автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии шлифования колец подшипников активным контролем комплекса параметров нестационарных режимов обработки

На правах рукописи

Саратовский государственный технический университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ШЛИФОВАНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ АКТИВНЫМ КОНТРОЛЕМ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ A.B. Королев

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

A.A. Игнатьев

ГОРБУНОВ Владимир Владимирович

05.02.08 - Технология машиностроения 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Саратов - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ...................................9

1.1. Анализ взаимосвязей параметров процесса шлифования.....11

1.2. Критический анализ современных средств автоматического управления режимами шлифования на станках-автоматах.... 16

1.3. Постановка задач исследования...........................................30

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ШЛИФОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ..........................................................................33

2.1. Качество и производительность обработки как управляемые показатели процесса шлифования...................33

2.1.1. Системный подход к управлению качеством и производительностью обработки

на шлифовальных автоматах......................................33

2.1.2. Управление качеством обработки на основе активного контроля комплекса параметров................38

2.2. Модель процесса обработки в нестационарном режиме.......41

2.2.1. Аналитическая модель процесса обработки

в нестационарном режиме..........................................41

2.2.2. Численная модель процесса обработки

в нестационарном режиме..........................................47

2.2.3. Результаты численного моделирования.......................50

2.3. Выводы................................................................................57

Глава 3. АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ....................................................................58

3.1. Анализ характеристик способов и приборов

активного контроля - источников разработки..................... 58

3.1.1. Прибор активного контроля "Элекон".........................58

3.1.2. Самонастраивающаяся система управления

врезным шлифованием................................................61

3.1.3. Устройство управляющего контроля шлифованием .... 65

3.1.4. Устройство управления правкой круга

по уровню вибраций в технологической системе........67

3.2. Разработка приборов активного контроля ...........................69

3.2.1. Прибор активного контроля шлифования

канавок для ввода шаров "Актикон" ..........................69

3.2.2. Прибор "Актикон - 2".................................................71

3.2.3. Модернизация прибора "Элекон"................................74

3.2.4. Прибор активного контроля комплекса параметров нестационарных режимов шлифования.......................74

3.2.5. Сопоставительный анализ функциональных возможностей приборов активного контроля..............76

3.3. Выводы................................................................................82

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ШЛИФОВАНИЯ С АКТИВНЫМ КОНТРОЛЕМ ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ

ОБРАБОТКИ...................................................................84

4.1. Активный контроль припуска и скорости его изменения.....85

4.1.1. Методика многофакторного эксперимента..................85

4.1.2. Условия проведения эксперимента.............................90

4.1.3. Экспериментальные зависимости припуска на выхаживание и времени выхаживания

от скорости съема припуска.......................................92

4.1.4. Влияние технологических факторов на точность размеров и формы обработанных поверхностей

при различных способах активного контроля...............95

4.2. Активный контроль виброакустических характеристик

шлифования в нестационарном режиме...............................98

4.2.1. Экспериментальное исследование виброакустических

колебаний шлифовальных автоматов......................... 98

4.2.2 Формирование цикла шлифования в нестационарном

режиме по виброакустическим характеристикам...... 104

4.3. Выводы.............................................................................. 111

Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ШЛИФОВАНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ ВНЕДРЕНИЕМ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ................. 112

5.1. Эффективность технологии шлифования с активным контролем канавок для ввода шаров на кольцах подшипников (приборы "Актикон" и "Актикон-2")........... 112

5.2. Прибор активного контроля с микропроцессорным комплексированием параметров нестационарного

режима обработки.............................................................. 118

5.3. Реализация автоматизированного вихретокового

контроля качества шлифовальной обработки...................... 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 128

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 130

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Повышение надежности продукции машино- и приборостроения, самолето- и автомобилестроения, сельскохозяйственной и другой техники в значительной степени зависит от повышения качества механической обработки деталей. Наличие в узлах вращения машин, станков, двигателей и других изделий подшипников как основных элементов, обуславливает особое внимание к качеству их изготовления, в том числе и к качеству колец подшипников. Одним из наиболее распространенных технологических процессов финишной обработки колец является шлифование. Воздействие ряда факторов, сопровождающих шлифование (тепловые, силовые, вибрационные, износ абразивного круга и другие), приводит к снижению как точности обработки дорожек качения, так и к изменению физико-механических свойств их поверхностного слоя, в частности, за счет появления прижогов и микротрещин. Указанные дефекты существенно снижают эксплуатационную надежность колец и, соответственно, подшипников.

Повышение эффективности шлифования на автоматизированных станках, то есть получение требуемой точности обработанных колец и качества их поверхности и поверхностного слоя при максимальной производительности, достигается путем управления процессом шлифования на основе анализа технологических факторов, влияющих на качество и производительность обработки. Исследованию и анализу таких связей посвящены работы Д.Г. Евсеева, С.Н.

Корчака, A.B. Королева, Г.Б. Лурье, E.H. Маслова, A.A. Маталина, С.Г. Редько, А.Н. Резникова, Э.В. Рыжова, JI.B. Худобина, A.B. Якимова, П.И. Ящерицина и других ученых. Вопросы управления шлифованием на основе методов активного контроля размеров рассмотрены в работах С.С. Волосова, З.Ш. Гейлера, В.Н. Михелькеви-ча, М.М. Тверского, В.Д. Эльянова и других исследователей.

Однако в научно-технической литературе недостаточно освещены особенности шлифования колец подшипников в нестационарных режимах обработки. В то же время, кольца подшипников являются деталями крупносерийного и массового производства, которое характеризуется минимальными припусками на обработку и высокими режимами резания, при этом основная часть припуска снимается в неустановившихся режимах. Недостаточно полно определен набор функциональных возможностей приборов активного контроля, обеспечивающий широкое применение и конструктивную завершенность приборов, выполненных на современной элементной базе.

Поэтому тема данной диссертации, направленная на совершенствование технологии шлифования колец подшипников активным контролем нестационарных режимов обработки, является актуальной.

Цель работы - совершенствование технологии шлифования колец подшипников в условиях нестационарного режима обработки развитием функциональных возможностей средств активного контроля на основе рационального выбора измеряемых параметров.

Научная новизна работы заключается в обосновании метода повышения эффективности шлифования колец подшипников в нестационарном режиме путем управления технологическим процессом на основе активного контроля комплекса параметров: текущего припуска, скорости изменения припуска и вибрационной активности

процесса резания, с использованием разработанной модели съема припуска и рациональной организации цикла обработки.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности:

- разработана технология шлифования колец подшипников в нестационарном режиме с применением активного контроля рационального комплекса информационных параметров, а также методика расчета режимов и времени обработки;

- разработано и принято к реализации техническое задание на проектирование прибора активного контроля комплекса технологических параметров (договор на разработку прибора включен в Комплексный план развития ОАО "СПЗ" на 1999 г.);

- разработан и внедрен прибор активного контроля размеров замка при шлифовании канавок для ввода шаров по а.с. 1316791;

- разработано и принято к реализации техническое задание на проектирование прибора вихретокового контроля качества поверхностного слоя (договор на разработку прибора включен в Комплексный план развития ОАО "СПЗ" на 1999 г.).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава Саратовского государственного технического университета в 1981,1982 и 1997 г., на техническом совете Саратовского подшипникового завода в 1998 г., на Международных конференциях "Точность технологических и транспортных систем " (Пенза, 1998 г.) и "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы" (Волжский, 1998 г.), заседание кафедр "Технология машиностроения" и "Управляющие и вычислительные комплексы в машиностроении" СГТУ в 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 2 авторских свидетельства СССР и 1 патент РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель съема припуска в нестационарных режимах обработки.

2. Результаты экспериментальных исследований информационных признаков, характеризующих процесс шлифования как объект управления.

3. Имитационные модели управления технологическими процессами шлифования в нестационарных режимах.

4. Результаты экспериментальных исследований новых функций активного контроля процесса шлифования.

5. Результаты промышленной апробации и внедрения результатов исследований.

Глава 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ В НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Обеспечение конкурентоспособности продукции подшипниковой промышленности как на внутреннем, так и на международном рынке связано с повышением качества выпускаемой продукции, достигаемого экономически оправданными средствами. Эксплута-ционная надежность подшипников и затраты на их изготовление в значительной степени определяются шлифовальной обработкой колец подшипников, в ходе которой в основном формируются точность размеров, качество поверхности и поверхностного слоя дорожек качения. Характерные для крупносерийного и массового производства подшипников высокие режимы резания, относительно малые припуски на шлифовальную обработку, сложившиеся точность и жесткость шлифовальных станков, качество абразивного инструмента и технологических жидкостей приводят к шлифованию в нестационарных режимах, когда режимы резания непрерывно изменяются во времени и по припуску^ не достигая установившихся значений. Шлифование, особенно высокопроизводительное, сопровождается интенсивными силовыми и тепловыми процессами в зоне резания, поэтому непостоянство условий обработки приводит к существенным отклонениям значений параметров точности и шероховатости дорожек качения, к изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, к появлению прижогов и микротрещин, что, в частности, уменьшает долговечность подшипников и повышает уровень их шума.

Создание высокоточного и высокопроизводительного процесса обработки возможно как при совершенствовании технологического

процесса, так и конструкции шлифовального автомата, включая устройства управления и контроля текущих размеров и режимов обработки.

Многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов выявили практически весь спектр факторов, влияющих на качество шлифованной поверхности. В работах E.H. Маслова [76], С.Г. Редько [98], Д.Г. Евсеева [57], А.Н. Резникова [99], А.Н. Сальникова [104] и других ученых [4, 64] установлены основные закономерности формирования поверхностного слоя с учетом тепловых процессов в зоне резания, приводящих к образованию различных дефектов. В работах JI.H. Филимонова [123], Г.Б. Лурье [73], Л.В. Худобина [124], Л.В. Якимова [133], Ю.М. Кулакова [71] и других авторов [109, 110] рассмотрены важные закономерности формирования макро - и микрогеометрических параметров точности шлифованной поверхности и влияние на них скорости вращения круга, его балансировки, неравномерности износа, засаливания и затупления, средств и способов подачи СОЖ, вибраций технологической системы. В работах С.Н. Корчака [68], A.B. Королева [63, 66], А.П. Хусу [125] изложены теоретико-вероятностные подходы к анализу формирования микрорельефа шлифованной поверхности. Ряд факторов, влияющих на качество и производительность обработки при шлифовании на автоматизированных станках, в том числе с активным контролем, рассмотрен в работах В.Д. Эльянова [127-130], М.М. Тверского [113-115], С.С. Волосова [31], З.Ш. Гейлера [36, 37], В.Н. Михелькевича [82-84] и других авторов [1-4, 6-10, 12, 18-21, 23, 30, 32, 52, 53, 54, 61, 72, 74, 78, 79, 86, 92, 97, 101, 102, 107, 111, 131]. Тем не менее, особенности процесса шлифования колец как объекта управления, связанные, в частности, с нестационарностью режимов обработки, требуют более детального их анализа.

1.1. Анализ взаимосвязей параметров процесса шлифования

Анализируются известные взаимосвязи сил резания, точности обработки, структуры поверхностного слоя, времени обработки, припуска на обработку, жесткости технологической системы, режущей способности шлифовального круга, режимов правки круга, текущего и накопленного съема металла, виброакустической активности зоны резания.

Для описания динамики нестационарных процессов, характеризуемых непрерывно изменяющимися режимами резания, необходимо знать зависимость сил резания от характера взаимодействия инструмента и обрабатываемой детали. Обычно силы резания рассчитываются по эмпирическим формулам, подобным приведенной ниже:

рг=Сь-К'.у;-8'.г. (1.1)

Такие зависимости строятся на основе экспериментальных данных, коэффициенты и показатели степени изменяются в широких пределах. Отметим, что между глубиной резания и силой резания введена степенная зависимость, причем при шлифовании подшипниковых сталей показатель степени меньше единицы.

Теоретические зависимости сил от глубины резания для единичного абразивного зерна и для шлифовального круга содержатся в ряде работ.

По зависимости,предложенной в [68], радиальная сила резания условным абразивным зерном с единичной длиной режущей кромки равна:

г4325-азь т/З Л

Р

+ 0.5-/

З.у. { БШ р\ 3

т (1.2)

3

где а3 - средняя толщина среза единичным зерном по ширине площадки износа,

Р - угол между равнодействующей силы и вектором скорости резания,

¡31 - угол сдвига,

/3 - усредненная по ширине длина площадки износа, т3 - средняя касательная напряжения. Тангенциальная составляющая силы резания условным зерном:

Р =

аз cos ß

\

V

sin/?

+ 0.5 • jd-l

т »

(1.3)

У

где ц- коэффициент трения абразива по обрабатываемому материалу.

Недостатком выражений (1.2) и (1.3) применительно к описанию переходных процессов является то, что зависимость сил от толщины среза дана в неявной форме, т.к. угол между равнодействующей силы и вектором скорости резания зависит от толщины среза.

Зависимости, полученные A.B. Королевым [63], устанавливают связь сил резания отдельных абразивных зерен с толщиной среза в явной форме и с учетом параболической формы зерен, когда b = am, где ¿-высота, а- ширина зерна.

Радиальная сила резания:

Р =т

л

У сдв 3b a(m +1)

(1 + £)'

4 а

+---

Л Ъ

(£ + 1),

(1.4)

тангенциальная сила резания:

л b

Р7 = г ч----

сдв 4 (т + 1)

(1 + гГ 4 а

-—+---

£ л Ъ

1 + //

л Ъ 8 а

(f+ 1), (1-5)

где ^ ~ коэффициент усадки стружки.

Силы резания, создаваемые абразивным кругом , получены в этой работе на основе теоретико-вероятностных методов, позволяющих учесть то, что не все зерна, находящиеся на рабочей поверхности круга, контактируют с обрабатываемым материалом, и еще меньшее число зерен участвует в резании. Это связано с разно-высотностью расположения зерен по глубине инструмента и наличием на поверхности детали рисок от предшествующей шероховатости или рисок от ранее прошедших зерен. Радиальная сила резания вычисляется суммированием радиальных составляющих сил, действующих на отдельные абразивные зерна.

Таким образом, аналитические и экспериментальные зависимости указывают на степенную зависимость сил резания от глубины шлифования с показателем степени меньше единицы.

Рассмотрим зависимость структуры поверхностного слоя детали от режимов обработки.

По данным [51] в зависимост