на последующих операциях доводки и полирования, что значительно увеличивает трудоёмкость и себестоимость изготовления деталей, а также может сопровождаться потерей точности размеров и формы поверхностей. В то же время при рациональном выборе условий шлифования можно минимизировать или полностью исключить дефекты в виде абразивных царапин и существенно сократить трудоёмкость доводочных операций. В производственных условиях данную задачу решают в основном эмпирическим путём.

Следует отметить, что общие для различных отраслей машиностроения технологические рекомендации по выбору характеристики круга и режимов шлифования, которые содержатся в справочной литературе, касаются обеспечения лишь требуемой шероховатости по параметрам Яа и Яг. Следуя этим рекомендациям, не всегда удаётся обеспечить отсутствие дефектов в виде абразивных царапин. То же самое можно сказать о существующих математических моделях процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности, в частности имитационных.

Проблема обеспечения требуемых параметров шероховатости шлифованной поверхности с одновременным отсутствием дефектов в виде абразивных царапин до сих пор не решена и по-прежнему актуальна.

Представленные в диссертационной работе исследования проводили при финансовой поддержке в форме фанта ГОУ ВПО «СамГТУ» для аспирантов (2008 г.), а также при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках тематического плана ФГБОУ ВПО «СамГТУ», номер государственной регистрации НИР №01201156078 от 05.04.11 «Исследование процесса контактного взаимодействия поверхностей нерегулярного профиля».

Цель работы. Технологическое обеспечение требуемой шероховатости поверхностей при шлифовании заготовок на основе имитационного моделирования процесса формирования поперечного микропрофиля детали.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ состояния исследований формирования шероховатости поверхностей заготовок при шлифовании;

2) разработать имитационную модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зёрен на рабочей поверхности шлифовального круга;

3) провести теоретические исследования формирования микропрофиля при микрорезании единичным абразивным зерном;

4) провести экспериментальные исследования процесса формирования микропрофиля единичной абразивной царапины и микропрофиля всей шлифованной поверхности;

5) провести опытно-промышленную проверку и дать оценку экономической эффективности внедрения разработанного комплекса математических моделей на примере шлифования заготовок конкретной детали;

6) дать научно-обоснованные рекомендации по достижению требуемой шероховатости шлифованной поверхности с отсутствием дефектов в виде абразивных царапин.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс контактного взаимодействия шлифовального круга с заготовкой, предметом -процесс формирования шероховатости шлифованной поверхности.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на теории резания, теории вероятностей и математической статистике. В ходе теоретических и теоретико-экспериментальных исследований процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности применяли аналитическое и имитационное моделирование. Теоретико-экспериментальные исследования проводили в системе МаШСАБ. Для экспериментального исследования топографии рабочих поверхностей шлифовальных кругов и микропрофилей поверхностей деталей применяли метод профилографирования.

Научная новизна. 1. Разработана имитационная модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зёрен на рабочей поверхности круга, его колебаний и режимов обработки при различных видах шлифования.

2. Разработана математическая модель формирования единичной абразивной царапины, которая базируется на объёмной модели рабочей части абразивного зерна в виде параболоида с учётом износа и пластических свойств обрабатываемого материала.

3. На основе математических моделей разработаны алгоритмы формирования микропрофиля шлифованной поверхности.

Практическая ценность. 1. На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для проектирования шлифовальных операций с возможностью варьирования характеристикой круга и режимами обработки.

2. Разработано специальное приспособление для получения топографии рабочей поверхности шлифовального круга с помощью метода параллельных сечений.

3. Усовершенствован технологический процесс обработки детали «Шток» в условиях ОАО «Тяжмаш» (г. Сызрань) в части рациональной последовательности технологических операций, выбора рациональных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования, что позволило обеспечить требуемое конструкторской документацией качество рабочей поверхности детали (шероховатость, отсутствие абразивных царапин), а также повысить производительность обработки и снизить себестоимость изготовления детали.

4. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик шлифовального круга и режимов обработки в зависимости от требуемого значения параметра Яа с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин на поверхности детали.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы для определения условий шлифования, обеспечивающих требуемую шероховатость шлифованной поверхности конкретной детали на ОАО «Тяжмаш».

Результаты работы также внедрены в г. Сызрани в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 151001 «Технология машиностроения» и бакалавров по направлению 150900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в рамках дисциплин «Режущий инструмент», «Основы технологии машиностроения», «Технология машиностроения».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: III и IV городской молодёжной научной конференции «Научный потенциал города - XXI веку» (г. Сызрань, 2005, 2006 гг.); XXXII Самарской областной студенческой научной конференции (г. Самара, 2006 г.); X Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2006 г.); II Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении (Резниковские чтения)» (г. Тольятти, 2008 г.); 7-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2008» (г. Москва, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодёжи «Проведение научных исследований в области машиностроения» (г. Тольятти, 2009 г.); II, III и IV Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2009, 2010, 2011 гг.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 4 в журналах из перечня ВАК РФ, и 2 - из перечня ВАК Украины.

В рамках работы автор защищает:

1. Имитационную модель процесса формирования шероховатости поверхности заготовки при различных видах шлифования.

2. Математическую модель формирования единичной абразивной царапины.

3. Алгоритмы и программное обеспечение выбора научно-обоснованных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрии рабочей части зерна и режимов обработки на высоту единичной царапины и шероховатость шлифованной поверхности.

5. Результаты экспериментальных исследований влияния характеристики шлифовального круга и условий правки на состояние его рабочей поверхности.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 103 источников. Объем диссертации - 171 страница, включая 51 рисунок, 12 таблиц и 20 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, ее краткую характеристику, цель и задачи исследований, научную новизну, практическую ценность и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу математических моделей рабочей части (РЧ) абразивного зерна (A3), моделей рабочей поверхности (РП) шлифовального круга (ШК), моделей формирования микропрофиля единичной абразивной царапины, их связи друг с другом и с известными моделями процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности.

Многообразие подходов к технологическому обеспечению шероховатости шлифованной поверхности связано с тем, что в основу моделирования процесса её образования авторами были положены различные представления о рабочей поверхности абразивного инструмента. Наиболее корректной моделью РП является представление её в виде совокупности объёмных моделей рабочих частей зёрен. Распределение вершин рабочих частей зёрен по глубине РП рационально описать законом ß-распределения, поскольку он является универсальным. В то же время, согласно работам А.К. Байкалова, распределение самих зёрен должно быть равномерным. Моделей РП, отвечающих указанным требованиям, в рассмотренной литературе обнаружено не было. При этом, параметры ß-распределения, полученные JI.H. Филимоновым не учитывают режим правки.

Установлено (JI.H. Филимоновым, Н.В. Носовым и др.), что на шероховатость шлифованной поверхности большое влияние оказывают пластические свойства материала, которые обуславливают образование навалов при взаимодействии абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью заготовки. Однако использование соответствующих моделей затрудняется наличием ряда эмпирических параметров.

Такие параметры в той или иной степени содержат и другие теоретические и теоретико-экспериментальные модели формирования шероховатости (Г.Б. Лурье, E.H. Маслов, С.Г. Бишутин и др.), в частности толщину среза а.. Теоретически величину az большинство исследователей определяют в слое материала, который будет диспергирован, а не в слое материала, где формируется реальная шероховатость обработанной поверхности. Более корректно данный параметр можно определить с помощью компьютерных экспериментов при реализации имитационной модели. При этом сама имитационная модель может быть использована при проектировании технологического процесса для прогнозирования параметров шероховатости обработанных поверхностей. При анализе априорной информации подходящих имитационных моделей обнаружено не было.

Вторая глава посвящена разработке имитационной модели процесса формирования шероховатости при различных видах шлифования.

В рамках разрабатываемой модели были приняты следующие допущения: 1) рабочая поверхность круга представляет собой случайную поверхность; 2) вершина РЧ и центр описанной сферы АЗ лежат на одной прямой, перпендикулярной оси ШК; 3) исходный микропрофиль заготовки зависит от припуска на шлифование: если припуск значительно превышает параметр Ятах микропрофиля заготовки (I > Ктах), его можно принять прямолинейным.

Моделирование процесса формообразования поперечного микропрофиля поверхности детали заключалось в реализации метода последовательного наложения профилей рабочих частей отдельных зёрен ШК на исходный микропрофиль заготовки в некоторой плоскости а (рис. 1, 2), поскольку при принятых допущениях профиль единичной царапины тождественен профилю РЧ зерна.

У, мм

0.01

о

-О.ОІ

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 у» мы

Рис. 1. Схема процесса формирования поперечного микропрофиля шлифованной поверхности детали в плоскости а: 1 - микропрофиль детали; 2 - микропрофиль заготовки до последнего рабочего хода ШК;

3 - рабочая часть АЗ

Микропрофиль поверхности заготовки после прохода J-тo АЗ через плоскость а описывали кусочной функцией у^ (г'):

( л = ^ у<"; ^ < р', - ]:

І = 1,2,

Где У:ч>(,-і)(2') ~ микропрофиль поверхности заготовки до прохода РЧу'-го зерна через плоскость а; у (г') - контур РЧ у-го зерна; Л^ - число зёрен, прошедших через плоскость а; Р - сила резания, действующая на РЧ >го зерна, Н; [/>,] -допускаемое прочностью зерна и связки значение силы, Н.

Величина N0. может превышать число зёрен в рабочем слое ШК ЛГрС. Одно и то же зерно может пройти через плоскость а несколько раз, так как окружная скорость ШК в несколько десятков раз больше скорости заготовки (Укр/У, ~ 60. ..100).

Уравнение контура РЧ зерна в плоскости а в случае аппроксимации параболоидом с учётом износа будет иметь следующий вид:

,(*') =

У1 +

, е (- «>; - ь ■ ((2;+ь■ ¿с,}+»),

(2)

где С}{г)\ уЧ) - вершина РЧ у-го зерна в плоскости а в случае отсутствия площадки износа, т. е. при Лвву = 0 (рис. 1); V и Ъ - геометрические параметры РЧ зерна; И1Ш/ - линейный износ РЧj-гo зерна, мм.

Такое представление процесса формирования шероховатости потребовало разработки кинематических моделей различных видов шлифования.

Кинематическая модель процесса плоского шлифования. При плоском шлифовании использовали прямоугольную систему координат ОХУ2 (рис. 2, а), связанную с заготовкой. При этом кинематические уравнения вершины РЧ 1-го зерна (точки М,{ху,\ г,) на рис. 2, а) с учётом колебаний ШК принимали следующий вид

• у, = г • «„[<»„ ±(гч,/Лч,).т]+дЯт); (3)

Д><х)=^-зт((о1[-т + 9о), где КР - окружная скорость ШК, мм/с; У, - скорость заготовки, мм/с; Якр - радиус ШК, мм; г, - радиус-вектор точки М„ мм; <ри. - угол между плоскостью Х02 и радиус-вектором г, в момент начала формирования микропрофиля детали в плоскости а, рад; г,. - аппликата точки М{х,\ у,', г,) в этот же момент времени, мм; А, сок,

90 - амплитуда (мм), частота (рад/с) и начальная фаза колебаний ШК (рад) соответственно.

Кинематическая модель процесса круглого наружного шлифования.

При круглом шлифовании использовали цилиндрическую систему координат (рис. 2, б), связанную с заготовкой. При этом кинематические уравнения вершины /-го АЗ (точки Л/,(р,; г,) на рис. 2, б) с учётом колебаний ШК относительно заготовки принимали следующий вид

*)/, = атс1§

V.

+—-т;

Я.

(4)

Ар(т) = Л-Би^Юк-Т + 0О), где Лкр ий3- радиус ШК и обрабатываемой поверхности соответственно, мм; 5М — скорость продольной подача ШК, мм/с; <рщ - угол между плоскостью, проходящей

через оси ШК и заготовки, и радиус-вектором гг в момент начала формирования микропрофиля детали в плоскости а на участке PQ, рад.

микропрофиля детали в плоскости а на рассматриваемом участке Р(2\ а - плоское шлифование; 6 - круглое наружное шлифование

Двойные знаки, стоящие перед окружной скоростью ШК Ккр, учитывают относительное движение ШК и заготовки: верхний знак соответствует встречному шлифованию, нижний - попутному. Остальные двойные знаки учитывают вид шлифования: верхний знак соответствует наружному шлифованию, нижний -внутреннему.

Далее определяли моменты времени и координаты нахождения вершин зёрен в плоскости а в системах СШ'г (плоское шлифование), О, рц/2 (круглое шлифование) и 07.4'. Затем определяли порядок их прохождения через указанную плоскость, т.е. устанавливали соответствие между точками Сь ..., С/, ..., С„а (рис. 1) и точками М\, ..., Л/„ ..., Мк?с (рис. 2). Если во время формирования микропрофиля в плоскости а ШК имеет некоторый радиальный износ и, то линейный

износ РЧ /-го зерна можно определить по формулам:

А = {',-^

««, |0, г, <

^кр — ^крн —

где Лкрн - радиус ШК после правки.

Моделирование рабочего слоя ШК. При моделировании процесса формирования микропрофиля поверхности детали необходимо знать расположение вершин зёрен на рабочей поверхности ШК. В работе принято случайное расположение зёрен в рабочем слое, ограниченном поверхностью выступов и поверхностью впадин РП круга. Для решения систем уравнений (3) и (4) необходимо знать величины г!, <рщ и , которые в этих системах являются случайными. Эти величины должны удовлетворять следующим требованиям:

г; е [Лкрн — /?РС; /?крН]; <р„ е[0; 2-к);

е[0; Якр],

где йрС - глубина рабочего слоя ШК, мм; Я,ф - высота ШК, мм. Приняли равномерный закон распределения величин <ря и гп в силу равномерности распределения зёрен в теле ШК. В качестве закона распределения величины г, приняли закон Р-распределения. Параметры у и г| данного закона, а также глубина рабочего слоя крс были определены в результате собственных экспериментальных исследований топограмм кругов различных характеристик, а также представлены в работах Л.Н. Филимонова.

ШI

0.03

0.02 |

0.01 I

0

!

1 к і

і

0 50 100 150 200 250 д; МКЛ1 б)

г,(е)

0.4 03 0.2 0.1

/ /

/ / / / /

/ / / / /

У у у .

^ . У ..--

-V, МКМ

0.05

0.2

150

в) Г)

Рис. 3. Характеристики РП круга 1 125x16x32 25А 25-Н СМ2 7 К (\УА Р60 Ь 7 V): а - топограмма РП круга после грубой правки; б - плотность распределения вершин неровностей РП круга; в - количество вершин неровностей на 1 мм2 РП на различной глубине;

г - кривые относительных опорных площадей; — новый ШК;......тонкая правка

(5„ = 0,2 м/мин);--грубая правка (5„ = 0,6 м/мин);-----3 мин. шлифования

Для определения числа зёрен в рабочем слое предварительно моделировали наружный слой ШК глубиной Инс > 2-</тах, где с!тш - максимальный размер АЗ, мм. Наружный слой равномерно «заполняли» сферами, описанными вокруг зёрен. Затем выделили зёрна, вершины которых попали в рабочий слой. В качестве закона распределения диаметров сфер приняли нормальный с параметрами, полученными проф. А.Н. Резниковым. Среднее число описанных сфер в наружном слое определили по формуле:

=Н2-Ър«-Ьнс>Нкр-ИнсРш,<62-2-СууШ-пш, (5)

где Рам - плотность абразивного материала, г/мм3; пАм - число зёрен в 1 г абразивного материала, шт./г; Су - номер структуры ШК; йНс - глубина наружного слоя, мм.

Для определения параметров принятого закона p-распределения вершин неровностей РП по глубине была спроектирована и собрана экспериментальная установка для получению топографии с помощью метода параллельных сечений.

С помощью профилографа осуществляли «ощупывание» РП круга в осевом направлении. Далее ШК поворачивали на малый угол (3...10') и цикл повторяли. В результате многократного осуществления цикла получали ряд профилограмм, по которым строили топограмму.

В результате анализа топограмм получили графики распределения вершин неровностей по глубине РП различных кругов и кривые относительных опорных площадей в зависимости от режимов правки и с учётом износа. Указанные зависимости для ШК 1 125x16x32 25А 25-Н СМ2 7 К (WA F60 L 7 V) приведены на рис. 3. Проверку гипотезы о виде функции распределения неровностей по глубине РП проводили с помощью критерия согласия Пирсона х2 при уровне значимости 0,05. В большинстве случаев гипотеза не противоречит результатам наблюдений.

На основе разработанных математических моделей рабочего слоя ШК, движения вершины A3 и процесса формирования поперечного микропрофиля детали созданы алгоритмы их реализации на ЭВМ, которые апробированы в среде математического пакета MathCAD.

Третья глава посвящена разработке математической модели формирования дефекта в виде абразивной царапины, базирующейся на модели РЧ зерна в виде параболоида вращения. В рамках главы были приняты следующие допущения: 1) весь деформируемый и не удаляемый в стружку материал выдавливается в направлениях, перпендикулярных вектору скорости резания, и образует по бокам канавки два навала, что соответствует их максимально возможной высоте; 2) навалы в поперечном сечении имеют форму полукругов.

Рассматривали процесс микрорезания в некоторой плоскости а (рис. 4), перпендикулярной шлифуемой поверхности и параллельной оси ШК. Передняя поверхность РЧ зерна разделяется на 2 зоны: зона резания и зона выдавливания. Навалы достигнут максимальной высоты/illm>4, когда вся зона выдавливания пройдёт через плоскость айв ней окажется вершина РЧ зерна М, (Рис- б). При этом в соответствии с принятыми допущениями:

hu = a+h ; (6)

ц «шах 7

К =0,8-^ ; (7)

»щах ' V -^тах '

(а + О - С. а + - Упт ;

• (а + КГ + "У-Г . ^

{а + ИЮУ - С1 - (а + Кт - Утт Г, К», < Уш < а + А„„,

где а - глубина внедрения РЧ зерна, мкм; Иа - высота царапины, мкм; V и Ь - геометрические параметры РЧ зерна; /гнз„ - износ РЧ зерна, мкм; Р! - угол сдвига, рад; утт = (1ё(р1)-^)1/(1^), мкм.

5 -J-.

J1«, v +1

Рис. 4. Процесс формирования единичной царапины: 1 - зона резания; 2 - зона выдавливания; 3 - профиль РЧ зерна в плоскости а

С помощью разработанной математической модели получены формулы для определения других параметров единичной царапины: ширины навалов Ьк, расстояния между их вершинами /„, коэффициента навалов е„ и относительной высоты навалов евн.

(9)

1н~Ь-а"+ (10)

Полученные формулы (7) - (10) могут быть использованы для проверки адекватности математической модели формирования царапины и для сравнения с результатами других исследователей.

Разработанная математическая модель более точно отражает реальный процесс формирования микропрофиля: учитывается как собственно резание, так и уп-ругопластическая деформация, а также износ РЧ. Достоинством модели является то, что она учитывает влияние технологического режима (а), параметров абразивных зёрен (V и Ь), пластических свойств обрабатываемого материала (Р,), а также процессы изнашивания и правки абразивного инструмента (йиз„).

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям РП круга, а также процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности.

Экспериментальное исследование процесса формирования единичной абразивной царапины. Для проведения экспериментов по микрорезанию пластин-образцов единичным зерном были изготовлены 6 резцовых вставок с рабочей частью из эльбора, поскольку он имеет высокую износостойкость и РЧ вставки сохраняет свою геометрию при микрорезании.

Пластины-образцы для микрорезания были изготовлены из стали 45, НВ 170...180. Полученные царапины исследовали с помощью информационно-вычислительного комплекса на базе профилографа модели 170623.

В каждом сечении определяли следующие параметры (рис. 5, а): высоту навалов й,1шх, расстояние между вершинами навалов /„, ширину навалов Ь„, коэффициент навалов £„, относительная высоту навалов евн. Результаты измерения вышеперечисленных параметров для профилей царапин, полученных при микрорезании одним из зёрен, показаны на рис. 5, б - г.

В результате сопоставления результатов расчётов параметров и /„ с результатами измерений установлено, что их расхождение в большинстве случаев не превышает 20 %. Это позволяет говорить о том, что навалы у края шлифовочной канавки имеют форму кругового сектора.

У,

в) г) Рис. 5. Результаты эксперимента по микрорезанию единичным зерном: а — измеряемые параметры царапины; 6 — е — зависимости параметров царапины от глубины внедрения единичного зерна а; — аналитическая модель;--линейная регрессионная модель (И= 35 м/с);---линейная регрессионная модель (У= 70 м/с); о - «облако» экспериментальный точек (К= 35 м/с); • — «облако» экспериментальный точек (V- 70 м/с)

Теоретико-экспериментальные исследования процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности. В работе показана возможность использования разработанной имитационной модели формирования шероховатости для относительной оценки влияния различных условий шлифования на максимальную глубину внедрения зёрен атах = тах{аД (рис. 1) и параметры шероховатости обработанной поверхности Ятах, Яа, Яг.

Первая серия компьютерных экспериментов была проведена для условий плоского шлифования ШК 1 450x63x203 25А 40 СМ1 6 К (\УА Р46 К 6 V). Варьировали глубиной шлифования I от 20 до 40 мкм и числом выхаживающих ходов «вых ОТ 3 до 7.

К-

мкм 250

200

150

100

50

0

200 Д". мкм

мкм 50

40

30

20

10

0

Ь„

мкм 120

100

80

60

40

20

0

10 20 30 40 50 60 а б)

,мкм

Вторая серия компьютерных экспериментов была проведена для условий наружного круглого шлифования с продольной подачей ШК 1 400x40x127 25А 40 СМ2 б К (\УА Р46 Ь 6 V). Варьировали продольной подачей на оборот 50 от 2,5 до 5 мм/об и окружной скоростью заготовки У3 от 28 до 56 м/мин.

В работе показана возможность использования разработанного комплекса математических моделей для абсолютной оценки параметров шероховатости шлифованной поверхности. Для этого были проведены две серии натурных экспериментов по шлифованию образцов из стали 38Х2Н2МА, ШС 27...34, аналогичные проведённым ранее сериям компьютерных экспериментов. Затем были сопоставлены теоретические параметры шероховатости с результатами их измерений. Установлено, что шлифование с научно-обоснованными режимами обеспечивает высотные параметры шероховатости на 20 % меньше прогнозируемых значений.

На основе имитационной модели процесса формирования шероховатости и математической модели образования микропрофиля единичной абразивной царапины был разработан алгоритм обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин (рис. 6) и создано соответствующее программное обеспечение. В качестве исходных данных использовали в общем случае 20 параметров (блоки 2, б, 9 на рис. 6), характеризующие ШК, заготовку и условия обработки.

В пятой главе описано применение разработанного алгоритма обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин (рис. 6) в условиях ОАО «Тяжмаш» (г. Сызрань) на примере обработки заготовки детали «Шток». Материал заготовки -сталь 38Х2Н2МА. В технологическом процессе обработки указанной детали предусматривается шлифование цилиндрической поверхности до 0125 ^ под нанесение хромового покрытия. Последующее хромирование диктует повышенные требования к шероховатости Яа = 0,32 мкм.

Обработка детали «Шток» в заводских условиях осуществлялась на круг-лошлифовальном станке модели ЗА164А, кругом 1 750x80x305 25А 40-Н СМ2 6 К (\УА Р40 Ь 6 V) с режимами ? = 0,05 мм, 50 = 5 мм/об, V, = 12 м/мин, Укр = 35 м/с, пвых = 2. ШК правили алмазным карандашом с режимами - / = 0,03 мм, = 0,2 м/мин. Шлифование в заводских условиях приводило к возникновению на поверхности 0125 глубоких царапин и значительным колебаниям параметров шероховатости (Яа = 0,30...0,50 мкм), что недопустимо по техническим требованиям на деталь. В связи с этим в рамках последующей токарно-винторезной операции производится полировка поверхности 0125^;^, а затем слесарная операция доводки с помощью шлифовальных шкурок.

Для решения обозначенных проблем проводили моделирование обработки заготовки детали «Шток». Варьировали зернистостью ШК И, продольной подачей на оборот 50, окружной скоростью заготовки К3 и числом выхаживающих ходов лвых. Результаты моделирования обработки представлены на рис. 7.

крн"

Рам- "АМ »

У- Л, V -

Определение числа зёрен в наружном сдое круга (формула (5))

Определение положения центров зёрен, распределённых равномерно

Определение положения вершин зёрен, распределённых по закону Р-распределения

Л,, и,

Определение положения плоскости IX (рис. 2)

Определение моментов времени и координат вершин рабочих частей зёрен при формировании микропрофиля в плоскости а (рис. 1) (системы (3),('4У)

у (система (2)),

і

у (г') (система (1))

і

Птах. Яа, Яг

Ь (формулы (6) - (8)) шах

На < [Иа\

К ^ 1К ]

шах тлх

Рис. 6. Алгоритм обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин

а) б)

Рис. 7. Результаты моделирования процесса формирования шероховатости поверхности детали «Шток» (а) и процесса формирования микропрофиля единичных царапин (б)

I = 5 мм/об, Н,= 12 м/мин, явых = 6; 5 мм/об, К, = 12 м/мин, ивьк = 2;

3 - = 20 мм/об, У, = 30 м/мин, и.^ = 6; 4 - = 20 мм/об, V, = 30 м/мин, и„ь„ = 2; * требуемая шероховатость; ** экспериментальный порог исчезновения абразивных царапин

В результате моделирования определены условия шлифования, которые позволили обеспечить требуемое конструкторской документацией значение Яа = 0,32 мкм (рис. 7, а) и устранить видимые на поверхности детали абразивные царапины высотой > 2,5 мкм (рис. 7, б). С целью обеспечения максимальной производительности окончательно был выбран ШК 1 750x80x305 25А 25-Н СМ2 6 К (\¥А Р60 Ь 6 V). Режимы шлифования: / = 0,01 мм, 50 = 5 мм/об, У3 = 12 м/мин, Укр = 35 м/с, «вых = 2.

После моделирования обработки заготовки детали «Шток» были проведены натурные эксперименты по её шлифованию, которые подтвердили полученные теоретические результаты. Это зафиксировано в протоколе испытаний и акте об использовании результатов кандидатской диссертации.

Трудоёмкость механической обработки штока на операциях шлифования, полирования и доводки уменьшилась на 2 ч. или 29 %; технологическая себестоимость - на 202 руб. или 23 %. Общий экономический эффект составил 211393 руб. Таким образом, была доказана экономическая эффективность результатов проведённых в диссертации исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. В результате проведённого анализа априорной информации показана актуальность разработки математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при шлифовании с учётом возможности образования дефектов в виде единичных абразивных царапин.

2. Разработана имитационная модель процесса формирования шероховатости обработанной поверхности при различных видах шлифования с учётом характеристики круга, режимов его правки, колебаний и режимов шлифования.

3. Апробирован на практике метод параллельных сечений и разработано специальное приспособление для получения топографии рабочих поверхностей шлифовальных кругов. Получены статистические характеристики рабочих поверхностей различных шлифовальных кругов.

4. Разработана математическая модель формирования микропрофиля единичной абразивной царапины, которая базируется на объёмной модели рабочей части

зерна в виде параболоида вращения. Получены зависимости для высоты абразивной царапины от геометрических параметров рабочей части зерна с учётом его износа, технологического режима и пластических свойств обрабатываемого материала.

5. В результате сопоставления результатов расчётов высоты навалов 1гЩт и расстояния между их вершинами /„ с результатами измерений установлено, что расхождение теоретических и экспериментальных данных в большинстве случаев не превышает 20 %. Принятая форма рабочих частей зёрен и навалов соответствуют форме шлифовочной канавки и навалов на профилограммах реальных абразивных царапин.

6. На основе комплекса полученных математических моделей разработаны и апробированы алгоритмы их реализации на ЭВМ. Создано программное обеспечение для выбора рациональных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования в зависимости от требуемой шероховатости обработанной поверхности.

7. Разработанный комплекс математических моделей позволяет получить доверительные интервалы для максимальных значений высотных параметров шероховатости. Установлено, что шлифование с научно-обоснованными режимами на практике обеспечивает высотные параметры шероховатости на 20 % меньше теоретических значений.

8. Проведена опытно-промышленная проверка разработанного комплекса математических моделей на примере шлифования заготовки детали «Шток». Трудоёмкость механической обработки штока на операциях шлифования, полирования и доводки уменьшилась на 29 %; технологическая себестоимость -на 23 %. Общий экономический эффект составил 211393 руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических

изданий ВАК РФ:

1. Широков A.B., Осипов А.П. К вопросу о прогнозировании и обеспечении параметров шероховатости шлифованной поверхности // Известия вузов. Машиностроение. - 2007. - № 6. - С. 76 - 88.

2. Широков A.B., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Исследование топограмм шлифовальных кругов различных характеристик // Известия вузов. Машиностроение.-2011.-№ 10.-С. 76-80.

3. Широков A.B., Осипов А.П. Имитационное моделирование формообразования шлифованной поверхности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара: СамНЦ РАН. - 2011. - Т. 13. -№4(3).-С. 905-909.

4. Широков A.B., Осипов А.П. Совершенствование технологии обработки крупногабаритных деталей на основе имитационного моделирования процесса шлифования // Главный механик. - М.: Промиздат. - 2012. - № 1. — С. 28-33.

Публикации в других изданиях:

5. Широков A.B., Осипов А.П. Прогнозирование параметров шероховатости шлифованной поверхности с учетом пластического оттеснения металла абразивными зернами // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Технологии в машиностроении. - Харьков: НТУ «ХПИ». — 2010. — № 53. - С. 140-151.

6. Широков A.B., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Проверка адекватности разработанной математической модели формирования шероховатости шлифованной поверхности на основе экспериментов по микрорезанию единичным абразивным зерном // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Технологии в машиностроении. - Харьков: НТУ «ХПИ».-2010.-№54.-С. 139- 153.

7. Широков A.B., Осипов А.П. Исследование процесса формирования шероховатости поверхности при внедрении единичной режущей кромкой абразивного зерна // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы. Сборник статей всероссийской науч.-техн. конф.-семинара. Сызрань: Филиал ГОУ ВПО СамГТУ в г. Сызрани. - Самара, 2006,- С. 95 - 99.

8. Широков A.B., Осипов А.П. Прогнозирование параметра шероховатости Rmax шлифованной поверхности на основе математического моделирования процесса формирования единичной риски // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды И Международ, науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) / под ред. A.B. Гор-деева, JI.A. Резникова, A.B. Сергеева. - Тольятти: ТГУ, 2008. - Ч. I. -С. 234-239.

9. Широков A.B., Осипов А.П. Имитационное моделирование процесса плоского шлифования // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. -№0320901785.

10. Широков A.B., Мансуров Р.Н. Экспериментальное исследование образования единичных рисок-царапин при абразивной обработке // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. - №0321001780.

11. Широков A.B., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Анализ топограмм шлифовальных кругов различных характеристик // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.-1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. - №0321102532.

Автореферат

ШИРОКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Подписано в печать_. Формат 60x84/16.

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. п.л. 1,16.

Тираж 100 экз. Заказ №_

446001, г. Сызрань, ул. Советская, 45

61 12-5/2861

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

На правах рукописи

ШИРОКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ

А

ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент А.П. Осипов

Самара-2012

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

A3 - абразивное зерно;

НС - наружный слой - часть шлифовального круга, ограниченная поверхностью вершин зёрен и поверхностью, эквидистантной ей;

ПС - поверхностный слой - НС глубиной dmax. Параметр dmwi равен наибольшему размеру зерна в объёме круга; РВ - резцовая вставка; РП - рабочая поверхность;

PC - рабочий слой - НС глубиной h?c- Параметр hPC равен расстоянию между поверхностью вершин и поверхностью впадин РП круга; РЧ - рабочая часть; ТП - технологический процесс; ТИК - шлифовальный круг; А - амплитуда колебаний ПЖ, мм;

üj - глубина внедрения j-го зерна в материал заготовки в рас' сматриваемом поперечном сечении, мкм;

апшх - максимальная глубина внедрения зерна в материал заготовки

в рассматриваемом поперечном сечении, мкм; атах — таx{aj}; ¿» и v — параметры аппроксимации РЧ зерна параболоидом вращения;

4пах - наибольший размер A3 в объёме ШК, мм;

dcр - средний размер A3 в объёме ШК, мм;

4nin ~ наименьший размер A3 в объёме ПЖ, мм;

do - размер зерна, соответствующий номеру зернистости по

ГОСТ 3647-80, мкм; Су - номер структуры ШК; #кр - высота ПЖ, мм; /грс - глубина PC, мм; ha3U . - линейный износ РЧу'-го зерна, мм;

- максимальная высота навалов, образующихся по краям шлифовочной канавки, в данном сечении заготовки, мкм; /2Ц - высота царапины, мкм;

L - длина, на которой оцениваются значения параметров шеро-

ховатости (ГОСТ 25142-82), мм. N - зернистость ПЖ (ГОСТ 3647-80); Nuc -число зёрен в НС, шт.; iVpc - число зёрен в PC, шт.;

и am _ число зёрен в единице массы абразива, шт./г; R3 - радиус заготовки, мм;

-^крн - радиус ШК после правки, мм;

^кр - радиус ШК перед рабочим ходом, мм;

- продольная подача ШК на 1 оборот заготовки, мм/об;

- скорость продольной подачи ШК, мм/мин;

t - глубина шлифования за рабочий ход, мм;

и - радиальный износ ШК, мм;

VKP - окружная скорость ШК, мм/с;

V3 - скорость заготовки, мм/с;

Уп - микропрофиль поверхности после прохода у'-го зерна через

yPVH рассматриваемое поперечное сечение заготовки;

- уравнение контура РЧ зерна в рассматриваемом поперечном

сечении заготовки;

Рам -плотность абразивного материала, г/мм3;

Y ИГ1 - параметры закона ß-распределения вершин неровностей РП

круга по глубине;

Во - начальная фаза колебаний ШК, рад;

«к - частота колебаний ШК, рад/с;

ЮКр - угловая скорость ШК, рад/с;

i ö)3 - угловая скорость заготовки, рад/с;

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................^

1. Состояние вопроса о моделировании процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности. Цель и задачи исследования.....13

1.1 Анализ моделей рабочей части абразивного зерна..................................13

1.2 Современное состояние проблемы моделирования рабочей

поверхности шлифовального круга.................................................................17

1 3 Анализ моделей формообразования единичной абразивной

31

царапины.............................................................................................................1

1.4 Анализ моделей процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности...............................................................................36

1.5 Выводы и результаты..................................................................................56

2. Теоретические основы имитационного моделирования процесса формирования поперечного микропрофиля детали при различных

видах шлифования.................................................................................................59

2.1 Моделирование процесса формирования поперечного микропрофиля детали..................................................................................................................60

2.2 Кинематическая модель процесса плоского шлифования.......................62

2.3 Кинематическая модель процесса круглого шлифования.......................67

2.3 Моделирование рабочего слоя шлифовального круга.............................74

2.4 Определение закона распределения вершин неровностей рабочей поверхности шлифовального круга по глубине.............................................78

2.5 Алгоритмы реализации полученных моделей на ЭВМ...........................88

2.5.1 Алгоритм реализации модели рабочего слоя шлифовального

круга.................................................................................................................

2.5.2 Алгоритм реализации кинематической модели процесса

плоского шлифования....................................................................................90

2.5.3 Алгоритм реализации кинематической модели процесса круглого шлифования....................................................................................92

2.5.4 Алгоритм реализации модели процесса формирования поперечного микропрофиля детали..............................................................96

2.6 Выводы и результаты..................................................................................96

3. Моделирование процесса формирования профиля

единичной царапины.............................................................................................98

3.1 Разработка модели процесса формирования поперечного профиля единичной царапины.......................................................................................Ю0

3.2 Анализ влияния параметров микрорезания на высоту навалов и высоту абразивной царапины.........................................................................Ю6

3.3 Выводы и результаты.............................................................................».110

4. Экспериментальные исследования процесса формирования единичной царапины и шероховатости шлифованной поверхности................................112

4.1 Экспериментальные исследования процесса формирования единичной

119

абразивной царапины......................................................................................

4.2 Теоретико-экспериментальные исследования процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности....................123

4.3 Сопоставление теоретических и экспериментальных значений параметров шероховатости для различных видов шлифования.................128

4.4 Выводы и результаты................................................................................131

5. Внедрение результатов исследований в производстве...............................133

5.1 Применение разработанного комплекса математических моделей для решения проблемы формирования шероховатости конкретной детали................................................................................................................133

5.2 Экономическая эффективность результатов проведённых теоретико-экспериментальных исследований проблемы формирования шероховатости конкретной детали......................................137

5.3 Выводы и результаты................................................................................141

Основные выводы и результаты исследования................................................143

Приложение 1. Геометрические параметры резцовой вставки №1...............145

Приложение 2. Геометрические параметры резцовой вставки №2...............145

Приложение 3. Геометрические параметры резцовой вставки №3...............146

Приложение 4. Геометрические параметры резцовой вставки №4...............146

Приложение 5. Геометрические параметры резцовой вставки №5...............147

Приложение 6. Геометрические параметры резцовой вставки №6...............147

Приложение 7. Характеристики зёрен различных шлифовальных

материалов...........................................................................................................148

Приложение 8. Объёмное содержание зёрен, связки и пор в кругах

различной структуры и твёрдости....................................................................148

Приложение 9. Области применения абразивных инструментов с

разными номерами структур..............................................................................149

Приложение 10. Рекомендуемые режимы алмазной правки

шлифовальных кругов методом обтачивания.................................................149

Приложение 11. Блок-схема алгоритма моделирования рабочего слоя

шлифовального круга........................................................................................I50

Приложение 12. Блок-схема алгоритма реализации кинематической

модели плоского шлифования...............................................................^...........152

Приложение 13. Блок-схема алгоритма реализации кинематической

модели круглого шлифования............................................................................154

Приложение 14. Блок-схема алгоритма реализации модели процесса

формирования поперечного микропрофиля детали........................................157

Приложение 15. Характеристики рельефа исследованных кругов................158

Приложение 16. Блок-схема алгоритма обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия

дефектов в виде абразивных царапин...............................................................159

Приложение 17. Базовый вариант ТП..............................................................i60

Приложение 18. Предлагаемый вариант ТП....................................................161

Приложение 19. Протокол испытаний.............................................................162

Приложение 20. Акт внедрения........................................................................163

Библиографический список................................................................................164

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эксплуатационные свойства деталей, определяющие надежность машин, такие как прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, контактная жёсткость, зависят от точности изготовления деталей машин и состояния их поверхностных слоёв [14, 77, 79].

Одной из основных характеристик качества поверхности является шероховатость. В большинстве случаев требования к ней устанавливают, используя определённое соотношение между значениями параметров шероховатости и точностью размеров соответствующих элементов детали [2]. В ряде случаев к шероховатости предъявляют весьма высокие требования. Это относится, например, к поверхностям, работающим в условиях трения и изнашивания [14].

Одним из методов повышения эксплуатационных показателей деталей машин является нанесение на поверхности, работающие в условиях трения, износостойких покрытий из различных материалов, в частности, хрома. Перед нанесением износостойких покрытий такие поверхности обычно подвергают шлифованию [6, 39]. При этом часто недопустимо появление дефектов в виде абразивных царапин (ГОСТ 23505-79), которые снижают адгезионные свойства шлифованной поверхности и могут привести к отслаиванию покрытия в области царапины. Такие дефекты на практике устраняют на последующих операциях доводки и Полирования, что значительно увеличивает трудоёмкость и себестоимость изготовления деталей, а также может сопровождаться потерей точности размеров и формы поверхностей. В то же время при рациональном выборе условий шлифования можно минимизировать или полностью исключить дефекты в виде абразивных царапин и существенно сократить трудоёмкость доводочных операций. В производственных условиях данную задачу решают в основном эмпирическим путём.

Следует отметить, что общие для различных отраслей машиностроения технологические рекомендации по выбору характеристики круга и режимов шлифования, которые содержатся в справочной литературе [48, 61, 72 и др.], касаются обеспечения лишь требуемой шероховатости по параметрам Ra и Rz. Следуя этим рекомендациям, не всегда удаётся обеспечить отсутствие дефектов в виде абразивных царапин. То же самое можно сказать о существующих математических моделях процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности, в частности имитационных.

Проблема обеспечения требуемых параметров шероховатости шлифованной поверхности с одновременным отсутствием дефектов в виде абразивных царапин до сих пор не решена и по-прежнему актуальна.

Представленные в настоящей диссертационной работе исследования проводили при финансовой поддержке в форме гранта ГОУ ВПО «СамГТУ» для аспирантов (2008 г.), а также при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках тематического плана ФГБОУ ВПО «СамГТУ», номер государственной регистрации НИР №01201156078 от 05.04.11 «Исследование процесса контактного взаимодействия поверхностей нерегулярного профиля».

Цель работы. Технологическое обеспечение требуемой шероховатости поверхностей при шлифовании заготовок на основе имитационного моделирования процесса формирования поперечного микропрофиля детали.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

.1) проведён анализ состояния Исследований формирования шероховатости поверхностей заготовок при шлифовании;

2) разработана имитационная модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зерен на рабочей поверхности шлифовального круга;

3) проведены теоретические исследования формирования микропрофиля при микрорезании единичным абразивным зерном;

4) проведены экспериментальные исследования процесса формирования микропрофиля единичной абразивной царапины и микропрофиля всей шлифованной поверхности;

5) проведена опытно-промышленная проверка и дана оценка экономической эффективности внедрения разработанного комплекса математических моделей на примере шлифования заготовок конкретной детали;

6) даны научно-обоснованные рекомендации по достижению требуемой шероховатости шлифованной поверхности с отсутствием дефектов в виде абразивных царапин.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс контактного взаимодействия шлифовального круга с заготовкой, предметом - процесс формирования шероховатости шлифованной поверхности.

i

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на теории резания, теории вероятностей и математической статистике. В ходе теоретических и теоретико-экспериментальных исследований процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности применяли аналитическое и имитационное моделирование. Теоретико-экспериментальные исследования проводили в системе MathCAD. Для экспериментального исследования топографии рабочих поверхностей шлифовальных кругов и микропрофилей поверхностей деталей применяли метод профилографирования.

Работа базируется на результатах исследований А.К. Байкалова, С.Г. Бишутина, B.C. Булошникова, O.A. Горленко, Ю.М. Зубарева, Г.М. Ип-политова, A.B. Королёва, С.Н. Корчака, Г.Б. Лурье, E.H. Маслова, И.П. Никифорова, Ю.К. Новосёлова, Н.В. Носова, А.П. Осипова, В.И. Островского, В.М. Оробинского, С.А. Попова, В.А. Прилуцкого, А.Н. Резникова, Э.В. Рыжова, Д.Л. Скуратова, В.К. Старкова, Ю.С. Степанова, В.Н. Трусова, А.Н. Унянина, Л.Н. Филимонова, Л.В. Худобина, R.L. Hecker, С. Guo, S.Y. Liang, S. Malkin, F. Xi, X. Zhou и др.

Научная новизна. 1. Разработана имитационная модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зёрен на рабочей поверхности шлифовального круга, его колебаний и режимов обработки при различных видах шлифования.

2. Разработана математическая модель формирования единичной абразивной царапины, которая базируется на объёмной модели рабочей части абразивного зерна в виде параболоида с учётом износа и пластических свойств обрабатываемого материала.

3. На основе математических моделей разработаны алгоритмы формирования микропрофиля шлифованной поверхности.

Практическая ценность. 1. На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для проектирования шлифовальных операций с возможностью варьирования характеристикой круга и режимами обработки.

2. Разработано специальное приспособление для получения топографии рабочей поверхности шлифовального круга с помощью метода параллельных сечений.

3. Усовершенствован технологический процесс обработки детали «Шток» в условиях ОАО «Тяжмаш» (г. Сызрань) в части рациональной последовательности технологических операций, выбора рациональных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования, что позволило обеспечить требуемое конструкторской документацией качество рабочей поверхности детали (шероховатость, отсутствие абразивных царапин), а также повысить производительность обработки и снизить себестоимость изготовления детали.

4. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик шлифовального круга и режимов обработки в зависимости от требуемого значения параметра Яа с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин на поверхности детали.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы для определения условий шлифования, обеспечивающих требуемую шероховатость шлифованной поверхности конкретной детали на ОАО «Тяжмаш».

Результаты работы также внедрены в г. Сызрани в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 151001 «Технология машиностроения» и бакалавров по направлению 150900 «Конструктореко-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в рамках дисциплин «Режущий инструмент», «Основы технологии машиностроения», «Технология машиностроения».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: III и IV городской молодёжной научной конференции «Научный потенциал города - XXI веку» £

(г. Сызрань, 2005, 2006 гг.); XXXII Самарской областной студенч�