автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Управление процессом формообразования на круглошлифовальных станках для обеспечения требуемой точности обработки

На правах рукописи

ЛОМОВА ОЛЬГА СТАНИСЛАВОВНА

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ НА КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

28 НОЯ 2013

Тюмень-2013

005541006

005541006

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Научный консультант:

Моргунов Анатолий Павлович

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет», профессор кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов

Блюменштейн Валерий Юрьевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», профессор кафедры технологии машиностроения

Некрасов Юрий Иннокентьевич доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Официальные оппоненты:

Курдюков Владимир Ильич

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013 г. в ¿0 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.273.09 при Люменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал имени А. Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72 а.

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

И. А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие науки и техники определяет конструктивное совершенствование машин и приборов и требует обеспечения их надежности. В машиностроении надежность изделий тесно связана с точностью деталей, эксплуатационные свойства которых формируются, главным образом, на финишном этапе обработки и складываются из многих составляющих.

Обеспечение точности размеров деталей часто находится в противоречии с их геометрической формой, погрешность которой может достигать до 40% от суммарной погрешности обработки. Эта проблема является особенно актуальной при изготовлении высокоточных деталей типа тел вращения. Так, уменьшение овальности и конусообразности шеек коленчатого вала с 10 до 6 мкм в допуске на размер позволяет увеличить время работы вкладышей подшипников от 2,5 до 4 раз.

Несмотря на существенные достижения в области динамики круглошлифовальных станков, проблема обеспечения их точности при эксплуатации остается еще не до конца решенной. Процесс шлифования является наиболее сложным и наименее изученным, отличается нестабильностью и чувствительностью к возмущениям. Практика показывает, что макрогеометрия поверхностей вращения во многом определяется точностью станка. При этом существенное влияние на обработку оказывают силовые и тепловые деформации узлов станка и детали, износ и затупление круга, неточность установки детали в центрах, колебания припуска на обработку и т.д. Вследствие влияния любого из технологических факторов ось детали, установленной в центрах станка, может менять свою траекторию в процессе шлифования, что приводит к погрешностям ее формы и размера.

Обеспечение требуемой точности обработки предопределяет необходимость эффективного управления процессом формообразования. До настоящего времени учет одновременно влияющих на точность обработки факторов не проводился, также отсутствуют методики математического описания процесса, позволяющие учитывать их совокупное проявление. Это обуславливает разработку моделей, способов и устройств диагностики и управления точностью круглошлифовальных станков.

Оперативный ввод коррекций величины зазоров в подвижных узлах станка и управление пинолью с подвижным центром обеспечат стабилизацию положения оси заготовки в пространстве при изменении режимов резания и требуемую точность обработки деталей. Так, исследования и разработки, направленные на обеспечение точности обработки на круглошлифовальных станках являются актуальными.

Объектом исследования является процесс формообразования поверхностей деталей при обработке. Предмет исследования: способы и устройства управления точностью круглошлифовальных станков.

Цель работы: управление процессом формообразования на круглошлифовальных станках для обеспечения требуемой точности обработки.

Достижение цели потребовало постановки и решения следующих задач:

1. Определить закономерности процесса формообразования при изменении геометрической точности круглошлифовального станка и действии технологических факторов.

2. Установить влияние точности позиционирования центров и разновидностей их контактных связей с центровым отверстием на характер смещения оси вращения детали и образование погрешности формы.

3. Выполнить экспериментальные исследования по определению точности расположения технологических баз методом ультразвукового контроля и предложить методику прогнозирования точности обработки по площади их опорной поверхности.

4. Разработать математические модели процесса круглого шлифования для выявления связей между режимами обработки, кинематикой движения привода вращения детали, колебательными явлениями и упругими деформациями в технологической системе с закономерностями точности формообразования.

5. Разработать способы и устройства, позволяющие стабилизировать величину зазоров в подвижных узлах станка в процессе шлифования.

6. Создать технические устройства контроля точности позиционирования центров станка и новые технологические решения по управлению точностью формообразования.

7. Предложить методологию управления процессом формообразования при обработке на круглошлифовальном станке, обеспечивающую постоянство относительного положения оси вращения заготовки в пространстве.

Методы исследования.

Экспериментальные исследования проводились на универсальных круглошлифовальных станках в производственных условиях и в лабораториях ОмГТУ на производственном оборудовании и установках с использованием средств метрологического оснащения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов аппроксимации и математической статистики. Теоретические исследования базировались на основных положениях технологии машиностроения, теории резания и динамики станков, теории колебаний, теории упругости, теории формообразования и контактного взаимодействия поверхностей, размерного анализа и методов математического анализа. Использованы методы аналитической геометрии, математического моделирования и компьютерного ЗБ моделирования.

Научная новизна:

1. Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология управления точностью формообразования на круглошлифовальных станках на основе диагностики технологической системы и построения математических моделей процесса обработки.

2. Экспериментально установлены закономерности контактных связей базовых поверхностей «центр - центровое отверстие» и определено их влияние на характер смещения оси детали и образование погрешности формы.

3. С использованием ультразвукового метода исследован процесс акустических колебаний при изменении площади опорной поверхности технологических баз и получены экспериментальные зависимости и теоретические закономерности, позволяющие производить контроль точности круглошлифовальных станков.

4. Предложена концепция прогнозирования точности обработки, основанная на определении радиального и осевого смещения оси детали в центрах при действии технологических факторов и изменении точности станка.

6. Разработаны математические модели, позволяющие на основании учета связей кинематики движения детали, упругих деформаций и амплитудно-частотных характеристик технологической системы определять точность формы деталей. Результаты моделирования легли в основу разработок новых технических устройств обеспечения точности шлифования.

7. Разработан способ и механизм силовой стабилизации положения оси шпинделя шлифовального круга и пиноли с центром, реализация которого позволила снизить погрешность формы деталей на 32-43%.

8. Разработана система адаптивного управления формообразованием, сочетающая диагностику точности станка с комплексом корректирующих воздействий для обеспечения постоянства относительного положения центров и шпинделя шлифовального круга. Управляющая система компенсирует геометрические погрешности станка и исключает прецессию оси детали при обработке.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований; выполнении комплекса экспериментов с последующим анализом полученных данных; в разработке математических моделей; в создании методики расчета смещения оси детали в центрах; в разработке способов и устройств диагностики соосности центров и соосности центровых гнезд (патенты №№2009146790/22, 2010138258/28), в разработке системы управления точностью формообразования при обработки на круглошлифовальном станке.

Автор защищает следующие основные положения:

- решение научной проблемы обеспечения точности обработки на основе направленного формообразования поверхностей деталей и диагностики технологической системы;

- разработанный комплекс математических моделей, устанавливающих связь между точностью формообразования обработанных поверхностей и динамическими явлениями процесса шлифования с учетом кинематики движения детали;

установленные экспериментальные и расчетные зависимости формообразования поверхностей при радиальном и осевом смещении оси детали, закономерности ультразвуковых колебаний при изменении площади опорной поверхности центра и центрового отверстия, позволяющие управлять точностью технологической системы;

- методологию прогнозирования точности формообразования и принцип управления технологической системой с целью стабилизации положения оси вращения детали, основанные на определении контактных связей конусных

поверхностей центра и центрового отверстия, неразрушающем контроле площади их опорной поверхности и анализе причин смещения;

- новые технические и технологические решения, защищенные патентами, способы и устройства, обеспечивающие точность формообразования поверхностей деталей при обработке.

Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:

- получены расчетные зависимости погрешностей формы продольного и поперечного сечений деталей при влиянии термодинамических факторов с учетом изменения точности круглошлифовального станка;

- разработаны инженерные методики расчета погрешности формы при радиальном и осевом смещении оси вращения детали, позволяющие прогнозировать точность обработки;

- созданы устройства диагностики точности взаимного расположения центров и осей гнезд под центры в передней и задней бабке круглошлифовального станка;

- разработаны способы и устройства повышения точности обработки деталей за счет стабилизации величины зазоров в шпиндельном узле шлифовального круга и корпусе задней бабки;

- разработан ультразвуковой метод точности позиционирования конусных поверхностей центра и центрового отверстия по изменению площади их опорной поверхности, позволяющий диагностировать точность круглошлифовальных станков;

- созданы математические модели и алгоритмы, обеспечивающие направленное формообразование наружных поверхностей деталей с учетом термодинамических условий обработки;

- на основе исследований закономерностей образования прецессии оси детали разработана система управления процессом формообразования на круглошлифовальных станках.

Результаты выполненных исследований нашли применение на ОАО «Высокие технологии» и ООО «Омскгидропривод» (г. Омск). По разработанным моделям, методикам расчета и устройствам даются рекомендации по обеспечению рациональных режимов обработки, производится диагностика точности станков и управление точностью обработки.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» -Москва (2012); «Динамика систем, механизмов и машин» - Омск (2004, 2009, 2012); «Современные проблемы машиностроения» - Томск (2013); Международных научно- практических конференциях «Современная техника и технологии» - Томск (2010); «Анализ и синтез механических систем» - Омск (2004); «Инновационные технологии в машино-и приборостроении - Омск (2010); Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» - Уфа (2012); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» - Москва (2012); Региональной научно- технической конференции «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетоносителей и авиационной техники» - Омск (2006); Всероссийской научно-практической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» - Омск (2013); на расширенных заседаниях кафедр "Технологии автоматизированного машиностроительного производства" ТПУ (Томск), "Металлорежущие станки и инструменты", "Технология машиностроения" ОмГТУ (Омск).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 43 печатных работах, в том числе 1-й монографии, 3 учебных пособиях, 2 патентах на изобретения. Материалы диссертации вошли в 3 отчета по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 339 страниц машинописного текста, включая введение, 7 глав, заключение и список литературы из 245 наименований. Работа содержит 144 рисунка, 11 таблиц и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены научная новизна, практическая ценность и значимость исследования, и основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу достижений и современного подхода к проблеме обеспечения точностью формообразования поверхностей при обработке круглым шлифованием, постановке цели и задач исследований.

Наиболее известны ученые, продолжением работ которых является настоящее исследование: Б.С. Балакшин, A.M. Дальский, Б.М. Бржозовский, П.И. Ящерицин, А.П. Соколовский, B.C. Корсаков, Б.М. Базров, В.А. Кудинов, С.С. Волосов, В.В. Кондашевский, С.Н. Корчак, E.H. Маслов, А.Н. Короткое, В.И. Курдюков, Г.Б. Лурье, Д.Н. Решетов, В.Ф. Безъязычный, С.А. Васин, И.М. Колесов, A.A. Маталин, A.B. Пуш, A.C. Ямников, Ю.И. Некрасов, В.А. Прилуцкий, A.C. Проников, Э.В. Рыжов, Ю.М. Соломенцев, И.М. Султан-Заде, А.Г. Суслов, JI.A. Худобин, НН.Янкинидр.

Анализ литературных данных показывает, что к настоящему времени установлены основные закономерности точности обработки, разработаны алгоритмы, а также реализовано адаптивное управление процессами резания. Однако в условиях круглого шлифования из-за комплексного проявления технологических факторов, изменяющих точность станка, эффективность разработанных технических решений существенно снижается. Недостаточно разработанными являются математические модели, учитывающие связь формообразования поверхностей с подсистемой привода вращения детали и динамической точностью станка, закономерности образования суммарной погрешностей с учетом точности расположения технологических баз, способы стабилизации положения оси детали при обработке, устройства противодействия силам резания подвижных узлов станка, способы уменьшения погрешностей обработки на основе диагностики точности станка.

В результате анализа состояния проблемы обеспечения точности обработки на круглошлифовальных станках были сформулированы научные задачи, решение которых необходимо для достижения цели работы.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований образования погрешностей формы деталей и даны теоретические рекомендации повышения точности обработки на круглошлифовальных станках.

Показано, что произвести оценку точности деталей вращения можно по величине погрешности формы, образующейся при обработке из-за непостоянства положения осевой X и угловой координат <р, как показано на рисунке 1.

В основу исследований точности обработки шлифованием положен принцип совместного действия известных факторов с учетом изменения точности станка.

Г— допуск на обработку; Д — погрешность формы детали Рисунок 1 - Отклонение действительной формы деталей от номинальной

В частности, дан анализ совместного действия осевого колебания пиноли станка с центром, несоосности центров и центровых отверстий, изменения величины зазоров в корпусе задней бабки и в шпиндельном узле шлифовального круга на образование погрешности обработки. Перечисленные факторы вызывают смещение оси вращения детали и появление погрешности формы продольного профиля (конусообразность), которую можно рассчитать как:

Д„ = 2

5„, ■ Рсова

М(С-Р$та) Н\ь-[2Т11-Т1)) Ь

+ ь

ЬРс1 Г р{Ь-х2)а РхгЬ"

2Е1,„

3Z.fi/

I Е1„

(1)

где Р - результирующая сила резания, Н; С - сила веса шпинделя с кругом, Н; Ь - длина детали, мм; Н - длина пиноли с центром, мм; М — расстояние между подшипниками шпинделя, мкм; х - расстояние от переднего центра до прилагаемой нагрузки, мм; а, Ь, с — вылет переднего, заднего центров и шпинделя круга, мкм; Е -модуль упругости, Н/м2; /„, /3, /ш - моменты инерции передней, задней бабки и шпинделя круга, кгм2; <5П, <53, д,„ - смещения в передней, задней бабке и в подшипнике шпинделя от величины зазоров, мкм; Г,,, 7/, - допуск на длину детали и глубину центровых отверстий, мкм.

Вышеописанные факторы, входящих в уравнение 1 также оказывают влияние на образование погрешности формы в поперечном сечении детали. Эксперименты показали, что в результате упругих деформаций и изменения величины зазоров в подвижных узлах станка происходит смещение оси вращения детали и появляется погрешность формы в виде овальности:

Д =

г . , л й ■ сов^ о Бт--агс1е—--— ■

I 2 Р

у I . I * с Р С08£

-Л + А + \-5--2— + Д

, (2)

где <5П, <5з, <5Ш - зазоры в передней, задней бабке и в подшипнике шпинделя, мкм; Р -суммарная сила резания. И;/-угол трения, град; ¿-угол между суммарной силой резания и горизонталью, град; Д„, Лш - упругие смещения пиноли и оси шпинделя, мкм; бз, Сш- силы веса задней бабки и шпинделя, Н.

Еще один источник образования овальности - это биение торцов детали в сочетании с перекосом оси центров. На рисунке 2 представлена осциллограмма осевого перемещения подвижного центра при обработке на станке детали с торцовым биением (5r.fi. = 0,01мм.

Рисунок 2-Осциллограммаосевого перемещения пиноли с центром

В этом случае центровое отверстие детали контактирует с центром в точках, которые будут менять свое положение на поверхности центрового отверстия, как показано на рисунке 3.

Л—0,01мс

і і

I обопот детали

а - угол перекоса центра и центрового отверстия; у - перекоса оси центра Рисунок 3 - Схема образования погрешности детали при торцовом биении

Соответственно ось вращения детали будет перемещаться по эллипсу, в результате форма поверхности приобретает овальность, величина которой может быть рассчитана по формуле:

Дов =[d + 0,5{D~d) tgy]/\ + (D ■ tgy/Sm6 )■ sin у, (3)

где D, d - диаметр детали и центрового отверстия у ее торца, мм; öm6 - торцевое биение, мм; у - угол перекоса оси подвижного центра, град.

Экспериментальная проверка показала, что при перекосе центра (0,0006 рад) и биении торца 0,1лш некруглость составила 2,5 мкм, что соответствует овальности 5 мкм. При биении 0,005 мм некруглость составила 0,7 мкм (овальность 1,4 мкм). Круглограммы обработанных деталей представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Круглограммы обработанных поверхностей

Для деталей, имеющих прерывистую поверхность, одним из параметров их точности является отклонение формы выступов, создающее переменность диаметра в пределах ширины выступа. Учитывая различную жёсткость заготовок и сил резания, получена динамическая модель процесса обработки, позволяющая прогнозировать точность формы выступов, показанная на рисунке 5. Формообразование прерывистой поверхности представлено как относительное движение шлифовального круга в направлении изменения размера. Экспериментальная проверка показала хорошее совпадение с расчётами.

0.004 0.016

Рисунок 5 - Динамическая модель процесса обработки прерывистой поверхности

В третьей главе приведены разработанные математические модели и результаты точности обработки на круглошлифовальном станке при различных возмущающих воздействиях. Моделирование выполнялось для условий шлифования шеек вала диаметров 25 и 50 мм из стали 40ХН кругом 25А30СТ2К.

В результате теплофизического анализа получены зависимости распределения температур на поверхности обработки, как показано на рисунке 6. Выявлено, что снизить температуру поверхности детали возможно путем уменьшения скорости врезной подачи с 1,2 мм/мин до 0,4 мм/мин на чистовом режиме. Также модель позволяет определить оптимальный припуск на обработку.

~001 0,02 0.03 0,0

частота вращения детали п = 260 об/мин, скорость врезной подачи Ур = 1,2 мм/мин

Рисунок 6 - Зависимости распределения температур в детали

Помимо тепловых факторов большое влияние на точность шлифования оказывает динамическое состояние станка, которое было исследовано имитационным моделированием. Блок-схема и динамическая модель технологической системы в процессе обработки представлены на рисунках 7 и 8.

Рисунок 7 - Блок-схема модели круглого шлифования К/'я&'т

Входным сигналом является припуск заготовки dh, срезаемый с глубиной х2 и преобразующийся в упругую деформацию станка = (Яг, -х21.

Рисунок 8 - Динамическая модель технологической системы Уравнение системы круглошлифовального станка:

т, • х, + А, • х1 +

с, + Зл-в-<і,-сІіІ

321-

Ру = т, ■ \\ + с3 ■ і. + к2 ■ /. + И3 - / + с3 ■ 1г,

Ґ / ч-ЛЛ^

, а, (с/,

(4)

где т\, т2 - массы детали и круга, кг; сь с2, съ, кь /г2, /г3 - коэффициенты упругости и демпфирования, Н/м2; tf - текущая и фактическая глубина шлифования, мм; х, - перемещение детали, мм, х2 - приращение глубины шлифования, мм; С - модуль упругости вала, Н/м2; с/;, сі2, I - диаметры и длина центрового отверстия, мм.

Радиальная составляющая 1\ силы резания:

Рг = 1,244 10'

(5)

где В - ширина шлифования, мм; а, - предел прочности материала детали при 600°С, кгс/мм2; Н - звуковой индекс; 2 - зернистость; 5 - окружная скорость вращения детали, м/мин; с! - диаметр обрабатываемой детали, мм; продольная скорость правки, мм/мин; 1рг-глубина правки, мм.

Введем в уравнение (5) постоянный коэффициент г/, тогда:

(б)

Дифференциальное уравнение динамики заготовки:

г

*,(/>) +А х,{р) +

а+Зл-С-Ы, -еЦі

Ґ / г' \2 У\ N

321- , с/, ¿Л І

1 + -2- + —

\ V 1 4 " А/у

*ХР)=РУ{РУ с)

Динамическое состояние круга со шпинделем и шлифовальной бабкой:

Ру (р) = '»2 • К (р) + • К(р) + КК Ы+ ■ І,(р) + с, ■ ї, (р). (8)

Результаты, показанные на рисунках 9-11, выявили сложную зависимость точности обработки от влияния различных факторов и их общего сочетания.

диаметр заготовки 25мм диаметр заготовки 50мм

Н, Я-Х2 — развертка поверхности и текущий профиль детали; I - подача; (/—упругие деформации Рисунок 9 — Колебания при круглом шлифовании

диаметр заготовки 25мм диаметр заготовки 50мм

х\, А, - упругое перемещение детали, круга со шпинделем и шлифовальной бабки Рисунок 10 - Деформация упругой системы станка

При первом же врезании круга в заготовку ввиду наличия упругих связей сумма возмущений определяет динамическое состояние всей станочной системы, которое наследуется формой заготовки.

диаметр заготовки 25мм диаметр заготовки 50мм

подача на оборот, ¿//¡-х2 - упругие деформации станка Рисунок 11 - Отклонение формы заготовки Аф

Для определения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) динамическая система круглошлифовального станка была представлена передаточными функциями. Передаточная функция заготовки определялась по формуле:

*ЛР) __1

РУ{Р)

Ж

т,р + \р +

-Ъл С -сі, сії

(9)

32/-

1 + П+ Гі

Передаточная функция шлифовального круга со шлифовальной бабкой:

_I__

РУ(.Р) тг- р2 +И7- р + И,- р+с2+сг Передаточная функция процесса резания №з(р):

! ^0.258 ^0.872

В

= ^ = 1,628 10' , м 0.026

Передаточная функция динамической системы:

с1(р) _ IV, ІУ

(Ю)

(11)

(12)

1,{р)

где №=(1У\+Жг), IV,, IV2, - передаточные функции станка, заготовки, круга со шлифовальной бабкой и процесса резания.

Условия нагружения динамической системы круглошлифовального станка:

с, + с2 + с, + с А(со) _ П (с,+с)-(с2+с3) _ г] е, _ г/

со = 0

I + ?7

1 + '7 ' е, Ін + >1

(13)

(с, + с)(с2 + с,)

где с - жесткость сопряжения центра с заготовкой, Н/м; /„ е, - статическая

жесткость и статическая податливость станка, Н/м, м/Н.

Зависимость динамической податливости станка представлена на рисунке 12,

из которого видно, что система имеет три резонансные частоты.

Аи,, дБ 25

£20 =3

"5Ї5

О)

і то

5

1С?

і.ШїктІІІІІІ

1С?

104

Рисунок 12 - АЧХ динамической системы

Величина порога чувствительности определяется частотой колебаний шлифовальной бабки, которая зависит от ее массы и жесткости привода врезной

подачи. АЧХ позволяет оценить воздействие основных источников колебаний и определить устойчивость системы по передаточным функциям при изменении режимов обработки.

С целью определения влияния тепловых, упругих деформаций и вибраций на точность обработки исследовано напряженно-деформированное состояние элементов технологической системы. На рисунках 13 и 14 показано полученное упругое смещение оси шпинделя при действии сил резания и зависимость погрешности формы цилиндрической поверхности от этих факторов. Полученные результаты позволили осуществить целенаправленный выбор режимов шлифования и легли в основу разработки ряда технических устройств для обеспечения требуемой точности обработки поверхностей деталей.

йФ.»

мкм V / гу £ > —

п /

и

Рза Г-<

п К

Рисунок 13 - Смещение оси шпинделя при изменении зазоров в подшипниках

Рисунок 14 — Погрешность формы от влияния зазоров и сил резания

В четвертой главе представлена методология обеспечения требуемой точности обработки на круглошлифовальных станках.

Управлять точностью шлифования можно посредством рационального выбора линии измерения при применении приборов активного контроля, измеряющих диаметр детали в одном сечении, который вследствие некруглости может менять свои значения от /)„„,, до Г)„шх, как показано на рисунке 15. Фактически прибор будет обеспечивать точность только контролируемого сечения, а не всей поверхности.

Рисунок 15 - Схема измерения диаметра детали

Установив направление смещения оси детали можно повысить точность измерения ее диаметра. С этой целью были проведены экспериментальные исследования на установке, состоящей из осциллографа, усилителя и двух индуктивных датчиков, регистрирующих смещение. При шлифовании изменялись глубина резания, подача и состояние круга. Эксперименты показали, что если выдержать среднее значение угла смещения оси детали в схеме прибора, то можно значительно повысить точность ее измерения и, соответственно точность обработки.

Прогнозировать точность обработки при шлифовании можно, зная различное сочетание погрешностей расположения центровых отверстий и центров, вызывающих прецессию оси детали и изменение точек контакта на жестких центрах. Поскольку при обработке участвуют две пары конусных поверхностей, то каждая имеет свою траекторию смещения, представленную на рисунке 16.

Ао - изменение угла между конусными поверхностями центра и центрового отверстия, Ау, Ар - углы между общей осью и осью соответствующего центра (центрового отверстия) Рисунок 16 - Положение детали в центрах станка

Следы износа центров, показанные на рисунке 17, указывают на два вида контакта центра с центровым отверстием: по постоянным точкам (круговое смещение оси детали из-за погрешностей центровых отверстий); по переменным точкам (смещение оси детали в одной плоскости из-за перекоса центров).

а) контакт центра по постоянным точкам б) контакт центра по переменным точкам

Рисунок 17 - Положение точек контакта

Экспериментальная оценка влияния расположения центров на точность обработки проводилась при шлифовании деталей из стали 45 на режимах выхаживания при соблюдении разных условий контакта в сечениях у центров. После этого деталь выдерживали на станке 60 мин и затем измеряли радиусы, как показано на рисунке 18. Все обработанные поверхности имели погрешности формы, которые представленные на рисунке 19.

1 - измерения на станке; 2 - измерения в эталонных центрах Рисунок 19. Результаты измерения радиусов заготовок

Эксперименты показали, что погрешность формы заготовки будет мала, если угол перекоса центров незначителен, несмотря на наличие погрешности центровых отверстий. Это подтвердили и расчеты

Пятая глава посвящена прогнозированию формообразования деталей при нелинейном изменении точности станка во время эксплуатации.

Установлено, что обеспечить точность обработки поверхностей вращения с допуском круглости 0,002 мм и менее, наиболее сложно. Проведённые исследования показали, что линейное смещение оси происходит в плоскости действия суммарной силы резания. В этом случае на каждый оборот детали осуществляется подача шлифовального круга на величину Д, как показано на рисунке 20.

За это время ось вращения детали перемещается из исходной точки 1 к точке 7 влево и возвращается в точку 13 вправо.

1 — смещение детали за Уз оборота; 2 - форма поверхности, 3 — начало движения, 4 - подача на один оборот Рисунок 20 - Схема для расчета погрешности

Уравнение кривой в полярной системе координат, описывающее отклонение формы детали при линейном смещении:

R, 0<<р<л

— — cp + R + A, л{<р<2п, л

(14)

где ч> - шаг разбиения угла поворота; А — величина подачи шлифовального круга на оборот заготовки, мм/об; R - расстояние от центра вращения заготовки до оси шлифовального круга, мм.

При повороте оси детали на угол у от 0 до л радиус-вектор имеет постоянные значения. При повороте на угол от к до 1л форма поверхности детали образуется по

спиралям Архимеда с коэффициентом а = -— и радиус детали уменьшается от R до

к

R - А, как показано на рисунке 21а. При выхаживании подача отсутствует, и на формообразование заготовки, которое показано на рисунке 216, влияет только смещение центров.

ЧУ) >зі

r M

- ш

- 1&8

t

X

N

t

-25 -І&З-ІІЗ-бЗ^О 63 125 І8Я 25

а) линейное смещение

б) выхаживание

Рисунок 21 - Форма поверхности заготовки

При смещении оси в вертикальной плоскости на каждый оборот заготовки осуществляется подача шлифовального круга на величину Д. Отклонения формы заготовки, найденные из уравнения 15, представлены на рисунке 22 а:

{пА 1, 2 я

О (<р<п

г

, л{(р<2к.

(15)

Траектория смещения оси заготовки при круговом смещении описывается параметрическим уравнением эллипса. Его можно найти из уравнения:

\

Я + 2аътг-

•эш <р,, 0<(р<2п,

(16)

при <р = 0 г = К; при <р = к г = К+2а: при <р=2к г = К.

Отклонения формы заготовки для этого случая показаны на рисунке 22 б.

г«

р-іФШ а)

зо 21.43 12.86 4.29 ГЛ1)4.28 12.86 21.43 30

+Л* -ап"у>

/ 'Ч

\

і

\ /

-30-21 4312.86-4.2842912.8621.43 30

б)

Рисунок 22 - Форма заготовок при смещении оси: а) вертикальном; б) круговом

Учитывая опорное взаимодействие центров и центровых отверстий, рассчитано смещение оси вращения детали в центрах станка при переменных и постоянных точках контакта. Величину смещения оси при переменных точках контакта можно найти как:

л а

Д = с - а = —

а

Я

Я -tgha

л/з + Г£Да

(17)

где с, а — оси эллипса, мм; сі - диаметр центрового отверстия по плоскости контакта, мм.

При контактировании по переменным точкам отклонение траектории оси вращения детали можно определить как:

Д = 0,5 с зтаг[со8(а-Ду)-со8а] , (18)

где с - длина конусной поверхности центрового отверстия, мм; а - угол наклона АВ к У; Ау - изменение угла а при повороте на 2тг.

Расчеты показали, что при переменных точках контакта центра с центровым отверстием (из-за перекоса оси центров) смещение оси вращения детали значительно больше, чем при контактировании поверхностей технологических баз по постоянным точкам (из-за погрешностей центровых отверстий).

Шестая глава посвящена разработке способов и устройств диагностики геометрической точности круглошлифовальных станков.

Для контроля точности расположения центров круглошлифовального станка разработано устройство, показанное на рисунке 23. Для диагностики точности станков необходимо настроить устройство в эталонных центрах, затем перенести в проверяемые центры станка и определив величину смещения произвести поднастройку до положения соосности центров.

1, 2-базирующая и компенсирующая головки; 3, 4, 11,21 - опорные элементы; 5, 22 -центры; 6, 12- пружины; 7-механизм устранения зазора; 8, 24,25 - направляющие, 9-тело качения; 10-сепаратор; 13-упоры, 14, 17-кронштейны; 15 - наконечник, 16, 19 - отсчетные устройства; 18, 23 - преобразователи, 20 - элементы поворота Рисунок 23 - Способ и устройство определения контроля соосности центров

Для точной обработки также необходимо, чтобы центровые гнезда в бабках станка были соосны. Для контроля их взаимоположения разработано измерительное устройство, показанное на рисунке 24.

1, 2 - бабки станка; 3, 4 и 5, 10 - измерительные наконечники и рычаги, 6 - первичный преобразователь; 7- отсчетное устройство с корпусом, 8 - пружина; 9 - шарнирный механизм, 11

- каретка; 12 - пружины силового замыкания, 13,15- фиксирующие устройства; 14,21 -основание и верхняя части устройства, 16-рукоятка; 17-регулируемые упоры; 18, 20-винты,

19 - направляющая

Рисунок 24 — Измерительное устройство положения осей гнезд центров

Для определения величины погрешности расположений необходимо вычислить смещение в горизонтальной или в вертикальной плоскости. Сравнивая полученные значения с допустимыми, можно сделать вывод о соосности центровых гнезд и при необходимости произвести поднастройку станка.

Точность расположения установочных баз также была определена методом ультразвукового контроля по изменению площади опорной поверхности центра и центрового отверстия. С этой целью была изготовлена экспериментальная установка, представленная на рисунке 25.

12

Воздух

□ •••• ;

? 1

1,2- неподвижный и подвижный центры; 3 - заготовка, 4 - каретка, 5 - направляющие; 6 -микровинт, 7 - ПЭП; 8 - компрессор для подачи сжатого воздуха; 9 - пневматический преобразователь; 10 - индикатор; 11-манометр; 12-дефектоскоп УД 2-12 Рисунок 25 - Экспериментальный стенд

Методика эксперимента состояла в следующем. Заготовку устанавливали в соосные центры. В центровом отверстии у подвижного центра поддерживалось постоянное давление. При смещении оси центра происходит истечение воздуха через образовавшийся зазор в центровом отверстии, и давление в цепи падает.

Определение площади опорной поверхности проводилось по изменению амплитуды акустических колебаний при смещении оси детали. Признаком дефекта являлось ослабление сигнала. Полученные зависимости амплитуды ультразвуковых колебаний представлены на рисунке 26.

1.122 3.3 4.4 5.5 6,6 7.78.89,9 II

1

О 1 2.2 3.3 4.4 5.5 6.6 7.78.8 9.9 II

Рисунок 26 - Зависимости амплитуды ультразвуковых колебаний от изменения площади опорной поверхности

Площадь опорной поверхности центра и центрового отверстия была рассчитана

по разработанной методике расчета с учетом изменения амплитуды ультразвуковых

колебаний А/А0:

12

2- Я,-(г + А/-) -совД А__

ВО Я сое«

(19)

где А - амплитуда в точке измерения, дБ; А0 - амплитуда волны, прошедшей расстояние до дефекта без учета затуханий, дБ; В - множитель, учитывающий эффект затухания; /) - коэффициент прохождения волны; - площадь сечения ПЭП, мм2; г - расстояние до дефекта, мм; Аг - приведенный путь ультразвуковой волны в призме ПЭП, мм; X, - длина волны, мм; а - угол преломления, ¡1 - угол наклона призмы.

Зависимость угла перекоса центра в центровом отверстии находили как:

а = агсс<£

4/г

3 • Г/? - ^|і0,2 ■ 1 (Г3 • —

(20)

где к - высота конусной части центрового отверстия, мм; й - наибольший диаметр на центровом отверстии, мм.

Полученные графики зависимостей представлены на рисунке 27.

11,0 10,85 10,8 10,75 10,7 10,65 10,6 10,55 10,5

А/Ао,дБ

S

г

/

/

/

>

0,94 0,82 0,7 0,58 0,46 0,24 0,12

\

а) Зависимость А/А0 от S0,

а, град

1,18 1,06 0,94 0.82 0,7 0,58 0,46 0,24 0.12

б) Зависимость а от А/А0

грі __ vS

— ^ t і

\

С

/ 5

4

/ і Г

А * Li

/

У у V Ll

/ 4>

в) Зависимость а от S0„: 1 - теория; 2 - ультразвуковые исследования

г) Сравнение а от 2: 1-3 - эксперимент; 4 - теоретические исследования

Рисунок 27 - Зависимости неразрушающего контроля точности обработки

Ультразвуковую дефектоскопию целесообразно использовать как входной контроль положения центров перед обработкой заготовок другого типоразмера.

В седьмой главе приведены разработанные системы управления точностью формообразования при обработке на круглошлифовальном станке.

С целью стабилизации величины зазоров в шпиндельном узле шлифовального круга и корпусе задней бабки разработано устройство коррекции сил резания. Усилием поджима шпиндель (бабка) устанавливается в положение, в котором колебание сил резания не вызывает их смещения, как показано на рисунке 28.

Т. чкч

Включение Г Впетяние

Иіменение

а) с коррекцией сил резания

Рисунок 28 - Процесс обработки

б) без коррекции сил резания

Для проверки эффективности разработанного устройства была произведена обработка образцов из стали 45. Эксперименты показали, что конусообразность и рассеивание размеров в партии уменьшились в 1,7 и 3,3 раза соответственно.

Для достижения требуемой точности обработки разработана управляющая система для постоянства номинального положения оси вращения детали при сохранении ее необходимых формообразующих перемещений, показанная на рисунке 29. На рисунке 30 приведена схема реализация управления, которая достигается путем введения обратной связи с подвижным центром и пинолью задней бабки в случае изменения их положения.

Рисунок 29 - Управление процессом формообразования при обработке

Схема подвода і

подвижному центру

1 - бабка, 2 - круг; 3 - центр; 4 - крышка; 5 - пиноль; 6, 8 - винт; 7 - корпус; 9 - пружина; 10 -штифт; 11-крышка; 12-зажим, 13-электродвигатель; 14-передаточный механизм, 15-плунжер; 16-подвод питания; 17-блок усиления, 18, 19 - преобразователи; 20-система питания; 21 — винтовая система Рисунок 30 - Схема управления геометрической точностью станка

Разработанные методы и устройства позволили получить поверхности вращения с высокой геометрической формой и требуемой точностью обработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей работе решена имеющая важное хозяйственное значение научная проблема обеспечения требуемой точности обработки на круглошлифовальных станках на основе управления процессом формообразования.

1. Анализ процесса шлифования показал, что наиболее весомой составляющей суммарной погрешности обработки является погрешность формы. Перспективным направлением обеспечения требуемой точности обработки на круглошлифовальных станках является повышение точности формы деталей.

2. В результате исследований установлено, что погрешность формы обрабатываемых поверхностей в большей степени зависит от изменения точности станка: совместного влияния несоосности центров, изменения величины зазоров в узлах станка, перекоса оси подвижного центра, колебания вылета пиноли с центром и погрешностей исполнения центровых отверстий. И в меньшей степени - от проявления силовых и тепловых деформаций технологической системы.

3. Выявлено, что при обработке на станках с погрешностью расположения центров ось детали имеет прецессию, траектория которой определяется точностью позиционирования опорных поверхностей технологических баз и разновидностью их контактных связей. При этом погрешность формы поверхности будет зависеть от вида и величины смещения оси детали.

4. Разработана методика расчёта радиального смещения оси детали в зависимости от вида контакта центра и центрового отверстия, позволяющая определить величину отклонения формы поверхностей при обработке.

5. Разработан способ определения точности расположения технологических баз методом ультразвуковой дефектоскопии и предложена методика прогнозирования точности обработки деталей на основании неразрушающего контроля площади опорной поверхности центра и центрового отверстия.

6. Разработаны математические модели точности круглого шлифования с учетом динамики и кинематики процесса обработки в виде движения привода вращения детали, относительных смещений центров и шпинделя шлифовального круга, прецессии оси детали, обеспечивающие выбор режимов обработки, соответствующих уменьшению погрешности формы деталей.

7. Предложен метод рационального выбора контролируемого сечения деталей. Выявлено, что для исключения влияния на точность контроля размеров прецессии оси детали, линию измерения следует располагать перпендикулярно вектору ее смещения. При обработке прерывистых поверхностей измерения необходимо производить при отсутствии контакта круга и выступа.

8. Разработаны способ и устройство повышения точности обработки деталей, позволяющие стабилизировать величину зазоров в подшипниках шлифовального круга и корпусе задней бабки за счет коррекции сил резания.

9. На основе закономерностей процесса круглого шлифования определены возможности обеспечения точности обработки и созданы устройства контроля взаимного расположения осей центров и гнезд под центра, поверка которых позволяет производить настройку точности станка.

10. Разработаны новые технологические решения обеспечения требуемой точности деталей и системы управления точностью круглошлифовальных станков, позволивших уменьшить конусообразность поверхностей в 2,1... 4,5 раза, некруглость - в 1,5... 1,9 раз и погрешность формы выступов - в 4...9 раз.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Книги, брошюры:

1. Ломова, О.С. Точность обработки деталей на круглошлифовальных станках: монография [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов. — М: Технология машиностроения, 2011. — 176 с.

2. Ломова, О.С. Расчет и проектирование технологических приспособлений и контрольно-измерительных систем. Учебное пособие [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов. - Омск: ОмГТУ, 2008. - 108 с.

3. Ломова, О.С. Пневматические измерительные системы для решения сложных инженерных задач: учебное пособие [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.Д. Белицкий - Омск: ОмГТУ, 2013. - 79 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

4. Ломова, О.С. Устройство для контроля криволинейных поверхностей деталей гидромоторов [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Технология машиностроения. — 2006. — №12. — С.51 — 54.

5. Ломова, О.С. Оценка точности обработки прецизионных цилиндрических деталей с прерывистой поверхностью при круглом врезном шлифовании осевых компрессоров и газодувок, применяемых в нефтехимическом производстве [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов, В.В. Макаренко И Технология машиностроения. - 2006. - №11. - С. 52 - 54.

6. Ломова, О.С. Повышение надежности и долговечности гидроагрегатов путем увеличения точности измерения позиционных отклонений [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Технология машиностроения. -2007. - №1. - С.58 - 60.

7. Ломова, О.С. Обеспечение точности размеров формы прецизионных деталей при круглом шлифовании в центрах [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Технология машиностроения. - 2007. - №2.~ С. 14-16.

8. Ломова, О.С. Измерение параметров профилей пера лопаток осевых компрессоров и газодувок, применяемых в нефтехимическом производстве [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Технология машиностроения. - 2007. - №4. - С.14 - 16.

9. Ломова, О.С Математическое моделирование процесса формообразования поверхности детали при круглом врезном шлифовании [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов // Технология машиностроения. - 2009. - №8. - С. 46 - 50.

10. Ломова, О.С. Расчет радиального смещения детали при свободном вращении в центрах при различных условиях контактирования баз [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, С.Е. Захаров // Омский научный вестник. - 2009. - №2 (80). - С. 83 - 85.

Н.Ломова, О.С. Влияние погрешности положения центров станка на характер радиального смещения оси детали [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов//Технология машиностроения. -2010.-№8 (98).-С. 11-14.

12. Ломова, О.С. Обеспечение точности обработки цилиндрических деталей в центрах круглошлифовальных станков [текст] / О.С. Ломова, А.П. Моргунов, С.М. Ломов//Технологиямашиностроения.-2010.-№10(100).-С. 12- 17.

13. Lomova, O.S. Influence of Contact betucen the Center and the Center Hole on the Basing Precision in a Circular Grinder / O.S. Lomova, S.M. Lomov // Contents Russian Engineering Research. - 2011. - Vol. 31, №.3. - C. 244 - 247.

14. Ломова, О.С. Формирование параметров точности наружных прерывистых поверхностей деталей типа тел вращения [текст] / О.С. Ломова // Омский научный вестник. - 2011. - №2 (100). - С. 33 - 36.

15. Ломова, О.С. Исследование влияния видов контакта центра и центрового отверстия на точность базирования при обработке на круглошлифовальном станке [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов // Вестник машиностроения. - 2011. - №.3. - С. 57 - 60.

16. Ломова, О.С. Влияние плотности контакта центра и центрового отверстия на точность измерения и обработки [текст] / О.С. Ломова //Омский научный вестник. -2012,-№3(113).-С. 132- 135.

17. Ломова, О.С. Контроль позиционных отклонений осей отверстий цилиндрических деталей гидроагрегатов [текст] / О.С. Ломова // Омский научный вестник,-2012.-№2(110).-С. 89-94.

18. Ломова, О.С. Оптико-механическая система контроля позиционных отклонений осей отверстий деталей [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов // Измерительная техника. - 2013. - №2. - С. 15-18.

19. Ломова, О.С. Оптимизация процесса шлифования на основе учета влияния динамических факторов станочной системы [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина, Е.И.Яковлева//ВестникУГАТУ,-2012.-Т. 16№4 (49).-С. 133- 138.

20. Ломова, О.С. Математическое моделирование структурных изменений в поверхностях заготовок при тепловых возмущениях в процессе шлифования [текст] / О.С. Ломова // Омский научный вестник,- 2013. - №2 (120). - С. 95 - 99.

21. Ломова, О.С. Исследование точности процесса круглого шлифования имитационным моделированием [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина // Омский научный вестник. - 2013. - №2 (120). - С. 99 - 103.

Публикации в других изданиях:

20. Ломова, О.С. Зависимость точности обработки деталей от характера контактирования центра и центрового отверстия [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина, Е.И. Яковлева И Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. -№1 (8).-2011-С. 58-60.

21. Ломова, О.С. Измерительное устройство для контроля положений отверстий деталей [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, И.А. Сорокина, Е.И. Яковлева // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - №2 (9). - 2011 - С. 58 - 62.

22. Ломова, О.С. Измерительное устройство для контроля внутренних диаметров корпуса, гильзы и золотника гидронасоса [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Динамика систем, механизмов и машин: тез. докл. 5-й междунар. науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ, 2004. - С. 290 - 293.

23. Ломова, О.С. Контроль профилей криволинейных поверхностей [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Динамика систем, механизмов и машин: тез. докл. 5-й междунар. науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ, 2004. - С. 293 - 296.

24. Ломова, О.С. Увеличение эффективности работы аппаратов химической технологии за счет повышения точности измерения позиционных отклонений [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Анализ и синтез механических систем: сб. науч. тр. - Омск: ОмГТУ, 2004. - С. 145 - 150.

25. Ломова, О.С. Измерение криволинейного профиля роторов гидроагрегатов, применяемых в химической технологии [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Анализ и синтез механических систем: сб. науч. тр. - Омск: ОмГТУ, 2004.-С. 126-132.

26. Ломова, О.С. Оценка влияния образования отклонения формы на точность обработки при врезном полировании [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.В. Макаренко // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетоносителей и авиационной техники: материалы II регион, науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ, 2006.-С. 279-285.

27. Ломова, О.С. Устройство для контроля отклонения от соосности центров станка и контрольных приспособлений в производстве [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, С.Е. Захаров // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VII междунар. науч.-техн. конф. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 238 - 241.

28. Ломова, О.С. Погрешность базирования детали в центровых отверстиях на круглошлифовальном станке [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, С.Е. Захаров // Инновационные технологии в машино- и приборостроении: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Омск, 2010.-С. 107- 110.

29. Ломова, О.С. Технологическое обеспечение эффективности управления процессом шлифования [текст] / О.С. Ломова, С.Е. Захаров // Современная техника и технологии: сб. трудов XVI междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных. - Томск, 2010. - С. 248 - 250.

30. Ломова, O.e. Разработка метода повышения точности обработки цилиндрических деталей, узлов и агрегатов военно-промышленного комплекса [текст] / О.С. Ломова, В.А. Гриневич // Современная техника и технологии: сб. тр. XVI междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных. -Томск, 2010.-С. 232-233.

31. Ломова, О.С. Повышение эффективности шлифования на основе анализа влияния тепловых деформаций и колебаний динамической системы станка [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина, Е.И. Яковлева // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: межвуз. науч. сб. -Уфа: УГАТУ, 2012. -С. 19-23.

32. Ломова, О.С. Математический анализ деформаций и напряжений заготовок при обработке в центрах [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина, Е.И. Яковлева // Будущее машиностроения России: сб. науч. тр. V Всеросс. конф. молодых ученых и специалистов - М: МГТУ им. Баумана. 2012. - С. 48-50.

33. Ломова, О.С. Разработка математической модели составляющих сил резания при обработке валов [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VIII междунар. науч.-техн. конф. - Омск, 2012. -Кн. 2.-С. 259-262.

34. Ломова, О.С. Обеспечение точности валов центробежных насосов на основе моделирования динамики станка [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, И.А. Сорокина, Е.И. Яковлева II Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - 2012. - №1 (11).-С. 73 - 76.

35. Ломова, О.С. Совершенствование изготовления ответственных деталей аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности [текст] / О.С. Ломова, Е.И. Яковлева // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VIII междунар. науч.-техн. конф. - Омск, 2012. - Кн. 2. - С. 262 - 266.

36. Ломова, О.С. Программное обеспечение для определения взаимодействия силовых факторов при шлифовании деталей типа валов [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина // Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении: материалы междунар- науч.-техн. конф.-М:ИМАШРАН,2012.-Т.1 .-С. 272-277.

37. Ломова, О.С. Исследование напряженно-деформированного состояния системы круглошлифовального станка методом конечных элементов [текст] / О.С.

Ломова, И.А. Сорокина // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности / 2013, № 1(15). С. 72-76.

38. Ломова, О.С, Уменьшение вибраций круглошлифовальных станков на основе мониторинга амплитудно-частотных характеристик [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность: материалы

V Всеросс. науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ. 2013. - Кн. I. - С. 64 — 67.

39. Ломова, О.С. Определение точности позиционирования базовых центров металлорежущих станков ультразвуковым методом [текст] / О.С. Ломова, И.А. Сорокина // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность: материалы

V Всеросс. науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ. 2013. - Кн. 1. - С. 67 - 70.

40. Ломова, О.С. Влияние упругих деформаций круглошлифовального станка на точность обрабатываемых поверхностей [текст] / О.С. Ломова // Сб. науч. тр. Омского института водного транспорта (филиала) — 2013. — вып. №2. - С. 114 - 119.

41. Ломова, О.С. Исследование образования вынужденных колебаний технологической системы при центровом шлифовании [текст] / О.С. Ломова // Сб. науч. тр. Омского института водного транспорта (филиала) — 2013. — вып. №2. — С. 119—124.

Патенты на изобретения:

42. Пат. 93524, Российская Федерация. Устройство для контроля соосности [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, С.Е. Захаров; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. Ун-т - № 2009146790/22; заявл. 16.12.2009, опубл. 27.04.2010.

43. Пат. 102254, Российская Федерация. Устройство для измерения отклонения от соосности центровых гнезд [текст] / О.С. Ломова, С.М. Ломов, В.А. Гриневич; заявитель и патентообладатель Омский гос. тех. Ун-т — № 2010138258/28; заявл. 15.09.2010, опубл. 20.02.2011.

Подписано в печать 25.10.2013 г. Формат 60*84 '/«. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 2. Уч. изд. л. 2. Тираж 130 экз. Заказ № 605.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ НА КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ

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

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

05201450369

ЛОМОВА ОЛЬГА СТАНИСЛАВОВНА

Научный консультант: докт. техн. наук, проф. А.П. Моргунов

Омск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С ПОВЕРХНОСТЯМИ ВРАЩЕНИЯ...................................11

1Л .Достижения и перспективы точности изготовления изделий машиностроения на финишных операциях технологического процесса.....11

1.2. Анализ существующих подходов к прогнозированию и обеспечению точности обработки деталей типа тел вращения.................................16

1.3. Роль точности базирования деталей в центрах станков в образовании погрешности формы........................................................................................33

1.4. Критерии оценки точности круглошлифовальных станков и условия обеспечения точности формы деталей...........................................................38

1.5. Пути достижения динамической точности круглошлифовальных

станков....................................................................................46

Выводы по главе 1 и постановка задач исследований...........................51

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ............................................54

2.1. Закономерности образования отклонений формы и ее роль в составе суммарной погрешности обработки..................................................54

2.2. Теоретические предпосылки повышения точности заготовок при шлифовании в центрах станка........................................................58

2.3. Исследование влияния технологических факторов на образование погрешностей формы в продольном сечении поверхностей деталей........62

2.4. Оценка степени влияния технологических факторов на обеспечение точности формы в поперечном сечении заготовок..............................79

2.5. Исследование образования отклонений формы при шлифовании прерывистых поверхностей вращения.............................................91

Выводы по главе 2.......................

102

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ШЛИФОВАНИЯ......................................................104

3.1. Кинематическая теория формообразования деталей с поверхностями вращения при действии технологических факторов................................106

3.2. Теплофизический анализ процесса круглого шлифования...............110

3.3. Математическое моделирование точности обработки заготовок на круглошлифовальных станках......................................................117

3.3.1. Математическое моделирование температурного поля поверхностей вращения при тепловых и случайных возмущениях...........................119

3.3.2. Исследование точности круглого наружного шлифования имитационным моделированием...................................................127

3.3.3. Моделирование амплитудно-частотных характеристик динамической системы станка с учетом жесткости процесса резания...............................155

3.3.4. Моделирование напряженно-деформированного состояния

элементов технологической системы при обработке..........................162

Выводы по главе 3.....................................................................175

4. МЕТОДОЛОГИЯ ТОЧНОСТИ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В ЦЕНТРАХ СТАНКОВ..................................................................177

4.1. Управление точностью шлифования посредством рационального выбора линии измерения деталей..................................................177

4.2. Пути снижения погрешностей формы поверхностей вращения в процессе круглого шлифования.....................................................186

4.3. Закономерности влияния погрешностей технологических баз на смещении оси заготовки в центрах станка........................................192

4.4. Зависимость величины погрешности формы от вида прецессии оси

вращения заготовки....................................................................198

Выводы по главе 4....................................................................211

5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ ПРИ НЕЛИНЕЙНОМ ИЗМЕНЕНИИ ТОЧНОСТИ СТАНКА....................................................................214

5Л. Прогнозирование формообразования поверхностей вращения при изменении точности станка..........................................................217

5.2. Образование погрешности формы при смещении оси заготовки в горизонтальной плоскости...........................................................217

5.3. Формообразование поверхностей вращения для случаев смещения оси заготовки в вертикальной плоскости.....................................................224

5.4. Образование погрешности формы при круговом смещении оси заготовки в центрах станка...........................................................229

5.5. Методика расчета радиального смещения оси заготовки в центрах при

основных закономерностях контакта технологических баз....................232

Выводы по главе 5 ....................................................................238

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДИАГНОСТИКИ ТОЧНОСТИ КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ............................................240

6.1. Метод определения соосности центров станка.............................240

6.2. Разработка методов и устройств диагностики точности положений базовых элементов станка............................................................244

6.2.1. Контроль отклонений от соосности центров при параллельном и угловом смещении.....................................................................244

6.2.2. Расчет несоосности центров круглошлифовального станка...........249

6.2.3. Устройство для определения взаимного расположения осей гнезд центров..................................................................................250

6.3. Контроль точности расположения установочных технологических баз круглошлифовального станка по изменению площади опорной

поверхности.............................................................................256

Выводы по главе 6.....................................................................276

7. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИСПОСОБЛЕНИИ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ...................278

7.1. Разработка устройства коррекции сил резания для стабилизации величины зазоров в подвижных узлах станка...................................279

7.2. Снижение погрешности формы выступов прерывистых поверхностей вращения................................................................................286

7.3. Разработка системы управления точностью формообразования поверхностей при обработке на круглошлифовальных станках................290

7.4. Экономическая оценка эффективности внедрения разработанной

системы управления точностью....................................................300

Выводы по главе 7.....................................................................309

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............................310

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................312

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................340

ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки и современной техники определяет конструктивное совершенствование технологического оборудования и приборов и требует особого внимания к обеспечению их надежности. В машиностроении надежность и долговечность работы изделий тесно связана с точностью обработки ответственных деталей.

Достижение эксплуатационных свойств и высоких квалитетов точности деталей машин невозможно без использования финишных операций процессов обработки. Для деталей с поверхностями вращения большое распространение получила окончательная обработка на круглошлифовальных станках.

При изготовлении деталей вращения погрешности обработки могут быть соизмеримы с соответствующими допусками, а в отдельных случаях и превосходить их. Ошибочно полагать, что их можно легко ликвидировать с помощью самонастраивающихся технологических систем, используя имеющуюся информацию. Такие системы в большинстве оказываются консервативными, обладают значительными порогами нечувствительности и не решают проблему обеспечения точности изделий. Также повышение точности обработки традиционно базируется на применении средств активного контроля, но эффективность применения этих приборов в значительной степени определяется тем, насколько полно решается задача компенсации погрешностей, вызываемых тепловыми и силовыми деформациями технологической системы и другими влияющими факторами.

Технология машиностроения разработала теорию точности для управления погрешностями размера, но в ней не учитывается фактор эксплуатации оборудования, и, по существу теория точности линейна. Однако станок система нелинейная и во время его эксплуатации проявляются расхождения теории и практики.

Таким образом, обеспечение точности обработки является сложной и актуальной проблемой, успешное решение которой возможно на основе комплексного изучения связей между параметрами технологической системы и показателями качества изделий.

Достижение требуемой точности размера деталей вращения часто находятся в противоречии с их геометрической формой. Тем не менее, уменьшение овальности и конусообразности шеек коленчатого вала с 10 до 6 мкм в допуске на размер позволяет увеличить время работы вкладышей подшипников от 2,5 до 4 раз. Таким образом, чем меньше погрешность формы, тем выше резерв точности, необходимый для повышения эксплуатационных показателей машин.

На сегодняшний день резервы повышения точности обработки практически исчерпаны, тем не менее, до сих пор не в полной мере учтена такая составляющая общей погрешности обработки, как отклонение точности станка. И хотя исследованию динамической точности станка было посвящено немалое количество работ, практически все они носят оценочный характер.

Требования к параметрам высокоточных деталей столь жестки, что необходимо рассматривать совокупное влияние всех технологических факторов, общее действие которых превышает сумму отдельно взятых. В настоящее время исследованиями охвачены практически все факторы, от которых может зависеть образование погрешностей при обработке, но вопрос об учете их взаимодействия не ставился. Этим объясняется расхождение полученных расчетных и экспериментальных данных.

Практика показывает, что не достаточно разработанными являются математические модели процесса круглого шлифования, учитывающие взаимодействие тепловых и упругих деформаций, колебательных явлений в зоне резания, кинематики движения привода вращения детали и динамическую точность станка, которые позволят прогнозировать точность обрабатываемых поверхностей.

Также существует необходимость экспериментального и теоретического изучения закономерностей смещения оси вращения детали в центрах станка и механизм образования погрешности ее формы.

Таким образом, несмотря на существенные достижения в области динамики круглошлифовальных станков, проблема обеспечения требуемой точности обработки решена не полностью.

Ориентирование на текущее динамическое состояние станка без поиска возможности его улучшения до сих пор ограничивает получение конкурентоспособной машиностроительной продукции. Появление современных программных комплексов и информационных технологий позволили найти принципиально новый подход к управлению процессом формообразования при круглом шлифовании для получения точных деталей. Поэтому исследования и разработки, направленные на обеспечение требуемой точности обработки на круглошлифовальных станках являются актуальной проблемой.

Целью исследований в работе является управление процессом формообразования на круглошлифовальных станках для обеспечения требуемой точности обработки.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:

определить закономерности процесса формообразования при изменении геометрической точности круглошлифовального станка и действии технологических факторов;

установить влияние точности позиционирования центров и разновидностей их контактных связей с центровым отверстием на характер смещения оси вращения детали и образование погрешности формы;

выполнить экспериментальные исследования по определению точности расположения технологических баз методом ультразвукового контроля и предложить методику прогнозирования точности обработки по площади их опорной поверхности;

- разработать математические модели процесса круглого шлифования для выявления связей между режимами обработки, кинематикой движения привода вращения детали, колебательными явлениями и упругими деформациями в технологической системе с закономерностями точности формообразования;

- разработать способы и устройства, позволяющие стабилизировать величину зазоров в подвижных узлах станка в процессе шлифования;

- создать технические устройства контроля точности позиционирования центров станка и новые технологические решения по управлению точностью формообразования;

- предложить методологию управления процессом формообразования при обработке на круглошлифовальном станке, обеспечивающую постоянство относительного положения оси вращения заготовки в пространстве.

Экспериментальные исследования проводились на универсальных круглошлифовальных станках в производственных условиях и в лабораториях ОмГТУ на производственном оборудовании и установках с использованием средств метрологического оснащения.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов аппроксимации и математической статистики. Теоретические исследования базировались на основных положениях технологии машиностроения, теории резания и динамики станков, теории колебаний, теории упругости, теории формообразования и контактного взаимодействия поверхностей, размерного анализа и методов математического анализа.

Использованы методы аналитической геометрии, математического моделирования и компьютерного ЗЭ моделирования.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения:

- решение научной проблемы обеспечения точности обработки на основе направленного формообразования поверхностей деталей и диагностики технологической системы;

- разработанный комплекс математических моделей, устанавливающих связь между точностью формообразования обработанных поверхностей и динамическими явлениями процесса шлифования с учетом кинематики движения детали;

установленные экспериментальные и расчетные зависимости формообразования поверхностей при радиальном и осевом смещении оси детали, закономерности ультразвуковых колебаний при изменении площади опорной поверхности центра и центрового отверстия, позволяющие управлять точностью технологической системы;

- методологию прогнозирования точности формообразования и принцип управления технологической системой с целью стабилизации положения оси вращения детали, основанные на определении контактных связей конусных поверхностей центра и центрового отверстия, неразрушающем контроле площади их опорной поверхности и анализе причин смещения;

- новые технические и технологические решения, защищенные патентами, способы и устройства, обеспечивающие точность формообразования поверхностей деталей при обработке.

Автор выражает искреннюю благодарность доктору техн. наук, зав. кафедрой «Технология машиностроения» Моргунову А.П. и кандидату техн. наук, доценту каф. «Нефтегазовое дело» Ломову С.М. за постоянное внимание к работе.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С ПОВЕРХНОСТЯМИ ВРАЩЕНИЯ

1.1. Достижения и перспективы точности изготовления изделий машиностроения на финишных операциях технологического процесса

Научно-технический прогресс в машиностроении характеризуются постоянным ростом требований к качеству изделий различного назначения, в особенности к таким его показателям как точность.

Достижение высокой точности деталей невозможно без использования различных методов размерной обработки, среди которых большую долю занимают финишные операции технологического процесса. В машиностроении. Для поверхностей вращения большое распространение получила окончательная обработка заготовок в центрах круглошлифовальных станков.

Начало исследований точности в технологии машиностроения относится к моменту появления работ проф. A.A. Зыкова и проф. А.Б. Яхина по использованию статистических методов для построения кривых распределения погрешностей обработки.

Фундаментальные вопросы теории точности изложены в работах Б.С. Балакшина, Б.М. Базрова, К.В. Вотинова, В.М. Кована, С.С. Волосова, B.C. Корсакова, С.Н. Корчака, Г.Б. Лурье, Маслова E.H., Д.Н. Решетова, В.Т. Портмана, А.П. Соколовского, А.И. Якушева, [1 - 18], а также в работах их последователей.

Значительный вклад в разработку теории точности и её технологического обеспечения внесли: С.А. Васин, A.M. Дальский, В.Ф. Безъязычный, Б.В. Бойцов, И.М. Колесов, В.А. Кудинов, В.И. Курдюков, В.Я. Коршунов, A.A. Маталин, В.Г. Митрофанов, В.А. Прилуцкий, A.C. Проников, A.B. Пуш, Э.В. Рыжов, Ю.М. Соломенцев, Н.М. Султан-Заде, А.Г. Суслов, М.Л. Хейфец, A.C. Ямников, П.И. Ящерицин и др. [19-34].

В области с�