НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ХаркІвсЬкий полІтехнІчНий Інститут”

Сталінський Дмитро Віталійович

удк 621.923.2.001.2 (0433)

НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ВИСОКОЕФЕКТИВНИХ

ПРОЦЕСІВ, ОБЛАДНАННЯ ТА ІНСТРУМЕНТУ

ОБДИРНОГО ШЛІФУВАННЯ

Спеціальність: 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати

та інструменти

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному науково-дослідному інституті металів (УкрНДІМет), Українському державному науково-технічному центрі “Енергосталь” (УкрДНТЦ “Енергосталь”) Міністерства промислової політики України і на кафедрі технології машинобудування та металорізальних верстатів Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор

Сизий Юрій Анатолійович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри технології машино-будування та металорізальних верстатів.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Новосьолов Юрій Костянтинович,

Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри технології машинобудування;

доктор технічних наук, професор

Узунян Матвій Данилович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри інтегрованих технологій машинобудування ім. М.Ф. Семка;

доктор технічних наук, професор

Кальченко Віталій Іванович,

Чернігівський державний технологічний університет, завідувач кафедри металорізальних верстатів і систем.

Провідна установа – Інститут проблем машинобудування
ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 23 ” березня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “  ” лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пермяков О. А

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обдирне шліфування (абразивне зачищення) – один з найбільш ефективних, а тому поширених способів обробки поверхні якісної металопродукції – злитків, блюмсів, слябів, заготовок, готового прокату – в металургійному виробництві, де від ефективності виконання операцій обдирного шліфування залежить не тільки її якість, але часом і сама можливість випуску. Широко використовується обдирне шліфування в машинобудуванні, енергетиці, в добувних галузях, на транспорті при обробці поковок, виливків, зварних металоконструкцій. Обсяги обдирного шліфування неухильно зростатимуть у міру неминучого нарощування чорною металургією України виробництва прокату з легованих, нержавіючих, інструментальних та інших якісних сталей, гостро необхідного для розвитку пріоритетних металоспоживаючих галузей. Тим часом, парк обдирно-шліфувального обладнання переважно складається з морально застарілих і фізично зношених верстатів, підприємства не мають ефективних технологічних регламентів абразивного зачищення, вітчизняний абразивно-обдирний інструмент значно відстає від світового технічного рівня. Як наслідок – неможливість забезпечення необхідної якості і конкурентоспроможності металопродукції, технологічно невиправдані енергетичні витрати, втрати металу та інструменту, погіршення екологічної обстановки на виробництві.

Гострота проблеми характеризується ще й тим, що обдирне шліфування, яке є одним із найменш вивчених видів механічної обробки металу, має безліч специфічних особливостей, що перешкоджає безпосередньому використанню відомих положень і підходів при розробці ефективних технічних рішень.

Отже, проведення теоретичних і експериментальних досліджень і формування на їх базі наукових основ створення високоефективних процесів, обладнання та інструменту обдирного шліфування, що вирішує, у поєднанні з розробкою і освоєнням конкретних об'єктів нової техніки, важливу науково-виробничу проблему забезпечення ефективного і якісного зачищення металопродукції відповідального призначення, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання досліджень і розробок за темою цієї роботи здійснювалося відповідно до: координаційних планів Українського державного науково-дослідного інституту металів (УкрНДІМет) і Українського державного науково-технічного центру з технології та обладнання, обробки металу, захисту навколишнього середовища та використання вторинних ресурсів для металургії та машинобудування “Енергосталь” (УкрДНТЦ “Енергосталь”) за науково-технічним напрямком “Оброблення металопродукції”, затверджених Міністерством промислової політики України; Міжгалузевої програми “Забезпечення потреби Мінчормету СРСР у спеціальному серійному та нових видах обладнання для оброблення металопродукції”, 1988 р.; Галузевої програми Мінчормету СРСР “Забезпечення підприємств чорної металургії обладнанням та інструментом для оброблення напівпродукту, сортового, листового прокату, труб і металовиробів”, 1990 р.; “Національної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України”, 1999 р.; “Національної програми розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року”, 2001 р.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – забезпечення ефективного і якісного абразивного зачищення металопродукції шляхом розробки і промислової реалізації наукових основ створення високоефективних процесів, обладнання та інструменту обдирного шліфування.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:–

на основі аналізу комплексу “процес – обладнання – інструмент” обдирного шліфування сформувати достатнє для створення високоефективних технічних рішень уявлення про область досліджень і розробок;–

розробити основи теорії обдирного шліфування, сформувати принципи керування тепловим і напружено-деформованим станом металу на основі дослідження фізичних процесів, що відбуваються в ньому при обробці;–

розробити теоретичні основи динаміки обдирно-шліфувальних верстатів, виробити методологію оптимізації їх динамічних систем;–

розробити основи компонетики обдирно-шліфувальних верстатів, методологію аналізу компонувань, їх структурної оптимізації і синтезу, а також підходи до оцінки, діагностики та забезпечення при проектуванні технологічної надійності верстатів;–

розробити принципи побудови видової класифікації обдирно-шліфувальних верстатів – типажу, що системно визначає технічні рішення обладнання;–

розробити стратегію і практичні шляхи забезпечення високих різальних властивостей і стійкості абразивно-обдирного інструменту;–

сформувати прикладні основи оптимального проектування процесів, обладнання та інструменту на базі побудови комплексних і локальних САПР, вироблення практичних рекомендацій розробнику;–

розробити, здійснити промислове освоєння, проаналізувати техніко-економічну ефективність нових процесів обдирного шліфування, обладнання та інструменту, виробництв з його випуску, забезпечивши при цьому практичну реалізацію всіх основних результатів досліджень і розробок.

Об'єкт дослідження – процеси, обладнання та інструмент обдирного шліфування.

Предмет дослідження – теорія процесів обдирного шліфування, фізичні явища в металі при обробці, динаміка, компонетика і надійність обдирно-шліфувальних верстатів, технологічні процеси виготовлення, склади і конструкції абразивно-обдирного інструменту, ефективність та якість зачищення металопродукції.

Методи дослідження. В основу досліджень, формування наукових основ і практичних методів створення високоефективних процесів, обладнання та інструменту покладений єдиний концептуальний методологічний принцип, що полягає в обумовленості внутрішньої, параметричної побудови процесів, обладнання та інструменту їх зовнішньою, прикладною характеристикою, об'єктом застосування, призначенням оброблюваної металопродукції, комплексом виробничих вимог. Теоретичні дослідження теплових процесів і напружено-деформованого стану металу при обдирному шліфуванні виконувалися з використанням аналітичних і чисельних методів розв’язання крайових задач математичної фізики, теорії пружності та пластичності, узагальненої теорії міцності. Теоретичні дослідження динаміки верстатів здійснювалися шляхом фізичного і математичного моделювання динамічної системи обдирно-шліфувального верстата та її основних підсистем. Експериментальні дослідження виконувалися з використанням методів рентгеноструктурного і металографічного аналізу, кореляційного аналізу, багатокритеріальної векторної оптимізації. Дослідження проводилися на технологічному обладнанні в умовах металургійних підприємств і на спеціально створеному лабораторному обладнанні та оснащенні з використанням серійного і дослідного абразивно-обдирного інструменту.

У роботі розроблені і використані спеціальні методики теоретичних та експериментальних досліджень, методичні підходи до вишукування високоефективних технічних рішень. Прикладні основи створення процесів, обладнання та інструменту методично об'єднані в розроблені комплексні і локальні САПР, інформаційним і методологічним забезпеченням яких є наукові і практичні результати досліджень і розробок.

Достовірність теоретичних положень роботи підтверджена результатами експериментальних досліджень і практикою промислового використання виконаних розробок.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблено наукові основи створення високоефективних процесів, обладнання та інструменту обдирного шліфування, що містять:–

запропоновану концепцію оптимального проектування процесів обдирного шліфування; створені основи теорії обдирного шліфування, що включають математичний опис фізичних процесів, які відбуваються в металі при обробці, принципи управління тепловим і напружено-деформованим станом металу, реалізація яких забезпечує проведення процесу обробки при регламентованих значеннях максимальної температури поверхні, щільності теплового потоку в метал, розподілу температур, тимчасових і залишкових напруг у поверхневому шарі металу;–

встановлені на базі розроблених основ теорії обдирного шліфування та експериментально підтверджені закономірності, що визначають характер впливу режимних параметрів на фізичні процеси в металі, а також на показники ефективності і якості обробки; розроблені методологію оцінки ефективності процесів обробки і стратегію технологічного забезпечення високоефективного та якісного зачищення металопродукції, яка передбачає оптимізацію параметрів процесу на базі запропонованого комплексного критерію ефективності і визначення режимів обробки, що запобігають утворенню в поверхневому шарі металу технологічної спадковості, неприпустимої для металопродукції конкретного призначення; –

створену відповідно до запропонованої концепції оптимального проектування обдирно-шліфувального обладнання, на базі розроблених теоретичних основ динаміки обдирно-шліфувальних верстатів, і реалізовану методологію визначення оптимальних параметрів їх динамічних систем, яка включає виявлення і математичний опис джерел коливань, що справляють домінуючий вплив на динамічну якість верстата; установлений на основі математичного моделювання з використанням частотних методів теорії автоматичного управління і дослідження динамічної системи обдирно-шліфувального верстата характер впливу його компоновочних і конструктивних параметрів, а також технологічних факторів процесу обробки на динамічну стійкість верстата, критерієм оцінки якої прийнята стабільність глибини обробки;–

розроблену і реалізовану стратегію забезпечення динамічної якості обдирно-шліфувальних верстатів при їхньому проектуванні, яка полягає в запобіганні резонансу в зміні глибини шліфування при збудженні коливань радіальним биттям абразивно-обдирного круга і забезпеченні значень амплітуди зміни глибини шліфування, що не перевищують величину, яка допускається технологічним регламентом процесу зачищення, при збудженні коливань кривизною оброблюваної заготовки;–

запропоновану методологічну основу побудови видової класифікації обдирно-шліфувальних верстатів – типажу, яка полягає в наданні структурі типажу відповідності структурі виробництва металопродукції, оброблюваної обдирним шліфуванням, що забезпечує обумовленість технологічного, компоновочного і конструктивного рішень верстата, характеристики його модульної та динамічної систем, експлуатаційних можливостей, місцем верстата в типажі, а отже – технологічним призначенням і характером процесу обдирного шліфування; –

основи структурної компонетики обдирно-шліфувального обладнання, методологічну базу яких склали запропоновані і реалізовані підходи до аналізу компонувань і синтезу оптимальних компоновочних рішень обдирно-шліфувальних верстатів, визначення шляхів їхнього конструктивного удосконалювання; встановлені закономірності, що визначають системний і прогнозований характер трансформації компоновочного рішення при зміні місця розташування моделі верстата у видовій класифікації обдирно-шліфувальних верстатів – типажі; –

створену на базі запропонованих принципів підходу до формування аспектів технологічної надійності обдирно-шліфувальних верстатів методологію оцінки, діагностики і забезпечення технологічної надійності при проектуванні; встановлені закономірності, що відбивають взаємозв'язок технологічної надійності обдирно-шліфувального верстата з показниками ефективності його експлуатації, можливість підвищення технологічної надійності шляхом оптимізації компоновочного і динамічного рішень верстата, регламентації на оптимальному рівні технологічних параметрів процесу обдирного шліфування; –

розроблену та реалізовану стратегію забезпечення високих різальних властивостей і стійкості абразивно-обдирного інструменту, яка базується на виявлених закономірностях, що визначають вплив запропонованих комплексних наповнювачів абразивних мас, розроблених принципів поліпшення якості їх сировинних компонентів і адгезії абразивних зерен зі зв'язкою, управління реакцією поліконденсації феноло-формальдегідного зв’язуючого на експлуатаційні характеристики абразивно-обдирного інструменту, технологічність і екологічні аспекти його виготовлення.

Практичне значення отриманих результатів. Результати всіх складових комплексу виконаних теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані в запропонованих у роботі нових технічних рішеннях і розроблених об'єктах нової техніки. Це дало змогу сформувати і реалізувати на практиці прикладну складову наукових основ створення високоефективних процесів обдирного шліфування, обдирно-шліфувального обладнання та абразивно-обдирного інструменту будь-якого технологічного призначення без обмежень за марочним, профільним і розмірним сортаментами оброблюваної металопродукції.

Розроблено комплекс оптимізованих за показниками ефективності і якості обробки процесів обдирного шліфування заготовок і готового прокату широкого розмірного сортаменту з якісних конструкційних, інструментальних, легованих, нержавіючих, жароміцних та інших сталей і сплавів на серійному шліфувальному обладнанні різних моделей. Промислове впровадження технологічних процесів на провідних металургійних підприємствах СНД – “Криворіжсталь”, “Електросталь”, металургійному заводі ім. А. К. Сєрова, “Серп і Молот”, “Іжсталь” – забезпечило без додаткових капітальних витрат підвищення продуктивності обробки, в середньому, на 2025%, скорочення втрат металу і витрати абразивно-обдирного інструменту на 1520%, високу якість обробки.

Розроблено ряд, що не мають аналогів за технічними рішеннями і експлуатаційними можливостями, базових моделей високопродуктивних і економічних обдирно-шліфувальних верстатів, технічні рішення яких реалізують високоефективні процеси обдирного шліфування та оптимізовані за критеріями динамічної якості, компонетики та технологічної надійності, що забезпечило в результаті впровадження верстатів на металургійних підприємствах “Серп і Молот”, “Іжсталь” та інших підвищення продуктивності зачищення, в середньому, в 2,53 рази, скорочення на 2040% втрат металу й абразивно-обдирного інструменту.

З використанням результатів виконаних досліджень розроблено і затверджено новий типаж обдирно-шліфувальних верстатів.

На базі виконаних у роботі досліджень розроблено комплекс складів, технологічних процесів виготовлення і конструкцій абразивно-обдирного інструменту, покладений в основу створення спеціалізованих виробництв і освоєння серійного випуску інструменту, експлуатаційні характеристики якого, як показала практика промислової експлуатації інструменту на Кременчуцькому сталеливарному заводі, “Азовмаші”, НКМЗ, “Турбоатомі”, “Дніпротяжмаш” та на інших підприємствах, в 2,53 рази перевершують аналогічні показники продукції, що випускається в СНД, і відповідають за своїм технічних рівнем інструменту провідних світових виробників при суттєво меншій вартості.

Результати виконаних досліджень покладені в основу розроблених алгоритмів, інформаційного і методологічного забезпечення систем автоматизованого проектування процесів, обладнання та інструменту обдирного шліфування.

Сумарний фактичний економічний ефект від упровадження об'єктів нової техніки, розроблених у роботі, становить 2,36 млн руб. (у цінах 1991 р.) і 376,9 тис. грн. Річний доход від функціонування спеціалізованого абразивного виробництва становить понад 2,7 млн грн.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно сформульована наукова ідея роботи, запропоновані напрямки її розробки та реалізації. Самостійно виконано весь комплекс теоретичних і експериментальних досліджень на основі особисто розроблених методологічних підходів, математичних і фізичних моделей, понять і визначень, розроблені процеси обдирного шліфування, технологічні завдання на проектування, компонування, динамічні рішення та ескізні проекти описаного в роботі обдирно-шліфувального обладнання, типаж обдирно-шліфувальних верстатів, технологічні процеси виготовлення, склади і конструкції абразивно-обдирного інструменту, технологічне завдання на проектування і ескізний проект спеціалізованого виробництва з його випуску, алгоритми, інформаційне і методологічне забезпечення описаних у роботі комплексних і локальних систем автоматизованого проектування процесів, обладнання та інструменту. Виконання робочої конструкторської і проектної документації за описаними в роботі розробками здійснювалося під керівництвом здобувача. Здобувач очолював і брав особисту участь у виконанні комплексу робіт із промислового освоєння розробок.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на Всесоюзній науково-технічній конференції “Інтенсифікація технологічних процесів механічної обробки” (Ленінград, 1986 р.), на Всесоюзному науково-технічному семінарі “Прогресивні види оброблення прокату і заготовок” (Електросталь, 1988 р.), на Другій всесоюзній науково-технічній нараді “Застосування ЕОМ у наукових дослідженнях і розробках” (Дніпропетровськ, 1989 р.), на Республіканській науково-технічній конференції “Надтверді матеріали та інструменти в ресурсозберігаючих технологіях” (Київ, 1989 р.), на Всесоюзній науково-технічній конференції “Моделювання фізико-хімічних систем і технологічних процесів у металургії” (Новокузнецьк, 1991 р.), на Міжнародному науково-технічному семінарі “Інтерпартнер” (Харків, 1994 р.), на галузевих координаційних нарадах Міністерства чорної металургії СРСР і Міністерства промислової політики України з науково-технічного напрямку “Оброблення металопродукції” (Москва, Харків, Київ, Донецьк, Дніпропетровськ, 1986–1995 рр.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Використання відходів виробництва” (Рівне, 1999 р.), на Четвертому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1999 р.). Повністю дисертація доповідалась на ХIV Міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології: тенденції розвитку”, Інтерпартнер – 2005 (Алушта, 2005 р.) і об'єднаному семінарі кафедр “Технологія машинобудування і металорізальні верстати” та “Інтегровані технології машинобудування” НТУ “ХПІ” (Харків, 2005 р.).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 85 друкованих робіт, у тому числі 21 робота – у фахових виданнях ВАК України, 3 монографії, 11 статей у наукових журналах, 16 статей у збірниках наукових робіт, 18 – у збірниках доповідей і тез науково-технічних конференцій, 37 авторських свідоцтв і патентів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків і 13 додатків. Повний обсяг дисертації становить 513 сторінок, з яких 166 ілюстрацій на 92 сторінках, 30 таблиць на 33 сторінках, 15 таблиць за текстом, 13 додатків на 43 сторінках, список використаних літературних джерел з 330 найменувань на 31 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи і розв'язуваної науково-технічної проблеми, сформульовані мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна роботи та практичне значення отриманих результатів.

У розділі 1 здійснено аналіз комплексу “процес – обладнання – інструмент” обдирного шліфування як об'єкта наукових досліджень, конструкторських і технологічних розробок. Дано загальну характеристику сфери досліджень і розробок, зазначено, що більшість операцій обдирного шліфування призначена для видалення дефектного шару металу, на відміну від надання поверхні деталі заданих властивостей або конфігурації в інших процесах механічної обробки, чим пояснюється застосування принципово інших схем обробки, набагато вища енергетика процесів, використання обладнання та інструменту, що радикально відрізняються за своїми характеристиками і конструкціями.

Абразивну обробку можна по праву вважати одним із найбільш вивчених процесів. Їй присвячені фундаментальні дослідження Є. М. Маслова, М. Ф. Семка, А. І. Грабченка, Г. Б. Лур'є, Ю. К. Новосьолова, В. І. Островського, Г. В. Бокучави, М. Д. Узуняна, О. В. Якимова, О. М. Филимонова, В. О. Сипайлова й інших учених. Створення наукових основ проектування металорізальних верстатів – одна з найбільш пророблених галузей інженерної науки, де, аналогічно процесам, пріоритет належить визнаній у світі вітчизняній науковій школі, яка представлена науковими працями Д. М. Решетова, В. О. Кудінова, Ю. В. Тимофєєва, О. І. Авер’янова, В. В. Камінської, О. С. Пронікова, В. І. Кальченка, О. І. Левіна, М. Я. Орликова та багатьох інших учених. Однак, як показав аналіз, через наявність безлічі принципових відмінностей обдирно-шліфувальних верстатів і процесів, які вони реалізують, від іншого обладнання та процесів металообробки унеможливлюється безпосереднє використання результатів численних наукових праць при проектуванні процесів і верстатів обдирного шліфування. Аналогічним чином може бути охарактеризований комплекс питань стосовно абразивно-обдирного інструменту.

Поряд з науково-технічною і патентною літературою, передовим виробничим досвідом, у роботі узагальнено, систематизовано та проаналізовано дані про металопродукцію, що піддається обдирному шліфуванню, про її поверхневі дефекти, вимоги стандартів до якості поверхні металопродукції, оснащеність металургійних підприємств обдирно-шліфувальним обладнанням. Проаналізовано негативні наслідки для цього обладнання, до яких призвів спад виробництва високоякісної металопродукції, що обумовив моральне і фізичне спрацювання обладнання, термін роботи більшої частини якого (60%) перевищив 25-річний віковий рубіж. Дано оцінку обмеженим сортаментним можливостям наявного на підприємствах обдирно-шліфувального обладнання, 75% якого розраховано на обробку круглого прокату діаметром 70?250 мм і квадратного – зі стороною 80?200 мм. |

Проаналізовано особливості процесів обдир-ного шліфування як виду механічної обробки металу, які характеризують, зокрема, енергетичні аспекти обробки – знімання металу в одиницю часу, глибину обробки, питомі витрати енергії, що перевершують в 102?104 разів аналогічні показники операцій чистового шліфування, а також особливості, обумовлені застосу-ванням пружних схем обробки, при яких забезпечується відстеження зоною шліфу-вання скривленої оброблюваної поверхні заготовки, на відміну від

Рис. 1. Схеми процесів обробки:
а – чистове шліфування;
б – обдирне шліфування | жорстких схем інших процесів механічної обробки, коли траєкторія руху інструменту визначає поверхню заготовки, яка формується. Схеми процесів обробки показані на рис. 1.

Аналіз обдирно-шліфувальних верстатів як виду металооброблювального обладнання (на рис. 2 наведений один із розроблених у роботі верстатів) показав пріоритетне значення оптимізації компоновочних рішень, забезпечення динамічної стійкості і технологічної надійності.

У результаті аналізу наукових і виробничих даних про абразивно-обдирний інструмент установлено, що наукові основи створення високостійкого та продуктивного інструменту повинні охоплювати оптимізацію складу, технологічних режимів виготовлення, поліпшення якості сировинних компонентів, вишукування ефективних конструкцій інструментів, розробку спеціалізованих виробництв з випуску високоякісного інструменту.

Рис. 2. Обдирно-шліфувальний верстат мод. 33 Кр45-130В-60

Сформульовано основні напрямки досліджень і розробок, спрямованих на досягнення мети роботи.

У розділі 2 наведені розроблені теоретичні основи обдирного шліфування і методологія оптимізації процесів обробки. Запропоновано концепцію оптимального проектування процесів, під яким ми розуміємо розробку режимних параметрів процесу при оптимальному рівні його основних показників за заданими критеріями. Основний методологічний принцип, реалізований також у підходах до оптимального проектування обладнання та інструменту, полягає в обумовленості внутрішньої, параметричної будови процесу обдирного шліфування його зовнішньою, прикладною характеристикою, сферою застосування, призначенням оброблюваної металопродукції, комплексом виробничих вимог.

Побудова системи оптимального проектування процесів вимагає наявності їх достовірного теоретичного опису, виявлення і врахування закономірностей, що характеризують фізичні процеси в металі, наявності принципів керування ними. У результаті виконаних досліджень теплових процесів у металі при обдирному шліфуванні (рис. 3 і 4), встановлено, що управління тепловим станом металу полягає в забезпеченні можливості призначення параметрів процесу обробки на рівні, що відповідає регламентованим значенням максимальної температури поверхні, характеру розподілу температур у поверхневому шарі, щільності теплового потоку в метал та інших показників. Виявлено і проаналізовано важливі для оптимального проектування процесів закономірності.

Рис. 3. Залежність щільності теплового потоку від глибини шліфування | Рис. 4. Вплив зусилля притиску абразивного круга і швидкості осьової подачі прокату на зміну температури

Тепловий стан металу і дія сил різання визначають при обдирному шліфуванні рівень тимчасових і залишкових напруг, які найчастіше призводять до тріщиноутворення, як у процесі зачищення, так і при подальшій обробці заготовок.

Побудова універсальної моделі напружено-деформованого стану металу при обдирному шліфуванні здійснено на прикладі обробки шестигранного прокату на розробленій у роботі лінії мод. 33Ш30-60С-60. Схема обробки, а також дії сил різання і градієнта температур показані на рисунках 5 і 6. Задача є пружно-пластичною. Як припущення в ній прийняте просте навантаження, при побудові рішення використані положення теорії пластичної течії.

Диференційні рівняння рівноваги:

; (1)

Геометричні рівняння Коші, що зв'язують приріст деформацій і переміщень:

; (2)

Рис. 5. Схема обробки шестигранного прокату на обдирно-шліфувальній лінії мод.33Ш30-60С-60:

Ру, Рz, Рх – сили різання: зусилля притиску круга (нормальна складова), тангенціальна й осьова складові; S, t – ширина і глибина обробки |

Рис. 6. Схема дії сил різання і градієнта температур при обробці шестигранного прокату

Фізичні рівняння стану записані у тому вигляді, в якому вони надалі використовуватимуться в алгоритмах методу скінченних елементів (фрагмент сіткової області показаний на рис. 6):

;

; . (3)

Інтенсивність напруг, девіатор напруг:

(4)

Нормальна напруга:

, (5)

де: ij , ij, i, j – компоненти тензорів напруг і деформацій; Н – тангенс кута нахилу кривої ; и – інтенсивність пластичних деформацій; Sij – компоненти девіатора напруг; и – інтенсивність напруг; ij – символ Кронекера, Ui – компоненти переміщень.

Відповідно до принципу мінімуму повної потенційної енергії системи, розв’язання задачі

зводиться до відшукування мінімуму функціонала повної потенційної енергії, заданого у вигляді функції компоненти вектора переміщень:

, (6)

де: t – товщина досліджуваного елементу поверхневого шару металу.

Відповідно до загального підходу, прийнятому у варіаційних методах числення, виконується дискретизація досліджуваної області, яку розбивають на скінченне число елементів і вводять припущення про лінійну зміну переміщень усередині кожного елементу. Вираз для повної потенційної енергії системи в матричній формі:

, (7)

де: – вектор початкової деформації, викликаної тепловим впливом; В, N, D – матриці похідних функцій форми, функцій форми і пружної деформації, dS – диференціал дуги.

Мінімум функції відшукується диференціюванням виразу за вектором б вузлових переміщень і прирівнюванням результату до нуля. Матриця пружної деформації визначається співвідношенням:

. (8)

Для пластичної області:

. (9)

Розрахунок залишкових напруг здійснювався з використанням теореми про розвантаження, в умовах характерного для обдирного шліфування пружного-пластичного стану:

= , (10)

де: ij – напруги, отримані при розв’язанні пружно-пластичної задачі; ij – напруга ij в умовах повного навантаження; , – пружно-пластичні напруги при навантаженні та розвантаженні.

Установлений домінуючий вплив градієнту температур у поверхневому шарі на рівень напруг. З метою зниження напруг, градієнт підлягає мінімізації з використанням розробленої методології управління тепловими процесами в металі при обробці. Виявлена доцільність призначення найвищих швидкостей подачі заготовки і обертання круга, розбиття припуску, що видаляється, на кілька проходів.

Виконано дослідження з оптимізації процесів обдирного шліфування за показниками ефективності. Метою оптимізації є пошук для конкретних виробничих умов сполучення керованих режимних факторів, яке забезпечує найвищу продуктивність обробки при мінімальних втратах металу, інструменту, енергії, інших ресурсів, або забезпечення на заданому рівні одного з перелічених або комплексного параметра.

Критеріями можуть бути знімання металу і знос інструменту в одиницю часу (?Ммет , ?Мкр), коефіцієнт шліфування (Кш=(?Ммет / ?Мкр), глибина обробки і сили різання (t, Py , Pz), питома собівартість обробки (Спит=С/?Ммет). Дослідження показали неефективність побудови інтегральних критеріїв через принципові розходження у фізичному змісті окремих показників процесу, що входять до них. Запропонований найбільш інформативний для умов обдирного шліфування комплексний критерій – коефіцієнт ефективності шліфування, що визначається співвідношеннями:

КЕ=n ?, кггод. , , , (11)

де: n – маса абразивного інструменту, що витрачається на видалення заданої маси металу (М, кг), кг; ? – час, витрачений на видалення заданої маси металу. Критерій, графічно проілюстрований на рис. 7, характеризує витрату інструменту, знімання металу і витрачений на це час. Оптимальним режимам відповідає мінімум КЕ. Запропоновано підхід до визначення оптимальних значень режимних параметрів процесу обробки (зусилля притиску круга Py і швидкості осьової подачі заготовки Vо.п.) на базі використання розробленого критерію:

; (12)

, (13)

де: РУ1, РУ2, РУ3; Vо.п1, Vо.п2, Vо.п.3 – мінімальне, середнє і максимальне значення РУ і Vо.п. у межах параметричних границь області оптимізації процесу; КЕ1, КЕ2, КЕ3  – значення КЕ при РУ1, РУ2, РУ3 і Vо.п2; КЕ1, КЕ2, КЕ3  – значення КЕ при і Vо.п.1, Vо.п.2, Vо.п.3. Установлено кореляцію комплексних критеріїв – КЕ і Спит.

Відповідно до розробленої концепції оптимального проектування процесів обдирного шліфування, другою, не менш важливою для багатьох оброблюваних матеріалів його складовою, є визначення режимів обробки, що забезпечують задану якість поверхні металу. Ключовим моментом запропонованої стратегії є регламентація показників якості поверхні, виходячи з подальшого використання обробленого металу, шляхом запобігання утворенню неприпустимої технологічної спадковості.

Дослідження фізичних процесів у контакті абразивного круга з металом показали, що поверхневий шар металу, який був підданий складному деформаційному й тепловому впливу при обдирному шліфуванні, має неоднорідну структуру, як показано на рис. 8. Шар I глибиною 10-2?1,0 мм – деформований метал з викривленою кристалічною решіткою, із зневуглецьованими ділянками, мікронадривами. Шар II глибиною 0,5?8,0 мм, як правило, текстурований у напрямку сили різання. Шар III – метал з початковою структурою. Дослідження показали відсутність взаємозв'язку структури та властивостей обробленого металу із припікоутворенням на його поверхні.

Рис. 7. Залежність коефіцієнта ефектив-ності шліфування від зусилля притиску круга і швидкості осьової подачі металу Швидкість осьової подачі заготовки: 1–3 м/хв.; 2–10 м/хв.; 3–16 м/хв..; 4–20 м/хв. |

Рис. 8. Структура поверхневого шару прокату зі сталі 40Х х400

Установлена доцільність поділу сортаменту сталей, оброблюваних обдирним шліфуванням, на три групи. Перша група: метал, що йде на холодну обробку тиском. Неприпустимій технологічній спадковості – поверхневому загартуванню, утворенню зневуглецьованого шару тощо – запобігає управління тепловим станом металу при обробці. Для металу другої групи, призначеного до подальшої механічної обробки, критерієм якості є максимальна температура поверхні. Ця температура не повинна перевищувати температури початку різкого зниження деформаційної здатності металу – область I на рис. 9. Третя група: метал, що йде на подальшу гарячу обробку тиском. Неприпустимо тріщиноутворення в процесі зачищення або при подальшому нагріванні. Регламентації підлягають тимчасові і залишкові напруги.

а) б)

Рис. 9. Номограми залежності максимальної температури поверхні від режимів обдирного шліфування: а) – сталь ХВГ; б) – сталь Р6М5. I – область якісної обробки

Розроблено методологію визначення режимів високоякісної обробки, ілюстровану залежностями:

, (14)

де: [ (кН·103)-1,2·(м/хв.)2,5·оС ] ={ | (3,5?4,0) ·103 для кругів ПП 500 ?600 мм;

(6,0?9,0) ·103 для кругів ПП 250?400 мм,

Тд – температура початку різкого зниження деформаційної здатності оброблюваної сталі при нагріванні.

Для процесів, що передбачають чорнові та чистові проходи:

. (15)

Таким чином, запропонована стратегія забезпечення якості обробки при обдирному шліфуванні полягає у визначенні на основі аналізу теплового і напружено-деформованого стану металу режимних параметрів процесу, що не призводять до утворення технологічної спадковості, неприпустимої для металопродукції конкретного призначення.

У розділі 3 викладені результати теоретичних і експериментальних досліджень динаміки обдирно-шліфувальних верстатів, наведена розроблена методологія оптимізації їх динамічних систем, що є складовою частиною оптимального проектування обдирно-шліфувального обладнання. Розроблені загальні положення динаміки обдирно-шліфувальних верстатів (ОШВ) і підхід до оптимального проектування їх динамічних систем (ДС), що базується на досягненні необхідного рівня динамічної якості верстата в умовах забезпечення його компоновочним і конструктивним рішеннями стійкості ДС при дотриманні регламентованих технологією оптимальних показників процесу обробки. Виходячи з технологічних задач, що вирішуються при обдирному шліфуванні, як критерій динамічної стійкості прийнята стабільність глибини обробки.

Рис. 10. Підсистеми ДС ОШВ і їхній

функціональний взаємозв'язок | На основі аналізу компоно-вочних рішень основних видів ОШВ виявлені основні підсис-теми їх ДС, встановлено функціо-нальний взаємо-зв'язок між ними, що належить до джерел коливань (фізичних процесів) і до зміни, як наслідок, режимів обробки, як це схематично показано на рис. 10.

На відміну від канонічних підходів, з урахуванням специ-фіки ОШВ, виявлені і описані джерела коливань, що справляють домінуючий вплив на динамічну якість верстата. Для низько-частот-них коливань це скривлення оброблюваного прокату, для високочастотних – сумарне діяння радіального биття круга і відцент-рової сили його неврівноважених мас.

Розроблена і математично інтерпретована універсальна фізична модель основної підсистеми: “інструмент–процес–прокат” (ІПП), що дає змогу аналізувати будь-який ОШВ у варіантах одно-, двох- і трьохмасової схем.

Математичні моделі пов’язують у придатні для аналізу залежності динамічні параметри: сили, маси, жорсткості, коефіцієнти демпфірування, переміщення, амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) в умовах впливу на ДС перерахованих вище основних джерел коливань ОШВ.

Математична інтерпретація двохмасової фізичної моделі, наведеної на рис. 11, має вигляд:

– при діянні кривизни прокату h(t):

(16)

а) б) в)

Рис. 11. Двохмасова модель ДС ОШВ:
а) – відсутність контакту; б), в) – статична, динамічна рівновага

– при діянні трьох основних джерел коливань: кривизни прокату h(t), круга hk і його дисбалансу F(t):

(17)

Передаточні функції за узагальненою координатою х2 (відхилення глибини шліфування від регламентованого значення) при кожному із діянь – h, hк і F:

; (18)

; (19)

, (20)

де: С1 , С2; b1 , b2 – жорсткості і коефіцієнти демпфірування в кінематичних зв'язках; х1, х2  – переміщення прокату, зміни глибини шліфування.

АЧХ одномасової моделі системи ІПП при діянні кривизни прокату h(t) і радіального биття круга hk:

. (21)

Теоретичне визначення жорсткості системи “прокат–опори” (ПО), що також є підсистемою ДС ОШВ, являє собою вирішення задачі про пружну деформацію багатоопорних, статично невизначених балок. Проаналізовані всі можливі схеми розташування прокату в механізмі подачі заготовок ОШВ. Теоретична залежність для визначення жорсткості системи ПО при найменш жорсткому, консольному розташуванні прокату має вигляд:

, (22)

де: I – момент інерції плоского перерізу прокату; jА, jВ – жорсткості опор А і В.

Рис. 12. Вплив маси шліфувальної бабки на Рис.13. Вплив жорсткості системи ПО на АЧХ

АЧХ

У результаті досліджень установлено, що частота збудження коливань нерівностями прокату завжди менша найнижчої частоти власних коливань систем ІПП і ПО, що гарантує відсутність резонансу, який можливий при шліфуванні з обертанням прокату, а також – на частоті обертання круга. Виявлено і проаналізовано характер впливу на динамічну якість верстата його узагальнених конструктивних параметрів. Наприклад, як випливає із графіка, наведеного на рис. 12, для ОШВ, які реалізують обробку з обертанням заготовки, доцільна мінімізація маси шліфувальної бабки, що знижує амплітуду коливань. Графік, наведений на рис. 13, ілюструє доцільність конструктивного підвищення жорсткості системи ПО.

Досліджено динаміку основних приводів ОШВ: приводу головного рухуПГР) – обертання круга і приводу притиску абразивного круга (ППАК).

Входом у підсистему ПГР ОШВ є тангенціальна складова сили різання (див. рис. 10). Коливання цієї сили при діянні на систему ІПП нерівностей прокату, круга і його дисбалансу призводять до зміни навантаження на ПГР, а отже – до збуджування крутильних коливань елементів приводу, тобто – до коливань швидкості різання (див. рис. 10) і, як результат, – до змін глибини обробки. Передаточна функція динамічної системи ПГР, що є необхідною для розрахунку резонансних частот, визначається виразом:

. (23)

Амплітудно-фазова частотна характеристика (АФЧХ):

. (24)

Амплітудно-частотна характеристика:

. (25)

Передаточна функція спрощеної моделі:

, (26)

де: Мо – момент опору, прикладений до ротору двигуна; Кст  – статичний коефіцієнт підсилення; Т=1/спр. – постійна часу, що характеризує інерційність електродвигуна; спр. – спряжувана частота, ТЕ=1/о  – електромагнітна постійна часу двигуна; о – частота електромережі; Мк  – критичний момент двигуна; Рп  – число пар полюсів; Iр  – момент інерції ротору; – кругова частота ротору; Р(), Q() – дійсна й уявна частини рівняння (24).

Установлена неможливість появи резонансу в результаті низькочастотного діяння нерівностей прокату. Дослідження показали доцільність використання при оптимізації динамічних характеристик ПГР одномасової моделі. При цьому, розрахунок оптимальних параметрів ДС ОШВ, призначених для обробки з максимальним рівнем зусиль притиску круга 1,01,6 кН і маючих потужність електродвигуна ПГР 713,5 кВт (верстати для зачищення мілкосортного прокату), може виконуватися з достатнім ступенем точності без урахування впливу динамічних властивостей ПГР на динамічну якість ОШВ.

Найбільш складним елементом типового рішення електрогідравлічного ППАК є клапан тиску, математична динамічна модель якого (27) являє собою систему диференціальних рівнянь (витрат масла в гідросистемі і рівноваги золотника), лінеаризовану відносно точки статичної рівноваги:

, (27)

де: Qк – витрата масла; Vо – об’єм масла в трубопроводах; B – модуль об'ємної пружності масла; f3 – площа торців золотника;

; ;

3 – коефіцієнт витрати золотника; dз, P10, xз  – діаметр, тиск і зсув золотника;  – динамічна в'язкість масла; li, di  – довжина та діаметр перерізу i-го каналу; m, c  – маса і жорсткість пружини золотника.

Після перетворень Лапласа:

, (28)

, (29)

де: ; Tук=fз/kQxз – постійна часу напірної лінії керуючого каналу; kxзр =fз/С  – коефіцієнт передачі; Tкл=(m/c)1/2 – постійна часу;  – коефіцієнт відносного демпфірування каналу.

У результаті моделювання решти елементів приводу, дослідження впливу його параметрів на ДС ОШВ виявлена домінуюча в динамічному відношенні конструктивна характеристика ППАК – сила тертя в гідроциліндрі, що при проектуванні приводу підлягає мінімізації.

Викладення результатів досліджень динаміки ОШВ показало, що стратегія визначення оптимальних параметрів їх динамічних систем полягає в рішенні двох основних задач: запобігання резонансу в зміні глибини шліфування при збуджуванні коливань радіальним биттям круга і його дисбалансом; забезпечення значень амплітуди зміни глибини шліфування, менше допустимої технологічним регламентом процесу величини при збуджуванні коливань кривизною оброблюваного прокату.

Аналіз досліджень динаміки ОШВ завершується запропонованим підходом до розрахунку і аналізу критерію динамічної стійкості і вибору оптимальних параметрів динамічної системи верстата.

Розділ 4 охоплює дослідження компонетики і надійності ОШВ, створення методологічної бази їх оптимального проектування. Виходячи з названого вище основного методологічного принципу підходу до оптимального проектування процесів, обладнання та інструменту обдирного шліфування, запропонована концепція оптимального проектування ОШВ. В основу концепції покладене висунуте наукове положення, згідно з яким при забезпеченні відповідності структури видової класифікації ОШВ – типажу структурі виробництва металопродукції, оброблюваної обдирним шліфуванням, базовою галуззю застосування ОШВ – чорною металургією, технологічне, компоновочне і конструктивне рішення ОШВ, характеристика його модульної і динамічної систем, експлуатаційні можливості визначаються місцем верстата в типажі, а отже – технологічним призначенням і характеристикою процесу, що реалізує верстат.

Виконано аналіз тенденцій удосконалювання технічних рішень ОШВ, систематизовані і проаналізовані їхні технологічні та конструктивні особливості, у тому числі верстатів, розроблених у цій роботі, як виду обладнання металургійного призначення. Дослідження дали підставу зробити висновок про виправданість прийнятого в роботі комплексу підходів до створення технологічних, динамічних і компоновочних рішень верстатів нових поколінь. Приклад компоновочного рішення ОШВ для суцільного зачищення шестигранного прокату діаметром 3060 мм показаний на рис. 14.

На підставі виконаних досліджень запропоновано новий напрямок створення ОШВ – верстати, що поєднують компоновочні і конструктивні властивості спеціалізованого обладнання з технологічними можливостями обладнання універсального.

Рис. 14. Обдирно-шліфувальна лінія 33Ш30-60С-60:

1, 2 – механізми завантаження й вивантаження заготовок; 3 – шліфувальні комплекси;

4 – кантователі; 5 – механізми осьової подачі заготовок; 6 – пульт керування

Розроблений згідно з зазначенним вище методологічним підходом і затверджений новий типаж ОШВ ґрунтується на вироблених визначеннях і формулюваннях.

Виконано комплекс досліджень і розроблено основи компонетики ОШВ. Через технологічну та конструктивну специфіку, компонування ОШВ являє собою взаємопов’язаний, незмінний, у цілому, комплекс механізмів, які, у найбільш прийнятному для практики варіанті, є модулями. Розроблені загальні положення, які характеризують модульну систему і компоновочне рішення верстата, зокрема, структурна формула компонування ОШВ визначена як формалізована характеристика компонування, що ілюструє склад і структуру модульної системи верстата, придатна для кількісної оцінки якості компонування та його синтезу.

Виходячи з основного положення концепції оптимального проектування верстатів, компоновочне рішення ОШВ – його внутрішня будова – визначається місцем у видовій класифікації верстатів – типажі, тобто технологічним призначенням – зовнішньою характеристикою. Тому загальний вигляд структурної формули компонування запропонований таким, що складається з двох тотожних частин, одна із яких відбиває технологічне призначення верстата – інформаційна частина, а друга – внутрішню будову – характеристична частина:

Характеристична частина

конструктивний технологічний

модуль кореня модуль кореня

Інформаційна частина

33Кр45-130В-60(Б) = , (30)

Атрибути