Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Євтухов Артем Віталійович

УДК 621.923

Підвищення ефективності технології

Круглого зовнішнього врізного шліфування шляхом вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрах “Технологія машинобудування, верстати та інструменти” Сумського державного університету і “Технологія машинобудування та металорізальні верстати” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор

Сизий Юрій Анатолійович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут” (м. Харків),

професор кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Верезуб Микола Володимирович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут” (м. Харків),

професор кафедри інтегрованих технологій

машинобудування ім. М.Ф. Семка;

кандидат технічних наук, доцент

Краснощок Юрій Степанович,

Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка

(м. Харків),

доцент кафедри технології матеріалів.

Захист відбудеться 28 травня 2008 р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д64.050.12 у Національному технічному

університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м._Харків, вул. Фрунзе, 21.

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

Автореферат розісланий 28 квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пермяков О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Умови ринкової економіки потребують від вітчизняного машинобудування підвищення параметрів надійності й довговічності машин. Одним із основних факторів, що забезпечує надійність і довговічність деталей машин, є якість поверхні, яка характеризується шорсткістю, хвилястістю й фізико-механічними властивостями поверхневого шару. Зазначені параметри формуються на чистових етапах обробки деталей, в той самий час одним із основних способів чистової обробки деталей машин є процес шліфування, при якому досягаються висока точність форми і розмірів деталей, низька шорсткість оброблених поверхонь, що визначає їх зносостійкість, експлуатаційну надійність і, як наслідок, якість машини в цілому.

При загальній тенденції в машинобудуванні до зменшення питомої ваги механічної обробки, а також у результаті усе більш широкого застосування високолегованих сталей і сплавів, обробка яких різанням утруднена, зростає обсяг застосування методів абразивно-алмазного шліфування, з яких у цей час 25-35% становлять операції круглого зовнішнього шліфування. При цьому кругле зовнішнє врізне шліфування (КЗВШ) є одним із найпоширеніших процесів, що використовуються на чистовому етапі обробки, наприклад, валів (ступінчастих, колінчастих, розподільних), тому його дослідження є досить актуальним.

При всій вивченості процесу круглого врізного шліфування можливості його дослідження далеко не вичерпані, особливо з огляду на створення сучасних пакетів прикладних програм типу “VisSim”, “MatLAB”, “CC”, призначених для дослідження й моделювання динамічних систем. Зокрема, це стосується досліджень із імітацією формування макрогеометричних показників шліфованої поверхні, таких, як відхилення від круглості, хвилястість тощо. Найважливішим аспектом таких досліджень є можливість спостереження перехідних процесів у циклі врізного шліфування й динамічних явищ, які супроводжують ці процеси, що дозволяє виявити умови усунення або зменшення негативного впливу їх на якість обробленої поверхні. Крім того, можливість імітаційного моделювання всього робочого циклу шліфування дозволить знайти аналітичні рішення розрахунку всіх його етапів, вибору оптимальної структури та параметрів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з науковим напрямком досліджень кафедр «Технологія машинобудування та металорізальні верстати» НТУ «ХПІ» і «Технологія машинобудування, верстати та інструменти» СумДУ щодо підвищення ефективності процесів механічної обробки (тема науково-дослідної роботи «Дослідження процесу круглого врізного шліфування», номер державної реєстрації 0106U013014). Робота виконувалася відповідно до договору про науково-технічне співробітництво кафедри «Технологія машинобудування» СумДУ та ВАТ «Сумський завод «Насосенергомаш», де здобувач був вико-навцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технології КЗВШ шляхом вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу з урахуванням динамічних явищ, які супроводжують процес обробки.

Для досягнення зазначеної мети роботи потрібно вирішити такі задачі:

1. Розробити динамічну модель КЗВШ із урахуванням підсистеми привода обертання деталі для виявлення закономірностей між умовами обробки, коливальними явищами в технологічній системі й геометричними показниками якості поверхні деталі.

2. Розробити модель перехідних етапів на основі розрахунку глибини шліфування для оцінки тривалості окремих фаз та усього робочого циклу КЗВШ.

3. Виявити узагальнений показник жорсткості замкнутої технологічної системи (ТС) «верстат-деталь-процес шліфування» і розробити методику його експериментального визначення.

4. Розробити алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ і методики визначення обмежень, пов'язаних із забезпеченням заданої якості оброблюваної поверхні й найбільшої продуктивності процесу обробки.

5. Виконати експериментальну перевірку розроблених моделей.

6. Розробити програмне забезпечення й підходи практичної реалізації представлених методик.

Об’єкт дослідження – технологічний процес КЗВШ.

Предмет дослідження – закономірності формування похибки геометричної форми поверхні при КЗВШ і умови вибору раціональної структури та параметрів його робочого циклу.

Методи дослідження. Результати роботи отримані на основі теоретичних і експериментальних досліджень. Теоретичні дослідження базуються на наукових основах теорії шліфування, теорії автоматичного управління, динаміки верстатів. Адекватність теоретичних моделей і результатів моделювання перевірена експериментально в лабораторних умовах. Експериментальні дослідження проведені на основі сучасних методик. Розрахунки й математичне моделювання проводилися на ЕОМ із застосуванням пакета математичного аналізу MathCAD, аналіз динамічної системи врізного шліфування методами ТАУ проводився із застосуванням пакетів СС й MatLAB, імітаційне моделювання динамічної системи проводилося в пакеті VisSim.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на основі теоретичних та експериментальних досліджень щодо підвищення ефективності технології круглого зовнішнього врізного шліфування отримано таке:

1) розроблено динамічну модель системи врізного шліфування, у якій одночасно враховані радіальна й крутильна схеми коливань та яка відрізняється від відомих тим, що за одну з узагальнених координат системи взято відхилення глибини шліфування від статичної рівноваги із вхідним впливом у вигляді некруглості заготовки;

2) визначено умови усунення зростання амплітуди хвиль на поверхні деталі, що мають місце при шліфуванні “по сліду”, формованому власними коливаннями системи, які полягають у зменшенні швидкості обертання виробу в 2,5-3 рази при переході до постійного контакту між кругом та заготовкою, що забезпечує підвищення якості оброблюваної поверхні, та які отримані в результаті модельного експерименту на основі зазначеної в п. 1 наукової новизни динамічної моделі системи врізного шліфування;

3) виявлено фізичний та математичний взаємозв’язок між елементами динамічної системи врізного шліфування, що дозволило отримати оригінальні математичні залежності для розрахунку глибини шліфування на всіх етапах робочого циклу і використати їх як основу вибору його раціональної структури та параметрів;

4) уперше запропоновано жорсткість замкненої ТС «верстат-деталь-процес шліфування» характеризувати єдиним числовим показником q, функцією якого є глибина шліфування, який враховує різальну спроможність шліфувального круга й жорсткість ТС верстата та може бути визначений експериментально на основі розв’язання оригінального трансцендентного рівняння, яке пов’язує зазначений показник q із умовами обробки і дозволяє проектувати робочий цикл врізного шліфування із високою точністю.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі модельного експерименту запропоновано новий спосіб круглого врізного шліфування деталей, що дозволило усунути негативне явище зростання амплітуди хвиль на поверхні деталі при шліфуванні “по сліду”. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено автоматизовану систему розрахунку режимів різання і норм часу для КЗВШ, розроблено інженерну методику визначення узагальненого показника жорсткості замкнутої ТС «верстат-деталь-процес шліфування», що дозволяє враховувати пружні властивості конкретної ТС й умови шліфування найбільш повно та робити розрахунок робочого циклу КЗВШ із високою точністю. Запропонований спосіб круглого врізного шліфування деталей впроваджено в основне виробництво на ВАТ «Сумський завод «Насосенергомаш». До використання на етапі технологічної підготовки виробництва рекомендовано спроектовану автоматизовану систему розрахунку режимів різання і норм часу для КЗВШ. Результати роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Технологія машинобудування, верстати та інструменти” Сумського державного університету.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку на науково-технічних семінарах кафедр «Технологія машинобудування та металорізальні верстати» НТУ «ХПІ», «Технологія машинобудування, верстати та інструменти» СумДУ, на 7-й Міжнародній науково-технічній конференції «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве» (2003 р., м._Харків), 7-й Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво» (2007 р., м. Одеса).

У повному обсязі дисертація доповідалася на науковому семінарі кафедри «Технологія машинобудування та металорізальні верстати» НТУ «ХПІ» (2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 робіт, серед яких 9 статей у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАКом України та 1 деклараційний патент на спосіб круглого врізного шліфування деталей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури із 116 найменувань, 172 сторінок машинописного тексту, 44 рисунків, 7 таблиць і 3 додатків. Загальний обсяг роботи становить 194 сторінки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і завдання дослідження, визначені його наукова новизна й практична цінність.

У першому розділі подано літературний огляд з питань дослідження та визначені задачі дослідження.

У процесі врізного шліфування формуються такі якісні показники поверхні деталі, як точність розміру, шорсткість, похибка форми, а також фізико-механічний стан поверхневого шару. У розділі наведений огляд існуючих теорій й експериментальних залежностей, що встановлюють взаємозв'язок між умовами шліфування, характеристикою круга і якісними показниками поверхні такими дослідниками, як Грабченко А.І., Корчак С.М., Лур’є Г.Б., Маслов Є.Н., Новосьолов Ю.К., Узунян М.Д., Філімонов Л.М., Якимов О.В.

Огляд праць Корчака С.М., Марчука В.І., Михелькевича_В.М., Філімонова Л.М., Ушакова О.М. дозволяє визначити залежність рівня шорсткості поверхні від радіальної сили різання Ру.

Розглянуті застосовувані на практиці структури робочих циклів шліфування, їхні основні закономірності, питання вибору оптимального циклу з урахуванням умов обробки й заданої якості поверхні деталі (Лур’є Г.Б., Михелькевич В.М., Петраков Ю.В., Прилуцький В.О.). Треба відзначити, що здебільшого основним регулюючим параметром робочого циклу є врізна подача. Управління таким параметром, як швидкість обертання виробу, практично не використовується. У той же час, у працях, наприклад, Прилуцького_В.О. зазначаються широкі можливості керування геометричною точністю поверхонь через керування швидкістю обертання виробу. Також необхідно відзначити, що існуюча нормативна література практично не враховує перехідні етапи робочого циклу шліфування, розрахунок яких є доволі складним. Динамічні явища, що мають місце при перехідних етапах, є недостатньо вивченими.

Виконано огляд робіт щодо розробки теорії теплових явищ, визначення умов виникнення поверхневих дефектів та управління якістю поверхневого шару (Сизий Ю.А., Сипайлов В.А., Степанов М.С., Резніков А.Н.).

Подано огляд існуючих досліджень в сфері динаміки круглошліфувальних верстатів. Це роботи Братана С.М., Кудінова В.О., Петракова Ю.В., Ушакова О.М., Якимова О.В., Malkin S._ та ін. Ряд дослідників висловлюють думку про те, що коливання, викликані дебалансом шліфувального круга, роблять найбільший вплив на динаміку шліфування, особливо при використанні кругів великого діаметра. Разом з тим на вихідну некруглість поверхні заготовки, як джерело збудження коливань, звертають недостатню увагу. Виконані дослідження динаміки КЗВШ недостатньо використовують можливості імітаційного моделювання, яке дозволяє відстежувати формування макропрофілю оброблюваної поверхні упродовж усього циклу шліфування.

У другому розділі подано теоретичне дослідження з питань дисертації, яке пов’язано із виявленням закономірностей між умовами обробки, коливальними явищами в технологічній системі й геометричними показниками якості поверхні деталі. Розроблено динамічну модель КЗВШ із урахуванням підсистеми привода обертання деталі. В основу моделі покладена 3-масова приведена модель круглошліфувального верстата, яка відрізняється від відомих моделей наявністю як однієї з узагальнених координат глибини шліфування х2 та вихідної некруглості (висоти виступу заготовки, що набігає на круг dh), яка є зовнішнім впливом. Процес шліфування (різання) як окремий елемент динамічної моделі КЗВШ імітується коефіцієнтом Ср, що характеризує різальну спроможність шліфувального круга – із лінеаризованої залежності нормальної складової сили різання від глибини шліфування Ру = Срх2.

На рис. 1 подано схему динамічної моделі круглошліфувального верстата, що враховує радіальні переміщення зведених мас ТС (m1, m2, m3 – маси деталі, шліфувального круга та шліфувальної бабки відповідно; с1 – жорсткість системи «деталь-центри», що враховує жорсткості передньої та задньої бабок; с2 – жорсткість підшипника ковзання в опорах шпинделя; с3 – жорсткість механізму врізної подачі; b1, b2, b3 – демпфери зазначених систем. Узагальненими координатами, крім зазначеної х2, взяті: х1 – переміщення маси m1; x3 – переміщення маси m3. Подана модель дозволяє розрахувати пружне переміщення шліфувального круга L під впливом збільшення профілю деталі dh, що має місце при його некруглому перерізі (похибка форми у вигляді овальності, огранювання й т.п.). Таким чином, як переважаюче джерело змушених коливань у даній моделі використовується «нерівна» поверхня оброблюваної деталі, а не відцентрові сили, викликані нерівноваженістю круга.

Математична модель динамічної системи КЗВШ з урахуванням радіальних коливань наведена у вигляді системи диференціальних рівнянь:

На основі математичної моделі в пакеті VisSim розроблено імітаційну модель динамічної системи верстата та процесу шліфування. З метою аналізу впливу крутильних коливань виробу на формування макрорельєфу оброблюваної поверхні, на додаток до зазначеної моделі системи врізного шліфування, було розроблено імітаційну модель динамічної системи привода обертання заготовки. Було висловлено гіпотезу про те, що при переході на меншу частоту обертання заготовки інерційність привода буде достатньою для плавної зміни кутової швидкості виробу та відсутності збудження власних коливань системи. Узагальнену структурну схему зазначеної моделі із урахуванням підсистеми привода обертання заготовки показано на рис. 2.

На рис. 2 показано, що вхідним сигналом у систему “процес шліфування-верстат” є висота виступу деталі, що набігає на круг dhi на i-му оберті деталі. Зазначена система перетворює цей сигнал у пружну деформацію верстата di. При цьому висота виступу dhi формується відніманням від профілю деталі після її шліфування на попередньому оберті Ri-1 переміщення шліфувальної бабки (Rs - St) без урахування пружних деформацій. Таким чином, профіль Ri-1 є вихідним для i-го оберту. При відніманні із Ri глибини шліфування х2i отримуємо поточне значення розгорнення профілю на i-му оберті (Ri_-_x2i). Зазначений профіль упродовж часу оберту Т запам’ятовується та затримується блоком затримки, а на виході подає профіль деталі після обробки на попередньому оберті.

Взаємодія системи “верстат-процес шліфування” із підсистемами привода обертання заготовки реалізується через сигнали Ру, що надходять до зазначеної підсистеми у вигляді моменту різання, та зворотного сигналу у вигляді кругової частоти обертання виробу 6. Зв’язок привода із підсистемою електродвигуна здійснюється через момент опору Мс та кругову частоту обертання якоря електродвигуна 1, керування якою здійснюється через напругу U, що подається на обмотку якоря.

Усебічному аналізу піддався початковий етап циклу шліфування - врізання, що передує сталому процесу обробки і характеризується переривчастим контактом круга з поверхнею деталі.

На рис. 3 показані сигнали моделі процесу врізного шліфування, які демонструють зародження хвилястості на поверхні деталі та її усунення. На рис. 3 по осі ординат позначений радіус оброблюваної заготовки R з похибкою форми R - некруглість поверхні (вихідне значення R = 30 мкм). По осі абсцис позначений час обробки (у секундах). При моделюванні використовувалися параметри динамічної системи КЗВШ для верстата 3М151, що були отримані експериментально у лабораторії верстатобудівного заводу ім._С.В._Косіора (м._Харків) (за Ушаковим О.М.): m1 = 6,6 кг; m2 = 50_кг; m3_= 500 кг; b1 = 882_Нс/м; b2_=_20257_Нс/м; b3 = 25000 Нс/м; с1 = =_3,59107 Н/м; с2 =_9108 Н/м; с3_=_3,86108 Н/м.

Лінія 1 (див. рис. 3) імітує розгорнення поверхні деталі, з якою остання підходить до круга на відповідному оберті (поверхня “до обробки”). Лінія 3 - розгорнення поверхні деталі після шліфування на відповідному оберті заготовки (поверхня “після обробки”). Різниця між лініями 1 та 3 показує величину глибини шліфування х2. Лінія 2 - це траєкторія переміщення кола із шліфувальною бабкою в радіальному напрямку до поверхні деталі без урахування пружних деформацій механізму подачі. Для даного приклада значення радіальної подачі дорівнює 7 мкм/с.

Перший дотик круга поверхні деталі відбувається в точці А (див. рис. 3). При абсолютно жорсткій пружній системі верстата зняття металу з виступу на поверхні заготовки повинне було відбутися точно по лінії 2. Однак завдяки пружним деформаціям усіх вузлів верстата, що враховано в його моделі, зняття металу відбувається по лінії 3. Те саме відбувається й на наступних обертах виробу.

Аналіз рис. 3 показав, що при першому ж дотику круга поверхні деталі (точка А) збуджуються власні коливання деталі. На першому оберті деталі зазначені коливання досить малі, однак приводять до коливань глибини шліфування й утворюють хвилі на поверхні деталі. При зустрічі круга з оброблюваною поверхнею (уже хвилястою) на наступному оберті заготовки сила різання починає змінюватися із частотою хвиль на поверхні деталі, тобто частотою власних коливань деталі - має місце явище резонансу, амплітуда коливань із кожним обертом зростає. Відбувається так зване шліфування «по сліду», утвореному на попередньому оберті заготовки. На рис. 3 показано збільшення амплітуди коливань від оберту до оберту заготовки (див. ділянки В - для 4-го оберту, С - для 5-го оберту).

З метою запобігання шліфуванню «по сліду» та якнайшвидшому усуненню небажаних вібрацій пропонується робити зміну частоти обертання заготовки, зменшуючи її в 2,5-3 рази в момент після утворення безперервного контакту між кругом та оброблюваною поверхнею (точка G).

На рис. 3 бачимо, що період оберту заготовки з 1-го по 5-й дорівнює 0,7_с, для 6-го, 7-го - 2,1 с. Також бачимо, що після зміни частоти обертання заготовки відбувається значне зменшення рівня вібрацій на оброблюваній поверхні (ділянки Е - для 6-го й F - для 7-го обертів).

Таким чином, спосіб врізного шліфування з урахуванням зазначеного полягає в наданні шліфувальному кругу й деталі обертового руху, врізанні круга в радіальному напрямку до оброблюваної поверхні та зменшенні частоти обертання виробу в момент часу, що передує виникненню безперервного контакту круга з деталлю в 2,5-3 рази. Момент виникнення безперервного контакту круга з деталлю може бути визначений аналітично та практично, спостереженням процесу шліфування (деклараційний патент України 50182А).

Дослідження розробленої моделі динамічної системи КЗВШ на етапі врізання дозволило надати алгоритм управління швидкістю обертання деталі, що сприяє стабілізації процесу обробки і, як наслідок, – підвищенню продуктивності обробки, а також дає змогу прогнозувати геометричні параметри оброблюваної поверхні в кінці етапу врізання.

Аналіз моделі динамічної системи КЗВШ із застосуванням методів ТАУ дозволив виявити основні взаємозв’язки між окремими елементами ТС та безпосередньо процесом шліфування.

Так, основними елементами розглянутої динамічної системи є процес шліфування (передатна ланка W3), заготовка (W1), шліфувальний круг на шпинделі верстата й шліфувальна бабка (W2). Таким чином, система ланок (W1_+_W2) визначає пружну систему верстата, вхідним сигналом до якої є радіальна складова сили різання Ру, а вихідним (через суматор 2) - деформація пружної системи d. Через зворотний зв'язок поточне значення деформації пружної системи верстата d передається на суматор 1 (див. рис. 2), де віднімається від сигналу, який описує висоту виступу dh заготовки, що набігає на круг у процесі шліфування. При цьому сигнал dh є вхідним сигналом для динамічної системи врізного шліфування в цілому. Сигнал, що виходить із суматора 1, визначає глибину шліфування х2, яка одночасно є вхідним сигналом до ланки W3 (процес шліфування).

Таким чином, зазначені елементи моделі характеризуються відповідними передатними функціями W1(p) = x1(p)/Py(p), W2(p) = L(p)/Py(p) та W3(p) = =_Py(p)/x2(p) = Cp.

Відповідно до моделі процесу різання Ру = Ср х2 передатна функція процесу різання W3(p) як відношення зображення сили різання Ру(р) до глибини шліфування х2(р) визначається коефіцієнтом Ср з лінеаризованої залежності нормальної складової сили різання від глибини шліфування і може бути отримана з емпіричного рівняння для умов КЗВШ.

З лінеаризованої щодо глибини шліфування х2 емпіричної залежності радіальної складової сили шліфування (за М.С. Степановим, Л.В. Ходаковим), яка отримана для умов шліфування при швидкості різання 50_м/с та враховує матеріал оброблюваної заготовки t – запас міцності матеріалу заготовки при високих температурах (600С), кгс/мм2; параметри шліфувального круга: Н – коефіцієнт, який характеризує твердість, Z – зернистість; режими шліфування: Vp – швидкість врізної подачі, мм/хв; S – кругова швидкість оберту заготовки, м/хв; режими правки круга: Spr – поздовжня швидкість правки, мм/хв; tpr – глибина правки, мм, можна визначити коефіцієнт

Таким чином, коефіцієнт Ср є сталою для обраних умов обробки величиною. Для шліфування шийки вала із загартованої сталі 40 (t = 22 кгс/мм2) шириною В = 30 мм і діаметром d = 65 мм кругом із характеристикою 24А16НСМ1К (Н = 1,38, Z = 16, Spr = 150 мм/хв, tpr = 0,01 мм) маємо Ср = =_3,896107 Н/м.

Передатна функція пружної системи верстата відповідно до структурної схеми (рис. 2) має вигляд W(p) = d(p)/Py(p) = W1(p) + W2(p) і визначає податливість верстата e = d/Ру. Якщо розглядати вхідний сигнал Ру() як гармонійну функцію з амплітудою Ру і якоюсь частотою , а вихідний сигнал – це деформація d(), то АЧХ системи d()/Py() буде визначати її динамічну податливість e(). Так, аналіз зазначеної АЧХ дозволив виявити три резонанси, що відповідають власним частотам парціальних систем шліфувальної бабки (878 рад/с), деталі (2323 рад/с) та круга (4242 рад/с), і які можуть бути розраховані за відомою залежністю .

Аналіз замкненої динамічної системи врізного шліфування з урахуванням ланки процесу різання показав наступне. Вхідним сигналом у систему є висота виступу деталі, що набігає на круг dh(), а вихідним - деформація пружної системи верстата d(). Таким чином, АЧХ цієї системи A()_=_d()/dh() являє собою величину, що визначає “недошліфовану” частку виступу dh за рахунок деформації пружної системи верстата. Чим більша ця частка, тим менш ефективно йде виправлення похибки форми деталі в процесі шліфування. Зазначена система являє собою замкнену динамічну систему з одиничним від’ємним зворотним зв'язком (див. рис. 3), а її передатна функція запишеться таким чином: .

Тоді для статичного характеру навантаження динамічної системи маємо d/dh_=_Cp/(js+Cp), де js – є статичною жорсткістю верстата.

Так, для вищезазначених умов шліфування при Ср = 3,896107 Н/м, js = =_3,169107 Н/м – d/dh = 0,551. Таким чином, 0,551 від висоти виступу, що набігає на круг, становить величина пружної деформації верстата.

АЧХ замкненої динамічної системи КЗВШ А() за формою є дуже подібною до характеристики пружної системи верстата e(). Так, перші й треті резонансні частоти в них однакові, а другі (по деталі) - різні. Така різниця пояснюється тим, що деталь у динамічній системі КЗВШ приєднана до станини «пружиною» с1, а до круга - «пружиною» Ср, що моделює процес шліфування, тому власна частота навантаженої системи деталі має бути розрахована у такий спосіб: = 3368 рад/с.

Так, частота власних коливань деталі, що визначена без урахування процесу шліфування, не є її дійсною частотою коливання в процесі обробки, а ефективність усунення похибки форми заготовки в процесі шліфування визначається як податливістю верстата, так і коефіцієнтом Сp.

У третьому розділі розглянуто теоретичний розрахунок глибини шліфування, яка є основною характеристикою, що визначає раціональну структуру та параметри робочого циклу КЗВШ. Встановлений між елементами динамічної моделі КЗВШ (див. рис. 2) взаємозв’язок дозволив отримати алгоритм та математичні залежності (дискретні та неперервні) для теоретичного розрахунку глибини шліфування на усіх фазах робочого циклу.

Так, зазначений алгоритм розрахунку глибини шліфування х2i для i-го оберту заготовки є таким:

1 – обчислюється висота виступу заготовки, що набігає на круг, ;

2 – обчислюється деформація верстата ;

3 – визначається різниця між висотою виступу заготовки й деформацією ТС ;

4 – отриманий вираз розв’язується щодо х2i.

Розрахунок глибини шліфування х2i для перших 3-х обертів заготовки на етапі врізання відповідно до зазначеного алгоритму наведений у табл._1 та дозволяє виявити загальну закономірність у виразах х2i. Так, у всіх значеннях глибини шліфування х2 1, х2 2, х2 3 (див. 5 стовпчик табл. 1) є однаковий співмножник . Інший співмножник має явно виражену закономірність щодо номера оберту заготовки i. Тому для якогось n-го оберту маємо: . Тоді загальна формула для розрахунку х2i на етапі врізання на будь-якому n-му оберті заготовки буде такою: . Сума є убутною геометричною прогресією. Тоді маємо та

.

Таким чином, глибина шліфування із кожним обертом заготовки наближається до подачі на оберт Sо і через деякий час зрівнюється з нею (деформація пружної системи верстата стає такою, що забезпечує відповідне зусилля шліфування, натяг у пружній системі верстата та зумовлює сталий процес). Так, на етапі врізання глибина шліфування (або фактичне зняття металу) х2n для дискретної моделі становить

де So – номінальна подача на оберт заготовки; n – кількість обертів, що пройшли з початку обробки на зазначеному етапі.

Диференціація відношення , де Т є часом (або періодом) оберту заготовки, дозволяє перейти до неперервної моделі.

Таблиця 1

Розрахунок глибини шліфування на етапі врізання

Номер оберту заготовки i | Висота

виступу

заготовки dhi | Деформація

верстата di | Визначення різниці | Розв’язання виразу щодо

глибини шліфування х2i

1 | 2 | 3 | 4 | 5

1

2

3

Так, глибина шліфування х2 для неперервної моделі

де t – час, що пройшов з початку обробки на зазначеному етапі.

За аналогією з дискретною моделлю маємо .

За аналогією, для етапу виходжування без подачі за умови, що на етапі робочого циклу, який передує виходжуванню, було встановлено подачу So, маємо:

для дискретної моделі – ,

для неперервної моделі – .

Перехідний процес зі зменшенням номінальної подачі на оберт заготовки з So1 на So2 характеризується такими залежностями:

дискретна модель – ,

неперервна модель – .

Перехідний етап зі зменшенням частоти обертання виробу. За умови, що переходу на зменшену частоту обертання виробу із 1 на 2 передує деякий k-ий оберт деталі, та за умови, що після першого оберту із новою частотою 2 коефіцієнт Ср зміниться на Ср`, а подача на оберт із So1 на So2, маємо такі залежності:

дискретна модель – ,

неперервна модель – .

Підсумування (для дискретної моделі) та інтегрування (для неперервної моделі) глибин шліфування, що розраховуються за відповідними залежностями, також дозволяє обчислювати величини припусків, які знімаються упродовж зазначених перехідних етапів робочого циклу.

На основі аналізу отриманих залежностей виділене відношення Ср/(js_+_Cp), що є найважливішою характеристикою системи врізного шліфування. Чим більша жорсткість пружної системи верстата js і чим менше Ср, який характеризує різальну спроможність шліфувального круга, тим менше Ср/(js+Cp), тим продуктивніший процес шліфування і тим більша ефективність усунення похибки форми обробленої поверхні заготовки.

Розроблено методику експериментального визначення узагальненого показника жорсткості замкненої ТС «верстат-деталь-процес шліфування» q = =_Cp/(js + Cp) системи КЗВШ на основі розв’язання трансцендентного рівняння (1 - qn)/(1 - q) = (n - 1) – h / So.

У четвертому розділі виконано експериментальне дослідження КЗВШ із вимірюванням некруглості шліфованої поверхні на приладі для вимірювання круглості моделі 298 та отриманням спектрограм зазначених поверхонь. Аналіз зазначених спектрограм показав, що при використанні традиційного циклу врізного шліфування є помітна хвилястість поверхні на частоті власних коливань деталі в замкненій технологічній системі. Встановлено, що амплітуда зазначених коливань значно знижується при зменшенні частоти оберту деталі відповідно до запропонованого способу КЗВШ.

Відпрацьовано й експериментально реалізовано інженерну методику визначення узагальненого показника жорсткості q замкненої ТС «верстат-деталь-процес шліфування». Встановлено залежність зміни величини узагальненого показника жорсткості q від накопиченого часу роботи шліфувального круга, що пов’язано зі зміною його ріжучих властивостей по ходу циклу.

У п’ятому розділі виконано структурно-параметричний аналіз КЗВШ. Розроблено алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ, в основу якого покладені отримані в другому розділі математичні залежності для розрахунку глибини шліфування. Зазначений алгоритм передбачає обмеження по глибині дефектного шару, некруглості й шорсткості шліфованої поверхні. Критерієм оптимізації є мінімальний час робочого циклу КЗВШ

То(ni, Si, Pi, P, qi) = i min,

, H H, Ra Ra.

У зазначеній системі: То – основний час, тривалість робочого циклу шліфування; ni, Si – частота обертання заготовки та величина врізної подачі на i-му етапі робочого циклу відповідно; Рi – припуск, що знімається на i-му етапі робочого циклу; P – величина загального припуску «на шліфування»; qі – величина узагальненого показника жорсткості замкненої ТС “верстат-деталь-процес шліфування” на і-му етапі; i – тривалість окремих етапів робочого циклу КЗВШ; та , H та H, Ra та Ra - розрахункова та допустима величини допуску форми поверхні, дефектного шару, шорсткості поверхні відповідно.

Умовою виконання вимог з допуску форми оброблюваної поверхні заготовки є необхідність неперевищення фактичним значенням глибини шліфування х2 на заключному етапі робочого циклу КЗВШ допустимого значення некруглості поверхні деталі.

Математична модель температурного поля у поверхневому шарі оброблюваної заготовки (за Ю.А. Сизим, М.С. Степановим) дозволила розробити методику теплофізичного аналізу робочого циклу КЗВШ й встановити залежність величини дефектного шару від умов шліфування та умови бездефектного шліфування, які мають бути реалізовані на заключному етапі робочого циклу.

Літературний огляд дозволив виявити залежність шорсткості шліфованої поверхні від питомого значення нормальної складової сили шліфування, що дозволяє реалізувати у зазначеному алгоритмі обмеження по шорсткості поверхні.

У цілому алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ реалізується трьома етапами. Перший етап полягає в експериментальному визначенні узагальненого показника жорсткості q. Другий етап полягає у виборі вихідних даних, що описують фізико-механічні та теплові властивості матеріалу заготовки, характеристику шліфувального круга, режими правки круга та вимоги, що висунуті до оброблюваної поверхні деталі за кресленням. Третій етап реалізується програмно й полягає у виборі раціональної структури та визначенні параметрів робочого циклу КЗВШ на основі розрахунку тривалості окремих етапів і сумарного часу робочого циклу шліфування з урахуванням зазначених умов, що обмежують продуктивність шліфування.

Вибір раціональної структури передбачає вибір одного із трьох найбільш поширених на практиці варіантів робочого циклу шліфування. Цикл 1 вміщує етапи врізання, чорнове шліфування та виходжування. Цикл 2 вміщує етапи врізання, чорнового шліфування та чистового шліфування. При цьому між етапами чорнового та чистового шліфування передбачений перехідний етап, у ході якого відбувається зміна подачі шліфування. Цикл 3 вміщує етапи врізання, чорнового шліфування, перехідний етап, чистове шліфування та виходжування. Усі три цикли містять у собі також перехідні етапи, пов'язані з переходом на знижену частоту обертання виробу наприкінці етапу врізання, що дозволяє врахувати запропонований раніше спосіб КЗВШ.

При розрахунку циклу КЗВШ необхідно виходити з того, що при будь-якому із трьох поданих робочих циклів необхідної якості поверхні можна домогтися, вибираючи відповідні подачі на різних фазах циклу. Тому необхідно розрахувати параметри кожного циклу, що забезпечують якість поверхні з мінімальним часом, а потім, зрівнявши тривалості циклу для всіх трьох структур, вибрати ту структуру, на реалізацію якої витрачається найменше часу.

Розроблений алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ дозволив запропонувати рекомендації з керування режимами КЗВШ, що, у свою чергу, дозволяють забезпечити при заданих умовах найбільшу продуктивність при виконанні вимог до якості поверхонь деталей і прогнозувати технологічні показники робочого циклу вже на етапі підготовки виробництва.

На додаток в четвертому розділі розроблено підходи практичної реалізації робочого циклу КЗВШ, який враховує перехідний етап зі зменшенням частоти обертання виробу відповідно до запропонованого способу КЗВШ, для різних умов виробництва та з урахуванням можливості використання обладнання, яке відрізняється різним ступенем автоматизації.

Висновки

1. Розроблено динамічну модель системи круглого зовнішнього врізного шліфування, яка встановлює взаємозв'язки між умовами обробки, динамічними параметрами замкненої технологічної системи та дозволяє прогнозувати геометричну якість шліфованої поверхні деталі шляхом імітаційного моделювання.

2. Виявлено причини виникнення та характер зміни вібрацій у динамічній системі КЗВШ і на поверхні виробу, що дозволило розробити новий спосіб круглого врізного шліфування деталей, рекомендації з керування швидкістю врізної подачі та обертання виробу, які дозволяють вести обробку при припустимому рівні коливань і забезпечити необхідні геометричні параметри шліфованої поверхні.

3. Встановлено фізичний та математичний взаємозв’язок між окремими елементами замкненої динамічної системи врізного шліфування, на основі якого розроблено підхід, що дозволив отримати розрахункові залежності глибини шліфування, тривалості та припусків для всіх етапів робочого циклу в дискретній і неперервній формах.

4. Виявлено узагальнений показник жорсткості замкненої ТС КЗВШ, який характеризує різальну спроможність шліфувального круга й жорсткість ТС верстата, розроблено методику експериментального визначення його величини.

5. Експериментально підтверджено ефективність використання циклу із зміною частоти обертання виробу відповідно до запропонованого способу круглого врізного шліфування деталей. Зміна відносної частоти обертання виробу сприяє усуненню ефекту шліфування «по сліду», характерного для початкового етапу врізання, амплітуда коливань на частоті, близькій до власних коливань деталі в замкненій ТС, зменшується.

6. Експериментально отримано значення узагальненого показника жорсткості динамічної системи КЗВШ для конкретних умов обробки й залежність зміни його величини від накопиченого часу роботи шліфувального круга, що дозволяє врахувати пружні властивості конкретної ТС найбільш повно та зробити розрахунок робочого циклу КЗВШ із високою точністю із урахуванням зміни різальних властивостей шліфувального круга по ходу циклу.

7. Розроблено методику й алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ, що забезпечує максимальну продуктивність при досягненні необхідної якості поверхонь деталей на основі отриманих залежностей глибини шліфування й експериментально визначеного узагальненого показника жорсткості замкнутої ТС КЗВШ.

8. Розроблено підходи практичної реалізації робочого циклу КЗВШ, який враховує перехідний етап зі зменшенням частоти обертання виробу відповідно до запропонованого способу КЗВШ, для різних умов виробництва та з урахуванням можливості використання обладнання, яке відрізняється різним ступенем автоматизації.

9. Виробниче використання результатів дисертаційного дослідження пов'язане з передачею матеріалів і рекомендацій з управління робочим циклом КЗВШ на основі запропонованого способу круглого врізного шліфування деталей до ВАТ “Сумський завод “Насосенергомаш”, про що складений відповідний акт впровадження. Програмне забезпечення, що реалізує запропонований алгоритм вибору раціональної структури та параметрів робочого циклу КЗВШ, рекомендовано до використання на етапі технологічної підготовки виробництва та в навчальному процесі на кафедрах «Технологія машинобудування, верстати та інструменти» СумДУ й «Технологія машинобудування та металорізальні верстати» НТУ «ХПІ».

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Расчет глубины круглого врезного шлифования на основе его имитационной модели // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - 2001. - № 15. - С. 117-126.

Здобувач розробив математичні залежності.

2. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Моделирование и управление качеством поверхности при врезном шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах. - 2002. - Вып. 61. - С. 194-201.

Здобувач розробив імітаційну модель динамічної системи КЗВШ та запропонував спосіб круглого врізного шліфування.

3. Сизий Ю.А., Євтухов А.В. Моделювання системи врізного шліфування з приводом обертання заготовки // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - 2002. - № 19. - С. 112-119.

Здобувач розробив імітаційну модель приводу обертання заготовки, проаналізував результати моделювання.

4. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Некруглость детали, исправляемая и формируемая процессом круглого врезного шлифования // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - 2003. - № 16. - С. 88-93.

Здобувач запропонував методику аналізу формування некруглості деталі та зробив розрахунки.

5. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Статическая и динамическая характеристики технологической системы круглого врезного шлифования // Резание и инструмент в технологических системах. - 2003. - Вып. 64. - С. 185-192.

Здобувач провів аналіз динамічної системи КЗВШ, отримав передатні функції елементів системи, її амплітудно-частотні характеристики.

6. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Нормирование цикла круглого врезного шлифования // Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве». - Харьков: ХНПК «ФЭД», 2003. - С. 145-147.

Здобувач розробив розрахункову модель та зробив розрахунки.

7. Евтухов А.В. Влияние дисбаланса круга на глубину шлифования //_Високі технології в машинобудуванні. - 2004. - Вип. 2(9). - С. 81-84.

8. Сизий Ю.А., Євтухов А.В. Розрахунок основного часу круглого врізного шліфування // Вісник Сумського національного аграрного університету. - 2004. - № 11. - С. 82-90.

Здобувач