Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

субін анатолій анатолійович

УДК 621.924

підвищення продуктивності шліфування внутрішньої гвинтової канавки гайок кулькової гвинтової пари

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Петраков Юрій Володимирович,
Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ,
завідувач кафедри "Технологія машинобудування"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Зенкін Анатолій Семенович

Київський Національний університет технологій та дизайну, м. Київ,

завідувач кафедри метрології, стандартизації та сертифікації

кандидат технічних наук, доцент

Чередніков Олег Миколайович

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів,

доцент кафедри технології машинобудування

Провідна установа

Український науково-дослідний інститут авіаційної технології (м. Киів).

Захист відбудеться 20.01.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.11 у Національному технічному університеті Україна “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 18.12.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Майборода В.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Передача гвинт-гайка кочення є відповідальним вузлом (як правило, останнім елементом кінематичного ланцюга "джерело руху - виконавчий орган"), який працює в умовах підвищених навантажень. Для забезпечення необхідних вимог з точності і якості останньою технологічною операцією обробки поверхні кулькової гвинтової пари є шліфування. Обробка гвинтів і кульок, як правило, проводиться за відпрацьованими технологіями, розробленими на базі виконаних наукових досліджень, які дозволяють досягати потрібної точності обробки. Процес шліфування внутрішньої гвинтової канавки завжди викликає суттєві труднощі і характеризується значною похибкою обробки та низькою продуктивністю і точністю обробки. В умовах сучасного виробництва проблема підвищення точності вирішується за рахунок поступового зняття припуску з мінімально можливою подачею на прохід та наступним етапом виходжування. Такий підхід не забезпечує необхідну продуктивність у порівнянні з операціями шліфування профільних канавок ходових гвинтів. Тому тема даної роботи, яка присвячена розробці єдиного уніфікованого алгоритму побудови технологічного процесу шліфування гвинтових канавок гайок є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно держбюджетної теми №2448, державний реєстраційний номер 0100V000732 “Розробка комп’ютерної технології автоматизації обробки різанням тривимірних поверхонь деталей машин ” у відповідності з тематичним планом Держбюджетних науково–дослідних робіт НТУУ “КПІ”, який затверджено департаментом координації наукових досліджень вищих навчальних закладів та зведеного планування Міносвіти та науки України в 2000 році за пріоритетним напрямом “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” по науково–експертній Раді за фаховим напрямом “Машинобудування”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення продуктивності процесу шліфування внутрішніх гвинтових поверхонь гайок кулькової гвинтової пари шляхом управління поперечною подачею на прохід і вибором раціонального профілю заготовки, які визначаються за допомогою програмно-математичного забезпечення, що враховує особливості процесу профільного внутрішнього шліфування, який відбувається у замкненій технологічній оброблювальній системі.

Для досягнення даної мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1.

2.

3.

4.

Об’єкт дослідження – процес внутрішнього шліфування гвинтової профільної канавки гайки кулькової гвинтової пари.

Предмет дослідження – параметри і їх взаємозв’язок, що визначає зміну стану технологічної системи під час обробки.

Методи дослідження. Розробка математичної моделі та метода управління проводилась на основі положень системного аналізу та теорії автоматичного управління. Визначення геометричних, силових характеристик процесу обробки та розрахунок пружної деформації ґрунтувалося на базі аналітичної та дискретної геометрії, опору матеріалів, технології машинобудування та теорії різання. Експериментальні дослідження проводилися у виробничих умовах з використанням внутрішньо- і різьбошліфувальних верстатів та в лабораторних умовах із використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

· Вперше розроблено структурно–параметричну модель процесу внутрішнього шліфування гвинтової канавки гайки кулькової гвинтової пари, яка враховує суттєву нестаціонарність і багатопрохідність процесу обробки та замкненість пружної технологічної оброблювальної системи, що дає можливість визначити впливи, що управляють, збурення і їх зв’язки з метою управління.

· Зважаючи на квазістаціонарність процесу шліфування внутрішньої гвинтової канавки, вперше розроблено дискретну модель, яка дозволяє оцінювати його за величиною поперечного перетину припуску, що зрізається кожною з елементарних ділянок формоутворюючої поверхні шліфувального круга, а пружні деформації технологічної оброблюваної системи розраховуються як такі, що відбуваються у суто нелінійній пружній системі під дією сили різання, яка є результуючою від елементарних сил різання на кожній ділянці кругу.

· Запропоновано проводити корекцію профілю поверхні заготовки за критерієм наближення до мінімуму максимального відхилення інтегральної величини припуску, який зрізається всіма ділянками профілю шліфувального кругу, що забезпечить рівномірне зношування формоутворюючої поверхні.

· Вперше розроблені граничні умови закону управління процесом внутрішнього профільного шліфування за двома обмеженнями: максимально допустимою величиною пружних деформацій технологічної оброблюваної системи і безприпальним режимом шліфування, які ураховують визначену нерівномірність припуску, що дає можливість уніфікувати алгоритм управління.

· Вперше запропоновано проводити управління процесом внутрішнього шліфуванням різьбової канавки за поперечною подачею, закон зміни якої протягом всього циклу обробки визначається за граничним алгоритмом, але з урахуванням пружних деформацій технологічної оброблюваної системи і зношування формоутворюючої поверхні шліфувального кругу, що забезпечує підвищення продуктивності і зручність управління.

Практичне значення одержаних результатів:

· Розроблена методика і програмне забезпечення на її основі, яке дозволяє визначити оптимальний профіль заготовки під операцію профільного шліфування для зменшення нерівномірності зносу шліфувального круга під час наступної фінішної операції.

· Розроблена методика визначення граничного закону управління процесом профільного внутрішнього шліфування за двома обмеженнями: максимально допустимою величиною пружних деформацій технологічної оброблюваної системи і безприпальним режимом шліфування.

· Розроблена методика і програмне забезпечення на її основі, яке дозволяє визначити закон управління процесом шліфування внутрішніх гвинтових поверхонь гайок кулькової гвинтової пари з урахуванням нерівномірності зняття припуску по профілю канавки і багатопрохідністю обробки в межах розрахованого граничного закону управління процесом.

· Впровадження результатів дисертаційної роботи на ЗАТ “Мікрон” (м. Одеса) дозволило підвищити продуктивність шліфування канавок в 1,8...2 рази в залежності від типорозміру кулькової гвинтової пари.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена математична модель процесу внутрішнього шліфування гвинтової канавки гайки кулькової гвинтової пари, яка враховує суттєву нестаціонарність і багатопрохідність процесу обробки, що виконується в замкненій пружній технологічній системі. Удосконалена методика визначення параметрів шару, що зрізається, та на її основі складових сили різання. Запропонована методика визначення величини пружних переміщень технологічної оброблюваної системи, яка дозволяє врахувати нелінійність її характеристик. Розроблена методика визначення граничного закону управління процесом профільного багатопрохідного шліфування.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані та обговорені на: міжнародній конференції “Technologia i automatyzacja montazu” (18-21.10.1999р., Rzeszow-Smerek, Польща); II–й міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология – 2001” (Севастополь 28 червня – 2 липня 2001 р.); IV міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология – 2003” (Севастополь 30 червня – 4 липня 2003 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових праць, серед них: 7 статей в виданнях затверджених “Переліком ВАК...”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 121 найменувань та додатків. Обсяг дисертації 174 сторінки, включаючи 81 рисунок і 7 таблиць.

основний зміст роботи

У вступі представлена актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, сформульована наукова новизна і практичне значення роботи, виділено особистий внесок.

У першому розділі “Аналіз процесу шліфування внутрішньої гвинтової канавки гайок кочення” розглянуто типи профільних канавок і точність їх виготовлення за існуючими стандартами. Аналіз можливих методів шліфування, типу інструменту, що використовується, обладнання і режимів обробки дозволив зробити висновок про доцільність використання саме поздовжнього шліфування однопрофільним кругом на різьбошліфувальних чи внутрішньо шліфувальних верстатах як універсального метода фінішної обробки внутрішньої профільної гвинтової канавки, який задовольняє всім вимогам до якості і точності обробки.

Огляд досліджень, які присвячені шліфуванню профільних поверхонь, дозволив виділити особливості, що відрізняють фінішну обробку профільної гвинтової канавки від інших типів шліфувальних процесів, а саме: недостатня жорсткість оброблюваної системи; нерівномірність профільного припуску за проходами та багатопрохідність обробки обумовлюють суттєву нестаціонарність процесу обробки і виникнення похибки обробки, що не дає можливості отримання потрібних якісних і геометричних показників профілю гвинтової канавки.

З проведеного аналізу визначені напрямки вдосконалення процесу шліфування гайок кочення. Нерівномірність величини припуску обумовлює складний характер розмірного зносу профілю шліфувального круга. Тому задача визначення оптимальної форми припуску, що зрізається, є актуальною і дозволяє підвищити ефективність обробки. В роботах Якимова А.В., Ларшина В.П., Михелькевича В.І., Філіна А.Н. і Петракова Ю.В. обгрунтовано використання автоматичного управління при шліфуванні складних поверхонь, а також надані загальні рекомендації побудови оптимального закону управління. В якості керуючої величини було визначено аналог швидкості зняття матеріалу. Але спрямованість методик на процес шліфування непрофільних поверхонь, і слабкий зв’язок представлених законів з їх практичною реалізацію визначив необхідність розробки оптимального закону управління процесів внутрішнього шліфування профільної гвинтової канавки у формі, що дозволить його просту реалізацію у виробничих умовах.

За матеріалами першого розділу було сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі “Математична модель процесу шліфування внутрішньої профільної гвинтової канавки” наведено теоретичні дослідження, спрямовані на представлення процесу шліфування внутрішньої гвинтової профільної канавки як замкненої квазістаціонарної системи з визначенням складових і їх взаємозв’язку.

Зазначено, що саме на основі системного підходу, який дозволяє представити процес обробки у взаємозв’язку між факторами, що управляються (вхідні величини), збурюваннями і метою управління (вихідні величини), доцільно будувати математичну модель шліфування профільної канавки гайки КГП. Аналіз процесу обробки дозволив виявити конкретні елементи системи і їх зв’язок між собою, що дозволило розробити структурно-параметричну модель (рис.1).

У якості величин, що управляються, прийняті величини поздовжньої SПОЗ і поперечної SП подач та профіль шліфувального круга YК(х). Збуренням для представленої системи є матеріал і профіль заготовки YЗ(х), який задається на попередній операції і визначає профіль та величину припуску, що знімається. Вихідними параметрами є час обробки і координати отриманого профілю деталі YД(х), який має відповідати теоретично заданому, а також параметри якості поверхневого шару, дотримання яких обумовлюють границі вибору режимів різання.

Головним параметром за яким оцінюється продуктивність і напруженість процесу шліфування є аналог швидкості зняття припуску q(x). Розрахунок цього параметру визначається на основі вирішення геометричної задачі отримання гвинтового профілю канавки деталі, складовими якої є саме фактичні значення подачі на врізання SПФ і координат профілю шліфувального кругу YКФ(х) і заготовки YЗ(х), що відповідає принципу замкненості пружної технологічної системи. Багатопрохідність процесу профільного шліфування відображена передаточною функцією запізнюючого елементу e-s, де - час одного проходу, s – оператор Лапласа.

Особливістю процесу формоутворення поверхні заготовки при профільному шліфуванні є копіювання профілю круга на деталь. Тому основною умовою отримання потрібних геометричних параметрів деталі є ідентичність профілів готової деталі та шліфувального круга на останньому проході. Орієнтуючись на використання чисельних методів аналізу моделі процесу шліфування та програмного середовища ЕОМ, запропоновано для опису даних геометричних поверхонь обрати числові масиви даних, що дозволить перевести всі параметри у дискретний вигляд. Це дозволяє, крім спрощення проведення наступних розрахунків з цими даними, проводити їх не зважаючи на тип профілю, який вони задають. Формування масивів здійснюється за допомогою методу поперечних перетинів по осі ОХ (рис. 2.), причому в якості початкової точки відліку О системи координат прив’язки контурів заготовки і інструмента XOY обирається положення центру симетрії канавки деталі.

Координати профілів заготовки і шліфувального круга визначаються за залежностями: |

,

,

де RDmin – радіус западини гвинтової канавки гайки; A – висота центра профілю деталі від її тіла; RЗ – радіус профілю заготовки; Rcen – радіус центра профілю круга; MOS – відстань між осями деталі і круга.

В результаті обробки відбувається поступове зняття припуску і формування профілю деталі, а координати для поточного проходу отримуються за формулою: |

.

Подальше врізання інструменту на величину подачі на прохід ДN спричиняє зміну величин координат профілю шліфувального круга:

.

Таким чином, визначаючи елементи масивів, знаходимо координати будь-якої точки на поверхні шліфувального круга та оброблюваної деталі на кожному проході.

Величина аналогу інтенсивності зняття припуску визначається за величинами радіусів гайки RRD(і) і шліфувального круга RRK(і) та глибина різання h(і) у кожному з перетинів:

.

Для урахування пружних деформацій ТОС і визначення фактичних координат профілю деталі, процес профільного шліфування розглядається як сукупність процесів врізного шліфування у кожному з перетинів. Відповідно, складові сили різання будуть визначатися за залежностями (рис.3):

,

, | ,

де b(і)-– ширина шліфування, яка дорівнює .

Величини сумарних складових сили різання для всього профілю РХ(j), РY(j) і РZ(j) визначаються як арифметична сума значень для кожного з перетинів.

При вирішенні рівняння пружної кривої для консольно защемленого шпинделя шліфувального верстату величина переміщення визначає зміни координат для всього профілю шліфувального круга, незалежно від умов різання в кожному з поперечних перетинів. Прогин круга і його поворот визначається як:

,

,

де R1 і R2 – відповідно радіуси шліфувального круга в крайніх точках контакту інструменту і заготовки; E – модуль пружності матеріалу шпинделя; J – момент інерції перетину шпинделя; l – довжина шпінделя.

Замкненість пружної технологічної системи (рис.1), в якій відбувається процес різання, ураховується за допомогою ітераційного процесу, що дозволяє шляхом поступового наближення визначити вихідні параметри процесу, який встановився. Збільшення кількості ітерацій приводить до підвищення точності моделювання, але значно затримує обчислювальний процес на ЕОМ. Тому після практичної реалізації розробленого математичного апарату було експериментально визначено, що 7 ітерацій цілком достатньо для отримання фактичних координат деталі для процесу, що встановився.

Крім дискретності представлення профільної канавки в поперечному перетині, також існує проблема представлення даного профілю по всій довжині гвинтової формоутворюючої лінії. Для повного дискретного представлення складної 3D-поверхні канавки опис гвинтового профілю проводиться дискретно з визначеним кутовим кроком:

,

де m – точність визначення гвинтового контуру.

Координати профілю деталі формуються шляхом переприсвоєння координат профілю шліфувального круга, величини яких протягом гвинтової лінії визначаються:–

для першої точки гвинтової лінії – ,–

для інших точок гвинтової лінії – ,

де j – номер поточного проходу; k – точка на гвинтовій лінії; u – кількість точок розбиття гвинтової формоутворюючої.

Урахування зношування форми круга при шліфуванні дозволяє отримати фактичні координати профілю інструменту з урахуванням нерівномірності зношування по профілю канавки внаслідок нерівномірності розподілу припуску:

,

де Дt – елементарний відрізок часу роботи інструменту.

Розроблений математичний апарат дозволяє представити процес внутрішнього шліфування в вигляді математичної моделі, опис явищ в якій грунтується на основі фізичних процесів які відбуваються під час зняття припуску.

Проведений у третьому розділі “Управління процесом шліфування внутрішніх гвинтових канавок” аналіз дозволив комплексно розглянути проблему оптимізації процесу внутрішнього шліфування і виявив, що основними критеріями повинні виступати підвищення продуктивності процесу обробки і зменшення собівартості в умовах існуючих обмежень за якістю і геометричною точністю внутрішньої канавки.

На першому етапі оптимізації процесу виконано зниження нерівномірності зносу шліфувального круга протягом циклу шліфування. Серед існуючих варіантів найкращим саме для даного процесу багатопрохідного профільного шліфування визначено метод попередньої корекції профілю канавки заготовки на токарній операції.

Огляд існуючих технологічних процесів виготовлення гайок дозволив визначити два основних способи завдання профілю заготовки. В першому величина радіусу профілю заготовки задається рівною радіусу готової канавки деталі RЗ=RD, а центри цих радіусів не співпадають, що визначає припуск на операції шліфування. Інший спосіб обумовлює співпадіння центрів радіусів канавок деталі і заготовки, але значення радіусів є різними, причому RЗ=RD–Н. Відповідно вони значно відрізняються по розподілу як припуску, так і інтенсивності його зняття за шириною профілю протягом циклу шліфування (рис. ). Причому характер кривих вказує на різні умови обробки лише в середній частині розподілу припуску, а величини врізання по краях є однаковими. Отже, слід визначити такі геометричні параметри профілю заготовки, які б дозволили максимально зменшити нерівномірність зносу профілю шліфувального кругу протягом циклу шліфування.

Пропонується наступна схема управління процесом шліфування за формою профілю заготовки (рис. 5), де в якості вхідних впливів розглядаються координати профілів інструмента і заготовки, причому в якості управляючого впливу обрано саме скорегований профіль заготовки YКЗ(х), розрахунок якого визначається блоком корекції WК, передаточна функція якого буде визначатись як:

,

де WПФ – передаточна функція геометричного блоку процесу формоутворення.

Основним геометричним параметром, що управляється, обрано величину радіусу заготовки RЗ. Положення профілю заготовки визначається з умови фіксування у точці зміни характеру інтенсивності зняття величини мінімального припуску, яка розраховується за відомою залежністю проф. В.М. Кована. Вона залишається постійною протягом всього циклу пошуку оптимального радіусу заготовки, алгоритм якого полягає в наступному.

Після визначення вихідних геометричних параметрів обробки при початковому значенні радіуса профілю заготовки RЗ=RD-H визначаються профілі заготовки YЗ(х) і шліфувального круга YК(х) і вирішується задача перетину геометричних поверхонь з урахуванням пружних деформацій еквівалентної пружної системи. В результаті отримуються остаточні координати профілю деталі YД(х) і аналогу швидкості зняття матеріалу q(x). Визначається максимальне і мінімальне значення аналогу швидкості зняття матеріалу для середньої ділянки профілю, а також їх різниця . Потім величина RЗ збільшується на 0,01 мм і попередні дії повторюються, порівнюючи поточні значення q з попередніми. По досягненню різниці q свого мінімального значення, початкові параметри, за яких вона була розрахована, виводяться на екран монітору і вони і будуть оптимальними для заданих вихідних умов.

В результаті забезпечується стабільність форми гвинтової канавки і рівномірність зношування профільної поверхні шліфувального круга без необхідності проведення проміжної правки ріжучого інструмента, і значно зменшується кількість проходів на виходжування.

На другому етапі оптимізації було визначено управління за каналом поперечної подачі на прохід. Проте, особливістю застосування даного методу для шліфування гвинтової канавки є необхідність обмеження можливих значень подач за допомогою граничного алгоритму.

Класичний підхід визначає граничний алгоритм за умов забезпечення точності процесу обробки (обмеження по максимально допустимим деформаціям пружної системи) і якості поверхневого шару. Крім того, даний алгоритм описує фазову площину у координатах фактичних значень подачі і інтенсивності шліфування, значення яких попередньо розрахувати неможливо внаслідок нестаціонарності процесу обробки. Тому даний підхід може бути застосований для шліфування внутрішніх гвинтових поверхонь лише з урахуванням його специфічних рис.

Перш за все треба відмітити суттєву нерівномірність припуску, що знімається, не тільки за профілем канавки, а і від проходу до проходу. Тому при профільному шліфуванні немає пропорційної залежності між глибиною припуску та швидкістю зняття припуску.

Аналіз процесу профільного шліфування вказав на те, що на відміну від лінійної границі, що обмежує фазову площину граничного алгоритму за максимальною деформацією для типового процесу круглого врізного шліфування, для профільної обробки вона буде нелінійна внаслідок нерівномірності як припуску, так і зміни сили різання і її складових. Крім того, визначення другої границі, що обумовлює забезпечення потрібної якості поверхневого шару і визначається максимально допустимою величиною припалів на поверхні канавки, теж не може бути перенесене з процесу врізного круглого шліфування без суттєвих доповнень. Різні перетини профілю мають різні величини як геометричних (радіуси обробки, товщина переміщення на прохід hі), так і технологічних параметрів (сили різання, наприклад). Характер же розподілу тепла регламентує використання в якості величини товщини шару не величин поперечних переміщень за прохід (h1 і h2 на рис. ), а найкоротші відстані від джерела тепла до поверхні деталі (h1к і h2к на рис. ), які для кожного перетину будуть різними.

З огляду на результати аналізу на основі структурно-параметричної моделі (рис. ) пропонується наступна схема управління процесом внутрішнього шліфування гвинтової профільної канавки для визначення граничного алгоритму (рис. ). На вхід технологічної системи задається початкове мінімальне значення величини поперечної подачі SП, яка визначається, виходячи з рівномірного розподілу припуску на задану кількість проходів, і координати профілю шліфувального круга YК(х), а профіль заготовки YЗ(х) для даної схеми управління є збуренням. Далі включається програмний модуль, що корегує величину подачі для отримання максимально допустимих характеристик сили Р та аналога швидкості зняття припуску q(x), за яких ще можливе отримання профілю деталі з потрібними якісно-геометричними параметрами. Відповідно до схеми (рис. ) передаточна функція блоку корекції подачі WК визначається за залежністю:

,

де WЕПС – передаточна функція блоку ЕПС; корекції величини поперечної подачі за умови максимально допустимими деформацій ТОС; WСВ – передаточна функція блоку силової взаємодії інструмента та заготовки.

Алгоритм визначення граничних величин подач описується рівняннями:

, ,

де SП1 – гранична подача на прохід за умови допустимої величини припалів поверхневого шару канавки; SП2 – гранична подача на прохід за умови максимально допустимими деформацій ТОС.

Внаслідок суттєвої нелінійності отриманої передаточної функції та багатоваріантності вирішення поставленої задачі, реалізація її можлива за допомогою ЕОМ з використанням чисельного метода розрахунку за спеціально розробленим алгоритмом, що враховує одночасний пошук величини критичної подачі на врізання для задовільнення одночасно обом вимогам, а велична граничної інтенсивності зняття припуску визначається як мінімальна з масивів граничних вимог за якістю і точністю шліфування:

Розроблений алгоритм визначення граничного закону може бути застосований для будь-якого процесу шліфування внутрішньої профільної поверхні, а отриманий закон є унікальним і дійсним лише для початкових умов, що були задані.

У четвертому розділі “Розробка прикладних програм управління процесом шліфування внутрішньої гвинтової канавки” зазначено, що метою побудови математичної моделі є моделювання процесу шліфування для вивчення поведінки системи за різних вхідних даних. Найкращим інструментом побудови моделі є програмне забезпечення, за допомогою якого і необхідно реалізувати розроблені алгоритми в вигляді програмних продуктів. При чому окремі методи управління слід винести у різні програмні продукти для можливого окремого поширення і застосування.

Основним параметром, що визначає точність побудованої моделі, є дискретність при завданні профілю канавки і прорахунку поверхні по гвинтовій формоутворюючій лінії. Оптимальними значеннями є, відповідно, х=0,01 мм і =450.

Запропонована наступна схема управління процесом внутрішнього шліфування гвинтової канавки по каналу поперечної подачі (рис.8). На вхід подається величина поперечної подачі SП, яка за допомогою блоку корекції дозволяє апріорно управляти процесом внутрішнього профільного шліфування. Передаточне відношення блоку корекції визначається за залежністю:

Отримана передаточна функція є суттєво нелінійною, і задача визначення оптимального закону управління вирішується за допомогою чисельних методів на ЕОМ за допомогою запропонованого алгоритму. Внаслідок однакових характерів пошуку граничного і оптимального законів управління, ці задачі були поєднані у розробленому програмному продукті. Особливістю пошуку оптимального закону є пошук величин подач не з мінімально можливих величин, а навпаки з максимальних, тобто граничних, корегуючи їх з урахуванням зношування шліфувального кругу та багатопрохідності обробки.

Розроблена прикладна програма для визначення оптимального профілю заготовки дозволяє визначати в автоматичному режимі величину радіусу заготовки на основі вхадних даних, що вводяться користувачем шляхом діалогу з ЕОМ через початкову форму (рис. 9).

У результаті розрахунку величина інтегральної інтенсивності зняття припуску максимально наближена до прямої лінії (рис. 10), що дозволяє зменшити кількість правок шліфувального кругу. Криволінійність графіку інтенсивності пояснюється обмеженнями, що були початково задані в алгоритмі пошуку профілю заготовки, а саме – радіусний профіль канавки заготовки для спрощення впровадження і реалізації у виробничих умовах. Представлена прикладна програма була передана на ВАТ “Мікрон” (м. Одеса) з метою випробування в реальних виробничих умовах і подальшого впровадження у виробництво гайок КГП.

У п’ятому розділі “Експериментальні дослідження і визначення оптимального закону управління поперечною подачею шліфування внутрішньої канавки гайок КГП” обґрунтовано, що ефективним методом проведення експериментальних досліджень на сучасному етапі повинно стати комп’ютерне моделювання процесів обробки, перевірка експериментальним шляхом і отримання кінцевих результатів для впровадження в виробництво. Для цього розроблено прикладну програму визначення граничного і оптимального законів управління профільного шліфування, що реалізують розроблені алгоритми.

Проведене експериментальне дослідження розробленої моделі за початковими даними КАЗ „Авіант” і ВАТ „МІкрон” дозволило повністю підтвердити висновки як про характер процесів, що відбуваються при профільному внутрішньому шліфуванні, так і їх кількісну оцінку. Проведене експериментальне визначення закону управління гайки №42.1605.03.315.00 дозволило визначити закон, що дозволяє зменшити час обробки на t=14,09 хв, що відповідає підвищенню продуктивності в 1,55 рази без урахування зменшення допоміжного часу за рахунок зменшенні кількості правок шліфувального круга (рис. ).

Перевірка результатів наукової роботи на ВАТ „Мікрон” шляхом обробки пробної партії гайок підтвердила результати проведених експериментальних досліджень за допомогою ЕОМ. Впровадження розробленої схеми управління дозволить підвищити продуктивність процесу шліфування канавок гайок КГП в 1,8...2 рази. Це, в свою чергу, дозволяє знизити собівартість операції шліфування на 35...55 % в залежності від типорозміру гайки. А в структурі ТП виготовлення гайок КГП собівартість технологічної операції шліфування внутрішньої профільної канавки складає 20 від загальної.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розв’язана актуальна науково-технічна проблема підвищення продуктивності шліфування внутрішньої гвинтової канавки гайок кулькової гвинтової пари за рахунок раціонального вибору розташування припуску і форми заготовки та оптимального управління поперечною подачею за прохід.

2. Установлено, що найкраще представлення математичної моделі процесу шліфування гвинтової поверхні гайки кулькової гвинтової пари досягається при використанні підходів системного аналізу, тобто у вигляді взаємозв'язку між факторами, що управляють: поперечна і повздовжня подачі інструменту та профіль шліфувального круга; збуреннями: профіль і матеріал заготовки; обмеженнями: якість поверхні деталі і профіль канавки; і метою управління: час обробки. Крім того, треба враховувати, що процес шліфування відбувається в замкненій пружній технологічній оброблювальній системі.

3. Доведено, що висока детермінованість процесу шліфування внутрішньої гвинтової профільної канавки, яка обумовлена геометричними умовами формоутворення, дозволяє вже на етапі технологічної підготовки виробництва спроектувати закони управління процесу обробки з високим ступенем надійності. В якості впливів, що управляють, з огляду на специфічні особливості шліфування, визначено профіль канавки заготовки і закон управління поперечною подачею на прохід.

4. Визначення оптимального профілю канавки заготовки необхідно проводити на основі вирішення задачі “мінімуму – максимуму”: максимальне відхилення від рівномірного розподілу швидкості зняття припуску за профілем шліфувального кругу повинно бути мінімальним. Такий підхід дозволяє усунути нерівномірне зношування профілю шліфувального круга і виключити операцію додаткової правки круга.

5. Передумовою визначення закону оптимального управління поперечною подачею на прохід є розрахунок граничного алгоритму зняття припуску у фазових координатах: задане переміщення бабки шліфувального верстата – фактична швидкість зняття припуску. В якості факторів, що обмежують, необхідно прийняти максимально допустимі пружні деформації ТОС і забезпечення безприпальності процесу шліфування. Таким чином, для процесів внутрішнього профільного шліфування визначається унікальний граничний закон.

6. Запропонований алгоритм визначення оптимального закону управління поперечною подачею дозволяє на основі граничних значень визначити оптимальні величини подач для кожного проходу безпосередньо в процесі моделюванні процесу шліфування. Реалізація у вигляді прикладної програми дозволяє поєднати в одному програмному продукти визначення як граничного закону, так і оптимального закону управління поперечною подачею на прохід та значно спростити практичну реалізацію.

7. Розроблені прикладні програми пройшли апробацію в умовах діючого виробництва і рекомендуються як реальний інструмент застосування результатів роботи безпосередньо на етапі технологічної підготовки виробництва.

8. Результатом моделювання є алгоритм побудови технологічного процесу шліфування внутрішньої профільної канавки гайки КГП, який полягає у визначенні оптимального (в залежності від вихідних даних процесу обробки) закон управління, що дозволяє підвищити продуктивність процесу шліфування за рахунок збільшення швидкості зняття припуску в межах граничного закону в 1,8...2 рази в залежності від типорозміру КГП.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Петраков Ю.В., Субін А.А. Математична модель шліфування внутрішньої гвинтової канавки пари кочення // Вестник Национального технического университета Украины “КПИ”. Машиностроение. – К., 1999. - №37.-С.63-68.

Автором запропонована методика визначення координат профільних поверхонь шліфувального круга і заготовки.

2. Петраков Ю.В., Субін А.А. Урахування пружних деформацій ТОС при імітаційному моделюванні шліфування внутрішніх гвинтових канавок // Вісник ЖІТІ. – Житомир: ЖІТІ, 2000. - №13 / Технічні науки. – C.25-29.

Автором вдосконалено використання ітераційного методу для урахування пружних деформацій і визначено методику їх визначення для процесу внутрішнього профільного шліфування.

3. Петраков Ю.В., Субін А.А. Управління циклом врізного шліфування // Вестник Национального технического университета Украины “КПИ”. Машиностроение. – К., 2001. - №40. - С.240-244.

Автором удосконалено методику визначення граничного закону управління та проведено експериментальні дослідження запропонованого циклу врізного шліфування.

4. Петраков Ю.В., Субін А.А., Радько Є.О. Структурно-параметрична модель врізного шліфування // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – К., 2002. - №2. – С.76-81.

Автором зроблено огляд літератури і визначено вихідні дані та проведено експериментальні дослідження структурно-параметричної моделі врізного шліфування.

5. Петраков Ю.В., Субин А.А. Расчет припуска под операцию шлифования внутренних винтовых ванавок // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Выпуск №13 – Донецк: ДонГТУ, 2000. – С.54-58.

Автором визначена методика визначення оптимального припуску під операцію шліфування внутрішніх гвинтових канавок.

6. Петраков Ю.В., Субін А.А. Визначення граничного алгоритму при шліфуванні внутрішніх гвинтових поверхонь // Вісник ЖІТІ. – Житомир: ЖІТІ, 2003. – Випуск І (24) / Технічні науки. – С.56-60.

Автором запропонована методика визначення граничного алгоритму при шліфуванні внутрішніх гвинтових поверхонь.

7. Петраков Ю.В., Субін А.А. Оптимальне управління процесом шліфування гвинтової канавки – Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Випуск 13. – Краматорськ: ДДМА, 2003. - с.140-146.

Автором запропонована методика визначення оптимального закону управління процесом шліфування гвинтової канавки.

8. Петраков Ю.В., Субин А.А. Моделирование процесса шлифования винтовой канавки гаек пар качения /Tecnologia i automatyzacja montaїu. Dodatek specjalny do nr 4(26)/1999. – Rzeszow, 1999. – С. 50-52.

АНОТАЦІЯ

Субін Анатолій Анатолійович. Підвищення продуктивності шліфування внутрішньої гвинтової канавки гайок кулькової гвинтової пари. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2003.

Дисертація присвячена вирішенню питання підвищення продуктивності процесу шліфування внутрішніх гвинтових поверхонь гайок кулькової гвинтової пари шляхом управління поперечною подачею на прохід і вибором раціонального профілю заготовки.

Здобувачем розроблено структурно-параметричну модель процесу внутрішнього шліфування канавки кулькової гвинтової пари. Удосконалено методику визначення величини профільного припуску, що дозволило застосувати її при автоматизованому розрахунку на ЕОМ незалежно від типу профілю, та методику визначення складових сил різання і величини пружних переміщень технологічної оброблюваної системи. Запропоновано метод зниження нерівномірності зносу шліфувального круга при профільному багатопрохідному шліфуванні і алгоритм визначення граничного закону управління процесом внутрішнього профільного шліфування. Удосконалено методику автоматичного управління профільним внутрішнім шліфуванням складних поверхонь по каналу поперечної подачі на прохід.

Ключові слова: гайка кулькової гвинтової пари, профільне шліфування, структурно-параметрична модель, математичне моделювання, управління, підвищення продуктивності.

THE SUMMARY

Subin Antoly Anatolievich. Productivity increasing of the internal ball nut’s spiral groove grinding . - Manuscript.

Thesis on cosearching for a teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.02.08 - Engineering techniques. - National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted for productivity increase of internal screw grinding of the ball nut surfaces by management of cross-section submission on pass and a choice of a rational sectional shape’s form.

The structural-parametrical model of internal spiral groove grinding of ball-screw pair was developed by a competitor. The technique of profile grinding size that has allowed to apply it at the automated calculation on the PC irrespective of a size profile was improved, and the technique of compound forces of cutting and sizes of elastic displacements of technological processable system was improved. The method of decrease in non-uniformity of a grinding circle deterioration is offered at profile much through passage grinding. The algorithm of the management’s boundary law definition for is developed by process of internal profile grinding. The automatic control technique by profile internal grinding of complex surfaces on the channel of cross-section submission on pass is advanced.

Keywords: nut of ball screw pair, profile grinding, structural-parametrical model, mathematical modeling, control, productivity increase.

АННОТАЦИЯ

Субин Анатолий Анатольевич. Повышение продуктивности шлифования внутренней винтовой канавки гайки шарико-винтовой пары. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена решению вопроса повышения производительности процесса шлифования внутренних винтовых поверхностей гаек шарико-винтовой передачи за счет выбора оптимального профиля заготовки и управления поперечной подачей на проход.

Проведенный анализ выполненных исследований показал, что рассматриваемый процесс шлифования является квазистационарным, а обработка происходит в замкнутой упругой технологической системе. Кроме того были обнаружены особенности, которые существенно отличают процесс многопроходного профильного шлифования среди прочих финишных операций. Также выявлено отсутствие достоверной математической модели, которая бы описывала состояние технологической системы и позволяла управлять данным процессом.

Рассмотрение процесса шлифования внутренней винтовой канавки при помощи подходов системного анализа позволило выявить конкретные элементы технологической системы и их взаимосвязь, а также разработать структурно-параметрическую модель рассматриваемого процесса шлифования. В данной модели учтено, что процесс обработки является многопроходным и реализуется в упругой замкнутой технологической системе; профиль абразивного круга в процессе шлифования неравномерно изменяется вследствие износа. В качестве главной характеристики процесса обработки принята скорость съема припуска, позволяющая учесть неравномерность скорости съема припуска по профилю канавки и оценить производительность шлифования. На основе разработанного математического описания схемы формообразования профиля канавки детали предложены алгоритмы, позволяющие математически определить протекающие физические процессы при шлифовании в каждом из составляющих структурно-параметрической модели обработки и их взаимосвязь друг с другом.

Проведенный анализ позволил рекомендовать для повышения эффективности процесса шлифования проведение предварительной коррекции профиля заготовки и управление процесса обработки по каналу поперечной подачи на проход. Разработанные математические описания схем обработки позволили предложить алгоритм определения оптимального профиля заготовки для снижения неравномерности распределения припуска по профилю канавки во время шлифования, реализованный в виде прикладной программы. Эта программа позволяет определить оптимальный профиль заготовки используя в качестве главного параметра, задающего координаты профиля, величину радиуса профиля заготовки. Особенностью поиска является фиксация круглой формы канавки для снижения затрат на внедрение и реализацию предложенного метода управления.

На основе математического описания процесса шлифования профильной поверхности предложен алгоритм определения граничного закона управления процессом профильного внутреннего шлифования. Также предложен алгоритм определения оптимального закона управления по критерию максимальной производительности, позволяющий проведение обработки с получением необходимых характеристик по точности и качеству поверхности канавки гайки.

На основе предложенных методик разработан программный продукт, позволяющий определить граничный и оптимальный закон управления поперечной подачей. Проведенные экспериментальные исследования и последующее внедрение результатов исследований позволило повысить производительность процесса шлифования внутренней винтовой канавки в 1,8…2 раза, что подтверждает высокую эффективность разработанной системы управления процессом профильного шлифования.

Ключевые слова: гайка шариковой винтовой пары, профильное шлифование, структурно-параметрическая модель, математическое моделирование, управление, повышение производительности.