Тернопільський державний технічний університет

Імені Івана пулюя

КАЙДИК ОЛЕГ ЛЕОНТІЙОВИЧ

УДК 621.822:681.2:369.64

Технологічне забезпечення точності виготовлення кілець карданних підшипників в адаптивних технологічних системах шліфування

05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Марчук Віктор Іванович

Луцький державний технічний університет,

завідувач кафедри “Приладобудування”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лєбедєв Володимир Георгійович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри “Технологія конструкційних матеріалів

і матеріалознавства”;

кандидат технічних наук, доцент

Матвійчук Анатолій Васильович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

доцент кафедри “Технологія машинобудування”.

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра “Технологія машинобудування”,

Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 27 січня 2005 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий 25 грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ________________ Зінь М.М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Точність та продуктивність технологічного обладнання визначають ефективність машинобудівного виробництва та якість продукції. Одними з найпоширеніших виробів, які застосовуються в конструкціях машин різних галузей машинобудівного виробництва, є підшипники кочення, точність виготовлення яких істотно впливає на експлуатаційні показники машин. Тому, з’ясування питань забезпечення та стабілізації точності виготовлення підшипників є актуальною задачею сучасного виробництва.

Зростання вимог, які висуваються до точності підшипників, викликає необхідність проведення науково-дослідницьких робіт з метою визначення взаємозв’язків між показниками точності формоутворення робочих поверхонь і технологічними чинниками та створення прогресивних методів керування процесами обробки деталей підшипників.

Результати статистичних досліджень діючого підшипникового виробництва показали, що шліфувальні операції в технологічному циклі формоутворення кілець карданних підшипників супроводжуються великою кількістю бракованих деталей внаслідок похибок обробки та зниження точності. Ефективним шляхом усунення цього недоліку є моделювання точності формоутворення поверхні карданних підшипників на операціях шліфування з врахуванням вхідних похибок обробки, синтезу сумарної похибки та динамічних характеристик технологічного обладнання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до координаційного плану Комітету з питань науки і техніки України, розділу “Машинобудування” (позиція 43) “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2000 – 2005 роки, та господарсько-договірної теми “Модернізація систем автоматичного управління точністю обробки деталей підшипників на шліфувальних автоматах МЕ280СО та SWaAGL 150” з ВАТ “Луцький підшипниковий завод” за договором 122 L.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є покращення експлуатаційних характеристик карданних роликопідшипників за рахунок високоякісного формоутворення робочих поверхонь в умовах автоматизованого серійного виробництва.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Провести аналіз фізико-технічних показників мікрорельєфу робочих поверхонь кілець карданних роликопідшипників і технологічних методів забезпечення точності їх формоутворення.

2. Розробити принципи і методику моделювання зв’язків між параметрами точності та технологічними факторами формоутворюючих операцій обробки деталей карданних роликопідшипників.

3. Розробити математичні моделі обробки деталей з врахуванням коливань пружної системи бортикошліфувального автомату моделі МЕ280СО і запропонувати методику направленого технологічного впливу на параметри точності формоутворення робочих поверхонь.

4. Запропонувати загальні рекомендації щодо оптимізації геометричних параметрів шліфувального круга з врахуванням пружної системи бортикошліфувального автомату, режимів шліфування та взаємодії пари круг-деталь.

5. Дослідити умову стійкості роботи бортикошліфувального автомату з врахуванням коливань шпиндельного вузла.

6. Провести комплекс експериментальних досліджень взаємозв’язків між точністю формоутворення та технологічними факторами для перевірки адекватності розроблених математичних моделей з метою прогнозування та технологічного забезпечення точності формоутворення поверхонь деталей карданних роликопідшипників.

7. Розробити програму регулювання технологічного процесу на основі врахування статистичних методів.

8. Вдосконалити систему активного контролю та керування шліфуванням на бортикошліфувальному автоматі МЕ280СО для забезпечення стабілізації параметрів точності формоутворення поверхонь обробки.

Об’єкт дослідження – технологічні процеси шліфування поверхонь деталей карданних роликопідшипників.

Предмет дослідження – параметри точності поверхонь деталей карданних роликопідшипників в умовах автоматизованого серійного виробництва та закономірності їх формування.

Методи дослідження. В основу дисертаційних досліджень покладені наукові підходи та загальні положення технології машинобудування, теорії різання матеріалів, математичний апарат аналізу та синтезу процесів формоутворення. Для опису динамічних процесів, які виникають під час обробки карданних роликопідшипників, використано апарат прикладної теорії коливань, а також сучасні математичні методи диференціального числення.

Результати теоретичних досліджень були підтверджені аналітичними розрахунками шляхом моделювання на персональному комп’ютері, а також експериментами на сучасному метрологічному устаткуванні з застосуванням тензометричних методів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішено актуальну науково-технічну задачу моделювання зв’язків між параметрами точності та технологічними факторами формоутворюючих операцій чорнового та чистового шліфування, здійснено синтез сумарної похибки обробки в процесі врізного шліфування з врахуванням розмірного ланцюга, розроблено математичні моделі динаміки процесу обробки деталей карданних роликопідшипників з врахуванням пружної системи шліфувального автомата та запропоновано методику направленого технологічного впливу на параметри точності формоутворення робочих поверхонь кілець карданних роликопідшипників.

Для цього:

? вперше розроблено математичну модель вихідних похибок обробки поверхні карданних роликопідшипників під час формування поверхні;

? вперше розроблено математичну модель механічної обробки поверхні карданних роликопідшипників з врахуванням технологічної спадковості;

? здійснено синтез сумарної похибки обробки під час врізного шліфування за допомогою розмірного ланцюга;

? виявлено взаємозв’язки між параметрами якості оброблюваних поверхонь і режимами та технологічними особливостями процесу формоутворення.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень відкрили резерви та шляхи підвищення продуктивності технологічного обладнання для шліфування, прогнозування та забезпечення показників точності, підвищення ефективності остаточної обробки.

Розроблено алгоритм і програму регулювання технологічного процесу на основі статистичних методів із забезпеченням прогнозування подальшого його ходу, які можуть використовуватись на машинобудівних підприємствах, зокрема, під час виготовлення кілець карданних роликопідшипників, з метою підвищення їх точності.

Застосування автоматизованої системи активного контролю та керування процесом врізного шліфування дозволяє створити умови для підвищення точності й продуктивності обробки карданних роликопідшипників.

Впроваджено у виробництво на ВАТ “Луцький підшипниковий завод” (лист про впровадження №7/Н від 21.05.2004, акт впровадження №27/Н від 09.09.2004) наступні результати:

? новий принцип базування кілець на жорстких опорах;

? конструкції гідростатичних давачів-стабілізаторів для зменшення амплітуди хвилястості робочих поверхонь кілець підшипників;

? вимірювальні індуктивні перетворювачі в комплекті з блоками вимірювання, підсилення та відтворення вимірювальної інформації для керування процесом шліфування;

? модернізовані системи активного контролю та керування точністю шліфування робочих поверхонь деталей підшипників на шліфувальних автоматах (Заявка 2004042433 на одержання патенту України. Позитивне рішення про видачу патенту від 01.04.2004 р.).

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертації використовуються у лекційних курсах “Технологія приладобудування” та “Метрологія та взаємозаміна” в навчальному процесі Луцького державного технічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором розроблено автоматичну систему активного контролю із застосуванням індуктивного перетворювача[1,4,7,9],запропоновано методику визначення впливу параметрів якості поверхневого шару деталей підшипників на їх точність[2],полягає в тому, встановлено принцип моделювання похибки розміру в процесі шліфування деталей карданних роликопідшипників за допомогою розмірного ланцюга[3],виявлено зв’язки між параметрами мікрорельєфу оброблюваних деталей, режимами та технологічними особливостями процесу формоутворення[5],здійснено синтез сумарної похибки під час врізного шліфування на бортикошліфувальному автоматі МЕ280СО[6],здійснено моделювання технологічного процесу механічної обробки поверхонь карданних роликопідшипників з врахуванням технологічної спадковості[8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювались на: 6-й та 7-й Міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні і комп’ютерні технології в народному господарстві” (Харків, 2002 та 2003); Міжнародних науково-технічних конференціях “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (Севастополь, 2001, 2003); Науково-технічній конференції “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація” (Кіровоград, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих учених “Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта” (Севастополь, 2004), ХІХ науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу (Луцьк, 2004).

Публікації. Основний зміст і результати роботи опубліковані у 9 друкованих працях, 3 з них у фахових виданнях, 4 у тезах науково-технічних конференцій, 1 заявка на деклараційний патент України та 1 інформаційний листок про передовий виробничий досвід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації – 217 сторінок, в тому числі 47 ілюстрації, 9 таблиць, 10 додатків і список використаних джерел з 161 найменування. Обсяг основного тексту дисертації – 149 сторінок.

Основний зміст РОботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет досліджень та задачі, які розв’язуються у роботі. Окреслено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.

В першому розділі “Конструкторсько-технологічне забезпечення точності механічної обробки та експлуатаційних характеристик деталей підшипникового виробництва” розглянуто загальні принципи й основні положення фізико-технічної теорії інженерії поверхні для забезпечення експлуатаційних характеристик деталей підшипникового виробництва, проаналізовано вплив показників поверхневого шару поверхонь карданних підшипників на точність їх виготовлення, подано огляд та критичний аналіз літературних джерел, які присвячені встановленню оптимальних методів та режимів обробки, що забезпечують задану точність та стійку роботу технологічної системи, а також питанню використання систем автоматичного керування точністю та поставлена задача дослідження.

Аналіз опублікованих робіт вітчизняних і зарубіжних учених свідчить, що існує ряд теоретичних розробок і накопичено досвід у вирішенні задач направленого технологічного впливу на параметри точності формоутворення поверхонь деталей з використанням адаптивного керування процесами шліфування. Існуючі методи недостатньо враховують взаємозв’язки між експлуатаційними характеристиками виробів та показниками їх точності. Відомі моделі шліфувальних операцій не враховують пружні властивості технологічного обладнання, що обмежує можливість здіснення реального впливу на забезпечення необхідних параметрів точності формоутворення робочих поверхонь деталей карданних роликопідшипників. Відомі системи активного контролю розмірів кілець карданних роликопідшипників засновані на використанні пневматики, яка призводить до інерційності елементів пристроїв і до зниження точності вимірювання, практично відсутні розробки з адаптивного керування точністю процесів круглого зовнішнього шліфування.

У другому розділі “Моделювання точності формоутворення поверхні кілець карданних роликопідшипників на операціях чорнового та чистового шліфування” розглянуто теоретичні передумови моделювання точності поверхонь оброблюваних деталей, показано, що кожну математичну модель процесу представлено у вигляді співвідношень, які відтворюють найсуттєвіші та характерні закономірності й взаємозв’язки відповідні реальному технологічному процесу. Оскільки, технологічний процес обробки деталей в умовах серійного та масового виробництва розглядається, як сукупність складних систем перетворень з великим числом вхідних і вихідних змінних, що мають випадковий характер, для побудови математичної моделі технологічного процесу, який забезпечує необхідну точність обробки, доцільно використовувати ймовірнісні та статистичні методи.

Імовірнісний та статистичний методи побудови моделей знаходяться в тісному взаємозв’язку один з одним, так як теоретичні моделі потребують експериментальної перевірки, а експериментальні дослідження не можуть бути проведені без відповідних теоретичних даних. На основі теоретичного аналізу здійснено оцінку отриманих експериментальних результатів та побудовано математичні моделі. Таким чином, імовірнісні та статистичні моделі не повинні протиставлятись один одному, і навпаки, вони мають переваги в процесі їх спільного застосування, стаючи, у цьому випадку, вагомим засобом пізнання фізичної суті технологічного процесу та виявлення резервів підвищення точності й продуктивності.

Показано, що початковим етапом моделювання точності є визначення похибок обробки з обов’язковим врахуванням взаємозв’язків між їх вхідними та вихідними параметрами. У даному випадку доцільно використовувати матричні методи запису рівнянь. Матричне рівняння взаємозв’язків похибок подано у вигляді:

(1)

де X, Y та Z – матриці-стовпці, елементами яких є змінні, що характеризують вхідні xn і yp та вихідні zm похибки; А0 – матриця-стовпець, елементи якої являють складові вихідних змінних, що визначають систематичні похибки системи перетворень; А та В – прямокутні матриці, елементи яких враховують передатні коефіцієнти системи перетворень.

Структурну схему технологічного процесу, яка враховує взаємозв’язки між вхідними та вихідними похибками, показано на рис. 1.

Для розв’язання задач синтезу похибок обробки, застосовуючи ймовірнісні та статистичні методи, необхідно перейти від рівняння (1) до системи рівнянь (2), які дають можливість визначити математичне очікування та дисперсії вхідних і вихідних змінних:

(2)

де математичні очікування представляють собою матриці-стовпці та , елементи яких є відповідно математичним очікуванням початкових факторів xn та yр і сумарних похибок обробки zm; та – дисперсія вхідних та вихідних змінних, елементи яких представляють відповідні дисперсії похибок xn, yр та zm, а C та F – матриці, елементи яких враховують фактори, що впливають на перетворення дисперсій D{X} і D{Y} в D{Z}.

Застосувавши кореляційні залежності, дисперсію похибок обробки запишемо:

(3)

де H – кліткова матриця, яка здійснює перетворення кореляційних моментів початкових факторів заготовки xj та xµ в дисперсії сумарних похибок обробки; K{xj, xµ} – матриця, елементами якої є кореляційні моменти початкових факторів заготовок xj та xµ; R – кліткова матриця, яка здійснює перетворення кореляційних моментів початкових факторів заготовок та системи перетворень yk та ys в дисперсії сумарних похибок обробки; K{yk, ys} – матриця, елементами якої є кореляційні моменти початкових факторів заготовок та системи перетворень yk та ys; T – кліткова матриця, яка здійснює перетворення кореляційних моментів початкових факторів заготовок та системи перетворень xj та yk в дисперсії сумарних похибок обробки; K{xj, yk} – матриця, елементами якої є кореляційні моменти початкових факторів заготовок та системи перетворень xj та yk.

Формули (1–3) являють собою математичну модель розрахунку точності обробки деталі, яку отримано для визначеної дисперсії на виході технологічного процесу згідно математичного очікування, кореляції початкових факторів та відповідних коефіцієнтів системи перетворень. Вказані рівняння дозволяють вирішити обернену задачу, а саме визначити значення, які відповідають вимогам точності до заготовки, що являє практичний інтерес.

З метою здійснення практичного розрахунку поля розсіювання сумарної похибки обробки проведено її синтез під час шліфування за допомогою розмірного ланцюга. При цьому враховувались розміри, які визначають положення вимірювальної бази заготовки та інструменту відносно поверхонь їх розміщення на верстаті, і деформація технологічної системи під дією сил різання в напрямку розміру, який витримується. Обчислене поле розсіювання являє собою поле миттєвого розподілу похибок обробки для текучого моменту часу. З врахуванням закону розподілу Гауса визначено поле розсіювання сумарної похибки обробки під час шліфування, яка безпосередньо впливає на геометричні розміри карданного роликопідшипника.

Технологічний процес виготовлення карданного підшипника можна охарактеризувати як процес якісної та кількісної змін об’єкту. Розглянувши технологічний процес виготовлення виробу в комплексі з врахуванням явища технологічної спадковості припустимо, що основні параметри поверхневого шару, а зокрема шорсткість, хвилястість, фазовий та хімічний склад, а також характеристики якості обробленої поверхні та точність обробки успадковуються від одного етапу комплексної технології до іншого.

Структурну схему комплексної технології як складну багатовимірювальну систему, в якій на вхід поступають характеристики параметрів технологічного процесу обробки поверхні (P1, P2, ... Pn), а на виході забезпечується відповідний комплекс фізико-механічних властивостей (E1, E2, ... En) та показників якості (K1, K2, ... Kn), подано на рис. 2. Зміна показників якості визначалась в результаті дії сукупності технологічних факторів (F1, F2, ... Fn), характерних для кожної стадії виконання комплексної технології. Якість і точність готового виробу охарактеризовано комплексним параметром (G1, G2, ... Gn).

Для опису впливу технологічної спадковості на параметри точності обробленої поверхні під час механічної обробки проведено комплекс експериментальних досліджень та отримано вираз:

(4)

де Li і Li-1 – допуски розміру деталі відповідно на і-тій та попередній операціях. Коефіцієнти а та b отримано із рівнянь регресій для різних марок шліфувальних кругів. Математична обробка експериментальних досліджень виконана з використанням програми EXCEL.

Отримана математична модель механічної обробки дозволила виявити вплив технологічних чинників на спрацьовування різального інструменту з урахуванням технологічної спадковості та визначити умови обробки, які забезпечують формування заданих показників точності.

В третьому розділі “Теоретичне та експериментальне визначення динамічних характеристик пружної системи бортикошліфувального автомату МЕ280СО” виконано дослідження динамічних явищ верстату, які впливають на точність обробки карданного підшипника.

Експериментальні заміри параметрів коливань елементів автомату моделі МЕ280СО показали вплив динаміки шпиндельного вузла шліфувального круга на його амплітудо-частотні характеристики. Для теоретичного визначення власних частот коливань шпиндель представлено розрахунковою схемою у вигляді двохопорної консольної балки, розміщеної на шарнірних опорах, з розподіленою масою (рис. 3), на кінцях якої розташовані зосереджені маси шліфувального круга та приводного шківа.

Для розрахункової схеми диференційне рівняння вільних згинних коливань має вигляд:

(4)

де e – модуль пружності; I – еквівалентний момент інерції поперечного перерізу шпинделя; m0 – маса одиниці довжини балки; y(x,t) – вертикальне переміщення поперечних перерізів балки.

Розв’язок рівняння (4) запишемо:

(5)

де U(x) – амплітуда переміщень; щ – колова частота власних коливань; ц – фаза коливань.

З врахуванням (5) рівняння (4) набуває вигляду:

(6)

Розв’язок рівняння (6) у функціях Крилова:

(7)

де С1, С2, С3 та С4 – постійні інтегрування, а .

Розв’язок рівняння знаходимо для граничних умов:

(8)

де І1 та І2 – відповідно моменти інерції шліфувального круга та приводного шківа; Ір1 та Ір2 – полярні моменти інерції шліфувального круга та приводного шківа; т1 та т2 – маси шліфувального круга та приводного шківа.

За початкових умов і отримуємо однорідну систему рівнянь з шістьма невідомими С1, С2, С3, С4, R1 та R2, де R1 і R2 – відповідно амплітудні значення реакцій на опорах 1 та 2. Прирівнюючи визначник системи до нуля, знайдемо значення частот вільних коливань щ.

Диференційне рівняння вільних крутних коливань шпинделя верстата має вигляд:

(9)

де Ір – полярний момент інерції поперечного перерізу шпинделя; G – модуль зсуву; I0 – момент інерції маси одиниці довжини стержня; И(x,t) – кут закручування шпинделя.

Розв’язок рівняння (9):

(10)

де ц(?) – амплітудне значення, щк – колова частота і ц0 – фаза крутних коливань.

З врахуванням (10) рівняння (9) набуває вигляду:

(11)

Розв’язок рівняння (11) має вигляд:

(12)

де А та В – постійні інтегрування, а

В результаті розв’язку за граничних умов:

(13)

отримано систему двох рівнянь з невідомими А та В, з визначника якої за нулевих значень знайдені частоти вільних крутних коливань шпинделя щк.

Теоретично проаналізовано вплив пружності опор та зазору в них на частоту власних коливань шпиндельного вузла. Встановлено, що з метою отримання сталих динамічних властивостей пружної системи верстату необхідно забезпечити оптимальний зв’язок спряжених деталей пружної системи для створення відповідності до технічних умов бортикошліфувального автомату МЕ280СО.

З метою перевірки теоретичних досліджень проведено експериментальне визначення амплітудо-частотних характеристик автомату моделі МЕ280СО, результати якого подано на рис. 4.

Експерименти здійснювались на установці, яка включала в себе п’єзодавачі абсолютних коливань типу Д14, вібратор ВЭД-10, генератор ГЗ-18, підсилювач УПВ-3М, частотомір-хронометр Ф5080 та вібровимірювальну апаратуру ВА-2.

Відносна похибка теоретичного розрахунку та експериментального визначення власних частот коливань шпиндельного вузла автомату моделі МЕ280СО не перевищує 3,1%.

У четвертому розділі “Теоретичне та експериментальне дослідження коливань пружної системи бортикошліфувального автомату MЕ280СО для круглого шліфування” розглянуто коливні процеси, які відбуваються в процесі виконання конкретної технологічної операції, запропоновано узагальнений показник шліфування, який імітує дію вертикальної складової сили різання на пружну систему, представлено математичну модель вимушених коливань, здійснено аналіз коливань елементів пружної системи.

Узагальнений показник шліфування визначається його режимами, станом робочої поверхні шліфувального круга, яким чином оброблюється матеріал та умовами взаємодії пари круг-деталь. Фізичною суттю узагальненого показника шліфування K є сила різання, що припадає на одиницю глибини подачі шліфувального круга. Узагальнений показник шліфування представлено формулою:

, (14)

де С – жорсткість пружної системи верстата; tл – глибина різання, яка встановлюється лімбом верстату; tр – реальна глибина різання під час шліфування.

Значення узагальненого показника залежить від геометричних параметрів шліфувального круга його матеріалу, швидкості обертання шпинделя деталі та пружних характеристик верстату. Показник K є кількісною характеристикою ефективності процесу круглого шліфування у відношенні до інших видів шліфування під час однакових режимів обробки.

Розрахункову схему пружної системи автомату моделі МЕ280СО у вигляді безмасової балки з трьома зосередженими масами, представлено на рис. 5. Сила різання, яка прикладена до шліфувального круга масою т1, подано у вигляді:

(15)

де F0 – значення сили різання при q1=tл, а q1(t) – біжуче значення координати шліфувального круга масою т1 в момент часу t. На розрахунковій схемі т2 – приведена маса шпинделя, а т3 – маса приводного шківа.

Загальний розв’язок вільних коливань для кожної маси є сумою розв’язків:

(16)

де Аji та Вji – сталі інтегрування, які залежать від взаємозв’язку координат переміщення j-ої та і-ої мас; hі, щі та qiС – коефіцієнт демпфування, частота вільних коливань та координата переміщення і-ої маси.

Рівняння вимушених коливань системи в узагальнених координатах:

(17)

де Qi*- узагальнені сили, а qі* - узагальнені координати.

Вимушені коливання j-ої маси:

(18)

де бij – коефіцієнти форми коливань.

У випадку дії постійної збуджуючої сили вимушені коливання кожної з мас описуються виразом:

(19)

Узагальнені сили визначаються залежністю:

(20)

в (20) Qj – збуджуюча сила, яка приймається постійною та рівною F0 або визначена згідно (15).

З урахуванням наведених залежностей загальні розв’язки рівнянь, які описують рух мас, мають вигляд:

(21)

де

Отримані залежності для розрахунку переміщень шліфувального круга під дією збуджуючої сили дозволили оцінити її вплив на забезпечення точності обробки карданних роликопідшипників.

В п’ятому розділі “Практична реалізація системи адаптивного керування шліфування на бортикошліфувальному автоматі МЕ280СО” запропоновано метод регулювання технологічного процесу на основі розв’язку багатофакторної задачі статистичного аналізу за допомогою розробленого програмного продукту, який забезпечує прогнозування ходу технологічного процесу, розроблено автоматизовану систему активного контролю із застосуванням індуктивного перетворювача, представлено алгоритм керування точністю шліфування кілець карданних роликопідшипників, який здійснює вибір оптимальної послідовності обробки, а також здійснена оптимізація режимів врізного шліфування канавок карданних роликопідшипників на бортикошліфувальному автоматі МЕ280СО шляхом знаходження оптимального циклу шліфування.

Статистичний метод регулювання дозволяє своєчасно виявляти розлад технологічного процесу і ґрунтується на результатах періодичного контролю малих вибірок, які здійснюються за кількісною ознакою. Фактичні значення контрольованого параметру визначаються за допомогою статистичних характеристик. До таких характеристик відносяться характеристики розміщення (середнє значення заміру у вибірці – медіана і середнє квадратичне відхилення – розмах) та характеристики розсіювання випадкової величини.

Під час визначення вказаних статистичних характеристик доцільно застосовувати автоматизацію регулювання технологічного процесу для цього створено програмний продукт “Статистичне регулювання техпроцесу” на мові об’єктно-орієнтованого програмування Deilphi 6.0, який дозволяє спростити та прискорити розрахунок і побудову контрольних карт. Результати автоматизованого статистичного регулювання дозволили прогнозувати середній час розладу, який визначає стабільність технологічного процесу, а також спрямовано впливати на забезпечення точності обробки карданних підшипників. На основі проведених досліджень запропоновано модернізовану систему активного контролю розмірів деталі, сутність якої полягає в заміні пневматичного сопла на індуктивний давач, який за допомогою електронного блоку подає диференційований та підсилений сигнал, що забезпечує керування обробкою деталей на бортикошліфувальному автоматі МЕ280СО. Така система виключає можливість небажаної дії чинників виробничого середовища, завдяки чому підвищується стабільність технологічного процесу. З метою оптимізації процесів обробки абразивними інструментами запропоновано модель динамічного програмування для призначення маршруту технологічного процесу і розроблено алгоритм знаходження оптимального варіанту, який забезпечує якісні показники та точність обробленої поверхні. Основною перевагою розглянутого алгоритму визначення оптимальних циклів шліфування в порівнянні з іншими є можливість встановлення оптимальних поєднань та елементів режиму шліфування на кожному із етапів технологічного процесу.

висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення та нове вирішення науково-прикладної задачі, що полягає в покращенні експлуатаційних характеристик карданних роликопідшипників на основі аналізу фізико-технічних показників мікрорельєфу робочих поверхонь та закономірностей формоутворення поверхонь їх кілець. Встановлено кількісні та якісні взаємозв’язки параметрів точності з технологічними факторами шліфувальних операцій. Вперше розроблено модель зв’язків обробленої деталі, операції шліфування та технологічного обладнання для забезпечення надійності, ефективності та конкурентноздатності підшипникових вузлів.

2. Вперше розроблені принципи та методика моделювання зв’язків між параметрами точності та технологічними факторами формоутворюючих операцій обробки деталей карданних роликопідшипників на основі синтезу сумарної похибки під час врізного шліфування за допомогою розмірного ланцюга, який дозволяє здійснювати практичний розрахунок поля розсіювання сумарної похибки обробки. Отримані безрозмірні характеристики дозволили оцінити ступінь зміни якісних показників механічної обробки та виявити вплив технологічних чинників на спрацювання шліфувального круга з врахуванням технологічної спадковості. Встановлено, що величина коефіцієнтів технологічної спадковості суттєво залежить від правки різального інструменту та змінюється в 1,35-1,8 разів.

3. Розроблена математична модель обробки деталей з врахуванням коливань пружної системи шліфувального автомату, амплітуди яких досягають 4-8 мкм в діапазоні частот 5-40 Гц, дозволила запропонувати методику направленого технологічного впливу на параметри точності формоутворення робочих поверхонь. Теоретично визначені та експериментально підтверджені динамічні характеристики пружної системи бортикошліфувального автомату МЕ280СО. Одержано значення власних частот коливань шпинделя автомату моделі МЕ280СО, що дозволило виявити у діапазоні частот від 0 до 50 Гц три резонансні області з частотами 10 Гц, 20,5 Гц та 33 Гц, які впливають на точність обробки.

4. Для розробки загальних рекомендацій з оптимізації геометричних параметрів шліфувального круга запропоновано узагальнений показник шліфування, який імітує дію вертикальної складової сили різання на пружну систему автомату та визначається режимами шліфування, станом робочої поверхні деталі, шліфувального круга й умовами взаємодії пари круг-деталь. Показано, що під час зміни швидкості різання від 6 м/хв до 15 м/хв відношення узагальненого показника шліфування до жорсткої системи верстата змінюється в межах 0,5-1,3.

5. Запропонована розрахункова схема шпиндельного вузла для дослідження коливань під дією збурень, яка дозволила виявити умову стійкої роботи автомату МЕ280СО і визначити геометричні параметри шліфувального круга для забезпечення необхідної точності оброблених деталей.

6. Проведено комплекс експериментальних досліджень взаємозв’язків між точністю формоутворення та технологічними факторами для перевірки адекватності розроблених математичних моделей які підтвердили розходження теоретичних досліджень з експериментальними в межах 5%.

7. Запропоновано метод регулювання технологічного процесу на основі розв’язку багатофакторної задачі статистичного аналізу за допомогою розробленого програмного продукту, який забезпечує прогнозування його протікання. Представлено індекс процесу шліфування Ср значення якого для забезпечення ідеального стану повинне знаходитись у межах 1,67>Ср >1,33.

8. Розроблено автоматичну систему активного контролю із застосуванням індуктивного перетворювача, в результаті впровадження якої на виробництві брак виготовлених деталей скоротився на 20%. На основі загального принципу динамічного програмування розроблено алгоритм керування точністю шліфування кілець карданних роликопідшипників, який здійснює вибір оптимального циклу обробки.

9. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень спроектовано, виготовлено та впроваджено у виробництво на ВАТ “Луцький підшипниковий завод” конструкцію давачів-стабілізаторів для зменшення амплітуди хвилястості та системи активного контролю і керування точністю шліфування робочих поверхонь кілець карданних роликопідшипників. Економічний ефект від впровадження результатів проведених науково-дослідних розробок складає 186 тис гривень.

Список опублікованих праць

1. Марчук В.І., Кайдик О.Л., Заблоцький В.Ю. Вдосконалення системи адаптивного керування точністю на шліфувальному автоматі МЕ 280СО // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. трудов. Вып. 25. – Донецк: Дон НТУ, 2003. – С. 279-284.

2. Марчук В.І., Заблоцький В.Ю., Кайдик О.Л. Вплив параметра хвилястості доріжки кочення на віброакустичні характеристики конічних роликопідшипників // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. праць Кіровоградського державного технічного університету. Вип. 13. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – С. 112-116.

3. Марчук В.І., Божидарник В.В., Кайдик О.Л. Имитационное моделирование объектов механосборочного производства с помощью ЭОМ // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. трудов. Вып. 17. – Донецк: Дон НТУ, 2001. – С. 67-71.

4. Заявка №2004042433 на деклараційний патент України на корисну модель. Електронно-механічна система активного контролю і керування врізним шліфуванням / О.Л. Кайдик, В.І. Марчук, В.В. Красовський. – Заявлено 01.04.2004р. Позитивне рішення від 24.09.2004р.

5. Марчук В.І., Денисюк В.Ю., Кайдик О.Л. Моделювання формоутворення мікрорельєфу поверхонь для забезпечення параметрів якості деталей при механічній обробці // Тр. 6-й Междунар. науч.-техн. конференции “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”. – Харьков: ХНПК “ФЕД”, 2002. – С. 49-52.

6. Марчук В.І., Кайдик О.Л. Автоматизована система активного контролю та керування процесом врізного шліфування // Материалы междунар. наук.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых “Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта”. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2004. – С. 82-84.

7. Марчук В.І., Кайдик О.Л. Забезпечення та стабілізація точності лімітуючого розміру в системі адаптивного шліфування кілець карданного роликопідшипника на бортикошліфувальному автоматі МЕ 280СО // Тр. 7-й междунар. науч.-техн. конф. “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”. – Харьков: ХНПК “ФЕД”, 2003. – С. 91-94.

8. Кайдик О.Л. Моделювання технологічного процесу механічної обробки поверхонь карданних роликопідшипників з врахуванням технологічної спадковості // Тези ХІХ наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу. – Луцьк: РВВ ЛДТУ, 2004. – С. 171-172.

9. Кайдик О.Л., Марчук В.І., Красовський В.В. Електронно-механічна система активного контролю і керування врізним шліфуванням // Інформаційний листок Волинського ДНІЦ № 4. – Луцьк: Волинський ДНІЦ, 2004. – 2 с.

Кайдик О.Л. Технологічне забезпечення точності виготовлення кілець карданних підшипників в адаптивних технологічних системах шліфування. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – “Технологія машинобудування”. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2004 р.

Робота присвячена питанням підвищення точності механічної обробки з метою покращення експлуатаційних характеристик карданних роликопідшипників на основі встановлення закономірностей формоутворення робочих поверхонь їх кілець, а також взаємозв’язків параметрів точності з технологічними факторами шліфувальних операцій для забезпечення надійності та ефективності підшипникових вузлів механізмів та машин. Розроблено математичну модель механічної обробки, яка дозволила виявити вплив технологічних чинників на спрацьовування різального інструменту з врахуванням технологічної спадковості, що забезпечує формування заданих показників точності. Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень пружної системи автомату моделі МЕ280СО, яка суттєво впливає на точність обробки. Запропоновано узагальнений показник шліфування, який імітує дію сили різання на пружну систему, представлено математичну модель вимушених коливань та здійснено їх аналіз. Розроблено пропозиції для практичної реалізації результатів досліджень.

Ключові слова: точність виготовлення, формоутворення поверхонь, технологічний процес, пружна система, амплітудо-частотна характеристика, активний контроль, адаптивне керування, карданний роликопідшипник, математична модель.

Кайдык О.Л. Технологическое обеспечение точности изготовления колец карданных подшипников в адаптивных технологических системах шлифования. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – “Технология машиностроения”. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2004 г.

Работа посвящена вопросам повышения точности механической обработки с целью улучшения эксплуатационных характеристик карданных роликоподшипников на основе установления закономерностей формообразования рабочих поверхностей их колец, а также взаимосвязей параметров точности с технологическими факторами шлифовальных операций для обеспечения надежности и эффективности подшипниковых узлов механизмов и машин. Разработана математическая модель механической обработки, которая позволила выяснить влияние технологических факторов на износ режущего инструмента с учетом технологической наследственности, что обеспечивает формирование заданных показателей точности. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований упругой системы автомата модели МЕ280СО, которая существенно влияет на точность обработки. Предложен обобщенный показатель шлифования, который имитирует действие силы резания на упругую систему, представлена математическая модель вынужденных колебаний и осуществлен их анализ. Разработаны предложения для практической реализации результатов исследований.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Первый раздел посвящен рассмотрению общих принципов и основных положений физико-технической теории инженерии поверхностей в обеспечении эксплуатационных характеристик деталей подшипникового производства, анализу влияния показателей поверхностного слоя поверхностей карданных подшипников на точность их изготовления, критическому анализу литературных источников посвященных установлению оптимальных методов и режимов обработки, которые обеспечивают заданную точность и устойчивою работу технологической системы, а также вопросам использования систем автоматического управления точностью и поставлена задача исследований.

Во втором разделе рассмотрены теоретические предпосылки моделирования точности поверхностей обрабатываемых деталей с учетом наиболее существенных и характерных взаимосвязей, соответствующих реальному технологическому процессу. При этом используются вероятностные и статистические методы построения математической модели. Приведены структурные схемы взаимосвязей между входными и выходными погрешностями технологического процесса и комплексной технологии изготовления карданного подшипника. Получены зависимости, которые представляют собой математическую модель расчета точности обработки детали, полученной для определенной дисперсии на выходе технологического процесса согласно математического ожидания, корреляции начальных факторов и соответствующих коэффициентов системы преобразования. На основе проведенных экспериментальных исследований получено выражение для описания влияния технологической наследственности на параметры точности обработанной поверхности.

В третьем разделе приведены исследования динамических явлений станка которые существенно влияют на точность обработки карданного подшипника. Для теоретического определения собственных частот шпинделя шлифовального круга он представлен расчетной схемой в виде двухопорной консольной балки, расположенной на шарнирных опорах, с распределенной массой, на концах которой размещены сосредоточение массы шлифовального круга и приводного шкива. Получены зависимости для расчета амплитудо-частотных характеристик бортикошлифовального автомата МЕ280СО, а также осуществлена экспериментальная проверка полученных результатов.

В четвертом разделе рассмотрены колебательные процессы, которые происходят при выполнении конкретной технологической операции, предложен обобщенный показатель шлифования, который имитирует действие силы резания на упругую систему, представлена математическая модель вынужденных колебаний, а также осуществлен анализ колебаний элементов упругой системы автомата модели МЕ280СО. Полученные зависимости для расчета перемещений шлифовального круга под действием возбуждающей силы позволяют оценить ее влияние на обеспечение точности обработки карданных роликоподшипников.

В пятом разделе предложен метод регулирования технологического процесса на основе решения многофакторной задачи статистического анализа при помощи разработанного программного продукта, который обеспечивает прогнозирование хода технологического процесса, разработана автоматизированная система активного контроля с применением индуктивного преобразователя, представлен алгоритм управления точностью шлифования колец карданных роликоподшипников, который осуществляет выбор оптимальной последовательности обработки, а также выполнена оптимизация режимов врезного шлифования канавок карданных роликоподшипников на автомате модели МЕ280СО путем поиска оптимального цикла шлифования.

Ключевые слова: точность изготовления, формообразование поверхностей, технологический процесс, упругая система, амплитудо-частотная характеристика, активный контроль, адаптивное управление, карданный роликоподшипник, математическая модель.

O.L. Kaidyk. Technological assurance of precision of universal-joint bearings manufacture in adaptive technological grinding systems. – Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Science degree in speciality 05.02.08 – "Mechanical engineering ". – Ivan Puliuj Ternopil State Technical University, Ternopil, 2004.

The thesis is dedicated to increase of machining precision with the purpose of improvement of universal-joint bearings performance in terms of determination of patterns of ring surface forming as well as correlation of precision parameters and technological factors of grinding operations in order to improve the reliability and performance of bearing units in mechanisms and machines. The mathematical model of machining was developed enabling to detect the effect of technological factors to the functioning of cutting tool including technological heredity that ensures the formation of defined precision indices. The results of theoretical and experimental investigations of elastic system of ME280CO automatic machine were presented which have significant effect on machining precision. Overall grinding index was suggested imitating the cutting force on elastic system, mathematic model of forced oscillation was represented and analyzed. Suggestions as to practical implementation of investigation results were developed.

Key words: assurance of precision, surface forming, technological process, elastic system, amplitude-frequency characteristics, active control, adaptive regulation, universal-joint bearings, mathematical model.

Підписано до друку 09.12.2004 р. Формат 6090/60.

Папір друкарський. Гарнітура Times New Roman.

Умовн. друк. арк. 1,2.

Тираж 100 прим. Зам. 620

Віддруковано у редакційно-видавничому відділі

Луцького державного технічного університету

43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75