автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка методики расчета автоматических циклов плоского глубинного шлифования

' ? я * 9 Я

4 ' Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи

НИКОЛАЕШО Александр Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЦШОВ ПЛОСКОГО ГДУШКНОГО ШЛИФОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - "Технология танкостроения"

А а т о реф в р а т

диссертации на соискание ученой стелена кандидата технических наук

Челябинск - 1953

г

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Челябинского государственного технического университета

Научный руководитель

заслуженный деятель науки

и техники Рй,

доктор технических нкук,

профессор

С.Н. КОРЧА}-:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В.ЕШОВ; •

кандидат технических наук, доцент

А.к.САРАЛКИН.

Ведущее предприятие

— Санкт-Петербургский инструментальный завод "Иэкерон".

Защита диссертации состоится " 27 » января 1993 г. 14-00 часов, на заседании специализированного совета

Д 053.13.05 в Челябинском государственном техническом университете по адресу: 454060, г.Челябинск, пр.им.В.Н.Ленина, 76.

Просим Вас принять участие в заседании специализированного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных пе.чатью учреждения, по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 27 " декабря 199

Ученый секретарь специализированного советь, доктор экономических наук,

профессор К.А.Баев

г.

* - •'•;-г !

Актуальность темы. Стремление улучшить технико-экономические показатели изделий машиностроения за счет применения деталей из материалов с высокими прочностными характеристиками приводит к снижению производительности при их изготовлении. Избежать этого за счет увеличения режимов механической обработки невозможно из-за низкой стойкости режущего лезвийного инструмента.

Одним из путей повышения производительности при механической обработке деталей из высокопрочных материалов является внедрение в производство плоского глубинного шлифования, которое во многих случаях более э<Н«ктивно, чем обработка лезвийным инструментом. Глубинное шли (кование отличается от традиционного шлифования повышением глубины резания за один рабочий ход (от 0,5 мм до нескольких десятков миллиметров) и снижением скорости продольной подачи стола.

В получающих все большее распространение процессах малоотходной технологии изготовления деталей, когда из точной заготовки путем шлифования получают готовую деталь, операции глубинного шлифования являются наиболее распространенными. Сочетание большой глубины съема металла с высокой точностью и качеством обработанной поверхности позволяет успешно заменять сочетание операций фрезерования или строгания и последующего традиционного шлифования одной операцией плоского глубинного шлифования.

В настоящее время плоское глубинное шлифование - это высокоэффективный метод механической обработки деталей в авиационной,- инструментальной, автомобильной прсмыаленности, применяемый при обработке глубоких пазов (с прямы»« параллельными боковыми сторонами) и плоских поверхностей. Широкое внедрение плоского глубинного шлихтования в про удаленность сдерживается из-за отсутствия нормативов режимов резания, в которых количественно увязывались бы режимы обработки, эксплуатационные характеристики шлифсЕальисоо круга, число рабочих ходов с точностью обработки.

Пеэтсму задача разработки автоматических циклов плоского глубинного шлифования, обеспечиЕапдкх получение деталей зпданной точности на основе нору-гти внкх материален по наз»ачен;!д режимов резания яЕхяется актуальной. Кроме того, лир^кий жпуск ста»ков с ЧБУ для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе и других расширяет "рассматриЕаеыуы проблему, а именно: назначаемое режимы резания Дол*нч сйеспзчивать настрой-

ку и перенастройку стенков на автоматическую работу с наибольшей производительностью, при обеспечении требуемого качества готовой детали.

Цель работы - разработка методики расчета режимов резания и автоматических циклов наибольшей производительности, при заданной точности обработки, для операций плоского глубинного шлифования.

Научная новизна. I. Для оперений плоского глубинного шлифования разработаны аналитические зависимости по расчету силы резания, учитыгащие эксплуатационные характеристики шлифовального круга.

2. Получены математические зависимости для расчета погрешности одно- и многоходового шлифования, учитывающие исходную погрешность заготовки, подетлиеость технологической системы, количество рабочих ходов и силу резания на каждом рабочем ходе.

3. Разработана методика по расчету наиболее производительных режимов резания, для получения деталей заданной точности, при одно- и многоходовом шлифовании, учитывающая жесткость станка, величину припуска, заданный на выполняемый размер допуск и мощность привода станка. .

4. Разработан способ .стабилизации силы резания по всей длине обработки за счет изменения скорости продольной прдачи пропорционально изменению площади контакта шлифовального круга с деталью (получено положительное решение по заявке на изобретение). •

Ь. Разработано устройство для определения жесткости (податливости) шлифовальных станков (получено положительное решение по заявке на изобретение).

Пгактическан ценность

1. Разработаны нормативы режимов резания и основного времени лля сперапий плоского глубинного шлифования, выполняемых на станках с ЧПУ.

2. Разработана программа для 2В1. по расчету режимов резания, осноп"сгс времени и автоматических циклов наибольшей лрг.кз-гсяу.тельнсстк, при задённсй точности обработки, которая используется в качестве режимного блока САПР.

3. Нормативы режимов резания и метсду.ка расчета автоматических циклов плоского глубинного нлиФования внедрены на четырех г.ссмътген^ух пгедгокяткЕХ.

Апробация работы. Диссертационная работа в целом и отдельные ее положения доложены и обсуждены на научно-практической конференции "Повышение эффективности технологических процессов мащиностроительннх производств" в Алтайском политехническом институте, Барнаул,1989 г.; на заседаниях Первой Всесоюзной,.с международным участием, школы-ксиФеренции "Математическое моделирование в машиностроении" в Куйбышевском авиационном институте, 1990 г.; на научно-техническом семинаре "Состояние, перспективы создания и внедрения в производство абразивных инструмен-тог" в УралВНИИАШ, Челябинск, 1991 г.; на заседаниях клЛедрн "Технология машиностроения и научно-технических конференциях Челябинского государственного технического университета, 19891992 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в центральных издательствах.

Структура к объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 98 наименований, 5. приложений на 61 страницах. Общий объем работы 219 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Состояние вопроса. Проведен обзор использования в отечественной промышленности технологических процессов механической обработки, вютпчающих операции плоского глубинного шлифования. Приведен анализ работ, посвященных вопросам точности изготовления деталей. Большой вклад в развитие теории точности изготовления деталей машин внесли. Б.С.Балаяпин, А.П,Соколовский, К.В.Вотинов и другие.

Развитие теории управления точностью при механической обработке, применительно к операциям шлифования, было сделано в работах Л.А.Глейэера, /иВ.Худсбина, С.С?Силина, А.В.Якимова, С.Н.Корчака, А.В.Королева и других.

ПокаэЕно, что существующие методы расчетов сил резания устанавливают общие закономерности процесса шлифования, но не позволяет определить параметры, необходимые для построения автоматических циклов плоского глубинного тлийования. •

Таким образом, для управления точностью обработки, череа

управление силой резания, необходимо разработать методику расчета режимов резания и автоматических шклое плоского глубинного шлифования. В соответствии с.поставленной цельв работы сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать модели силы резания при плоском глубинном шлифовании.

2. Разработать модели погрешностей одно- и многоходового шлифования.

3. Разработать методику расчета наиболее производительных режимов резания для получения деталей заданной точности при одно- и многоходовом шлифовании.

4. Разработать методику стабилизации силы резания для операций плоского глубинного шлифования.

5. Разработать методику расчета автоматических циклов наибольшей производительности, при заданной точности обработки, для операций плоского глубинного шлифования.

6. Разработать нормативы режимов резания для операций плоского глубинного шлифования.

7. Б производственных условиях выполнить проверку теоретических и экспериментальных исследований к внедрить нормативы режимов резания в производство.

Силы резания.

В основу методики аналитического расчета сил резания при шлифовании положены, предложенные С.Н.Корчаком и П.П.Береверзе-выы, подходы к расчету сил резания единичным шлиФзернон и интенсивности съема металла шлифовальным кругом. Путем суммирования силовых реакций, возникающих при резании совокупностью зерен круга, находящихся в данный момент времени в зоне контакта круга с деталью, получены следующие расчетные зависимости радиальной и главной составлявших силы резания:

¡1)

где Цэдр ~ скорость продольной поцачи стола, м/с; ^ - поперечная подача на ход стола, м/ход; 1ер - Фактическая глубина резания; м; ~ средняя интенсивность напряжений, характеризующая сопротивляемость материала пластической деформации в условиях, присущих прспессу шлифования, н/м2; интенсивность степени деформаций; "Ц,£> - тангенс угла между вектором скорости круга и равнодействующей силы резания; Ц" - скорость вращения круга, м/с;Д- наружный диаметр круга, м; С - коэффициент, устанавливающий соотношение между и средним контактным давлением; Ки ~ коэффициент, устанавливающий соотношение между размером шлиФзерна и длиной участка затупления кл этом зерне; с{о -средний размер шлиФзерна соответствующей зернистости, м; М1 -коэффициент, учитывающий измененные условия шлифования; -объемное содержание зерна в круге, %% \л/с - объемное содержание связки, %; \л/п - объемное содержание пор, %\ - коэффициент трения шшфзерна о металл.

Расчет произволился при значениях б», , взятых

из работы С.Н.Корчака, значения С взяты из работы П.П.Перевер-зева, значения взяты из рецептуры шлифовальных

кругов, опубликованной в работе А.В.Якимоваи

Экспериментальная проверка полученных зависимостей (I); (2) проводилась на специальном стенде, смонтированном на базе станка для глубинного шлифования модели 121-220. Статистическая обработка результатов экспериментов показала адекватность расчетных зависимостей (I) и (2) реальному процессу. Результаты проверки зависимости (I) представлены на графике (рис.1). Разница между расчетными и экспериментальными величинами не прешаа-ет 2СС5. .

Взаимосвязь сил резания и точности обработки

В трудах Б.С.Балашиха, А.П.Соколовского и друшх установлена взаимосвязь производительности и точности обработки с жест-гостья (податливостью)»технологической системы и режимами резания. На этой сснсее, в ходе проведенного исследования, установлена взаимосвязь Фактической глубг.нк резгния с номинальной глубиной податливостью технологической системы, которая выражена следута;-_>!> зависимость?;:

М

с

График сравнения расчетной зависимости и экспериментальных точек изменения радиальной составляющей силы резания от зернистости круга

600

Н.

1 А \\

\

V

ч

О

0,1

0,2. 0,Я5 0,4

¿,мм

РисЛ

круг: I 500x20x203 25А ВИ 12К5; материал: сталь 45;

^ режимы резании: 1Г в 35 м/с; 20 ум;"Ц> * I мм;

1Г$ИР =» 400 мм/мин * . •

гце ^ - податливость технологической системы, м/н; - номинальная глубине резания, м.

I - & Ч^с ИI (V ±

«и- . с а I 1г

Величина упругих отжатий технологической системл равна

Ии-

(4)

Погрешность обработки Д^, при одноходовом шлифовании; выраженная через максимальное и минимальное отжатйе технологической системы, показана на рис.2 и описена следующими уравнениями:

(5)

(6)

|1

Щ-У-уяах ~ ^ , (?)

- исходная погрешность заготовки, м. Погрешность обработм при многоходовом шлифовании показана на рис.3 и описана следующими уравнениями:

.та*

.3

-ШШ7\-:-

• ■т^н. ]Н уяил

,УН1К

(8)

(9)

-АЧи-^-'Ч

(10)

Экспериментальная просерка по,лучекных зависимостей (8), (9), (10) проводилась на специальном стенде, смонтированном на базе станка для глубинного шлифования модели ЛШ-220 с применением разработанного устройства для определения жесткости (податливости) шлифовальных станкоЕ. Особенностью указанного устройства является тс, что оно позволяет определять жесткость (податливость) как в статике, так и в динамике. На устройство для определения жесткости (податливости) шлифовальных .станков-получено положительное решение % 5004275/08 от CE.07.I99I г. по заяЕке на изобретение. О

Выполнена статистическая обработка результатов экспериментов по проверке зависимостей <5 - 10). Ь качестве примера на

с

Расчетная схема погрешности обработки при одноходоеом шлифовании

_ 1 ...... .

£ X. а €

"3— ' _| ' _ — — _ — __

Со ' 4

и «с «о х: от 1. 4 ■\г * 4 * аг |Г |ь

Рис.2

Расчетная схема погрешности обработки яри многоходовом шлифовании

"1-1 ход | 1 + 1*04 П

Ж

<1

Ж

I

Лч

* ОС.

г

з»

В" •с *

I

4х?

*

*

е

, г

о 8>

Й

£4

г

»к

Рис.3

рис.4 представлены результаты проверки зависимости (8). Разница "между расчетными и экспериментальными величинами не превышает

Загисимость величины упругих отжатий технологической системы от скорости продольной подачи стола

■ Рис.4

1 - сталь 45; 2 - 40X13; S - PI8; круг: I 500x20x203 25А 40П BKI I2K5; режимы резания: 1Г«= 35 м/с;S*» 0,02 M;-fop= 600 мrv; податлиЕрсть станка; fy * 0,032 ккм/н

Расчет режимов резяния На основании Формулы (3), отргжа*яцей изменение Фактической глубины резания "hp , в зависимости от назначаемых4:Ц и l/snp (при 1г =C0Tis-fc. , Sy-CO-nsi « eorrfc ) построена область изменения Фактических глубин резания. Ограничив эту область по оси ординат (рис.5, 6) минимальным значением глубины резания

(ДЛЯ глубинного шлифования■ 0,5 мм),и максимальным значением допустимым по мощности привода шпинделя

^»a^pnux^j , по оси абсписс минимальным и максимальным

значением скорости продольной подачи £ У^р*1" J , [Vsnp°XJ (согласно техническим данным станка) и максимальным значением допустимым по мощности привода шпинделя )3 » получили область допустимых глубин резания и допустимых значений скорости продольной подачи.

Расчет точности обработки, отслеживающий изменение точности обрабатываемой детали от первого до последнего рабочего ходе при разных значениях глубины резания и скорости продольной подачи стола, производится по формулам (Ь - 10) одновременно с расчетом количества рабочих ходов Tlx • Расчет количества рабочих ходов ведется с учетом мощности привода шлифовального круга по формуле

птах

где П - максимальный припуск, м;

- поправочный коэффициент, учитывающий расчетную точность обработки; | тар*0*)] " максимальная фактическая глубина резания, допусти-L 2*Р U мая по мощности привода шлифовального круга, м.

Расчетное количество рабочих ходов округляется в большую сторону до целого. При недостижении требований по точности обработки дальнейшее управление режимными параметрами осуществляется путем увеличения числа рабочих.ходов (если требуется большое уточнение) и уменьшением скорости продольной подачи (если требуется небольшое уточнение).

Если (при достижении требований по точности) 'П.х I, "то одноходовое шлифование, если TlxУ то многоходовое шлифование.

Методика расчета режимов резания при одно- л .многоходовом шлифовании показана на рис.5, б, где Фактическая глубина резания i.<p и скорость продольной подачи Цедр определяются с учетом допуска на размер детали S .

Для получения заданного размера детали при одноходовом шлифовании и на последнем рабочем ходе многоходового шлифования, согласно рис.2, 3, необходимо выполнение следующего условия:

£ , (12)

tmay

- доцуск на размер детали, м

где У - максимальное отжатие технологической системы, к;

&

Схема для определения максимальных режимов резания при одноходовом шлифовании

О КГ1

:5пр

Рчс.5

Схема для определения максимальных режимов резаякя при многоходовом шлифовании

Рис.б

. и

При одноходовом шлифовании расчет номинальной глубины резания 1ц и максимальной фактической глубины реззния производится согласно схеуе, представленной на рис.2. Ь.аксимальная скорость, продольной подачи стола, обеспечивающая получение детали заданной точности, равна

(12)

и —¿йЩ-

где а. - к

■ Бри многоходовом шлифовании расчет номинальной глубины ре-зения "Ьц и .максимальных фактических глубин резания "ЬаГ0^ производится для всех рабочих ходов согласно схеме, представленной на рис.3. Расчет скорости продольной подачи для всех рабочих ходов, кроме последнего, производится по следующей формуле:

ГртаП

1_ 2 ^р Л ~ максимально-допустимое по мощности привода

шлифовального круга значение главной составляи-. щей силы резания, Н;

Л - •

'Н? - [г-'

I - Я ^(КгсЛоХ2- У/^еМ!

. «и " с, V г I

Расчет скорости продольной пояачи на последнем ргбсчеу коде при гногоходоеом шлифовании производится с учетом условия Ц2) по формуле (13).

Для расчета режимов резания разработана .трограм/а для ЭБк, которая используется в качестве режимного блока САПР.

Автоматические циклы шлифования

Глубинное шлифование в сравнении с традиционным шлифованием приводит к увеличению длины дуги контакта круга с деталью и рас-' стояния, которое проходит деталь от момента касания круга до полного контакта. Аналогично с участком врезания увеличивается и длина участка выхода.

На участках врезания и выхода происходит изменение интенсивности съема металла, что приводит к изменению силы резания и натяга в технологической системе. Это вызывает появление на детали участков "завалов", то есть участков, где горизонтальная образующая обработанной поверхности становится криволинейно наклонной.

Для стабилизации силы резания по всей длине обработки разработан способ расчета и изменения скоростей подач. Длины участков врезания и ьыхода делятся на отрезки. Для каждого отрезка рассчитывают плещадь контакта круга с деталью. Изменение скорости подачи проигкодигся по отрезкам пропорционально изменению площади контакта круга с деталью. Значения скорости подачи по отрезкам заносится в кадры управляющей программы,которая вводится в систему ЧПУ станка.

На данный способ автоматического регулирования силы резания при глубиннсм шлифовании получено положительное решение * 4914304/08 от 25.02.1991 г. по заявке на изобретение. ,

Использование переменней скорости подачи позволяет сократить время цикла. Графическое изображение автоматических циклов шлифования, содержащих один и два рабочих хода, представлено, соответственно, на рис.7а, 76, где пунктирной линией показан цикл с использованием переменной скорости подачи, а сплошной линией показан цикл без использования переменной скорости подачи. Из графиков видно, что использование переменной скорости подачи сокращает время цикла на величину • которая растет с.увеличением количества рабочих.ходов.

Для расчета времени всего цикла используется следующая формула: к

'Ьиг - ^ ^ , (15)

где - время, необходимое на осуществление А- -ой подачи

цикла, с;

К - количество подач в цикле.

1Г<

Автоматические ииклы плоского глубинного шлифования. с использованием и без использования переменной скорости продольной подачи стола

5ПР, £

ПГи.е.

1Г,

ьпр,

¿1 с

о

1\

Г~\

ТЦ1

д'С

V

Рис.7

2ПрХ.Х. ~ скорость продольной подачи при холостом ходе; ^(¡рСр***) ~ СК0Р0СТЬ продольной подачи допустимая по мощности

И

привода шпинделя;

У^цр/гч - скорость продольной подачи, обеспечивающая заданную точность обработки.

Внедрение рассчитанных автоматических пиклое шлифования на четырех промышленных предприятиях повысило производительность труда на операциях в 1,3-1,5 раза по сравнению с экспериментально подобранными на заводах циклами.

. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ • •

1. Получены расчетные зависимости для определения силы резания при плоском глубинном шлифовании, учитывающие эксплуатационные характеристики шлифовального круга.

2. Получены математические зависимости для расчета погрешности одно- и многоходового шлифования, учитывающие исходную погрешность заготовки, податливость технологической системы, количество рабочих ходов и силу резания яа каждом рабочем ходе.

3. Раэгаботана методика расчета наиболее производительных режимов резания, для получения деталей заданной точности, при одно- и многоходовок шлифовании, учитывающая допуск не выполняемый размер, величину припуска, жесткость станка, мощность приводе станка.

/

/

4. Разработана методика стабилизации силы резания по всей длине обраббтки за счет изменения скорости продольной подачи стола, пропорционально изменении плошадки контакта шлифовального круга с деталью, при врезании и выходе круга.

5. Разработана методика расчета автоматических циклов наибольшей производительности, при заданной точности обработки, для опергшй плоского глубинного шлифования.

6. Разработана программа для 3Bi». по расчету режимов резания, оснсеного времени и автоматических циклов наибольшей производительности, при заданной точности обработки, которая используется в качестве режимного блока САПР операций шлифования.

7. Разработаны нормативы режимов резания и основного, времени для операций плоского глубинного шлифования.

' 6. Суммарный годоьсй окономический эФф-ект от внедрения результатов исследования на четырех промшлянных предприятиях составляет 244 тысячи рублей.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Николаенко A.A., Кулыгин В.Л. Абразивные круги для глубинного шлифования // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 1992.- ff 2-4.- С.45.

2. Николаенко A.A., Кулыгин В.Л. Обеспечение точности обра-• ботки деталей шлифованием // Механизация и автоматизация сельского хозяйства.- 1991,- £'7.- С.58.

3. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Глубинное шлифование при восстановлении деталей // кеханизация и электрификация сельского хозяйства.-' 1991.- t Ю,- C.5I.

4. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Математическое моделирование процесса плоского глубинного плифонания // Математическое моделирование в машиностроении,- Куйбывев: ЕАИ, 1990.-

С .48-49. ч

5. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Потааение производительности и точности обряб«тки плоского глубинного шлиФоЕаиия // Ст де л о' :н о- чн от о № с методы и инструмент ароматизированных производств.- Блрнвул: Lrciul, 1992.- С.27-ЗГ.

6. Fy-к л«,ч Б.Л., Н'лкслвенкс A.A. Доследование колебаний сил ре?'ния при глубии«эм шлифовании // Поръше"ие аФФе--тиЕчос-?и техмслогичаскиг процессов машиностроительных i рсизпсасгв.-Барнчу^; Л-ггГ/i, IS89-.- C.50-5I.

7. Кулыгин В.Л., Николаенко A.A. Особенности npouecca резания при плоском глубинном и маятниковом шлифовании // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента.- Пенза: ПЛИ, 1991.- С.40-44.

Подписано к печати 19.12.?2. «огмат 60У90 I/I6. Печ. л. I. Уч.-пзп. л. I. Тира* ICO экз. Заказ 297/727.

УОП ЧТО. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.Ленгяа, 76.